Линейный уровень

Лине́йный у́ровень (англ. line level) аналогового сигнала — средняя[1] величина напряжения сигнала, передаваемого из одного блока сигнального тракта в другой по межблочным линиям связи; в более общей формулировке линейный уровень — среднее напряжение сигнала в любой точке аналогового тракта[1]. Соответствующий линейному уровню сигнал называют сигналом линейного уровня, выходную цепь источника такого сигнала — линейным выходом, а совместимую с ним входную цепь приёмника сигнала — линейным входом. Понятие линейного уровня, появившееся в США в межвоенный период, восходит к понятию линии проводной телефонной связи и не связано непосредственно с понятиями линейности и нелинейности аналогового тракта[1].

Дипазоны значений линейных (тёмно-красный) и предельных уровней сигнала в бытовой и профессиональной звуковой технике

Величины линейных уровней зависят от назначения аппаратуры (бытовая или профессиональная), природы источника сигнала (видео, аудио и тому подобное) и его носителя (аналоговая или цифровая форма), времени выпуска аппаратуры и так далее. Выбор линейного уровня — компромисс между требованиями к отношению сигнал/шум, c одной стороны, и к перегрузочной способности и к уровню нелинейных искажений — c другой. Напряжения линейных уровней звуковой аппаратуры всегда выражаются в средних квадратических (действующих) значениях. Помимо указания уровня в вольтах или милливольтах, на практике применяются и специфические для своих областей применения логарифмические единицы — dBV в бытовой и dBm или dBu в профессиональной аппаратуре.

Происхождение понятия

В первые десятилетия существования эфирного радиовещания единственным способом передачи программ между станциями, входящими в радиовещательные сети, была наземная (проводная) телефонная связь. Дальность действия самих радиовещательных станций была невелика, а качество приёма программ по радиоканалу — неудовлетворительно низким для целей ретрансляции; спутниковой радиосвязи не существовало в принципе. Практически сразу после первых экспериментов по телефонной трансляции радиовещателям и телефонистам потребовалось согласовать технические требования к передаваемому сигналу[2]. Слишком мощный сигнал перегружал телефонное оборудование, слишком слабый был чрезмерно подвержен шумам и помехам[2]. В 1940 году радиовещательные компании США и телефонный монополист AT&T зафиксировали технические требования в стандарте, в котором дали чёткое определение: «линейный уровень — средний уровень звуковой программы, при котором в абонентской нагрузке с входным сопротивлением 600 Ом выделяется электрическая мощность 1 мВт»[2][3]. Логарифмическая шкала измерений, привязанная к этому уровню, получила обозначение dBm (децибел относительно уровня 1 мВт)[2]. Именно этой шкалой градуировались стандартные «звуковые» вольтметры системы VU (VU-метры): ноль условных единиц VU (фактически лежащий в правой половине шкалы вольтметра) соответствовал напряжению 775 мВ[4][3].

С течением времени допустимый уровень сигнала на линии увеличился; в 1954 году стандартный линейный уровень телефонных сетей США вырос до +8 dBm (6,3 мВт на нагрузке в 600 Ом, или 1,95 В); допустимый предельный уровень сигнала тогда составлял +18 dBm, что гарантировало запас по перегрузке в 10 дБ относительно линейного уровня[5]. Тогда же стало очевидным, что встроенные в стандартные VU-метры германиевые выпрямители вносят в сигнал на линии неприемлемо высокие нелинейные искажения[4][3] (0,3 % на предельном уровне и значительно больше на меньших уровнях[5]). Во избежание этих искажений инженеры стали включать последовательно с вольтметром VU балластный резистор, который повышал входное сопротивление прибора и одновременно уменьшал напряжение на входе вольтметра примерно в полтора раза, или на 4 дБ[3]. Вскоре внутри радиовещательных сетей возник новый отраслевой стандарт: условный ноль вольтметра VU теперь соответствовал +4 dBm, или 1,228 В на сопротивлении 600 Ом[3]. Именно этот уровень применялся в качестве линейного в студийной аппаратуре вещательных сетей[3].

В 1970-е годы положение изменилось: развился массовый рынок бытовой аппаратуры высококачественного воспроизведения звука, возник новый рынок полупрофессионального студийного оборудования[4]. Студийный стандарт 600-омной линии, подразумевавший использование широкополосных согласующих трансформаторов, был для бюджетной бытовой аппаратуры слишком дорог, да и не нужен[4]. Достаточно было, чтобы выходное сопротивление источника сигнала было во много раз ниже входного сопротивления приёмника[4]. Так возникла необходимость перейти от «мощностных» децибел dBm к новой шкале, оперирующей не мощностью, но напряжением[6][4]. В США, следуя традиции, просто приравняли ноль шкалы напряжений к нолю шкалы dBm; новые логарифмические единицы получили обозначение dBu (от англ. unterminated, «ненагруженный»)[6][4]. В Европе предложили новую шкалу, привязанную не к уровню 775 мВ, а к уровню 1 В — эта шкала получила обозначение dBv[4][6]. Шкала dBV, стандартизованная МЭК и IHF, стала основной для бытовой техники; шкала dBu, как и её предшественница dBm, осталась стандартом для профессионалов[4][6].

Линейные уровни в звуковой технике
Напряжение в зависимости от времени, выраженной в угловых градусах периода, синусоидальных волн опорных и линейных уровней с , и для профессиональной и бытовой (потребительской) аппаратуры отмечены относительно уровня +4 dBu (синяя штриховая линия)

Профессиональная аппаратура
Линейные входы и выходы профессиональной аппаратуры обычно используют разъёмы XLR

Линейные уровни профессиональной аппаратуры, традиционно измеряемые в dBm или dBu, лежат в диапазоне +4…+8 dBu, или 1,228…1,95 В:

  • В США фактическим стандартом стал линейный уровень +4 dBm, соответствующий среднему квадратическому напряжению 1,228 В[7][1][8];
  • В западноевропейском радиовещании исторически применялся несколько бо́льший «уровень ARD» +6 dbU, или 1,55 В[7];
  • В студийной практике также распространён уровень +8 dBu, или 1,95 В[1].

Если сигнал источника передаётся приёмнику по симметричной балансной линии (что является нормой в профессиональной практике), то напряжение сигнала измеряется между двумя противофазными проводниками. Средние напряжения сигнала на каждом из этих проводников вдвое меньше линейного уровня — 614, 775 или 973 мВ для линейных уровней +4, +6 или +8 dBu соответственно[9].

Бытовая аппаратура
Линейные входы и выходы бытовой аппаратуры обычно используют разъёмы RCA

В бытовой звуковой аппаратуре, как правило, используются значительно ме́ньшие линейные уровни:

  • По данным американского словаря The Audio Dictionary (2005 год), наиболее распространён линейный уровень около 500 мВ среднеквадратического[1]. Этот же уровень (c оговорками) зафиксирован действующим международным стандартам МЭК 60933 и составленным на его основе российским ГОСТ Р 51771-2001[10], и спецификацией звукового канала видеоинтерфейса SCART[11].
  • По данным других авторов (2010, 2012 годы), в бытовой аппаратуре и полупрофессиональной студийной технике преобладает установленный IHF уровень −10 dBV («стандарт IHF»[6]), что соответствует среднеквадратическому напряжению сигнала 316 мВ (или −7,78 dBu)[7][12];
  • В бытовой видеотехнике конца XX века применялись уровни −6 dBu (387 мВ, система VHS) и −7,5 dBu (327 мВ, система Hi8); в начале 1980-х годов японские производители hi-fi ориентировались на ещё меньший уровень в −10 dBu (245 мВ)[13];
  • Минимально допустимая величина линейного уровня, по стандарту МЭК, составляет всего −20 dBu (25 мВ),[1], и по состоянию на 2013 год она также широко применялась в серийных устройствах[13].

В документации на проигрыватели цифровых носителей вместо указания линейного уровня может указываться предельное среднее квадратическое напряжение неискажённого синусоидального сигнала на выходе цифро-аналогового преобразователя. Его типичное значение, стандартизованное в 1980-е годы для стационарных проигрывателей компакт-дисков и звукового интерфейса SCART, равно 2 В[11]. В соответствии с МЭК 60933 и ГОСТ Р 51771-2001 линейный (номинальный) уровень такого сигнала отстоит от предельного на 12 дБ и равняется 500 мВ[14]. Однако, по данным 2013 года, большинство звукоинженеров сводили цифровые фонограммы, ориентируясь на запас по перегрузке в 18 дБ, поэтому фактический средний линейный уровень на выходе проигрывателя вдвое меньше — всего 250 мВ[13].

Согласование уровней

Подавать сигнал с выхода профессиональной аппаратуры на вход бытового устройства обычно нельзя из-за неизбежных при этом перегрузок по входу[12]. Для ослабления сигнала профессиональной аппаратуры до бытовых −10 dBV применяют аттенюаторы или трансформаторы, которые получили в англоязычной среде собирательное название «преобразователи 4 в −10» (англ. 4/-10 converters). Аналогичным образом (-10/+4) маркируются переключатели на профессиональной аппаратуре со встроенными аттенюаторами[12]. Так как профессиональные и бытовые уровни традиционно обозначаются в разных масштабах (dBu и dBV), то коэффициент ослабления такого аттенюатора равен не −16, а −11,8 дБ (напряжение ослабляется в 3,89 раз)[12][4].

Внутренние линейные уровни

Линейный уровень +4…+8 dBu оптимален для межблочных линий, но слишком велик для обработки сигнала внутри блоков. Как правило, в профессиональной аппаратуре приходящий извне сигнал ослабляется до внутреннего линейного уровня около −6…0 dBu, или 388…775 В среднеквадратического; в схемах, построенных на ОУ, такой уровень гарантирует запас по перегрузке в 20…27 дБ[9]. В специализированных микшерных пультах внутренний уровень может быть ещё меньше, порядка −16 dBu (123 мВ среднеквадратического)[9].

Внутренние линейные уровни бытовой аппаратуры, особенно рассчитанной на батарейное питание, также могут быть существенно ниже номинальных — например, в кассетной аппаратуре с СШП Dolby и dbx были распространены опорные уровни 25…35 мВ[15].

Соотношение среднего и предельного уровней

Выбор линейного уровня — компромисс между требованиями к отношению сигнал/шум, c одной стороны, и к перегрузочной способности и к уровню нелинейных искажений — c другой[7]. Слишком слабый сигнал, проходя через звуковой тракт, будет чрезмерно зашумлён; слишком сильный будет преждевременно подвержен нелинейному ограничению при перегрузках[7]. В ламповой и ранней транзисторной аппаратуре увеличение линейного уровня также вызывало плавный рост искажений в линейной области работы; в современной аналоговой аппаратуре это явление практически обычно отсутствует: усилители поддерживают штатный низкий уровень искажений вплоть до перегрузки по амплитуде[16]. Однако некоторые ОУ, используемые в том числе в студийной аппаратуре, отличаются аномально высокими коммутационными искажениями при переходе из режима А в режим AB — оптимальный диапазон выходных напряжений таких ОУ намного уже предельно возможного[17].

Абсолютный порог перегрузки определяется элементной базой и схемотехникой усилительных каскадов: в низковольтных схемах с батарейным питанием порог перегрузки не превышает ±1 В, в схемах на операционных усилителях порог составляет порядка ±10 В, а в конструкциях на дискретных транзисторах или лампах он может составлять несколько десятков вольт. В профессиональной аппаратуре де-факто стандартизованы два уровня предельно допустимых напряжений:

  • +20 dBu (7,75 В среднеквадратического) — в полупрофессиональной аппаратуре и нижнем сегменте студийной аппаратуры;
  • +24 dBu (12,3 В среднеквадратического) и выше — в «обычной» студийной аппаратуре. В верхнем сегменте студийной техники начала XXI века допустимы значительно бо́льшие предельные уровни, до +37 dBu (55 В среднеквадратического)[18].

Линейный уровень характеризует среднее напряжение сигнала, но не предельно допустимое[1]; последнее всегда превышает линейный уровень. Разница между номинальным (паспортным) линейным уровнем аппаратуры и предельным уровнем сигнала, выраженным в том же масштабе средних квадратических напряжений, составляет

  • 12 дБ — в бытовой аппаратуре по МЭК 60933 и ГОСТ Р 51771-2001[10];
  • 14 дБ — в студийных аналоговых магнитофонах. Бо́льшие уровни воспроизвести невозможно из-за естественной компрессии сигнала в ферромагнитном слое ленты[17]. Лента, сама по себе, служит удобным «ограничителем» сигнала[19].
  • 16 дБ — в полупрофессиональных микшерских пультах и нижнем сегменте студийной аппаратуры[17];
  • 20 дБ и более — в студийных цифровых рекордерах, профессиональных микшерских пультах и процессорах сигнала[17];
  • около 30 дБ — в верхнем сегменте студийной аппаратуры[18].

Приведённые цифры характеризуют возможности самой аппаратуры; динамический диапазон фонограмм, предназначенных для тиражирования и радиотрансляции, обычно дополнительно ограничивается при мастеринге. В нормальных записях, не подвергнутых агрессивной компрессии, пик-фактор — разница между средним и максимальным уровнями — составляет примерно 18 дБ. Во время «войны громкости» 2000-х годов инженеры по мастерингу сжимали это отношение до 12 дБ, а в наиболее «зажатых» записях — до 8 дБ. Записи, подвергнутые такому сжатию, звучат «громко», подчас эффектно, но монотонно[20][21]. Длительное прослушивание таких записей утомляет слушателя[20][21].

Примечания
  1. White and Louie, 2005, p. 216.
  2. Rose, 2012, p. 75.
  3. Rose, 2013, p. 43.
  4. Rose, 2012, p. 76.
  5. Temmer, Narma, 1954, p. 88.
  6. Rose, 2013, p. 44.
  7. Self, 2010, p. 339.
  8. Hurtig, 1988, pp. 18—19.
  9. Self, 2010, p. 340.
  10. ГОСТ Р 51771, 2001, с. 2.
  11. Roche D. 2 Vrms - A funny old standard // EE Times. — 2008.
  12. Hurtig, 1988, p. 19.
  13. Talbot-Smith, 2013, p. 3.96.
  14. ГОСТ Р 51771, 2001, с. 2—3 (примечания 2(в), 5(а)).
  15. Сухов, Н. Dolby B, Dolby C, Dolby S ... dbx? // Радиохобби ; № 4. — С. 48.
  16. Self, 2010, pp. 339—340.
  17. Katz, 2002, p. 67.
  18. Katz, 2002, p. 68.
  19. Katz, 2002, p. 122.
  20. Katz, 2002, p. 123.
  21. Katz, 2002, p. 128.

Литература
  • ГОСТ Р 51771-2001. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Входные и выходные параметры и типы соединителей. Технические требования. — ИПК Издательство стандартов, 2001.
  • Кирн П. Цифровой звук. Реальный мир. Передовые технологии для профессионалов. — ИД Вильямс, 2008. — 713 p. — ISBN 9785845913241.
  • Hurtig B. Multi-Track Recording for Musicians. — Alfred Music, 1988. — ISBN 9781457424847.
  • Katz, B.. Mastering Audio: The Art and the Science. — Focal Press, 2002. — ISBN 9780240805450.
  • Rose, J. Audio Postproduction for Digital Video. — CRC Press, 2012. — ISBN 9781136063022.
  • Rose, J. Producing Great Sound for Film and Video. — CRC Press, 2013. — ISBN 9781136061103.
  • Self D. Small Signal Audio Design (5th edition). — Focal Press / Elsevier, 2010. — ISBN 9780240521770.
  • Talbot-Smith, Michael. Audio Engineer's Reference Book. — CRC Press, 2013. — ISBN 9781136119743.
  • Temmer, S. and Narma, R. A New Program Distribution System. — Journal of the Audio Engineering Society. — 1954. — Vol. 2, № 1. — P. 88—91.
  • White, G. and Louie, G. The Audio Dictionary: Third Edition, Revised and Expanded. — University of Washington Press, 2005. — ISBN 9780295984988.

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.