архив журнала "Звукорежиссер" 2000: #7

архив журнала "Звукорежиссер" 2000: #7
http://rus.625-net.ru/audioproducer/arch.htm#zvukoregisser
Компрессор в радиовещании
Михаил Сергеев
Журнал постоянно обращается к технике и технологии звукорежиссуры, но речь
идет о студийной звукозаписи и концертной работе. Но работа в эфире имеет
свои особенности, не стоит о них забывать.
Трудно представить сегодня радиостудию без прибора динамической
обработки сигнала - компрессора. Выбор широк десятки моделей компрессоров,
и подробно рассказать о каждой невозможно. В то же время, разобравшись в
устройстве прибора, проще будет справиться и с конкретным аппаратом.
Итак, основные параметры компрессора.
Статические параметры
Порог срабатывания (THR, Threshold)
Порог срабатывания компрессора - это точка перегиба амплитудной
характеристики, то есть зависимости уровня выходного сигнала от уровня
входного сигнала в установившемся режиме.
Влияние изменения порога срабатывания на характеристики компрессора
иллюстрирует рис.1. При повышении порога срабатывания уменьшается
воздействие компрессора на сигнал. Понижение порога приводит к увеличению
степени компрессии: сужается динамический диапазон выходного сигнала,
уменьшается его уровень. Сжатие динамического диапазона - это цель работы
компрессора. Снижение уровня выходного сигнала - это побочный эффект, легко
компенсируемый усилителем, который обычно входит в состав компрессора.
Рис.1
Если в аппарате не предусмотрена регулировка порога срабатывания, то
можно, поднимая уровень сигнала на его входе, повысить воздействие
компрессора на сигнал. Снижение уровня входного сигнала приводит к
уменьшению компрессии.
В некоторых аппаратах амплитудная характеристика сглажена (Soft knee), в
других - имеет излом (Hard knee). Считается, что сглаживание характеристики
должно благоприятно сказываться на звучании, но радикальные отличия
заметить сложно.
Степень компрессии (Ratio)
Параметр показывает, на сколько децибел нужно в установившемся режиме
увеличить уровень входного сигнала для изменения уровня выходного сигнала
на 1 дБ. Чем больше степень компрессии, тем меньше изменяется уровень
выходного сигнала при изменении уровня входного сигнала. При Ratio = 1:1
компрессор не изменяет сигнал, при Ratio =
в установившемся режиме
повышение уровня входного сигнала не влияет на уровень выходного сигнала
(см. рис.2).
Рис.2
При обработке реальных звуковых сигналов система автоматического
регулирования не успевает достичь установившегося режима, поэтому уровень
выходного сигнала изменяется при любой степени компрессии.
Уровень ограничения
В радиовещании не обойтись без функции амплитудного ограничения
выходного сигнала компрессора: максимальное значение девиации частоты
несущей не должно превышать 75 кГц (или 50 кГц в диапазоне 65…74 МГц).
Действие цепи ограничения амплитуды сигнала показано на рис.3.
Кратковременное ограничение сигнала (единицы миллисекунд) на слух
практически незаметно. Статистика реального сигнала такова, что чаще всего
амплитудному ограничению подвергаются сигналы низких частот. Ограничение
высокочастотных сигналов вызывается наличием предыскажений АЧХ.
Рис.3
Динамические параметры
Время срабатывания (Attack time)
Этот параметр задает скорость реакции компрессора на повышение уровня
входного сигнала. За время срабатывания коэффициент передачи компрессора
уменьшается до значения, на 10% превышающего установившееся. Время
срабатывания может зависеть от уровня сигнала и величины перегрузки.
Иногда используют другие параметры, связанные со временем срабатывания:
"скорость установления" (дБ/с), "постоянная времени цепи срабатывания"
(с или мс).
Чем меньше время срабатывания, тем быстрее аппарат реагирует на
повышение уровня сигнала, то есть меньше длительность переходного
процесса.
Рис.4
На рисунке 4 показаны следующие варианты:
1 - исходный сигнал.
2 - при малых значениях времен установления и восстановления выходной
сигнал компрессора имеет классический вид.
3 - увеличение значения времени восстановления привело к тому, что к началу
второго импульса аппарат еще не восстановился.
4 - можно установить время восстановления равным времени установления, но
для звуковых целей такой режим подходит плохо.
При времени срабатывания около 1 мс нелинейные искажения, связанные с
процессом установления, оказываются практически неслышимыми. Увеличение
времени срабатывания приводит к тому, что на короткие всплески сигнала
компрессор не реагирует.
Время восстановления (Release time)
Параметр описывает скорость восстановления коэффициента передачи
компрессора после снятия перегрузки: время, за которое коэффициент передачи
достигает 0,9 от установившегося значения. Иногда вместо времени
восстановления используют такие параметры, как "постоянная времени цепи
восстановления" (с или мс), "скорость восстановления" (дБ/с).
Если время восстановления меньше 0,1 с, то на реальной фонограмме
компрессор успевает к моменту прихода очередного импульса полностью
восстановиться (см. рис.4.3). Такой выбор режима позволяет повысить среднее
значение уровня сигнала и громкость, но вызывает заметное на слух
"пыхтение". Повышая время восстановления (более 1 с) удается снизить
заметность процесса, но уменьшается и средний уровень сигнала, то есть
уменьшается эффективность компрессии.
В простейших устройствах траектория переходных процессов в компрессоре
задается RC-цепью, и зависимость коэффициента передачи от времени имеет
вид экспоненты. В профессиональной радиовещательной аппаратуре время
восстановления зависит еще и от параметров обрабатываемого сигнала. В
качестве примера можно привести Compellor Model 320 фирмы Aphex,
упрощенная схема которого показана на рисунке 5.
Compellor представляет собой однополосный аппарат с обратной связью.
Усилитель (VCA) управляется суммой напряжений с выходов трех
выпрямителей U1, U2, U3.
Рис.5
Если движок потенциометра R1 находится в верхнем (по схеме) положении, то в
зависимости от свойств сигнала время срабатывания компрессора
устанавливается автоматически в пределах 5…50 мс, а время восстановления от 0,2 до 1 с. Управляет динамическими параметрами специальная
"интеллектуальная" цепь DRC.
При изменении положения движка потенциометра R1 изменяются и
динамические параметры. В нижнем (по схеме) положении движка время
срабатывания составляет 1 с, а время восстановления - 2 с. Переставив
перемычку на плате, можно увеличить время срабатывания до 2,5 с, а время
восстановления - до 5 с.
В устройствах с раздельной обработкой сигналов в полосах временные
параметры в полосах устанавливаются разными. Это позволяет достичь
компромисса между противоречивыми требованиями, обусловленными
свойствами слуха и параметрами сигналов.
Завершить рассказ о параметрах компрессора можно коротким резюме. Для
достижения большей компрессии сигнала следует:
- увеличивать время срабатывания;
- уменьшать время восстановления;
- уменьшать порог срабатывания.
Но не следует забывать, что чрезмерная компрессия звука превращает музыку
в скрежет, звон - в стук, а родную речь - в непонятную иноземную.
Некоторые особенности радиовещания
Настройка компрессора
При настройке студийного тракта радиостанции нельзя забывать, что звук
появится только в радиоприемнике, а сигнал в эфире - это своего рода
полуфабрикат.
Есть и еще одна особенность у радиовещания: критерии качества звука здесь
иные, нежели в концертном зале. Дело в том, что у радиослушателя есть
возможность влиять на звучание, например, изменять громкость или тембр, и
сравнивать радиостанции. На фоне пяти радиостанций, сигнал у которых
компрессирован "до изумления", звук шестой станции с умеренной компрессией
будет восприниматься как свободный, яркий. Но этот же звук на фоне других
станций может показаться зажатым.
Понятие " хороший звук" расплывчатое, поскольку основано на вкусе
слушателя. Методы же управления качеством звука вполне объективны. Как же
связано звучание с положением регуляторов на компрессоре?
Трудно дать конкретные рецепты, которые подойдут для работы с любым
аппаратом. Однако есть общие вопросы, на которых хотелось бы
остановиться.
Динамический диапазон
Динамический диапазон сигналов в студии составляет 40…50 дБ. На рисунке 6
показана диаграмма уровней сигналов в радиовещании. Компрессор уменьшает
динамический диапазон до значений, позволяющих с комфортом слушать
радиосигнал. Условием достижения комфорта, в частности, является
преобладание звукового сигнала над уровнем шума. Термин " шум" включает в
себя в данном случае все: и шумы студийных источников, и шумы канала
передачи сигналов, и акустические шумы в месте прослушивания. О каких
величинах можно говорить?
Рис.6
Если взять качественный приемник со стационарной антенной, то можно
получить отношение сигнал/шум более 60 дБ даже с учетом акустических
шумов помещения.
Приемник среднего качества со встроенной антенной в " среднем" помещении
дает 40…50 дБ.
В автомобиле решающую роль играют акустические шумы. В "обычных" авто
не приходится рассчитывать на величины, превышающие 30 дБ, хотя приемник
может обеспечить и все 60 дБ.
Если радиостанция ориентирована на слушателей с качественными
стационарными приемниками, то она может позволить себе передавать в эфир
сигналы с динамическим диапазоном около 30 дБ, или даже 40. В автомобиле
слушать такую станцию будет трудно, динамический диапазон нужно сжимать
до 12…15 дБ.
Тональный баланс
Формально неравномерность АЧХ передающей части тракта не превышает 0,5
дБ, но указанная величина представляет собой на самом деле не
неравномерность, а отклонение АЧХ от номинальной. Речь идет о
предыскажениях. При использовании частотной модуляции спектральная
плотность шума на выходе тракта передачи возрастает с ростом частоты.
Подъем высокочастотных составляющих звукового сигнала при передаче с
последующей коррекцией при приеме позволяет уменьшить влияние шума
канала передачи.
Рис.7
На рис.7 показаны амплитудно-частотные характеристики цепи предыскажений
при передаче и коррекции при приеме. В основе этих кривых лежат результаты
исследований частотной зависимости спектральной плотности звуковых
сигналов. С ростом частоты уменьшается спектральная плотность у сигналов
акустических музыкальных инструментов. При значении постоянной времени
цепи коррекции, равном 50 мкс обеспечивается компромисс: эффективное
подавление шумов еще не сопровождается перегрузкой канала.
Вопросами коррекции занимались специалисты, и результаты их работы
следует признать хорошими. Переход к методу ЧМ позволил радикально
повысить качество звучания по сравнению с АМ. Все бы было хорошо, если б
не... Данные, которые легли в основу параметров цепи коррекции, были
получены для существовавших в те времена сигналов. Появление электронных
инструментов и цифровой звукозаписи резко изменило картину.
Классическая микрофонная фонограмма (рис.8.1) после введения предыскажений
(рис.8.2) практически не перегружает канал.
Рис.8.1; Рис.8.2
Если же взять фонограмму с современного компакт-диска, записанного и
сведенного по сложившейся технологии (рис.9.1), то получается другая
картина. Введение предыскажений приводит к перегрузкам даже на " тихих"
участках фонограммы (рис.9.2).
Рис.9.1; Рис.9.2
Большая часть фонограмм на радиостанциях - это современные компакт-диски.
Электронные технологии записи и мастеринга дисков позволяют создавать
сигналы, которых вообще в природе не бывает, и разговор о статистических
характеристиках таких сигналов не имеет смысла. Решения, которые были
приняты на основе статистических характеристик "натуральных" сигналов,
сегодня оказались далекими от оптимальных. Но эти решения живут в десятках
миллионов радиоприемников, приходится с этим считаться.
В радиовещании АЧХ горизонтальна только при низких уровнях сигнала, когда
предыскажения еще не приводят к перегрузке канала. Подъем АЧХ при передаче
составляет 13,6 дБ на частоте 15 кГц и 10,4 дБ на частоте 10 кГц, то есть
максимальное значение уровня выходного сигнала тюнера на частоте 10 кГц на
10,4 дБ ниже, чем на частоте 400 Гц.
Что же делать? Здесь уместно вспомнить про свойства слуха. Ощущение
тонального баланса (или его отсутствия) зависит не только от спектрального
состава сигнала, но и от других его параметров, прежде всего - от временной
структуры. В спектре исходного сигнала (см.10.1) доля высокочастотных
составляющих невелика, хотя тарелки до компрессии (1) звучит звонко.
Рис.10.1
Рис.10.2
Умеренное компрессирование и частотные предыскажения повышают уровень
ВЧ-составляющих (см. рис.10.2.), действие предыскажений при неумеренной
компрессии привело к искажениям (см. рис.10.3), звук стал "деревянным".
Рис.10.3
Исходный сигнал звонкий, и умеренно компрессированный сигнал сохраняет
звонкость, а перекомпрессированный сигнал звучит как удар молотком по доске.
Подъем АЧХ на высоких частотах привел к росту нелинейных искажений,
которые превратили звон в стук, звук стал глухим.
Часто ощущение недостатка высоких, вызываемое амплитудным ограничением
высокочастотных составляющих сигнала, пытаются скомпенсировать еще
большим подъемом АЧХ. С этой ошибкой в радиовещании мне приходилось
сталкиваться неоднократно. Для " оживления" звучания нужно не повышать, а
уменьшать уровень ВЧ-составляющих сигнала.
Вторая типичная ошибка связана с особенностями передачи сигналов низких
частот. Звукорежиссер хочет подчеркнуть низкие частоты, сигналы ритмгруппы, забывая, что в радиовещании подъем АЧХ на низких частотах или
увеличение степени компрессии этих сигналов может привести к неожиданным
результатам: приемники большинства радиослушателей воспроизводят
сигналы от 80…100 Гц и выше, и низкочастотная часть спектра впустую греет
окружающую среду. Поскольку общее значение девиации частоты несущей
ограничено, то низкие частоты поднимаются за счет средних и высоких. В
результате вместо " плотных" и "упругих" басов получаем тихое звучание с
нарушенным тональным балансом
Громкость звучания
Полезно знать, что ощущение громкости звука создается среднечастотными
составляющими звукового сигнала, компоненты с частотами до 80…100 Гц и
выше 5…7 кГц слабо влияют на громкость. Может показаться парадоксальным,
но громкость звучания практически не связана с динамическим диапазоном.
Динамический диапазон - это разность уровней максимального и минимального
полезного сигналов (рис.11), а громкость зависит от среднего значения уровня.
Динамический диапазон и громкость звучания связаны неочевидным образом:
короткие пики и провалы уровня сигнала практически не влияют на ощущение
громкости.
Рис.11
В качестве оценки эффективности компрессии удобно использовать
соотношение среднего и максимального значений уровней сигнала. Если среднее
значение уровня на 10…15 дБ ниже максимального, то сигнал на фоне других
радиостанций может показаться тихим. С помощью хорошего компрессора
нетрудно обеспечить динамический диапазон, равный 3…6 дБ, в этом диапазоне
лежит оптимальное значение. Дальнейшее повышение среднего уровня без
искажений сигнала весьма проблематично.
Иногда для повышения громкости идут на повышение максимального значения
уровня сигнала и увеличение девиации. Это путь гораздо дешевле, чем
использование хорошего компрессора. Но не стоит забывать о специфике
радиовещания. В концертном зале возможность повышения уровня ограничена
только мощностью аппаратуры. "Перебор" в худшем случае приведет к
срабатыванию защиты усилителей или громкоговорителей. Подъем на 6 дБ в
радиовещании - это 150 кГц девиации вместо 75. Желающие могут попробовать
увеличить девиацию на 6 дБ, но я бы не советовал увлекаться такими
экспериментами, как не советую ездить со скоростью 160 км/час там, где
разрешено 80 последствия будут аналогичными.
Несколько практических советов
Разнообразие аппаратов ограничивает возможность давать конкретные
советы. Надеюсь, что несколько общих рецептов окажутся все-таки
полезными.
Ощущение недостатка высоких, тусклость звучания чаще всего является
следствием избыточной компрессии высокочастотных составляющих. Для
диагностики можно воспользоваться сигналом, показанным на рис.12.1. На рис
12.2 показан вид сигнала на выходе приемника при нормальной компрессии, на
рис.12.3 - результат избыточного компрессирования.
Рис.12
Взаимная модуляция сигналов возникает во всех однополосных компрессорах и в
некоторые многополосных. При ударе по барабану, например, "просаживается"
голос. Эффект обычно удается ослабить изменением частот разделов полос, а
в однополосных компрессорах следует повышать уровень срабатывания и
уменьшать степень компрессии. В зависимости от свойств конкретного
аппарата полезным может оказаться и уменьшение, и увеличение времени
срабатывания.
Ощущение "пыхтения" связано с наличием длительных (сотни миллисекунд)
переходных процессов в компрессоре и с избыточной компрессией, когда
"вытягивается" совсем низкий уровень. Метод лечения прост: уменьшение
степени компрессии, повышение уровня срабатывания и манипуляции с
временными параметрами.
Малая громкость при номинальном значении девиации частоты вызвана, скорее
всего, избыточным подъемом на низких (до 100 Гц) или высоких частотах (выше
5 кГц). Это легко проверить нужно ослабить эти составляющие сигнала
регулятором тембра прямо на пульте.
При настройке компрессора помогает визуальный контроль. Лучше всего
подключить осциллограф к выходу стереокодера. В нормальном режиме на
экране получается полоса шумоподобного сигнала, амплитуда которого
соответствует девиации 75 кГц (или 50 - в диапазоне частот 65…74 МГц). По
виду комплексного стереосигнала легко заметить нелинейные искажения
(ограничение амплитуды), можно оценить и средний уровень. Выходные сигналы
тюнера, прошедшие цепь коррекции предыскажений, оказываются гораздо менее
информативными в этом смысле.
Компрессор находится обычно около радиопередатчика, где трудно расставить
акустические системы, и для слухового контроля при настройке удобно
использовать головные телефоны. Большинство слушателей имеют обычные
приемники, звучание которых отличается от звучания качественных головных
телефонов. Следует с учетом специфики аудитории станции выбрать для себя
контрольный тракт (бытовой приемник, как у вероятного слушателя) и
проверять результаты настройки на нем.
Полезно учитывать при коррекции звука свой станции и звук других станций,
принимаемых в данной местности.
Заключение
Возможности аппаратуры обработки звуковых сигналов, используемых на
радиостудиях, ограничены необходимостью работы в реальном времени.
Компьютерные технологии широко применяются сегодня в радиовещании, есть
уже станции, на которых основным носителем сигналов является компьютер.
При формировании фонотеки на жестком диске полезно предварительно
обработать фонограммы. Поскольку программе обработки доступен весь
сигнал (то есть звуковой файл), то можно заранее выбрать параметры
алгоритма его обработки, наиболее подходящие для данного случая, и получить
максимальный эффект при минимальных искажениях.
Вопросы предварительной компьютерной обработки фонограмм в
радиовещании будут рассмотрены в следующих статьях.
© 1996—2009 «Издательство 625». Все права защищены.
e-mail: magazine at 625-net.ru, тел./факс: (495) 691-7724, 695-9588.
Свидетельство о регистрации средства массовой информации Эл № 77-2794