Линейный уровень

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
Дипазоны значений линейных (тёмно-красный) и предельных уровней сигнала в бытовой и профессиональной звуковой технике

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].

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 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[англ.], 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 [math]\displaystyle{ V_{RMS} }[/math], [math]\displaystyle{ V_{PK} }[/math] и [math]\displaystyle{ V_{PP} }[/math] 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 мВ 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[англ.] — 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. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 White and Louie, 2005, p. 216.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 Rose, 2012, p. 75.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 Rose, 2013, p. 43.
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 Rose, 2012, p. 76.
  5. ↑ 5,0 5,1 Temmer, Narma, 1954, p. 88.
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 Rose, 2013, p. 44.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 Self, 2010, p. 339.
  8. ↑ Hurtig, 1988, pp. 18—19.
  9. ↑ 9,0 9,1 9,2 Self, 2010, p. 340.
  10. ↑ 10,0 10,1 ГОСТ Р 51771, 2001, с. 2.
  11. ↑ 11,0 11,1 Roche D. 2 Vrms - A funny old standard // EE Times. — 2008.
  12. ↑ 12,0 12,1 12,2 12,3 Hurtig, 1988, p. 19.
  13. ↑ 13,0 13,1 13,2 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. ↑ 17,0 17,1 17,2 17,3 Katz, 2002, p. 67.
  18. ↑ 18,0 18,1 Katz, 2002, p. 68.
  19. ↑ Katz, 2002, p. 122.
  20. ↑ 20,0 20,1 Katz, 2002, p. 123.
  21. ↑ 21,0 21,1 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.[англ.]. 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., Narma R. A New Program Distribution System // Journal of the Audio Engineering Society. — 1954. — Vol. 2, no. 1. — P. 88—91.
  • White, G. and Louie, G. The Audio Dictionary: Third Edition, Revised and Expanded. — University of Washington Press, 2005. — ISBN 9780295984988.


Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Линейный_уровень&oldid=10401400