Цифровая обработка сигналов в трактах звукового вещания

5

25

75

95

100

5

25

75

95

100

Все права защищены.
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме 
и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения правообладателя
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком»
www.techbook.ru
© О.Б. Попов, С.Г. Рихтер

Введение 
 
 
 
 
 
Звук, звуковые сигналы, возможность слухового восприятия – 
неотъемлемые составляющие полноценной жизни человека, среды 
его обитания. 
Звуковое и радиовещание стали неотъемлемой частью жизни 
общества, важным средством политического, эстетического и нравственного воздействия на население. Радиовещание по-прежнему, 
несмотря на популярность телевидения, остается основным источником информации для миллионов людей: его регулярно слушает 
более 80% населения нашей страны. Одним из главных преимуществ радиовещания как средства доставки информации является 
оперативность, недостижимая пока для телевидения.  
Цифровая обработка звуковых вещательных сигналов (ЗВС) – 
не самоцель, а средство оптимизации передачи таких сигналов по 
каналам и трактам. Цифровая передача ЗВС получила очень широкое распространение. Это связано с известными преимуществами 
цифровых методов передачи аналоговых сигналов. Основные из 
этих преимуществ (применительно к высоким требованиям к качеству передачи ЗВС): высокая помехоустойчивость при использовании 
каналов с большим уровнем помех и искажений; независимость качественных показателей каналов от их протяженности, числа цифровых транзитов, коммутации и обработки цифрового сигнала; отсутствие накопления помех и искажений, действующих на различных 
участках канала; простота цифрового выделения и ввода таких сигналов; значительное увеличение возможностей обработки ЗВС, 
представленных в цифровой форме; упрощение эксплуатации каналов, что объясняется высокой стабильностью и малым числом контролируемых параметров (часто достаточно контролировать только 
наличие сигнала и достоверность его передачи). Таким образом, 
цифровая техника позволяет уменьшить искажения при передаче 
звуковых сигналов до порога чувствительности человеческого слуха 
(и ниже, если это оправдано экономически). 
Преимущества использования цифровых методов передачи сигналов ЗВ по радиотрактам связаны, в первую очередь, с тем, что 
здесь, помимо высокого качества звукопередачи, может быть реализован существенный энергетический выигрыш по сравнению с аналоговой передачей, объясняемый возможностью применения помехоустойчивого кодирования, эффективных методов модуляции (фа

Цифровая обработка сигналов в трактах звукового вещания 

 
 

4 

зовой или амплитудно-фазовой), маскирования цифровых ошибок           
и специальных методов устранения избыточности в таких сигналах. 
Прогресс технологии производства элементов полупроводниковой микросхемотехники открыл реальные возможности практической 
реализации высокоэффективных устройств цифровой обработки 
ЗВС. Основная причина использования именно цифровых методов 
обработки заключается в возможности реализовать достаточно 
сложные алгоритмы обработки, причем часто в виде одной микросхемы. Скорость выполнения логических операций в современных 
цифровых сигнальных процессорах столь высока, что в большинстве 
случаев системы обработки ЗВС могут функционировать в реальном 
масштабе времени.  
Вопросам, связанным с обработкой сигналов в каналах звукового вещания (КЗВ), посвящено значительное количество публикаций. 
В настоящем пособии акцентируется внимание на специфических 
вопросах, связанных с углубленным изучением первичного цифрового преобразования и компактного представления ЗВС, автоматического регулирования уровня таких сигналов в канале звукового вещания и их аудиопроцессорной обработки в трактах вторичного распределения, с анализом искажений сигнала на всех этапах его передачи по многозвенным (составным) КЗВ. Особое внимание уделено 
оригинальным алгоритмам обработки ЗВС, а также проблемам объективной оценки качества сигнала в системах, не нормируемых              
в рамках современного метрологического обеспечения. 
Основу пособия составили материалы лекций, читаемых авторами в течение ряда лет студентам старших курсов, проходящим 
подготовку по специальности 201100 – «Радиосвязь, радиовещание 
и телевидение» на факультете РВТ МТУСИ. Главы 2, 6 и разделы 
«Практические занятия» написаны О.Б. Поповым, гл. 1 и 7, введение 
и приложение написаны С.Г. Рихтером, им же осуществлено общее 
редактирование книги, гл. 3–5 написаны авторами совместно. Авторы несут консолидированную ответственность за отбор материала      
и форму его изложения. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. СИГНАЛЫ И КАНАЛЫ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ 
 
 
 
 
 
1.1. Особенности организации системы звукового вещания 
       в России 
 
Радиовещание в нашей стране всегда рассматривалось, как 
средство централизованного идеологического воздействия. Поэтому 
и ныне существующая в России система вещания по-прежнему централизована и построена по радиально-узловой схеме: от центра –       
к региональным узлам, от которых затем сигнал передается на районные узлы с постепенным снижением требований к качеству передачи. Для повышения «живучести» системы узлы соединены между 
собой, а первая программа, которая используется для передачи сигналов оповещения, передается только по кабельным магистралям, 
что снижает возможность воздействия помех при внезапном надземном ядерном взрыве, с которого принято начинать боевые действия для выведения из строя систем связи противника. 
Преимуществом такой системы является, в частности, простота 
оповещения населения о действиях в условиях чрезвычайных ситуаций. Однако централизованность организации вещания одновременно является и недостатком, поскольку позволяет прекратить передачу с помощью одного рубильника, что невозможно при децентрализованной системе вещания, принятой в большинстве стран. 
Появление независимых и коммерческих радиостанций пока незначительно изменило ситуацию, так как большинство из них не имеют 
своих передающих средств и арендуют их у государственных предприятий.  
Программы вещания формируются в специальных производственных предприятиях – радиодомах. Структурная схема радиодома 
приведена на рис. 1.1. В состав радиодома входят главные редакции 
(ГР), которые определяют содержание передач, их планирование            
и запись; отдел выпуска (ОВ), в котором из отдельных передач формируется программа; отдел контроля (ОК), где осуществляется контроль за техническим качеством и содержанием передач. С помощью вещательной системы (ВС) производится распределение программ по стране и доведение их до слушателя [8, 17, 43, 44]. 
Согласно ГОСТ 11515–91 [8], формирование и доведение программ до слушателей осуществляется с помощью специального 
комплекса  технических  средств,  образующих  электрический  канал 

Цифровая обработка сигналов в трактах звукового вещания 

 
 

6 

 
 
Рис. 1.1. Структурная схема радиодома 
 
звукового вещания (ЭКЗВ). По ЭКЗВ сигналы звукового вещания передаются с выхода микрофона до антенны радиовещательного передатчика или абонентской розетки тракта проводного вещания. 
Структурная схема канала вещания приведена на рис. 1.2.  
Вещательный сигнал, сформированный в радиодоме (РД) с использованием аппаратно-студийных комплексов (АСК), трансляционной аппаратной (ТА), аппаратной записи (АЗ), с выхода центральной аппаратной (ЦА) радиодома подается на вход центральной коммутационно-распределительной аппаратной (ЦКРА), которая осуществляет распределение программ через соединительные линии (СЛ) 
на входы местных трактов вторичного распределения, состоящих из 
радиовещательных станций (РВС) и главного радиотрансляционного 
узла сети проводного вещания (ГРТУ). 
Кроме того, с выхода ЦКРА сигнал может быть подан на тракты 
его первичного распределения по стране – центральную междугородную вещательную аппаратную (ЦМВА) или междугородную вещательную аппаратную (МВА), образующие междугородный канал 
звукового вещания (МКЗВ). Как правило, МКЗВ организуется на основе кабельных и радиорелейных линий. Для организации вещательных трактов используются и спутниковые каналы, включающие 
земные станции (ЗС) и искусственные спутники земли (ИСЗ). Путь 
сигнала заканчивается у слушателя, имеющего либо абонентское 
устройство (АУ), либо радиоприемник (Пр).  
Из структурной схемы на рис. 1.2 следует, что ЭКЗВ состоит из 
трех трактов: 
 
тракта формирования программ (ТФП) – от студийного микрофона до выхода ЦА; 
 
тракта первичного распределения (ТПРП) –- от выхода ЦА 
до выхода ЦКРА (или КРА); 
 
тракта вторичного распределения (ТВРП) – от входа соединительной линии от ЦКРА (или КРА) до антенны передатчика или 
абонентской розетки проводного вещания. 

1. Сигналы и каналы звукового вещания 

 
 

7 

 

 

Рис. 1.2. Структурная схема канала звукового вещания 
 

Цифровая обработка сигналов в трактах звукового вещания 

 
 

8 

1.2. Звуковой вещательный сигнал: 
       описание и основные свойства 
 
Звуковым вещательным сигналом s(t) называют колебание, соответствующее речи, музыке или их сочетанию. Для исследователей 
было удобно считать ЗВС случайным процессом, характеризующие 
который акустические или электрические величины непрерывно изменяются во времени (рис. 1.3). Как случайный процесс, звуковой 
вещательный сигнал характеризуется законом распределения его 
мгновенных значений, заданным плотностью вероятности W(х) или 
функцией распределения F(х) [43, 44].  
 

 U

 t

 
 
Рис. 1.3. Осциллограмма звукового вещательного сигнала 
 
Для получения стабильных распределений анализ проводят на 
достаточно продолжительных отрывках одинаковых по характеру 
программ. Минимальное время наблюдения Т0, дальнейшее увеличение которого не приводит к изменению распределения, называется 
интервалом стационарности.  Принято, что для речи Т0 = 2…3 мин,             
а для музыки – от 20 мин до нескольких часов – в зависимости от 
характера звуковой программы. 
На рис. 1.4 приведены типичные экспериментальные результаты, 
полученные для речевого (а) и музыкальных (б) ЗВС. Здесь по оси 
ординат отложено произведение W(х)  , где  – среднеквадратическое отклонение (СКО); по оси абсцисс – отношение его мгновенных 
значений х к . Характер кривых на рис. 1.4,б указывает на зависимость 
распределений от типа звучаний: область 1 – вокал, эстрадная и симфоническая музыка, область 2 – хор с оркестром, джазовая музыка. 
Уровень ЗВС характеризует сигнал в определенный текущий 
момент и представляет собой выраженное в децибелах выпрямленное и усредненное за некоторый предшествующий промежуток времени  напряжение вещательного сигнала, отнесенное к некоторой 
условной величине U0: N (t,) = 20 lg u (t,) / U0. 

1. Сигналы и каналы звукового вещания 

 
 

9 

 
 
Рис. 1.4. Распределение плотности вероятности мгновенных значений речевого (а) и музыкального (б) ЗВС во времени 
 
Здесь U0 – среднеквадратическое значение сигнала, принятое за 
начало отсчета уровней; ему приписывается уровень 0 дБ. Международными рекомендациями установлены нулевые уровни:  
 электрические: для напряжения 0,775 В (напряжение на нагрузке 600 Ом, на которой выделяется мощность 1 мВт); для мощности 1 мВт; 
 акустические: для звукового давления 210–5 Па (это минимальное звуковое давление, соответствующее порогу слышимости          
в области максимальной чувствительности уха 1…4 кГц); для интенсивности звука 10-12 Вт/м2. 
График функции N(t,) называется уровнеграммой сигнала s(t). 
Вид уровнеграммы (рис. 1.5) зависит от условий ее измерения, особенно от времени интеграции . На форму уровнеграммы влияют также вид детектирования (квадратичное, линейное или квазипиковое) и 
динамические характеристики измерительной цепи и измерительного 
механизма: время срабатывания и время восстановления (возврата). 
Закон распределения уровней выражается плотностью W(N) или 
функцией вероятности F(N); он весьма стабилен (особенно для 
больших ) и почти не зависит от характера звуковой программы на 
длительностях не менее интервала стационарности. Уровнеграммы 
для оценки состояния звукового тракта при передаче по нему ЗВС 
измеряют при  = 10…20 мс, а для оценки громкости  выбирают 
около 200 мс.  На рис. 1.6,а  приведены  три функции распределения 
уровней музыкальных программ (за 0 дБ принята медиана распреде- 

Цифровая обработка сигналов в трактах звукового вещания 

 
 

10 

 
 
Рис. 1.5. Пример уровнеграммы ЗВС 
 

 
 
Рис. 1.6. Функции распределения уровней музыкальных программ (а)                   
и речевого сигнала (б) 
 
лений), а на рис. 1.6,б те же построения выполнены для речевого 
сигнала [44]. 
Удобными числовыми оценками распределений считаются 
квантили. Квантилем Ni (Fi) называется значение уровня Ni при заданном значении функции распределения Fi; случайная величина N 
с вероятностью Fi не превосходит своего квантиля Ni. Можно также 
сказать, что уровень N (t,) не превосходит величины Ni на протяжении доли (или процента) Fi времени наблюдения. Квантиль N (0,5), 
соответствующий значению F = 0,5, называется медианой распределения и характеризует наивероятнейшее значение уровня в данной звуковой программе. 
Пределы изменения уровня определяют динамический диапазон 
Dс сигнала. При теоретическом определении динамического диапазона сигнала вводят понятия квазимаксимального и квазиминимального 
уровней: