| На главную | Содержание учебника | Предыдущая <<<<<глава | Следующая глава>>>>> | Контрольные вопросы |
Головной частью электрических каналов 3В и звуковых каналов ТВ вещания являются тракты формирования программ (ТФП). Они предназначены для образования электрических сигналов, отображающих формируемые программы, и подачи их в последующие части электрического канала – тракты первичного и вторичного распределения программ 3В (ТПРП и ТВРП).
При формировании программ 3В сигналы, полученные от микрофонов и других источников, многократно преобразуются и видоизменяются. На входе и выходе канала сигнал присутствует в акустической (механической) форме, в самом канале в электрической форме – аналоговой или дискретной (цифровой). При магнитной записи изменения электрического напряжения сигнала превращаются в различные значения напряженности магнитного поля, распределенные вдоль магнитной ленты, т.е. временные изменения превращаются в пространственные, а при воспроизведении – снова во временные. При использовании механической фонограммы сигнал выражен в виде механической деформации канавки, при оптической – в виде различной прозрачности фотографического слоя или различной отражающей способности дорожки компакт-диска.
В электрическом канале сигнал подвергают множеству изменений:
его усиливают или ослабляют (изменяют его уровень), регулируют динамический диапазон D, спектр и временную структуру, смешивают с другими сигналами, смещают по частоте (транспонируют), превращают из аналоговой формы в дискретную и обратно, уменьшают или увеличивают длительность звучания. Эти изменения производят для достижения нескольких целей, главные из которых:
Эти задачи решают с помощью устройств, управляемых вручную и автоматически: регуляторов уровня и АЧХ, линий задержки, ревербераторов, устройств звуковых эффектов.
Рассмотрим подробнее изменения электрических сигналов, производимые с целью решения художественных задач. Известно, что в теории связи принято представлять сигнал в виде трехмерной (объемной) фигуры (рис. 11.1), причем по одной оси откладываются изменения величины сигнала (звукового давления, напряжения, уровня), определяющие динамический диапазон D, по второй – ширину спектра сигнала DF=Fmax-Fmin , по третьей – длительность звучания Dt=t2-t1. Тогда объем сигнала V=D*DF*Dt .Это представление относится и к вещательному сигналу с той лишь разницей, что объем последнего, по крайней мере, на три порядка превышает объем речевого сигнала при телефонной связи. Столь большая разница определяется тем, что в телефонии передается лишь смысловая (семантическая) информация, а в вещании главное место уделяется передаче художественной (эстетической) информации. Количественное различие объемов информации влечет за собой иные качественные решения в преобразовании вещательных сигналов, иные требования к параметрам каналов для их передачи. Преобразования сигнала 3В ведут по всем трем осям объемного изображения (см. рис. 11,1): изменяют уровни и динамический диапазон, спектр и временную структуру.
Уровни сигналов разных источников регулируют, чтобы создать желаемое соотношение (баланс) громкостей различных оркестровых групп, солирующих инструментов, певцов-солистов, получить в помещении слушателя задуманное расположение КИЗ. Одновременно решают и техническую задачу: весь диапазон уровней должен оказаться в пределах, установленных нормами и правилами технической эксплуатации (ПТЭ). Минимальные уровни сигнала 3В должны быть существенно (на 10....20 дБ) выше уровня помех канала, максимальные не должны превышать значения, при котором недопустимо возрастают нелинейные искажения, начинается перемодуляция передатчиков, а в магнитной записи появляется опасность копир-эффекта. Уменьшение уровня помех в каналах и трактах заставляет применять технические меры, удорожающие аппаратуру: улучшать фильтрацию питающих напряжений, использовать электронные элементы (транзисторы, интегральные микросхемы, лампы) с малым уровнем собственных шумов, увеличивать число уровней квантования в цифровых преобразователях, экранировать блоки и узлы аппаратуры и т.д.
Для уменьшения нелинейных искажений необходимо увеличивать запас по мощности усилительных и радиопередающих устройств (примерно на 6 дБ), вводить цепи, компенсирующие нелинейные искажения, применять ограничители с переменным предыскажением. В цифровых устройствах следует увеличивать число разрядов в кодовом слове отсчета ЗС, т.е. вводить запас уровней квантования, чтобы неискаженно передавать кратковременные пики уровней, которые могут вызвать перегрузку АЦП и, следовательно, создать заметные нелинейные искажения. Все перечисленные меры технически осуществимы, но удорожают аппаратуру.
Перечисленные обстоятельства приводят к необходимости уменьшать D сигналов, хотя это ухудшает художественное качество формируемых программ. Ввиду относительно высокого уровня перекрестных помех в аналоговых трактах первичного распределения программ 3В приходится прибегать к дальнейшему сжатию D сигналов на входе МКЗВ, а затем расширению на его выходе. Некоторые ограничения на D воспроизводимых сигналов накладывают условия домашнего прослушивания. Минимальные уровни Nc min должны превышать уровень акустических шумов Nш, проникающих в жилые комнаты, а максимальные уровни Nc max не должны создавать ощутимых помех в соседних квартирах. Если принять уровень акустических шумов в жилом помещении равным 40 дБ, минимально допустимый уровень сигнала 50 дБ, а максимально допустимый – 90 дБ, то получим, что D воспроизводимых сигналов должен составить примерно 40 дБ.
Примерный ход преобразования динамического диапазона ЗС в трактах формирования, а также первичного и вторичного распределения программ изображен на рис. 11.2. Здесь принято следующее обозначение динамических диапазонов: D1 – исходный; D2 – после ручного регулирования уровней; D3 – в аналоговых МКЗВ; D4 = D2 – на входе ТВРП и соответственно в ТПП.
Связь динамического диапазона сигнала с отношением сигнал/помеха (С/П) в децибелах и допусками D1 и D2, установленными с целью предотвращения перемодуляции редкими пиками уровня сигнала и заметности помех при небольших уровнях, выражается формулой D = 20lg(С/П) - (D1 +D2) и изображена на рис. 11.3. Следует лишь уточнить, что при слушании в домашних условиях средний уровень звукового давления меньше, чем при слушании той же программы в концертном зале. В силу свойств нашего слуха это приводит к относительной потере громкости звуков нижних и верхних частот, т.е. к сужению слышимого спектра звуков.
Наряду с преобразованиями динамического диапазона производят изменения спектра и временной структуры сигналов. С помощью регуляторов АЧХ и фильтров изменяют форму спектра сигналов, стремясь подчеркнуть тембровые особенности звучания певческих голосов и музыкальных инструментов, устраняют недостатки голоса исполнителя, исправляют амплитудно-частотные искажения, уменьшают влияние шумов при реставрации старых фонограмм.
Во многих трактах первичного и вторичного распределений программ 3В приходится идти на ограничение ширины полосы частот. При этом большое значение имеет правильный выбор соотношения граничных частот. При неправильном выборе нарушается баланс громкостей звуков нижних и верхних частот. В результате может оказаться, что аппаратура с более широкой полосой частот, например 200...10000 Гц, будет создавать худшее звучание, чем аппаратура с более узкой полосой частот, например 100...6000 Гц. Это обстоятельство нашло отражение в эмпирической рекомендации: произведение граничных частот полосы пропускания должно составлять примерно 450000...600000.
Изменяя временную последовательность сигналов, создают эффекты различной реверберации, эха, имитируют унисонное звучание при ведении мелодии одним инструментом или голосом, изменяют тональность звучания, регулируют длительность исполнения, чтобы ввести его в заданный временной промежуток. Временные преобразования сигналов в настоящее время чаще всего производят с помощью цифровых устройств эффектов.
Ученые, инженеры, творческие работники 3В продолжают поиск таких способов преобразования звуковых сигналов речи и музыки, при использовании которых достигается наилучший художественный результат, а параметры сигналов в наибольшей степени соответствуют свойствам каналов и трактов.
Различают оперативное и установочное регулирование уровней В первом случае оно осуществляется с помощью ручных регуляторов, управляемых звукорежиссером (или лицом, его заменяющим), а во втором – техническим персоналом аппаратных трактов первичного и вторичного распределений. Оперативное регулирование производят лишь в одной точке вещательного канала. При записи сигналов вещательной программы такой точкой является студийная аппаратная записи, а при непосредственном вещании из студии – вещательная аппаратная. В других точках вещательного канала ведут лишь установочное регулирование на измерительных (испытательных) сигналах, подаваемых в канал или тракт до начала сеансов вещания. Целью установочного регулирования является установление таких коэффициентов передачи устройств, при которых максимальные уровни сигнала в контрольных точках не будут превышать номинальных.
Обычно основой регулятора уровня РУ служит делитель напряжения (потенциометр)
или четырехполюсник с плавным или ступенчатым изменением затухания. Их включение
в тракт показано на рис. 11.4, а, б. Основой РУ с плавным изменением затухания
служит токопроводящий слой из графита, особой пластмассы или проволоки с большим
удельным сопротивлением, по которому скользит щетка (ползунок), выполненная
из бериллиевой бронзы, графита с добавкой фторопласта, серебра и других материалов,
способствующих образованию надежного контакта. Соприкасающиеся поверхности должны
хорошо сопротивляться истиранию и не обладать большой контактной разностью потенциалов.
Затухание делителя напряжения определяется соотношением сопротивлений R1 и R2:
а = 20lg(U1/U2) = 20lg[(R1+ R2)/ R2]. Преимущества регулируемых делителей –
плавность изменения затухания, простота. Главный недостаток – изменения входного
и выходного сопротивлений РУ при регулировании затухания, что нарушает режим
других сопряжении с РУ звеньев. Указанный недостаток отсутствует у регуляторов-четырехполюсников
Т-образного мостового, скрещенного или лестничного типов. Это свойство сохраняется,
если характеристическое сопротивление РУ согласовано со входным и выходным сопротивлениями
смежных с РУ звеньев. Реализовать законы изменения сопротивлений, входящих в
РУ, с помощью переменных резисторов невозможно, поэтому регуляторы-четырехполюсники
выполняют в виде наборов десятков постоянных резисторов и двух-трех многоконтактных
переключателей, управляемых общей ручкой. Чтобы скачки громкости были на пороге
слуховой заметности, шаг изменения затухания ступенчатого регулятора - четырехполюсника
не должен превышать 0,5...1,0 дБ. Лишь в области больших затуханий допустимо
его увеличивать до 3 дБ. Формулы для расчета элементов регуляторов-четырехполюсников
имеются в учебниках по теории электрических цепей,
поэтому здесь не приводятся. Максимальное затухание оперативных РУ составляет
не менее 60–80 дБ. Предусмотрено положение обрыва цепи (а = Ґ).
Надежность РУ с трущимися контактами, образованными щеткой и токопроводящим слоем или ползунком и штифтами-контактами, недостаточна. С течением времени, по мере износа появляются шорохи и трески, поэтому все чаще применяют регуляторы с косвенным ("бесконтактным") управлением (рис. 11.5). В них коэффициент передачи (или затухание) регулируемого звена (РЗ) изменяют, воздействуя управляющим напряжением Еу, световым потоком или магнитным полем. Соответственно РЗ выполняют в виде усилителя с переменным коэффициентом усиления, делителя напряжения с нелинейным элементом (полупроводниковым диодом, фотодиодом, оптроном – парой "фотодиод-светодиод" , полупроводниковым диодом, сопротивлением которого управляют, перемещая возле него постоянный магнит). Управляющее напряжение используется в аналоговой или цифровой форме. Одним Еу можно управлять одновременно коэффициентами передачи нескольких трактов пульта.
Особым видом ручных РУ является смесительный регулятор – кроссфейдер (от англ. слов cross – пересечение и fader – регулятор уровня). С помощью кроссфейдера совершают плавный переход от одного сигнала к другому (рис. 11.6,а,б). Этим регулятором управляют вручную или автоматически, по заранее установленной программе. В зависимости от желаемого результата длительность перехода изменяют от единиц миллисекунд до одной и нескольких секунд. Иногда кроссфейдер выполняют с косвенным управлением по схеме, показанной на рис. 11.5.
При формировании стереофонических сигналов используют РУ, называемые в зависимости от получаемого эффекта регулятором ширины базы (РШ), направления (РН) и панорамным (РП). Некоторые из них действуют совместно с суммарно-разностным преобразователем (СРП). С помощью этих регуляторов формируют желаемую звуковую картину (звуковую панораму) в помещении слушателя: расположение КИЗ, протяженность всего звучащего ансамбля и его отдельных групп по ширине базы, изменять стороны звуковой картины, т.е. инвертировать ее, перемещать КИЗ по базе. Эти эффекты достигаются чисто электрическим путем. Предварительно исходные сигналы Л и П с помощью СРП превращают в форму М = Л + П и S = Л - П.
Принцип действия СРП ясен из рис. 11.7. Пусть в какой-то момент полярность исходных сигналов Л и П такова, как обозначено на рис. 11.7. Токи сигналов Л и П на резисторах R2 и R4 совпадают по направлению, т.е. образуют сигнал М, а на резисторах R1 и R3– противоположны, т.е. образуют сигнал S. В таком виде стереофонические сигналы подаются на РШ и РН.
Рассмотрим действие РШ (рис. 11.8,а). Будем уменьшать напряжение сигнала S от максимального до нуля. При максимальном напряжении сигнала S звуковая картина будет простираться от левого громкоговорителя до правого. При S = 0 в результате действия СРП на выходе РШ получим: Л = П = М, и воспроизводимая картина стянется в точку, расположенную посередине между громкоговорителями.
Теперь рассмотрим действие РН (рис. 11.8,б). Для простоты и наглядности рассуждении положим, что сигнал S получается из сигнала М. Будем подмешивать сигнал М в тракт сигнала S, меняя его величину и знак в пределах М. При S = М имеем Л = М + М =: 2М, Л = М - М = О и звучит левый громкоговоритель. При S = О, Л = П = М и звук исходит из точки, расположенной посередине между громкоговорителями. При S = М сигналы Л = М + (–М) = О, П = М - (-М) = 2М и звучит правый громкоговоритель. Итак, при изменении в тракте сигнала S в пределах М в воспроизводимой картине КИЗ перемещается слева направо.
Регуляторы РШ и РН обычно объединяются в общую конструкцию, носящую немецкое название " richtungsmikscher " (рис. 11.9,а). Для обеспечения изменения полярности сигнала РН собирают по мостовой схеме в виде набора резисторов. Сдвоенные щетки перемещаются по контактам переключателя в пределах 360°. Резистор РШ в различной степени шунтирует вход S.
Совместное действие РН и РШ показано на рис. 11.9,б. В позиции 1 показана звуковая картина наибольшей ширины: сопротивление РШ максимально, щетки РН находятся в горизонтальном положении. По мере уменьшения сопротивления РШ протяженность звуковой картины сокращается (позиция 2, 3).Позиции 4-7 показывают действие РН при сопротивлении РШ, равном нулю. Щетки РН совершают полуоборот из вертикального положения. Позиции 8-12 изображают результат совместного действия РШ и РН. При переходе от позиции 8 к позиции 10 сопротивление РШ уменьшается до нуля и щетки РН из горизонтального положения переводятся в вертикальное. При дальнейшем перемещении щеток в позиции 11, 12 они снова приходят в горизонтальное положение, но меняются местами, а сопротивление РШ увеличивается до максимального. Звуковая картина при этом становится зеркально передаваемой.
Очень часто исходные сигналы в монофонической форме записывают на разные дорожки многодорожечного магнитофона, а затем звуковую панораму формируют, подмешивая эти сигналы в определенных соотношениях в каналы Л и П с помощью панорамного регулятора ПР (рис. 11.10). По мере перемещения щетки регулятора из позиции 1 в позицию 3 КИЗ смещается слева направо. Совместным действием нескольких ПР получают желаемое размещение КИЗ в звуковой картине.
Для изменения спектра ЗС путем регулирования АЧХ трактов используют различные устройства, создающие спады или подъемы АЧХ в области нижних и верхних частот или в ограниченных участках на средних частотах. К числу этих устройств относятся: регуляторы плавного подъема и спада АЧХ на нижних и верхних частотах, фильтры, резко ограничивающие полосу пропускания по нижним и верхним частотам, многополосные регуляторы АЧХ, называемые графическими корректорами или эквалайзерами (от англ. слова equaliser – корректор, выравниватель), фильтры " присутствия" (презенс - фильтры), вокалстрессор (от англ. слова stress, буквально – подчеркивать, выделять, ударять). При построении названных устройств обычно используют активные RC-цепи на операционных усилителях (ОУ).
Назначение и приемы использования регуляторов формы АЧХ разнообразны. Целями регулирования спектра являются: придание большей выразительности звучанию певческих голосов и музыкальных инструментов, уменьшение заметности некоторых недостатков речи (неприятного тембра, шепелявости, посвистывания), создание некоторого подобия певческой форманты, различных звуковых эффектов, например имитации звучания речи по телефону, по радио, через рупор, имитация акустической обстановки передаваемых сцен, получение новых, необычных тембров, исправление нарушений частотного баланса, возникающего при воспроизведении сигналов с повышенной или пониженной по сравнению с исходной громкостью, ослабление влияния помех (шумов) при реставрации старых фонограмм, записанных механическим, оптическим или магнитным способом, и при записи в неудовлетворительных акустических условиях.
Регуляторы АЧХ часто называют частотными корректорами. Но для исправления АЧХ они используются очень редко. Амплитудно-частотные характеристики звукорежиссерских пультов, профессиональных микрофонов и магнитофонов столь хороши, что не нуждаются в корректировании. Чаще всего перечисленные устройства используют для сознательного отклонения АЧХ от горизонтальной прямой, как об этом написано выше, и лишь в редких случаях действительно для исправления амплитудно-частотных искажений, возникающих из-за необычных условий приема звуков музыки и речи в акустически неприспособленных помещениях, неоптимальном расстоянии микрофона от источника звука, при использовании миниатюрного ("петличного “) микрофона, помещенного под одеждой, для подавления ярко выраженных резонансов помещений (особенно небольших).
Различные регуляторы АЧХ конструктивно объединяют в общем блоке. Его структурная схема и примерный вид получаемых АЧХ показаны на рис. 11.11. Во избежание взаимных влияний регуляторы отделяют друг от друга усилительными каскадами. В качестве регуляторов применяют пассивные и активные четырехполюсники на RC-элементах (активные, как правило, на ОУ). Параметры регуляторов меняются плавно или (чаще) дискретно. В более детальном виде форма АЧХ регуляторов плавного подъема и спада АЧХ показана на рис. 11.12,а, фильтров среза АЧХ – на рис. 11.12,б, фильтра "присутствия" – на рис. 11.12,в. Плавные подъемы и спады АЧХ осуществляются обычно в пределах ±(15–24) дБ ступенями по 3–6 дБ; частоты среза ФВЧ – 60, 120, 250 Гц, ФНЧ – 12, 10, 8, 5, 3 кГц, крутизна спада – не менее 12 дБ/окт.. средние частоты фильтров "присутствия" – 0,7; 1,4; 2,1; 2,8; 4 кГц причем высоту подъема изменяют ступенями обычно через 2 дБ от 0 до 10 дБ. Инвертируя АЧХ, получают на перечисленных частотах спады, а не подъемы.
Широкими возможностями изменения АЧХ обладает многополосный
регулятор (графический корректор, эквалайзер). Он содержит несколько ПФ (рис.
11.13). Коэффициент передачи в каждой частотной полосе изменяется плавно или
ступенями РУ. Положения рукояток наглядно изображают форму АЧХ. отсюда его
второе название – графический корректор. Используют октавные, полуоктавные,
третьоктавные фильтры. Диапазон звуковых частот от 16 до 16000 Гц укладывается
в десять октав, поэтому число фильтров будет соответственно равно 10, 20, 30,
а средние частоты соседних по частоте фильтров будут различаться в 2, 
и 
раз.
По рекомендации Международной организации по стандартизации (ISO) установлены следующие средние частоты фильтров: октавных: 16: 31,5; 125; 250; 500 Гц; 1, 2, 4, 8, 16 кГц; полуоктавных: 16; 22,4; 31,5; 45; 63; 90; 125; 180; 250; 355; 500; 710 Гц; 1; 1,41; 2; 2,8; 4: 5,6; 8; 11,2; 16 кГц; третьоктавных: 16; 20; 25; 31,5; 40; 40; 63; 80; 100; 125; 160: 200; 250; 315; 400; 500; 630; 800 Гц; 1: 1,25; 1,6; 2; 2,5:3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5: 16 кГц.
С помощью многополосного регулятора АЧХ получают самые различные АЧХ, в том числе с инверсией знака (спад вместо подъема). Поэтому такие регуляторы используют для тонкого корректирования АЧХ, например выравнивания АЧХ системы "громкоговоритель – помещение", содержащей в силу особенностей громкоговорителей и помещения множество пиков и провалов.
Смесительным устройством (смесителем, микшером – от лат. слова
mix – смешивать) в пульте звукорежиссера называют звено, в котором суммируются
сигналы нескольких входных или групповых трактов. Смесительное устройство обычно
совмещают с коммутатором, с помощью которого входные или групповые тракты пульта
подключаются к смесительной шине и через нее к последующим звеньям пульта. Английский
термин mixer многозначен. Он означает: смеситель, преобразователь частоты, регулятор
уровня (индивидуальный микшер, главный микшер), пульт звукорежиссера и даже
лицо, управляющее пультом и называемое у нас звукорежиссером или звукооператором.
Ввиду многозначности этот термин в учебнике не употребляется.
Простейшая схема смесительного устройства показана на рис. 11.4,а. Сигналы со входов 1, 2,–, n поступают на индивидуальные регуляторы ИР, в качестве которых здесь изображены регулируемые делители напряжения (потенциометры) R1, R2, …, Rn затем на смесительную шину Ш и общий регулятор ОР. Эта схема имеет два недостатка. Первый заключается в том, что изменение числа подключенных к шине ИР приводит к изменению уровня сигнала на шине, так как нагрузкой каждого ИР служит не только входное сопротивление ОР, но и выходные сопротивления других ИР. Второй недостаток еще более неприятен. Если в качестве ИР используются делители напряжения, то по мере перемещения щетки ползунка из верхнего по схеме положения в нижнее выходное сопротивление ИР будет все более шунтировать смесительную шину и в нижнем положении замкнет ее на "землю", что приведет к прекращению передачи сигналов со всех остальных ИР в последующие звенья тракта. Процесс изменения уровня сигнала на выходах ИР при изменении затухания одного из них называется взаимным влиянием регуляторов. Оно чрезвычайно осложняет действия звукорежиссера при регулировании уровней.
От взаимных влияний в значительной мере освобождена
схема, представленная на рис. 11.14,б, в которую введены развязывающие
резисторы r. Мерой взаимных влияний в данной схеме служит максимальная
величина изменения выходного уровня 
N нерегулируемых
ИР (в децибелах) при регулировании затухания одного из ИР:
В этой формуле п – общее число ИР; R
– сопротивление делителя напряжения ИР; r– сопротивление развязывающих
резисторов. При большом числе ИР (n – 1)/n 
1 и их взаимное
влияние оценивают величиной
Чем больше r, тем меньше взаимное влияние
регуляторов. При r 
R оно меньше
2 дБ при любом числе ИР. Развязывающие резисторы создают заметные потери мощности
сигнала. Эти потери характеризуют эффективным. затуханием смесительного
устройства: aэф= 10lg(2n–1).
Действенное средство защиты от взаимных влияний – разделительные усилители или каскады (рис. 11.14,в). Они обеспечивают полную защиту от взаимных влияний регуляторов, хотя и усложняют смесительное устройство. Наличие разделительных усилителей расширяет возможности смесительного устройства, например позволяет подключать к шине несколько трактов, в частности основного тракта и тракта звуковых эффектов, не нарушая установленных уровней.
Ранее для устранения взаимных влияний применяли ИР и ОР с постоянными входными и выходными сопротивлениями, не зависящими от значения введенного затухания. Они основывались на четырехполюсниках, собранных по мостовой, Т-образной мостовой и лестничной схемах. К настоящему времени такие ИР и ОР не применяются, поскольку имеют сложную конструкцию – содержат сдвоенные или строенные переключатели с десятками позиций.
Оригинальная схема смесительного устройства представлена на рис. 11.15. В цепь каждого источника сигнала после разделительных усилителей У1 включены резисторы R1 и R2, которые образуют совместно с сопротивлением нагрузки R3 делители напряжения. Источник сигналов включается кнопками S. Такой способ коммутации более надежен, поскольку в положении "Включено" сигнал не проходит через контакты кнопок.
Сопротивление резисторов R1 велики по сравнению с выходными сопротивлениями усилителей У1, поэтому от одного усилителя У1 можно подавать сигнал на несколько блоков смешивания и коммутации, например формировать сигналы основного тракта и тракта реверберации или звуковых эффектов. Чтобы обеспечить большое переходное затухание между этими трактами (не менее 80 дБ), эффективное затухание смесительного устройства должно быть велико, а выходные сопротивления усилителей У1 малы.
Сопротивления резисторов R2 велики по сравнению с сопротивлением резистора R3, поэтому при коммутации цепей эффективное затухание смесительного устройства не меняется. Ввиду наличия усилителей У1 и У2 номинальные уровни на выходах ИР и ОР в рассматриваемом смесительном устройстве можно сделать одинаковыми. Это позволяет к дополнительному входу О подключить аналогичное второе устройство и тем самым увеличить число смешиваемых сигналов.
Непременными звеньями вещательного канала, в том числе пульта звукорежиссера являются усилители. В зависимости от назначения различают усилители микрофонные, промежуточные, разделительные. выходные (линейные), линейно-разделительные, оконечные (мощные).
Микрофонные усилители служат для увеличения уровня сигналов, поступающих на входы пульта звукорежиссера. Для них характерны большое усиление (до 80 дБ), низкий приведенный ко входу уровень собственных шумов (–120– 130 дБ), хорошая защищенность от синфазной входной помехи (не менее 70 дБ). Последнее обеспечивается симметричным входом. Имеется возможность регулировать чувствительность с помощью либо ступенчатого делителя напряжения (шаг регулирования обычно 10 дБ), либо посредством изменяемой отрицательной обратной связи.
Микрофонные усилители строят с трансформаторным и бестрансформаторным входом. В первом случае проще согласование небольшого электрического сопротивления микрофона с большим входным сопротивлением усилителя, что обеспечивает малое влияние собственных шумов. Легко осуществляется подача питания на конденсаторный микрофон по фантомной цепи через среднюю точку первичной обмотки трансформатора. Бестрансформаторная схема проще и дешевле, обеспечиваются малые частотные искажения, больше пределы изменения усиления. Ввиду отсутствия трансформатора не возникает микрофонный эффект, обусловленный магнитострикцией сердечника. Однако для организации фантомной цепи питания микрофона требуются дополнительные детали, в частности электролитические конденсаторы большой емкости. Они сами по себе могут стать источником помех.
Промежуточные усилители – самый распространенный вид усилительных устройств пульта звукорежиссера. Их используют для компенсации начального затухания регуляторов уровня и спектра, в качестве разделительных в смесительных устройств и в цепях контроля. Усилители обычно конструируют по бестрансформаторной схеме с симметричным входом и симметричным или несимметричным выходом. Коэффициент усиления, как правило, небольшой (порядка десяти, т.е. усиление примерно 20 дБ). Применяется глубокая отрицательная обратная связь. Уровень собственных шумов –120...130 дБ. Входное сопротивление велико, выходное, как правило, мало.
Выходные (линейные) усилители подключены к симметричным линиям с волновым сопротивлением 150– 600 Ом, обеспечивают номинальные выходные уровни +6–+15(17) дБ. Запас усиления позволяет поднимать выходной уровень до 21...25 дБ. Вход – несимметричный, выход – симметричный.
Разделительные усилители служат для устранения взаимных влияний в смесительных устройствах, защиты основных трактов от короткого замыкания и попадания посторонних (внешних) сигналов в точках подключения к основному тракту контрольных устройств и разветвления цепей. Для исключения проникания сигналов из внешних цепей разделительные усилители должны обладать большим затуханием от выхода ко входу.
Линейно-разделительные усилители выполняют функции линейного и разделительного усилителей при подключении к выходу пульта звукорежиссера нескольких цепей (линий). Как правило, они имеют симметричные вход и выход.
Основой всех маломощных усилителей тракта 3В являются ОУ, включенные по инвертирующей (рис. 11.16,а) и неинвертирующей (рис. 11.16,б) схемам. Обратите внимание на особенность ОУ. При включенном питании прохождение сигнала с выхода на вход усилителя практически исключено. Но при выключении питания выходное сопротивление усилителя, которое до этого было близко к нулю, становится большим, и затухание сигнала от выхода ко входу определяется соотношением сопротивления обратной связи R2 и выходного сопротивления предыдущего звена.
Смешивание сигналов с помощью ОУ осуществляется по схеме, приведенной на рис. 11.17. в которой R0=Ri1=Ri2=...=Rin. Для каждого из n входов смесителя коэффициент передачи по напряжению Ki=R0/Ri=1.
В структуре вещательных устройств, в частности пульта звукорежиссера, встречаются два характерных варианта соединения цепей (рис. 11.18,а, б). Изменение числа коммутируемых цепей приводит к изменению уровня сигнала в точке коммутации. Во избежание этого в первом случае необходимо, чтобы выходные сопротивления источников сигналов были велики по сравнению с сопротивлением нагрузки, во втором случае, наоборот, чтобы выходное сопротивление усилителя У было мало по сравнению с сопротивлениями нагрузок. Этими соображениями руководствуются при конструировании соответствующих усилителей.
Автоматические регуляторы уровня (АРУ) –четырехполюсники, коэффициент передачи которых изменяется по заданному закону в зависимости от значения уровня сигнала. Иногда строят АРУ, реагирующие и на другие параметры сигнала, например на его спектр, крутизну нарастания и убывания огибающей, на скважность сигнала. Названные устройства предназначены для решения различных творческих и технических задач. С помощью АРУ уменьшают или увеличивают динамический диапазон сигналов, поддерживают в заданных пределах пиковые или средние значения уровней, ограничивают усиление тракта при меньшении входного уровня ниже установленного минимума, улучшают разборчивость речи, уменьшают различия громкости речи и музыки. защищают оборудование трактов 3В от последствий превышения номинального входного уровня (перевозбуждения) или перегрузки мощных усилителей проводного вещания и модуляторов передатчиков, уменьшают влияние шумов в каналах и трактах 3В.
Динамический диапазон ЗС автоматически сжимают для того, чтобы подчеркнуть, выделить звучание голоса солиста или солирующего инструмента над оркестровым сопровождением, улучшить разборчивость речи при звукоусилении или передаче по трактам со сравнительно большими помехами, например по МКЗВ, или радиовещании в диапазоне ДКМВ. Уменьшение динамического диапазона ЗС приводит к возрастанию его средней мощности и, как следствие, среднего коэффициента модуляции передатчика, что увеличивает эффективность действия последнего. По расчетам А.А. Пирогова сжатие динамического диапазона в 2 раза эквивалентно увеличению мощности передатчика с амплитудной модуляцией при передаче симфонической музыки в 1,5 раза, эстрадной музыки – в 2,6 раза, речи – примерно в 3 раза.
Сжатие динамического диапазона сигналов на входе МКЗВ, с одной стороны, уменьшает влияние шумов и помех, а с другой стороны, возникающее возрастание средней мощности ЗС приводит к увеличению загрузки групповых усилителей систем междугородной связи с частотным разделением сигналами 3В. При этом из-за нелинейных переходов возрастают помехи в других частотных каналах.
Автоматическое регулирование коэффициента передачи уменьшает перепады уровня громкости при переходе от речи к музыке и наоборот, что важно при слушании вещательных программ в домашних условиях. Автоматическое нивелирование (выравнивание) среднего уровня громкости речи применяют в системах звукоусиления для уменьшения изменений громкости голоса оратора, при выступлении отклоняющегося или отворачивающегося от микрофона.
Автоматическое ограничение пиковых (максимальных) уровней на входе усилительных устройств предотвращает возрастание нелинейных искажений сверх допустимой величины и возможные аварии, например из-за пробоя изоляции конденсаторов или межвитковых пробоев в трансформаторах. Автоматические устройства срабатывают также при перегрузке, т.е. при резком уменьшении сопротивления нагрузки, ограничивают в этом случае мощность или ток и тем защищают выходной каскад оконечных усилителей или модуляторов передатчиков от аварий.
В зависимости от реализуемого закона регулирования уровней различают сжиматели и расширители динамического диапазона, ограничители максимальных и минимальных уровней (последние называют еще пороговыми ограничителями или шумоподавителями).
По форме представления регулируемого сигнала и управляющего напряжения различают аналоговые, аналоговые с цифровым управлением и полностью цифровые АРУ. В зависимости от длительности процесса регулирования АРУ разделяют на безынерционные и инерционные.
Аналоговые безынерционные устройства в 3В почти не применяются, так как им свойственны большие нелинейные искажения
Безынерционные ограничители (пикосрезатели) иногда включают на выходе инерционных ограничителей максимальных уровней для устранения возможных пиков срабатывания, которые могут создать помехи прохождению других сигналов в многоканальных системах связи.
Особым видом АРУ являются так называемые речевые сжиматели. Они встраиваются в дикторские пульты и предназначаются для выравнивания громкости голосов дикторов. К сожалению, их действие приводит к неприятному результату – подчеркнутому "астматическому" дыханию. Для устранения этого недостатка речевые сжиматели дополняют ограничителями минимальных уровней, но их порог срабатывания нуждается в кропотливом регулировании.
Вещательные АРУ в некоторой степени подобны устройствам, применяемым в технике радиоприема. Принцип действия сжимателя аналогичен принципу действия устройства простого АРУ, ограничителя максимальных уровней – устройству АРУ с задержкой. Ограничитель минимальных уровней (отчасти и расширитель) подобен шумоподавителю радиоприемника. Главное различие заключается в том, что АРУ действуют в диапазоне звуковых частот, а АРУ радиоприемников – на радиочастотах. Соответственно этому по иному выбираются временные параметры АРУ – время установления (срабатывания) и время восстановления.
Обобщенная структурная схема АРУ изображена на рис. 11.19. Она содержит регулируемое звено РЗ и управляющее звено УЗ. Регулируемое звено – усилитель с переменным коэффициентом усиления или делитель напряжения (потенциометр) с переменным коэффициентом передачи (рис. 11.20,а). Переменным сопротивлением делителя служит динамическое внутреннее сопротивление полупроводникового диода (рис. 11.20,б,в) или сопротивление сток-исток полевого транзистора (рис. 11.20,г). Используют также оптрон, т.е. пару светодиод-фоторезистор (рис. 11.20,д). Световой поток светодиода изменяется под действием выпрямленного напряжения сигнала. Удобство последнего варианта заключается в том, что РЗ и УЗ полностью разделены по постоянному току. Это упрощает схемные решения.
В УЗ входят двухполупериодный выпрямитель, детектор В и зарядно-разрядная (интегрирующая) цепь И. Эквивалентная схема УЗ изображена на рис. 11.21. Здесь r – сопротивление цепи заряда, С – заряжаемая (накопительная) емкость, R – сопротивление цепи разряда. Параметры цепи: постоянная времени цепи заряда t=rC и разряда t=RC – определяют длительность процессов регулирования.
В более сложных АРУ в УЗ входят линейные и нелинейные преобразователи и вычислительное (микропроцессорное) устройство, анализирующее свойства сигнала и изменяющее закон управления. В качестве аргумента функции управления кроме напряжения могут служить частота, скорость изменения уровня сигнала, скважность сигналов.
Однополярное управляющее напряжение Еу получается в результате выпрямления напряжения звукового сигнала и сглаживания получающихся при этом пульсаций. Напряжение звукового сигнала на вход УЗ поступает со входа или выхода РЗ. Управление соответственно называют прямым или обратным. В теории автоматического регулирования первое называют управлением с разомкнутой цепью управления, второе – с замкнутой цепью (к устройствам с разомкнутой цепью кроме некоторых АРУ относят устройства дистанционного и программного управления). В устройствах с обратным управлением результат управления сказывается на формировании Еу. Устройства с обратным управлением (с замкнутой цепью управления) имеют то преимущество, что процесс регулирования в них совершается быстрее, характеристики АРУ более стабильны, требования к разбросу параметров регулируемого звена менее жесткие. Но обратное управление в некоторых случаях оказывается нежелательным. Ограничителю максимальных уровней с обратным управлением свойственно нарастание выходного напряжения даже на участке ограничения, что ухудшает защиту устройств. Действие расширителя, собранного по схеме с обратным управлением, неустойчиво: увеличение коэффициента передачи при росте входного напряжения и соответствующее возрастание выходного напряжения приводят к лавинообразному увеличению коэффициента передачи. Чтобы избежать этого, амплитудную характеристику расширителя сохраняют лишь до некоторого предела, после которого устройство действует как обычный усилитель с постоянным коэффициентом передачи Обычно прямое управление используют в расширителе, а обратное – в ограничителе и сжимателе.
Иногда осуществляют смешанное управление, используя и входное, и выходное напряжения. В АРУ со смешанным управлением объединяются достоинства прямого и обратного управлений, если обе управляющие цепи действуют одновременно. При неодновременном действии звеньев прямого и обратного управлений реализуются разные регулировочные характеристики: например, при небольших входных напряжениях формируется характеристика расширителя или шумоподавителя, при больших – сжимателя, а после превышения номинального уровня – ограничителя максимальных уровней.
В качестве регулируемой величины чаще всего выбирают величину сигнала (напряжение, уровень), иногда громкость, ток или мощность. Наиболее распространены АРУ, регулирующие напряжение (или уровень) сигнала.
Особой группой являются адаптивные (самонастраивающиеся, приспосабливающиеся) АРУ. В них режим управления, амплитудная характеристика, временные параметры, степень сжатия или расширения динамического диапазона сигнала автоматически изменяются в зависимости от свойств сигнала и условий действия АРУ. Для этого вводят блок адаптации, который анализирует свойства сигнала и изменяет структуру и параметры АРУ. Чаще всего режим действия изменяется при смене речи музыкой и наоборот. Иногда учитываются изменения спектра, среднего уровня, соотношение между средним и пиковым уровнями. В адаптивных АРУ стремятся реализовать преимущества устройств ручного и автоматического регулирования и исключить их недостатки. Это обеспечит наивыгоднейшее значение обобщенного критерия качества в том случае, когда входящие в него частные критерии качества заданы определенным образом, т.е. могут быть представлены в математической форме.
Управляющее звено получает сведения о параметрах сигнала от различных анализаторов. Корреляционные анализаторы вырабатывают сведения о корреляционных свойствах входного сигнала, что необходимо для управления длительностью процесса регулирования. Анализатор средних значений уровня необходим для поддержания среднего уровня громкости. Анализатор спектра сравнивает спектры сигнала до и после регулирования с целью введения частотной коррекции. Число и типы анализаторов изменяются в зависимости от требований, предъявляемых к регулируемому звену, и от уровня знаний о вещательном ЗС. Следует однако заметить, что полностью оптимизировать действие адаптивных АРУ не удается, так как строго математического описания критерия их оптимальности пока не существует.
Своеобразным видом АРУ являются устройства без УЗ. В них коэффициент передачи РЗ изменяется непосредственно под действием сигнала. Таковы, например, АРУ с мостовой или потенциометрической схемой на терморезисторах. Их сопротивление меняется под воздействием тока сигнала. В результате изменяется коэффициент передачи регулируемого звена.
Помимо обычных для любых устройств связи и звукового вещания параметров – частотного диапазона, неравномерности АЧХ, коэффициента гармоник, отношения С/П (или защищенности от помех) – свойства АРУ определяются специфическими характеристиками и параметрами – статическими для установившегося режима и динамическими для переходного.
В статическом режиме свойства АРУ определяются амплитудными и регулировочными характеристиками (рис. 11.22). Первые показывают зависимость амплитуды выходного напряжения от амплитуды входного напряжения (для несинусоидальных напряжений – связь огибающих сигнала на выходе и входе), вторые – зависимость коэффициента передачи К от амплитуды входного напряжения (для несинусоидальных напряжений – от значения огибающей входного напряжения).
Следует отметить, что амплитудные и регулировочные характеристики расширителя D и ограничителя минимальных уровней (шумоподавителя) схожи. Их коэффициенты передачи в паузах и при небольших входных напряжениях сигнала малы. Это и обеспечивает эффект шумоподавления в паузах. Показанная для сравнения идеализированная амплитудная характеристика усилителя имеет вид наклонной прямой, а характеристика коэффициента передачи горизонтальна, поскольку значение коэффициента не зависит от входного напряжения.
К статическим параметрам относятся: коэффициент
сжатия (расширения) 
для сжимателя и расширителя;
диапазон ограничения q и диапазон сжатия р ЗС для ограничителя
максимальных уровней. К динамическим характеристикам и параметрам АРУ относятся:
переходная характеристика; время установления tу и время восстановления
tв.
В общем виде коэффициент сжатия (расширения)
= duвых/duвх
или, выражая изменения амплитуды сигнала в логарифмической форме через уровни,
= Nвых/Nвх. Положим,
что амплитудные характеристики сжимателя и расширителя аппроксимируются показательными
функциями, что близко к действительности:
Uвых
= 
,
где k – коэффициент пропорциональности; 
– коэффициент сжатия
(расширения) D, который показывает, во сколько раз АРУ изменяет D
сигнала при регулировании. Чтобы доказать это, запишем приведенное выражение
дважды – для максимальных и минимальных напряжений сигнала, разделим первое
на второе и прологарифмируем левую и правую части полученного равенства:
Выражение, стоящее слева от знака равенства, представляет собой величину D сигнала на выходе АРУ, а справа – то же, но для сигнала на входе АРУ. Итак, Dвых=Dвх.
Для сжимателя g< 1. Для расширителя g> 1 Например, в МКЗВ для уменьшения влияния помех применяют систему "сжиматель-расширитель" (компандерную систему), в которой используют АРУ с сопряженными (комплементарными) амплитудными характеристиками g сж = 0,5; g расш = 2; gсж расш = 1, и динамический диапазон на выходе системы равен входному. Для усилителя g=1- При равенстве выходного и входного номинальных напряжений зависимость Uвых =kUвхg представленная в логарифмическом масштабе, выражается прямыми линиями (рис. 11.23) Nвых=g*Nвх, "смещение" которых от линии, проходящей под углом 45° к оси абсцисс, увеличивается с ростом g.
Амплитудная характеристика ограничителя в режиме усиления подобна амплитудной характеристике усилителя, а в режиме ограничения идеализированно записывается как Um вых = Um вых н = const. Соответственно в режиме усиления К = const, а в режиме ограничения K = Um вых н / Um вх, т.е. изменяется по гиперболическому закону. Фактически в ограничителе из-за обратного управления происходит некоторое нарастание выходного напряжения уровня и на участке ограничения. Эффективность действия ограничителя характеризуется значением относительного возрастания выходного сигнала сверх номинального q = Um вых max / Um вых н при заданном относительном увеличении входного сигнала сверх номинального р = Um вх max / Um вх н (рис. 11.24,а) или соответствующими приращениями уровней DNвх (рис. 11.24,б). Для вещательных ограничителей максимальных уровней типичные значения диапазона ограничения и диапазона сжатия или приращений уровня следующие:
q = 1,1 ё 1.12 ( DNвых = 0,8 ... 1,0 дБ);
р = 10 ё 20 ( DNвх = 20 ... 26 дБ).
Подчеркнем еще раз, что изображенные на рис. 11.19 и 11.24 графики показывают связи между амплитудами выходных и входных напряжений. Для мгновенных значений выходных и входных напряжений сигнала в установившемся режиме сохраняется полная пропорциональность, т.е. нелинейные искажения автоматического регулятора уровня в установившемся режиме соизмерима с нелинейными искажениями усилителя.
Автоматическое регулирование уровней сопровождается переходными процессами, обусловленными зарядом и разрядом конденсатора управляющего звена. Длительность процесса заряда при прямом управлении связана с параметрами цепи заряда (см. рис. 11.21) соотношением t з =k 1 * t з =k 1 * r * G. По мере приближения напряжения Uc на конденсаторе к амплитуде входного напряжения Um скорость нарастания Uc уменьшается. Поэтому коэффициент k1, характеризующий длительность процесса заряда, нелинейно зависит от заряженности конденсатора Uc /Um. При двухполупериодном выпрямлении и заряженности Uc /Um =0,8 k1» 4, при Uc /Um = 0,9 k1» 7. Полученные значения k1 носят оценочный характер, поскольку напряжение сигнала 3В изменяется не по синусоидальному закону, а более сложным образом. При обратном управлении время заряда получается меньше расчетного и существенно сокращается по мере увеличения входного напряжения. Объясняется это тем, что в момент появления на входе АРУ сигнала большого напряжения коэффициент передачи РЗ еще велик и на выходе действует сигнал значительной величины, от которого конденсатор заряжается быстрее. Длительность процесса разряда определяется временем разряда tр =k2RC=3RC. Коэффициент k2 = 3, если считать за величину tр время, за которое напряжение на конденсаторе уменьшается в 20 раз, т.е. до 0,05 от первоначального значения. При спаде напряжения в 10 раз k2= 2,3.
Постепенное нарастание и спадение величины Еу приводит к тому, что формы огибающих напряжения или изменения уровней на выходе и выходе АРУ различаются. Пусть, например, значение напряжения сигнала на входе АРУ возрастает скачком (рис. 11.25,а). Коэффициент передачи РЗ в первый момент времени еще останется неизменным и выходное напряжение возрастет во столько же раз, во сколько возросло входное напряжение; соответственно выходной уровень увеличится на столько же децибелов, на сколько возрастет входной уровень. При этом выходное напряжение может превысить установленное номинальное значение. Лишь затем, по мере заряда конденсатора и увеличения Еу начнется процесс регулирования, и коэффициент передачи сжимателя и ограничителя начнет уменьшаться (рис. 11.25,а).
Скачкообразное уменьшение Uвх(Nвх) также не вызовет мгновенного изменения коэффициента передачи РЗ. В сжимателе и ограничителе это приведет к тому, что малые напряжения сигнала, следующие непосредственно после больших, окажутся приуменьшенными и могут стать близкими к напряжению помех в последующей части тракта 3В.
Отклонения от заданного закона регулирования, обусловленные инерционностью управляющего звена расширителя (рис. 11.25,г), имеют характер, противоположный ранее рассмотренному (рис 11.25,в). В этом случае особенно опасен переход от большого напряжения сигнала к паузе. Коэффициент передачи, установившийся при большом сигнале, будет некоторое время оставаться завышенным и в паузе В результате будут подчеркнуты помехи, возникающие в части тракта, которая предшествует расширителю.
Динамические свойства АРУ отображает переходная характеристика, т.е. реакцией АРУ на скачкообразное изменение огибающей входного напряжения. Из переходной характеристики находят время установления ty – интервал времени от начала переходного процесса до момента времени, когда напряжение на выходе АРУ будет отличаться от установившегося значения на 25 % или соответственно уровень сигнала на выходе АРУ будет отличаться от установившегося значения на 2 дБ. Предполагается, что на входе ограничителя произошел трехкратный скачок напряжения против порогового или скачок уровня на 10 дБ. За время восстановления tв принимают интервал между скачкообразным уменьшением напряжения на входе АРУ и моментом времени, когда напряжение на выходе АРУ будет отличаться от напряжения в установившемся режиме на 25 %, а уровень соответственно будет отличаться от установившегося значения на 2 дБ.
Зная параметры зарядно-разрядной RC-цепи, можно оценить значения ty и t в Для сжимателя
ty = t з[0,3 + ln(D1- D2)]; t в =t p [0,3 + ln (D1- D2)];
для расширителя
t y =t з[0,3 + ln(D2 -D1)]; t в =t p [0,3 + ln (D2 -D1)].
Значения динамических диапазонов сигнала на входе (D1) и выходе (D2) АРУ подставляют в эти формулы в децибелах.
Вышеизложенное – первое приближение к пониманию переходных процессов, происходя