В рубрику "Оборудование для передачи сигнала" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Олег Попов
профессор МТУСИ
Сергей Рихтер
профессор МТУСИ
Предварительная адаптивная обработка вещательного сигнала на входе радиопередающих устройств становится обязательной процедурой для конкурентоспособной радиостанции. Основной задачей такой обработки является поддержание постоянства пиковых уровней, повышение относительной средней мощности (ОСМ) вещательного сигнала, разборчивости и качества передачи.
Традиционно ОСМ определяют как отношение измеренной мощности сигнала Р за заданный отрезок времени τ к мощности синусоидального сигнала Р0 с напряжением, равным наибольшему значению напряжения ЗВС. В зависимости от времени τ, на котором находится мощность Р0, определяют канальную и сигнальную ОСМ: канальной (ОСМк) соответствует нормирование на длительности всего звукового фрагмента, а сигнальной (ОСМс) – на интервале, равном 200 мс, что согласуется с временем интеграции слухового анализатора.
В последние 10 – 15 лет традиционные автоматические регуляторы уровня (АРУР) вытесняются аудиопроцессорами (АП), позволяющими более эффективно решить перечисленные выше задачи.
Так, в процессе аудиопроцессорной обработки происходит многократное увеличение ОСМ ЗВС, что, в свою очередь, приводит к существенному увеличению средней глубины модуляции несущей – без внесения заметных на слух искажений сигнала. Такая обработка, увеличивая громкость и/или дальность приема, попутно решает задачу стабилизации уровня ЗВС на входе модулятора, что практически снимает угрозу перемодуляции передатчика. Установлено, что повышение среднего коэффициента модуляции радиовещательного АМ-передатчика (~0,37) вдвое приводит к повышению его излучаемой мощности на 15%, приросту площади зоны обслуживания на 15,6%. “Платой” за это является повышение мощности, потребляемой передатчиком, приблизительно на 7% [1].
Аудиопроцессорная обработка способствует также уменьшению негативных последствий, связанных с компактным представлением ЗВС. Дело в том, что передача вещательного сигнала по цифровым трактам с компактным представлением неизбежно приводит к изменению свойств сигнала, в том числе к повышению пик-фактора и снижению ОСМ. Это уменьшает эффективность передачи в сквозном канале. На рис. 1 приведена зависимость нормированной ОСМ (по отношению к значениям ОСМ исходного сигнала) от скорости цифрового потока, а также заметность вносимых при MPEG-кодировании искажений (в %). На графике показаны минимальные и максимальные значения, которые принимает нормированная ОСМ сигналов десяти различных радиовещательных станций [1, 2].
Особенности аудиопроцессорной обработки ЗВС достаточно подробно рассмотрены в работе [1], где отмечается, что весьма широкое применение в радиовещании нашли АП типа Optimod фирмы Orban (США); используются также АП типа Behinger, dBmax и ряд других. Почти десятилетний опыт использования на радиовещательной сети России насчитывают отечественные аудиопроцессоры серии АРГО, разработанные в МТУСИ в 1999 – 2000 годах (патент РФ [3]). В последнее время усилился интерес к этой теме, что и побудило нас – разработчиков АП АРГО – поделиться некоторыми своими соображениями относительно особенностей работы и применения ряда аудиопроцессоров.
По-прежнему основным критерием качества передачи ЗВС для большинства слушателей остается громкость, которая хорошо отображается энергетическим параметром ОСМк, определяющим степень использования канала по мощности. Интенсивная аудиопроцессорная обработка с увеличением ОСМк используется многими радиостанциями. При этом, согласно существующему стандарту [4], измерения параметров качества последний раз в тракте передачи производятся на антенне передатчика, а реально – на входе модулятора. В то же время регулирование уровня сигнала, то есть изменение коэффициента передачи тракта, приводит к дополнительной амплитудной модуляции сигнала с расширением его спектра. Это довольно безобидно в области высоких частот звукового диапазона, но вызывает определенные трудности в области низких частот (НЧ). Так, в инструкции по установке АП Optimod рекомендуется расширить полосу пропускания тракта в области НЧ до 0,4 Гц, поскольку лишь в этом случае обеспечивается существенное увеличение ОСМк. Аналогично этому у большинства известных аудиопроцессоров увеличение ОСМк сопровождается расширением спектра и уменьшением динамического диапазона сигнала, то есть компрессированием. Ясно, что тракт вторичного распределения не обеспечивает передачу сигнала с полосой от 0,4 Гц, а это приводит к уменьшению эффективности регулирования. В подтверждение последнего тезиса на рис. 2 приведены результаты измерения среднего ОСМк на выходе тракта формирования программ (ТФП) и выходе абонентского приемника.
Можно отметить резкое уменьшение ОСМк–сигналов большинства радиовещательных станций (РВС), что при существенном предварительном компрессировании сигнала приводит к сужению динамического диапазона, возрастанию перепадов громкости. Особенно наглядно эти изменения проявляются на сигналах придыхания дикторов и ведущих, уровень которых на выходе канала передачи иногда достигает 1/3 уровня сигнала, в то время как на входе составляет 1/20…1/30 часть этого уровня (рис. 3).
Высокий уровень астматического придыхания может вызвать подсознательное отторжение у слушателей.
Очевидно, что почти для всех РВС, использующих АРУР или интенсивную аудиопроцессорную обработку, приводящую к перераспределению громкости и увеличению ОСМк, тракт передачи сводит эту обработку на нет, причем уменьшение ОСМк прямо пропорционально степени (глубине) произведенной обработки.
Сказывается аудиопроцессорная обработка и на спектре передаваемого сигнала. Согласно стандарту [4], измерение АЧХ канала передачи производится с помощью гармонического сигнала с отключением всех устройств обработки либо переводом их в линейный режим работы; шаблон допустимых отклонений АЧХ приведен на рис. 4.
Естественно, что при таких измерениях канал, как правило, соответствует требованиям стандарта. АЧХ-аудиопроцессоров в процессе передачи реального вещательного сигнала существенно отличается от измерений, выполненных по методике [4] с помощью стационарного гармонического сигнала. На рис. 4 приведены АЧХ АП Optimod (1) и аудиопроцессора АРГО (2), построенные по реальному сигналу на фоне шаблона, задаваемого нормами стандарта. Такой характер АЧХ АП Optimod обуславливает существенные частотные искажения сигнала, не нормируемые существующими стандартами. То же относится и к изменению других важнейших характеристик реального вещательного сигнала, например к нарастанию переднего фронта отдельных звучаний – звуковых объектов, крутизны атак. На рис. 5
показаны относительные изменения атак огибающей вещательного сигнала после обработки с использованием АП Optimod (кривая 1) и АП АРГО (кривая 2).
Дело в том, что согласно требованиям стандартов по оценке качества передачи ЗВС контролируется сохранение формы сигнала, в то время как современные каналы ее сохраняют только при передаче измерительных сигналов. При передаче реального сигнала сохраняется лишь субъективно достаточно высокое качество передачи.
Таким образом, увеличение ОСМк, достигаемое в первичном тракте передачи в результате обработки ЗВС с использованием большинства известных АРУР или аудиопроцессоров, на выходе приемника слушателя практически никак не проявляется, в то время как негативные последствия такой обработки вещательного сигнала сохраняются в полной мере.
Повышение эффективности аудио-процессорной обработки при одновременном снижении указанных выше негативных последствий такой обработки возможно с переходом к комплексному представлению сигнала в виде аналитической огибающей и мгновенной фазы, а также их раздельному регулированию. Заметим, что ранее такое представление использовалось только в устройствах распознавания речевого сигнала. Комплексное представление позволяет повысить скорость регулирования без повышения заметности изменений сигнала и расширения спектра. Однако, чтобы добиться такого эффекта, потребовалось существенно поднять точность формирования аналитической (гильбертовской) огибающей ЗВС [3, 5]. Комплексное представление использовано в АП АРГО (отсюда и название).
В качестве иллюстрации факта повышения эффективности аудиопроцессорной обработки при использовании в процессе регулирования аналитической огибающей ЗВС ниже (в таблице) приведены результаты измерений ОСМк вещательного сигнала при различной скорости цифровой передачи без предварительной обработки и при использовании предварительной обработки с помощью аудиопроцессоров Optimod и АРГО.
Из анализа приведенных данных видно, что степень уменьшения величины ОСМк по мере роста коэффициента сжатия, отмеченная на рис. 1, при использовании АП АРГО выражена существенно слабее, нежели в случае применения АП Optimod.
В цифровом радиовещании, где используются заведомо высокие коэффициенты сжатия (то есть невысокие скорости передачи) в результате компактного представления ЗВС, проблема деградации вещательного сигнала становится особенно острой. Поэтому применение аудиопроцессоров становится обязательным. Однако существующее метрологическое оборудование не обеспечивает возможность контроля качества у потребителя услуги вещания – слушателя. Поэтому создание и введение в эксплуатацию нового поколения авторегуляторов уровня с широкими возможностями по изменению важнейших характеристик ЗВС потребовало разработки адекватных методов контроля качества регулирования, в том числе и на аналоговом выходе. При этом не удается оставаться в рамках традиционного набора параметров вещательного сигнала, используемых, например, в стандарте [4]. Важнейшим из числа относительно “новых” параметров ЗВС является ОСМ, впервые (насколько нам известно) использованный в стандарте [6]. На практике существует проблема по однозначной оценке этого параметра в канале ЗВ. Поэтому естественно, что новые подходы к авторегулированию параметров ЗВС потребовали разработки соответствующих методов объективной оценки качества вещательного сигнала.
К их числу можно отнести метод комплексного статистического оценивания (МКСО) [1] в частности позволяющий измерять ОСМ расчетным путем по фрагменту реального сигнала с помощью специального программного продукта [7]. Именно этот метод позволил получить все количественные результаты, приведенные в настоящей работе.
С помощью МКСО был проиллюстрирован факт расширения спектра сигнала в области НЧ в процессе аудио-процессорной обработки. Были показаны результаты моделирования прохождения обработанного аудиопро-цессорами Behinger и АРГО сигнала через тракт вторичного распределения с полосой 100–5700 Гц. Незначительное изменение параметра ОСМс свидетельствует о сохранении качества сигнала. Однако параметр ОСМк сигнала, обработанного АП Behinger, после прохождения фильтра снижается почти вдвое, в то время как сигнал, обработанный АРГО, за счет преимуществ алгоритма теряет всего около 10%. Не следует думать, что положение в реальной передающей сети отличается в лучшую сторону.
Анализ показал, что более эффективной является восстановительная коррекция, проводимая непосредственно в приемнике потребителя. Учитывая сложность современного цифрового радиоприемника, вычислительная сложность алгоритма такой коррекции препятствием не является.
В заключение еще несколько доводов в пользу авторегулирования уровня ЗВС на основе использования гильбертовской огибающей. Так, традиционные АРУР обеспечивают повышение ОСМ сигнала в пределах 20 – 30% за счет выравнивания уровней сильных и слабых звуков при поддержании постоянства максимального уровня, как правило, со сжатием динамического диапазона сигнала. 
Использование аналитической огибающей ЗВС в процессе формирования сигнала управления авторегулятора позволяет осуществить преобразование не только уровня сигнала, но и его пик-фактора и, следовательно, ОСМ. В частности, аудиопроцессор, выполненный на основе использования гильбертовской огибающей и размещенный в непосредственной близости от модулятора передатчика, позволяет практически вдвое увеличить среднюю глубину модуляции передатчика при идеальном поддержании пиковых уровней сигнала, что исключает перемодуляцию и повышает громкость радиоприема (рис. 6).
Нелинейное преобразование аналитической огибающей безынерционно, оно не сопровождается ни гармоническими, ни интермодуляционными искажениями обрабатываемого сигнала и не связано с процессами срабатывания и восстановления авторегулятора. Выравнивание ОСМ для сигналов номинального уровня разных жанров обеспечивает их равную громкость. Программное обеспечение позволяет легко адаптировать алгоритм обработки к конкретному тракту передачи и под любые вкусы слушателей. Положительный эффект от применения такого авторегулятора уровня объясняется также снижением уровня придыхания диктора, акустических и канальных шумов и выравниванием громкости на стыке “речь-музыка” и сигналов с разным спектральным составом (рис. 7).
В современных программах вещания большую долю занимает прямой эфир с диалогом со слушателями, в процессе которого очень трудно обеспечить поддержание оптимального уровня. Регулирование по огибающей позволяет решить и эту проблему, обеспечивая поддержание уровня в заданном диапазоне.
Литература
1. Попов О.Б., Рихтер С.Г. Цифровая обработка сигналов в трактах звукового вещания. Учеб. пособие. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 341 с.
2. Попов О.Б., Рихтер С.Г. Объективная оценка качества передачи сигнала ЦРВ. Коррекция параметров передаваемого сигнала для оптимизации прохождения по комбинированным трактам//2-я международная конференция “Перспективы развития цифрового теле- и радиовещания в России (ЦТРВ-2004)”. 3–4 июня 2004 г. – М.: Материалы конференции. С. 51–54.
3. Патент на изобретение № 2165127. Б.И. № 10, 2001 г. (приоритет от 22.12.1997 г.). Способ автоматического регулирования пиковых значений электрических вещательных сигналов на заданный уровень при стабилизации относительной средней мощности и устройство для его реализации / Ми-шенков С.Л., Петрова Г.А., Попов О.Б., Рихтер С.Г.
4. ГОСТ Р 52742–2007. Каналы и тракты звукового вещания. Типовые структуры. Основные параметры качества. Методы измерений.
5. Попов О.Б., Рихтер С.Г. Использование дискретного преобразования Гильберта в трактах звукового вещания. Международный форум информатизации (МФИ-97). Конференция “Телекоммуникационные и вычислительные системы связи”. – М., 1997.– Тезисы докладов, с. 87 – 89.
6. ГОСТ Р 50757–95. Сигналы передач звукового вещания государственных и независимых телерадиокомпаний, передаваемые на вход трактов первичного распределения. Основные параметры. Методы измерений.
7. Попов О.Б., Рихтер С.Г. Программа расчета интегральных энергетических параметров звукового вещательного сигнала / Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ от 23 октября 2008 г. № 2009610172.
Опубликовано: -2010
Посещений: 13674
Статьи по теме
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование для передачи сигнала" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
