Автоматические регуляторы уровня (АРУР): классификация, использование в аппаратуре вещания. Потенциометрические АРУР. Устройство шумоподавления.
Автоматические регуляторы уровней (АРУр) — четырехполюсники, коэффициент передачи которых изменяется в зависимости от уровня сигнала на его входе. Их используют для защиты трактов и звеньев каналов вещания от перегрузок по току и перевозбуждения (перемодуляции), повышения средней мощности сигналов и разборчивости речевых передач, уменьшения шумов и помех и др. Автоматические регуляторы применяют, например, в телевизионных камерах для компенсации больших перепадов амплитуд сигналов, связанных с резкими изменениями общей
освещенности на объекте наблюдения, в пультах видеорежиссеров при работе с полным телевизионным сигналом от разных источников сигналов в момент создания режиссером комбинированных изображений и др.
Коэффициент передачи АРУр может изменяться по заданному закону в зависимости от мгновенных (безынерционные АРУр) или от усредненных выпрямленных (инерционные АРУр) значений сигнала. Безынерционные АРУр изменяют форму сигнала, вследствие чего появляются большие нелинейные искажения. Их используют в составе инерционных АРУр для ограничения пиков сигналов («пикосрезатели»).
Инерционные АРУр в зависимости от назначения и закона регулирования коэффициента передачи подразделяются на компрессоры, экспандеры и ограничители максимальных уровней (амплитуд).
Компрессором (сжимателем) называют АРУр, коэффициент передачи которого уменьшается с увеличением амплитуды входного сигнала. Экспандер (расширитель) представляет собой АРУр, коэффициент передачи которого увеличивается с увеличением амплитуды входного сигнала. Ограничитель амплитуд — АРУр, ограничение динамического диапазона в котором начинается с порогового напряжения сигнала на его входе.
На рис. 6.3, а приведены амплитудные характеристики компрессора 1, экспандера 2 и ограничителя амплитуд 3. Из рисунка видно, что ограничитель амплитуд при значениях входного сигнала, не превышающих порогового Uвx, имеет такую же амплитудную хар актеристику, как и усилитель 4. Такой ограничитель амплитуд также называют усилителем-ограничителем амплитуд.
Коэффициент передачи ограничителя амплитуд при росте напряжения на его входе выше Uвх.н начинает уменьшаться по гиперболическому закону (кривая 3 на рис. 6.3, б). За счет этого напряжение на выходе ограничителя остается почти постоянным. Ограничители амплитуд характеризуются диапазоном ограничения D и диапазоном сжатия d (см. рис. 6.3, а):
D = 20lg(Uвх maх\Uвх. н); (6.3)
d = 20lg(Uвыхmах\Uвых.н). (6.4)
Для большинства ограничителей амплитуд D = 20 дБ при d = 1,2 дБ.
Рассмотрим работу ограничителя амплитуд на примере схемы, показанной на рис. 6.4. Ограничитель амплитуд состоит из основного канала и канала управления (КУ). В основной канал включены усилители А1, А2 и регулирующее устройство (РУ), которое содержит регулируемые элементы на диодах VD1 и VD2. В канал управления включены детектор,
интегрирующая RС-цепь и усилитель постоянного тока (УПТ) A3. Порог ограничения Uвх.н определяется величиной опорного запирающего напряжения Uoп, прикладываемого к диодам детектора.
При Uвх. н ≥ Uвх напряжение на выходе детектора, а следовательно, и на выходе УПТ отсутствует. Диоды VD1 и VD2 находятся в закрытом состоянии и не влияют на коэффициент передачи РУ. При Uвх > Uвх. н появляется напряжение на выходе усилителя постоянного тока A3, которым диоды VD1 и VD2 открываются. Сопротивление диодов при этом уменьшается, они начинают шунтировать входную цепь усилителя А2, коэффициент передачи АРУр уменьшается.
Диоды VD1 и VD2 вместе с резисторами R1...R2 образуют делитель напряжения с переменным коэффициентом передачи (потенциометр). Ограничители амплитуд, содержащие такие РУ, называют
потенциометрическими. Для уменьшения вероятности возникновения нелинейных искажений параметры диодов РУ должны быть одинаковыми. В качестве регулирующих элементов РУ можно использовать полевые транзисторы, оптроны и др.
Интегрирующая RС-цепь определяет реакцию АРУр на увеличение (время срабатывания tcp) и уменьшение (время восстановления tвоc) уровня сигнала. Эти характеристики выбирают с учетом особенностей восприятия сообщений. В ограничителях амплитуд ЭКЗВ tср = 0,5...1 мс, tвос= 1,5 с.
Приведенная на рис. 6.4 схема ограничителя амплитуд может использоваться в компрессоре, если отключить источник опорного запирающего напряжения Uoп от детектора.
В АРУр возможно прямое и обратное регулирование. При прямом регулировании управляющее напряжение Uуп, воздействующее на регулирующее устройство, формируется на его входе. При обратном регулировании (см. рис. 6.4) оно поступает на регулирующее устройство с выхода АРУр. Прямое регулирование применяют в экспандерах, обратное — в компрессорах и ограничителях амплитуд.
Компрессоры широко используют для сжатия динамического диапазона, что способствует увеличению средней мощности сигналов и улучшению разборчивости вещательных передач. Поскольку сжатие динамического диапазона осуществляется путем усиления малых уровней, уровень помех будет выше на его выходе, чем на входе. Это приводит к повышению слышимости помех, особенно в паузах вещательных передач, поэтому современные компрессоры имеют в своем составе шумоподавители.Экспандеры увеличивают динамический диапазон передаваемого сигнала, их используют только в составе компандеров. Ограничители амплитуд установлены в большинстве аппаратуры радиотелецентров, на входе радиопередатчиков и - мощных усилителей проводного вещания. Как правило, их применяют в качестве устройств защиты от перенапряжений (перемодуляции) по входу и перегрузки по выходу (при уменьшении сопротивления нагрузки ниже номинального).
Устройства шумоподавления
Шумоподавители используют для улучшения отношения сигнал/шум на выходе канала (тракта, звена) вещания. Они могут быть двух видов — статические и динамические (адаптивные). Параметры статических шумоподавителей не зависят от амплитуды входного сигнала и остаются неизменными в процессе работы. Адаптивные шумоподавители являются
ограничителями минимальных уровней, изменяют свои параметры в процессе работы под воздействием проходящего через них сигнала, имеют малый коэффициент передачи для сигналов, уровень которых ниже порогового, и большой — для сигналов с уровнем выше порогового.
Примером статических устройств шумоподавления являются предыскажающие контуры. Адаптивные шумоподавители по назначению делятся на две группы: компандеры и динамические фильтры (денойзеры). Компандеры служат для предотвращения накопления шумов в процессе передачи или записи сигналов, денойзеры предназначены для удаления уже имеющегося в сигнале шума.
Предыскажающие контуры. Спектр сигналов звукового вещания неравномерный, на высоких частотах спектральная плотность мощности Sc меньше, чем на средних частотах (рис. 6.5, а). Вместе с тем шум имеет примерно равномерный спектр Gm (рис. 6.5, б). Это позволяет увеличить отношение сигнал/шум за счет включения в канал предыскажающих и восстанавливающих контуров (ПК и ВК).
Предыскажающие контуры включаются в тракт передачи, восстанавливающие — в тракт приема канала вещания. Коэффициент передачи предыскажающих контуров выбирают так, чтобы обеспечить подъем высокочастотных составляющих сигнала (рис. 6.5, в). При этом предыскажения не должны увеличивать общей мощности сигнала.
Восстанавливающие контуры имеют коэффициент передачи Кп, обратный Кп предыскажающих контуров. Спектр сигнала на выходе канала остается неизменным. В то же время спектральная плотность мощности шума Gвых, проходящая через восстанавливающий контур, будет уменьшаться (рис. 6.5, г).
Компандеры. Они состоят из компрессора, включаемого на входе канала, и экспандера, включаемого на его выходе. Сигналы в канале обрабатываются дважды. Такую совокупность устройств называют компандерной системой.
Связь между напряжением на входе и выходе компрессора и экспандера можно представить степенными функциями:
Uвых.к = U γквх.к, Uвых.эк = U γэквх.эк (6.5)
Где γк и γэк-коэффициенты сжатия и расширения
Используя выражения (1.12) и (6.5), получим
Dк.вых = γк · D к. вх, Dэк. вых =γэк · Dэк. вх, (6.6)
где Dк вых и Dк вх, Dэк. вых и .Dэк. вх — динамические диапазоны сигналов на выходе и входе компрессора и экспандера соответственно.
Из выражения (6.6) видно, что коэффициенты сжатия и расширения показывают, во сколько раз соответствующим АРУр изменяется динамический диапазон сигнала. При последовательном включении компрессора и экспандера искажения, которые вносит компрессор, должен скомпенсировать экспандер, при этом Uвх.к = Uвых.эк. При указанных условиях γк · γэк = 1. В аппаратуре ЗВ принимают γк = 0,5 и γэк = 2.
Увеличение отношения сигнал/шум компандером в канале вещания показано на рис. 6.6. Пусть на вход канала поступает сигнал с динамическим диапазоном 40 дБ, уровень шума в канале ниже максимально допустимого сигнала на 30 дБ. При таких условиях уровень шума в канале оказывается выше минимальных уровней сигнала, поэтому в процессе передачи они будут маскироваться шумами.
При включении компрессора, с γк = 0,5, динамический диапазон сигнала сжимается до 20 дБ и его минимальный уровень окажется на 10 дБ выше уровня шума. В пункте приема экспандер восстановит исходный динамический диапазон, а уровень шума на его выходе при прохождении слабых сигналов окажется на 20 дБ ниже уровня этих сигналов. Защищенность канала от помех на выходе компандерной системы составит 60 дБ. Применение компандера позволяет передать сигнал вещания по каналу, имеющему меньший динамический диапазон, чем динамический диапазон самого сигнала.
При работе широкополосных компандеров возможно увеличение нелинейных искажений в переходных режимах (моменты срабатывания и восстановления состояния) до 20...40 %. Причиной этого является неоптимальный выбор параметров цепи управления. Чтобы при скачкообразном увеличении уровня входного сигнала не возникало выбросов, приводящих к перегрузке устройств, постоянная времени цепи управления τ = RC не должна превышать одной четверти периода максимальной частоты передаваемого сигнала. При таком значении τ время восстановления состояния компандера оказывается значительно меньше периода самого низкочастотного сигнала, передаваемого по каналу. В цепи управления возникают пульсации напряжения, которые приводят к модуляции низкочастотных составляющих передаваемого сигнала, а следовательно, увеличивают нелинейные искажения сигнала.
Для уменьшения нелинейных искажений в устройствах шумоподавления применяют:
1) разделение спектра сигнала на отдельные полосы, внутри каждой из которых работает свой компандер. Благодаря этому наличие сильного сигнала в одной из полос не приведет к появлению шума в остальных;
2) компандеры с фиксированными цепями частотной коррекции, подобранные таким образом, что для большинства сигналов обеспечивается амплитудно-частотная характеристика, близкая к оптимальной для подавления широкополосного шума;
3) компандеры с адаптивной частотной характеристикой, автоматически подстраивающейся под спектр входного сигнала.
Разделение спектров сигналов используют в шу-моподавителях «Долби-А», в большинстве широкополосных компандеров (High-Com, dbx и др.) применяют фиксированные цепи частотной коррекции, в устройствах шумоподавления «Долби С/СР» — компандеры с аптивной частотной характеристикой. Шумоподавители «Долби» нашли широкое применение в аналоговых профессиональных магнитофонах. Шумоподавитель «Долби-А» (рис. 6.7) состоит из четырех компандеров, каждый из которых работает в определений полосе частот. Фильтры имеют полосы пропускания 30...80, 80...3000, 3000...9000 и 9000...20000 Гц. Полосы пропускания фильтров выбраны с учетом особенностей восприятия шумов, в частности с учетом того, что высокочастотные шумы хорошо воспринимаются на фоне низкочастотных сигналов, маскируются высокочастотными составляющими сигналов.
Каждый компандер работает как самостоятельный шумошодавитель. Если на вход шумоподавителя поступает сигнал достаточно большого уровня и его спектр сосредоточен в пределах определенной полосы частот, то в остальных полосах частот шумы компандерами будут ослаблены. В бытовых магнитофонах применяется более пророй шумоподавитель «Долби-Б», в котором используется один компандер, подавление шумов им начинается с частоты 1 кГц. Компандерные шумоподавители обеспечивают хорошee подавление шумов, мало искажают сигналы, но они усложняют канал вещания. С развитием цифровых технологий они потеряли былое значение, основное внимание теперь обращено на создание денойзеров-цифровых динамических фильтров.
2. Задание на СРС (Л1. стр. 142-145) 2.1 Назначение функции обработки звуковых сигналов. 2.2 Дайте понятие частотной обработке сигналов? 2.3 Поясните, что такое динамическая обработка сигналов? 2.4 Для чего осуществляют шумоподавление сигналов? 2.5 Какие устройства обработки сигналов вам известны? 2.6 Назначение микшерных устройств | 3. Задание на СРСП. 3.1 Поясните работу магнитного ревербератора. 3.2 Как устроен листовой ревербератор? 3.3 Почему ручные регуляторы применяются редко? 3.4 Назначение эхо-камеры? |
4. Контрольные вопросы
4.1 Что предполагает оперативная обработка сигналов? 4.3 Что представляет из себя смесительное устройство? 4.4 Как работает эквалайзер? 4.5 Как работает устройство цифровой обработки сигналов? |
Глоссарий
5.1 Динамическая обработка сигналов 5.2 Ручной регулятор уровня 5.3 Шумоподавитель 5.4 Эквалайзер 5.5 Корректор амплитудно-частотной характеристики | Dynamic signal processing Hand-level regulator Equalizer Korrektor amplitude-frequency characteristics |
Литература
Основная 6.1 М.Т. Кохно стр.142-145 6.2 А.В. Выходец стр. 88-91 | Дополнительная |
Лекция 12
Системы записи звука. Назначение систем записи. Системы записи. Особенности магнитной записи. Особенности записи, воспроизведения, стирания. Структурная схема аппарата магнитной записи - воспроизведения.
Ферромагнитные материалы (ферромагнетики) состоят к микроскопических областей самопроизвольного намагничивания (доменов), каждая из которых намагничена до насыщения.
В размагниченном состоянии направления намагничивания доменов внутри ферромагнитного материала хаотичны, результирующий магнитный момент равен нулю. Если на ферромагнитный материал, находящийся в размагниченном состоянии, воздействовать плавно увеличивающимся магнитным полем, то происходит рост доменов, ориентирующихся относительно направления поля. В результате этого ферромагнетик намагничивается, возникающая намагниченность изменяется по начальной кривой намагничивания ОА.
Увеличение амплитуды напряженности магнитного поля до Нs приводит к насыщению ферромагнитного материала. При насыщении все домены уже будут ориентированы по направлению поля намагничивания и дальнейшее увеличение напряженности магнитного поля (АО) не оказывает заметного влияния на рост намагниченности.
Воздействие на намагниченный ферромагнетик магнитного поля амплитудой Н< Нs приводит к уменьшению намагниченности до кривой АВ. Так как у части доменов не хватает энергии для изменения положения вектора намагниченности, установившегося при намагничивании, то даже в отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнитный материал остается намагниченным до величины Jr, называемой остаточной намагниченностью. Дальнейшее уменьшение магнитного поля до —Нs вызывает перемагничивание ферромагнетика по кривой ВС А', а увеличение амплитуд магнитного поля от -Нs до + Нs -намагничивание по кривой А 'В' С' А,
Полученная в результате необратимых процессов намагничивания кривая АВСА'В'С'А называется предельной петлей гистерезиса. Кривая начального намагничивания вместе с предельной петлей гистерезиса являются важными характеристиками ферромагнитных материалов. Наряду с ними для оценки свойств ферромагнетиков пользуются зависимостью остаточной намагниченности Jr = f(H). Для примера на рис. приведены кривая начального намагничивания 1 и соответствующая ей кривая остаточной намагниченности 2 ферромагнитного материала, а также кривая остаточной намагниченности 3, которая измерена для ферромагнитного материала, намагниченного «идеальным» способом. При «идеальном» способе намагничивания на ферромагнетик действует сумма переменного и постоянного магнитных полей. Намагничивание происходит в результате многократного перемагничивания ферромагнетика в неизменном по амплитуде постоянном магнитном поле и постепенно убывающем переменном поле. Вследствие этого в области малых значений намагничивающего поля остаточная намагниченность по сравнению с обычным намагничиванием резко возрастает, а сама кривая намагничивания спрямляется.
Способы магнитной записи.
Существуют различные способы записи, отличающиеся направлением намагничивания(продольное, поперечное, наклонное) и режимом подмагничивания (без подмагничивания, с подмагничиванием постоянным и переменным полем, частности высокочастотным полем). В магнитофонах нашла применение запись с продольным намагничиванием, при
котором магнитное поле намагничивает магнитную ленту, движущуюся вдоль ленты. Формирование дорожек записи поперечно и наклонно движению магнитной ленты используется в видеомагнитофонах. Независимо от направления намагничивания магнитная запись осуществляется с подмагничиванием и без него.
Запись без подмагничивания на ранее размагниченный носитель записи — наиболее простой способ записи, при таком способе записи через обмотку записываемой головки протекает только ток записываемых сигналов (например, синусоидальный ток). Этот ток вызывает появление вокруг сердечника головки магнитного поля. Кривая остаточной намагниченности Jr = f(H) (рис. 7.7, а) нелинейная, поэтому запись на носителе (рис. 7.7, б) будет сильно искажена. Такой способ для звукозаписи не применяют. Запись без подмагничивания используют для записи телевизионных сигналов.
При записи с подмагничиванием постоянным полем через обмотку записывающей головки кроме токов записываемых сигналов пропускают постоянный ток подмагничивания. Поле записи, действующее на носитель, в этом случае состоит из поля сигнала Нс и поля подмагничивания Нп. Кривая начального намагничивания и предельная петля гистерезиса представлена на рис. 7.8, а. Четыре участка этих кривых сравнительно линейны: два участка расположены на кривой начального намагничивания и два — на предельной кривой намагничивания. При записи на предварительно размагниченный носитель (точка 1 на рис. 7.8) поле подмагничивания смещает рабочую точку в положение 2 или 3. Если запись производится на намагниченном до насыщения носителе (точки 4 или 5), то поле подмагничивания смещает рабочую точку в положение 6 или 7. При воздействии поля сигнала Нс остаточная намагниченность изменяется и содержит как постоянную, так и переменную составляющие, последняя и представляет запись сигналов. Сравнивая оба возможных способа записи на размагниченном и намагниченном до насыщения носителе записи видно, что во втором случае чувствительность записи, т.е. отношение Jr/Н больше из-за большей протяженности линейных участков около точек 6 и 7, динамический диапазон записи шире.
Применение подмагничивания постоянным полем значительно уменьшает нелинейные искажения, стабилизирует запись. Недостатком рассмотренного способа записи является большой шум в паузах сигнала, когда носитель записи намагничен полем Нп. В большинстве магнитофонов применяется запись с высокочастотным подмагничиванием (ВЧП). При таком способе записи через обмотку записывающей головки пропускается одновременно ток записываемого сигнала и ток высокой частоты. Намагничивающее поле состоит из двух составляющих: поля сигнала и высокочастотного подмагничивания. Поле высокочастотного подмагничивания в отсутствие тока сигнала в обмотке записывающей головки симметрично, при наличии тока сигнала становится несимметричным.
Частоту тока ВЧП выбирают настолько большой (50...120 кГц), чтобы каждый элемент носителя записи при прохождении мимо зазора записывающей головки испытал несколько десятков циклов перемагничивания. Характер намагничивающего поля в этом случае напоминает характер поля при «идеальном» намагничивании. Отличие состоит лишь в том, что при записи с ВЧП оба поля — высоко- и низкочастотное — спадают одновременно. В связи с этим процесс магнитной записи с высокочастотным подмагничиванием часто называют квазиидеальным намагничиванием, в результате которого происходит спрямление кривой остаточного намагничивания. За счет несимметричного поля носитель записи не размагничивается полностью, а сохраняет некоторую остаточную намагниченность, пропорциональную току сигнала. Поле высокочастотного подмагничивания на носителе не записывается.
Использование записи с ВЧП позволяет значительно уменьшить нелинейные искажения, расширить динамический диапазон и увеличить чувствительность записи. Для повышения качества записи амплитуду тока ВЧП выбирают в 3...4 раза больше амплитуды тока сигнала.
Воспроизведение записи. Фонограмма магнитной записи с продольным намагничиванием представляет собой последовательность намагниченных участков различной длины (рис. 7.9). Каждый намагниченный участок носителя записи имеет внешнее магнитное поле, магнитные силовые линии которого при движении около сердечника воспроизводящей головки замыкаются через него. Вследствие этого в обмотке воспроизводящей головки возбуждается ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока Ф и числу витков обмотки n: при неизменной амплитуде Фm наводимая в обмотке воспроизводящей головки ЭДС растет с увеличением частоты записываемого сигнала (примерно 6 дБ на октаву). Частотная характеристика воспроизводящей головки приведена на рис. (кривая I). Зависимость ЭДС воспроизводящей головки от частоты требует применения в магнитофонах корректирующих устройств, Коррекция частотной характеристики чаще всего осуществляется одновременно в усилителях записи и воспроизведения. Частотная характеристика усилителя воспроизведения с коррекцией условно показана рис. 0 (кривая 2).
Стирание магнитной записи. Используют два способа стирания: намагничиванием носителя записи до насыщения или его размагничиванием. Первый способ из-за присущих ему недостатков (большой уровень шумов, неполное стирание) используют редко: обычно запись стирают размагничиванием носителя записи в знакопеременном магнитном поле, создаваем ГВЧ в зазоре стирающей головки. Процесс размагничивания носителя записи происходит в два этапа: при приближении к стирающей головке носитель попадает в возрастающее по амплитуде магнитное поле, которое намагничивает его до насыщения; после зазора носитель попадает в убывающее по амплитуде магнитное поле, намагниченность в нем спадает по до нуля.
Для полного стирания записи необходимо выполнять следующие условия: форма тока в обмотке стирающей головки должна быть симметричной; спад амплитуд напряженности магнитного ноля должен происходить плавно (разница двух следующих друг за другом амплитуд не должна превышать 3...5%). Обеспечить плавность изменения амплитуд напряженности магнитного поля можно увеличением частоты ГВЧ или уменьшением скорости движения носителя записи. Увеличение частоты ГВЧ сопровождается увеличением потерь на вихревые токи. Уменьшение скорости движения носителя записи приводит к появлению искажений, поэтому частоту тока стирания выбирают из компромисса между получением необходимого качества стирания и приемлемой мощностью ГВЧ.
2. Задание на СРС (Л1. стр.190-205) 2.1 Составить рисунки, поясняющие работу записи, воспроизведения, стирания в магнитофонах. 2.2 Почему при записи с ВЧП расширяется динамический диапазон записи? 2.3 Поясните принцип записи с подмагничиванием постоянным током. 2.4 Какой способ записи применяют в диктофонах? | 3. Задание на СРСП. 3.1 Нарисовать функциональные схемы магнитофонов с открытой и закрытой петлей. 3.2 Поясните явление «копирэффект» 3.3 Составить принципиальную схему генератора стирания и подмагничивания, поясните его работу. |
4. Контрольные вопросы
4.1 Как осуществляется запись сигналов на магнитную ленту 4.2 Как осуществляется процесс стирания? 4.3 Как осуществляется процесс воспроизведения? 4.4 Дайте понятие динамическому подмагничиванию 4.5 Что представляет из себя петля гистерезиса? |
Глоссарий
5.1 Запись 5.2 Воспроизведение 5.3 Стирание 5.4 Генератор стирания 5.5 Петля гистерезиса | Record Reproduction Deleting The generator of deleting Loop of a hysteresis |
Литература
Основная 6.1 М.Т. Кохно стр. 190-205 6.2 А.В. Выходец стр. | Дополнительная |
Лекция 13