Измерение мощности звуковых сигналов вещания на коротких временных интервалах

Измерение мощности звуковых сигналов вещания на коротких временных интервалах

Ключевые слова: сигнал звукового вещания, точная оценка мощности на коротких временных интервалах, аналитическая огибающая сигнала, каналы не сохраняющие форму сигнала.

В последнее время обострилась необходимость точного измерения мощности цифрового сигнала звукового вещания на коротких временных интервалах, соизмеримых с длительностью существования звуковых объектов или временем формирования ощущения громкости. Необходимость точной оцвнки мощности возникла как при регулировании на стыке равнсхарактерных программ также при оценке потерь при передаче сигнала звукового вещания (СЗВ) по современным цифровым каналам с устранением избыточности. Оценки относительной средней мощности (ОСМ), нормированные по номинальному уровню или по уровню пикового значения на выборке, оказались очень информативными для оценки эффективности использования канала или искажений сигнала и характера его эмоционального воздействия на слушателя. Сущ ествующие методы измерения мощности дискретизированного сигнала вносят существенную ошибку при измерениях на реальном сигнале и пригодны только для измерений тестовых сигналов с заранее известной формой. В программных редакторах при измерении мощности предлагается заранее задаться формой сигнала, синусоидальной, или прямоугольной. Радикальным методом устранения ошибки при расчете мощности является использование аналитической огибающей измеряемого сигнала, алгоритм точного формирования которой дпя реального сигнала звукового вещания предложен на кафедре РВиЭА МТУСИ. Вторым способом повышения точности измерения мощности является многократное повышение частоты дискретизации. Существующие способы повышения частоты дискретизации прекрасно работают на тестовых сигналах и вносят существенную ошибку в реальный сигнал звукового вещания. На кафедре РВиЭА разработан способ изменения частоты дискретизации с величиной ошибки не более -92 дБ, что позволяет проводить измерения мощности сигнала ЗВ, на коротких временных интервалах, с высокой точностью.

Абрамов В.А.,

к.т.н., доцент кафедры РВ и ЭА, МТУСИ Попов О.Б.,

к.т.н., профессор кафедры РВ и ЭА МТУСИ Чернышева Т.В.,

доцент кафедры РВ и ЭА МТУСИ

Среди множества технических параметров и характеристик современных каналов передачи сигнала звукового вещания (СЗВ) наиболее значимым и спорным является мощность. В литературе фигурируют многочисленные варианты мощности: номинальная, активная, паспортная, относительная средняя, шумовая, максимальная синусоидальная, долговременная, кратковременная, музыкальная, программная [1]. Само существование такого количества видов и методов измерения мощности проистекает из трудности ее измерения и нормирования, особенно когда дело касается звука.

Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую, световую и т. п.). В цепях однофазного синусоидального тока P =U I соБф, где и и I — действующие значения напряжения и тока, ф — угол сдвига фаз между ними. В любой электрической цепи как синусоидального, так и несинусоидального тока активная мощность всей цепи равна сумме активных мощностей отдельных частей цепи. Площадь, занимаемую синусоидой, можно вычислить (или измерить) и заменить эквивалентным напряжением постоянного тока той же площади (рис. 1а).

Это напряжение называется среднеквадратичным или "эффективным". Таким образом можно найти эквивалентное напряжение для любой формы тока (рис. 1б,в).

Для синусоидального тока (и напряжения) мощность Р = (0,707и)2/ 1*н = и2/41*н, где 0,707 — коэффициент перевода амплитудного напряжения и синусоидального тока в эквивалентное напряжение постоянного тока. При измерении мощности непрерывного сигнала используется амплитудное значение функции для синусоидальных токов и напряжений это не вызывает затруднений, в общем случае приходится вводить поправочные коэффициенты определяемые характером сигнала.

Реальная долговременная мощность сигнала характеризуется его "тепловым эквивалентом" и лучше всего может быть измерена с использованием термопреобразователей, где исследуемое напряжение нагревает термоэлемент, что, трудно реализуемо на практике и, естественно, нереализуемо на коротких временных интервалах.

При регулировке и оценке сигнала ЗВ используются пиковая и средняя мощности. Пиковая мощность — это максимальная мощность, требуемая для передачи сигнала в течение короткого интервала времени. Средняя мощность определяет общие требования к каналу в течение рассматриваемого интервала времени.

Рис. 1а

Рис. 1б

Рис. 1в

Оба эти типа мощности зависят от состава звуковой программы. Усилитель должен обеспечить передачу пиковой мощности на достаточно коротком временном интервале. В этом случае предлагается оценивать мощность по амплитудному значению функции. Например, для меандра частотой 100 Гц за время 1 мс (рис. 2а) получим практически прямоугольник, для которого мгновенную мощность больше, чем за целый полупериод 10 мс. При измерении напряжения перехода от минимального до максимального значения (рис.2б) за небольшой период времени можно намерить мощность ещз больше, что иногда и используется при недобросовестной рекламе звуковоспроизводящей аппаратуры.

До поры до времени всех устраивали усредненные оценки, приблизительно соответствовавшие мощности, а значит и громкости сигнала. В последние десятилетия возникла необходимость более точной оценки мощности на коротких временных интервалах. Это необходимо, например, при измерении мощности на стыке речь — музыка (программа — рекламная вставка), оценке пиковой мощности усилителей, обеспечиваемой на коротком временном интервале в силу большого пик-фактора большинства звуковых сигналов. Необходимость точной оценки мощности возникла так же при оценке потерь при передаче СЗВ по современным цифровым каналам с устранением избыточности. Оценки относительной средней мощности (ОСМ), нормированные по номинальному уровню или по уровню пикового значения на выборке, оказались информативными для оценки эффективности использования канала или искажений сигнала и характера его эмоционального воздействия на слушателя. Во всех этих задачах возникает необходимость точной оценки на коротких временных интервалах, соизмеримых с длительностью существования звуковых объектов или временем интеграции слухового анализатора по громкости.

Существующие способы измерения мощности СЗВ, вносят существенные погрешности особенно на коротких сигналах. Дополнительные трудности возникают при оценке мощности цифрового или амплитудно-импульсно модулированного (АИМ) сигнала. Ниже рассмотрены некоторые алгоритмические решения, позволяющие повысить точность формирования оценок мощности СЗВ на корот-

Рис 4а

Мощность, дБ Число периодов дискретизируемого сигнала

0.5 1 2 3 9 4000

Average RMS Power -3 -3 -3 -3,97 -6,5 -6,01

СКМ по огибающей -6,01 -6,01 -6,01 -6,01 -6,01 -6,01

ких временных интервалах. Интересно, что положение с измерением мощности такое же, как и с измерениями в канале звукового вещания вообще, а именно — методиками гарантируется точность измерения синусоидального колебания и не дается никаких гарантий при измерении реального сигнала.

При измерении параметров оцифрованного сигнала трудности возникают уже при определении его амплитудного значения. Так, при определенных соотношениях между частотами дискретизации и сигнала оно просто не будет определено (рис. 3). На этом рисунке точками отмечены дискретные отсчеты.

В звуковых редакторах для измерения мощности выбирается тип измеряемой функции, как правило, синусоидальной или прямоугольной, что позволяет путем интерполяции восстановить функцию между отсчетами и произвести расчет. На коротких временных интервалах, такой подход к оценке мощности вносит достаточно большие погрешности.

По нашему мнению, радикальным методом устранения ошибки при расчете мощности является использование аналитической огибающей измеряемого сигнала [2]. Для реализации комплексного представления исходного вещественного сигнала ЗВ с целью синтеза аналитической огибающей необходимо сформировать ортогональный ему сигнал. Такое преобразование в диапазоне звуковых частот реализуется с использованием БПФ. При корректном подборе оконной функции и длительности преобразуемой последовательности удается снизить ошибку синтеза ортогонального сигнала до величины 10-5, что достаточно для практических применений [2]. В таблице приведены результаты измерения мощности дискретизированного сигнала на коротких временных интервалах с использованием возможностей звукового редактора COOL (Average RMS Power) и предлагаемого способа (среднеквадратические значения мощности — СКМ), основанного на применении аналитической огибающей измеряемого сигнала. Сравнение результатов оценки измеряемой мощности двумя методами показывает, что СКМ по огибающей обеспечивает высокую точность уже на полупериоде измеряемого колебания. В то же время традиционный подход, принятый в звуковом редакторе, обеспечивает ту же точность лишь при нескольких тысячах периодов измеряемого колебания.

Можно предположить, что и при измерении реального сигнала ЗВ, который мало напоминает синусоиду, использование аналитической огибающей позволит повысить точность расчета СКМ на коротких временных интервалах. При измерении уровней звуковых сигналов результат будет зависеть как от характера анализируемой

Рис. 46

программы, так и от способа формирования оценки.

Известные способы измерения обеспечивают формирование оценки мощности произвольного сигнала по его пиковому значению уровня. При этом исходят из предположения, что измеряемый сигнал близок по форме к синусоиде. При измерении мощности дискретизированного сигнала предлагается значения сигнала возводить в квадрат, суммировать и делить на число дискретных значений в одном периоде сигнала [3], либо на интервале измерения [4].

В реальных условиях такой подход может приводить к ошибкам интерпретации результатов измерения (рис. 4а), где половина отсчетов обнулены. Повысить точность измерения можно за счет повышения частоты дискретизации — на рис. 4б отдельные отсчеты слились в сплошную кривую.

К сожалению, существующие вычислительные алгоритмы изменения частоты дискретизации вносят существенные искажения в реальный сигнал. Даже в высококачественном и медленном передис-кретизаторе редактора COOL, сигнал ошибки составляет до -26 дБ от пикового уровня исходного сигнала. Для устранения этой ошибки можно воспользоваться разработкой кафедры РВ и ЭА МТУСИ [5]. В предлагаемом способе изменения частоты дискретизации величина ошибки не превышает -92 дБ, что позволяет проводить измерения мощности сигнала ЗВ, на коротких временных интервалах, с высокой точностью. Измерения на многокомпонентных тестовых сигналах показали, что при измерении мощности на длительностях существования отдельных звуковых объектов (40-200 мс) или време-

ни интеграции по громкости (около 200 мс) для получения точности около 1% достаточно повысить частоту дискретизации до 500 кГц.

Необходимость точного измерения мощности стала особенно актуальной с разработкой методов оценки качества передачи в каналах, не сохраняющих форму сигнала (а это практически все современные аналоговые и цифровые каналы), основанных на анализе изменений относительной средней мощности [6].

Литература

1. Звуковое вещание/АВ. Выходец, П.М. Жмурин, И.Ф. Зорин и др.; Под ред. ЮА Ковалгина: Справочник. — М,: Радио и связь, 1993. — 464 с.

2. Попов О.Б., Рихтер С.Г. Цифровая обработка сигналов в трактах звукового вещания: Учебное пособие. — М; Горячая линия — Телеком, 2007. — 492 с.

3. Макаров Л.М. Телеметрия. Диагностические аппараты и системы. Учебное пособие. — СПГУТ, 1998. — 380 с.

4. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. — М.: Радио и связь, 1984, — 160 с.

5. АС. №1690206. Способ изменения скорости передачи цифрового звукового сигнала // М.В. Гитлиц, О.Б. Попов и др. — Опубл. БИ №41, 1991 г.

6. Литвин СА, Мишенков С.Л., Попов О.Б., Рихтер СГ. Кто в эфире всех милее? ("Статистические портреты" ряда известных радиостанций) // BROADCASTING. Телевидение и радиовещание, №2 (22) март 2002. — С. 59-63 и №3 (23) апрель-май 2002. — С. 59-61.

MEASUREMENT OF CAPACITY OF SOUND SIGNALS ANNOUNCEMENTS ON SHORT TIME INTERVALS VA. Abramov, O.B. Popov, T.V. Chernysheva, MTUSI, Moscow Abstract

Recently necessity of exact measurement of capacity of a digital signal of a sound announcement on short time intervals, commensurable with duration of existence of sound objects or time of formation of sensation of loudness has become aggravated. Necessity of an exact estimation of capacity has arisen as at regulation on a joint of various programs as at an estimation of losses by transfer signal of a sound announcement (SSA) on modern digital channels with elimination of redundancy. The estimations of relative average capacity (RAC) normalized on a nominal level or on a level of peak value on sample, appeared very informative for an estimation of efficiency of use of the channel or distortions of a signal and character of his(its) emotional influence on the student. Existing methods of measurement of capacity discrete a signal bring an essential mistake at measurements on a real signal and are suitable only for measurements of test signals with beforehand known form. In program editors at measurement of capacity beforehand it is offered to be set by the form of a signal, sine wave, or rectangular. In our opinion, a radical method of elimination of a mistake at calculation of capacity is use analytical bending around measurement a signal, the algorithm of which exact formation for a real signal of a sound announcement is offered on faculty RViEA MTUCI. The second way of increase of accuracy of measurement of capacity is repeated increase of frequency of digitization. Unfortunately, existing ways of increase of frequency of digitization perfectly work on test signals and bring an essential mistake in a real signal of a sound announcement. On faculty RViEA the way of change of frequency of digitization with size of a mistake no more than -92 dB is developed, that allows to carry out(spend) measurements of capacity of signal SA, on short time intervals, with high accuracy.

Keywords Signal a sound announcement, an exact estimation of capacity on short time intervals, analytical bending around a signal, channels not keeping the form of a signal.