Обработка сигналов. Усиление сигнала для корректной передачи

УСИЛЕНИЕ СИГНАЛА

ОТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ЗНАНИЕМ И СИЛОЙ

Проблема общения испокон веков стоит перед человеком. Взаимопонимание – результат как точности в выражении мысли, так и точности в передаче сообщения до собеседника. Погрешности в общении могут приводить к самым разным результатам – от рождения бытовых анекдотов до начала мировых войн.

Электрические сигналы предназначены именно для передачи информации – например, звуковой или видео. Тем важнее возможно правильнее и бережней усилить сигнал, передать его в неискаженном виде получателю (слушателю и зрителю).

Усиление сигнала – важнейший этап его обработки и передачи. Слабые токи и напряжения, выдаваемые различными источниками, нужно привести к виду, приемлемому для передачи по кабелям или через эфир, распределить для многих получателей, в конце концов усилить мощность сигнала так, чтобы его могли, например, воспроизвести мощные громкоговорители.

Для любых аналоговых сигналов важнейшими характеристиками любого усилителя является (кроме собственно коэффициента усиления):

• линейность (точность усиления сигнала),
• динамический диапазон (разница между самым сильным и самым слабым сигналом, который еще не потонет в собственных шумах усилителя),
• нагрузочная способность (какой сигнал усилитель может выдать в нагрузку в рабочем режиме),
• амплитудно-частотная характеристика (диапазон рабочих частот) и ее неравномерность.

Характеристики по-разному ценны для разных усилителей, в зависимости от области их применения:

• Для аналоговых видеосигналов: диапазон рабочих частот (до 6-500 МГц) и линейность (доли процента)
• Для аналоговых аудиосигналов: линейность (сотые-тысячные доли процента), динамический диапазон (60-120 дБ), линейность АЧХ в диапазоне 16 Гц – 20-30 кГц
• Для усилителей-распределителей: дополнительно – коэффициент разветвления (на сколько нагрузок могут работать) или нагрузочная способность
• Для усилителей малых сигналов (например, микрофонных): уровень собственных шумов (определяет динамический диапазон усилителя) и способность подавлять помехи и наводки

Свою специфику имеют и усилители, использующиеся с сигналами управления, а также устройства для работы с цифровыми сигналами, но это предмет отдельного исследования.

ТЕОРИЯ: КАК РАБОТАЮТ УСИЛИТЕЛИ

Схемотехника усиления

Инженеры строят усилители электрических сигналов на основе т.н. активных приборов. Основные типы таких приборов¹:

• Электронно-вакуумные лампы
• Биполярные и полевые транзисторы
• Интегральные микросхемы

Электронные лампы (самые старые приборы) в настоящее время практически вышли из употребления, их используют, в основном, только в некоторых звуковых усилителях. У ламп много хороших электрических свойств, но они велики по размеру, имеют низкий КПД, хрупки, ненадежны, дороги и при этом недолго служат.

Появление транзисторов в начале 50-х годов произвело подлинную революцию в технике усиления. В настоящее время различные типы транзисторов используются в подавляющем большинстве усилителей. Интегральные микросхемы также содержат в себе транзисторы, просто очень маленькие и плотно упакованные. Поэтому принцип усиления в них совершенно такой же, что и в усилителях на отдельных транзисторах, а микросхемы позволяют легко строить очень сложные схемы при очень маленьких габаритах, и при этом они очень удобны в производстве. Усилители на микросхемах обычно получаются дешевле, а зачастую и качественнее, чем на отдельных (дискретных) транзисторах².

А. Биполярный транзистор; усилитель с общим эмиттером	Б. Биполярный транзистор; эмиттерный повторитель
В. Полевой транзистор	Г. Биполярные транзисторы; Двухтактный выходной каскад

Рис. 1. Усилительные каскады на транзисторах

Рис. 2. Условное обозначение усилителя на схеме

Биполярный транзистор «умеет» усиливать слабый ток, который течет от его базы (Б) через эмиттер (Э). Малые изменения этого тока (скажем, от входного сигнала) приводят к большим изменениям тока, текущего от коллектора (К) к эмиттеру. Применяя разные схемы включения, можно получить усиление напряжения и/или тока (рис. 1 А, Б). Аналогично и полевой транзистор способен усиливать слабое напряжение, приложенное между затвором (З) и подложкой (П).

Схемы А, Б, В применяются для относительно слабых токов и напряжений (например, для аудиосигналов микрофонного или линейного уровня, для стандартных видеосигналов). Если надо получить значительные мощности или напряжения, используются двухтактные схемы, подобные Г. Они имеют куда больший КПД и максимальное выходное напряжение. Сложные усилители имеют много ступеней усиления (т.н. «каскадов»), в которых используются самые разные схемы включения транзисторов.

Небалансные и балансные усилители

Балансные (симметричные) линии передачи сигнала имеют существенные преимущества перед небалансными (подробнее см. брошюру «Передача сигнала по кабелю витой пары»). Для их работы необходимы выходные балансные усилители и дифференциальные приемники, а также кабели с большим числом проводников. Схемы балансных усилителей заметно сложнее обычных (показанных выше).

Рис. 3. Пример схем для организации балансной линии связи
(Нажмите на фото для увеличения)

Рис. 4. Условные обозначения балансных цепей на схеме
(Нажмите на фото для увеличения)

Частотная коррекция

Во многих случаях требуется не только равномерно усилить сигнал, но и подчеркнуть в нем определенные частоты или подавить другие частоты.

• Для видеосигнала: поднять высокие частоты для компенсации потерь в длинном кабеле
• Для слабого аудиосигнала: создать специальную АЧХ, требуемую для данного источника сигнала (магнитная головка магнитофона, магнитный звукосниматель, микрофон и т.д.)
• Для аудиосигнала линейного и высокого уровня: скорректировать тембр звучания, скомпенсировать неидеальность громкоговорителей и акустики помещения

Частотная коррекция осуществляется специальными фильтрами, в т.ч. регулируемыми. Такие фильтры зачастую включаются в состав усилителей. Простейшие цепи частотной коррекции показаны ниже.

Фильтр нижних частот (подавляет верхние)

Фильтр верхних частот (подавляет нижние)

Рис. 5. Простейшие фильтры на RC-цепочках

В сложных схемах применяются всевозможные сочетания корректирующих цепочек, сложные фильтры больших порядков. В современных устройствах все большее применение находит цифровая обработка сигнала, основанная на совершенно иных принципах и дающая гораздо большие возможности и гибкость, но это предмет отдельного разговора. Во многих случаях и простых аналоговых схем достаточно для решения практических задач.

УСИЛЕНИЕ АУДИО

Специфика усиления аудиосигналов состоит в том, что человеческое ухо очень хорошо различает любую «ложь» в передаче звука³. В результате, если нужно получить действительно качественное звучание, приходится строить весьма сложные и дорогостоящие схемы усиления. Единственное, что облегчает жизнь инженерам (по сравнению с проблемой усиления видеосигналов) – это относительно узкая полоса пропускания, нужная аудиоусилителям. Считается, что человеческое ухо воспринимает частоты в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц, однако некоторые разработчики поднимают верхнюю границу этого диапазона до 30-100 кГц, что, по некоторым экспертным оценкам, субъективно улучшает качество передачи звука.

Впрочем, качество аудиоусилителей, их схемотехника и важность достижения ими тех или иных предельных параметров – предмет ожесточенных споров профессионалов и любителей высококачественного звука, на сути которых мы не имеем возможности здесь останавливаться.

Усиление микрофонных сигналов

Микрофоны – первая ступень в цепочке передачи реального звука конечному слушателю. Если потерять качество на этом этапе, дальнейшие усилия могут оказаться напрасными.

Основные типы микрофонов и их выходные сигналы представлены ниже.

Кроме указанных линий связи, сигнал от микрофона может передаваться по радиоканалу или по ИК лучам, в этом случае сигнал сначала усиливается, а затем поступает на соответствующий передатчик.

Чем ниже уровень входного сигнала от микрофона, тем труднее усилить его до стандартного значения (обычно 0,7 В) без паразитных шумов и тем сложнее избавиться от помех в соединительной линии (между микрофоном и усилителем).

Во многих современных микрофонах микрофонный усилитель уже встроен в корпус устройства, что позволяет минимизировать помехи (иногда там же расположен и радиопередатчик). Такие микрофоны называются активными. Неудобство состоит в том, что усилитель требует электропитания, и в ручку микрофона приходится встраивать батарейку либо транслировать питание по соединительному шнуру.

Чаще всего микрофонный усилитель входит в состав микшерного пульта (позволяющего смешивать и регулировать звук от нескольких источников) или выполняется в виде отдельного устройства. Основные особенности микрофонного усилителя:

• низкий уровень собственных шумов, позволяющих усиливать сигнал в доли милливольта при сохранении отношения сигнал/шум более 50-60 дБ
• большая перегрузочная способность, особенно при использовании вокальных динамических микрофонов
• в профессиональной технике — балансный вход и способность отдавать в микрофон «фантомное питание» (слабое напряжение 48 или 12 вольт, нужное для конденсаторных микрофонов)
• отключаемые фильтры низких или высоких частот (для коррекции АЧХ микрофона при работе в разных режимах), фильтр эффекта «присутствия» (presence), создающий подъем АЧХ в области 1,5-3 кГц для повышения разборчивости голоса
• отключаемый компандер или лимитер, позволяющий исключить перегрузку последующих усилительных цепей

Рис. 6. Примеры микшерных пультов и микрофонных предусилителей

Иногда требуется усилить сигнал от микрофона сразу до уровня, нужного для работы громкоговорителя (например, в мегафонах), тогда микрофонный усилитель сразу совмещается с оконечным усилителем мощности в одном корпусе.

Рис. 7. Мегафон

Усиление других слабых сигналов

На практике имеются и другие источники слабых сигналов:

• сигналы от магнитных головок магнитофонов (1-3 мВ), требуют специальной сложной частотной коррекци
• сигналы от головок магнитных звукоснимателей (в проигрывателях грампластинок) (5-30 мВ) требуют специальной частотной коррекции и особого входного сопротивления
• радиочастотные («антенные») сигналы для вещательных радиоприемников в принципе аналогичны таковым и для видеосигналов (см. ниже), но для них редко используются отдельные (не входящие в состав приемника) усилители.

Сигналы от первых двух источников сильно подвержены воздействию наводок от сети переменного тока, поэтому соответствующие усилители обычно располагают возможно ближе к источникам сигнала (головкам).

Усиление сигналов линейного уровня

Линейными аудиосигналами называют «промежуточные» сигналы уровнем 0,2-1 В (обычно за стандарт принимается значение 0,7 В). Такими сигналами связываются между собой компоненты аудиосистем – усилители, магнитофоны, тюнеры, проигрыватели, микшеры и т.д.

В бытовой технике используются обычно небалансные линии связи и разъемы RCA, mini-Jack, DIN, в профессиональной – балансные линии и разъемы XLR, mini-XLR или клеммы. Иногда в профессиональных студиях и в автомобильной электронике используют и промежуточные сигналы повышенного уровня (до 5-15 В), что позволяет снизить влияние помех (но усложняет усилители).

Для сигналов линейного уровня обычно требуются, чтобы источник сигнала имел низкое выходное сопротивление (десятки-сотни Ом), а приемник сигнала – высокое входное сопротивление (10 кОм и больше, для балансных линий передачи, используются приемники со входным сопротивлением 600 Ом). Тогда, при использовании экранированных аудиокабелей, при передаче сигнала обеспечивается минимальное влияние помех и наводок от сети питания.

Обычно линейные сигналы не требуют дополнительного усиления. Однако если один линейный сигнал надо «развести» на несколько приемников, особенно расположенных на значительном удалении, возникает задача распределения сигнала. Усилитель-распределитель имеет один вход и несколько выходов, каждый из которых имеет собственный буферный усилитель, так что выходы работают независимо, и выходные линии связи друг друга не «портят».

Рис. 8. Устройство усилителя-распределителя небалансного аудиосигнала

Усилители мощности

Звуковой сигнал в конечном счете должен быть представлен слушателю – и этим занимаются громкоговорители (или наушники – по сути те же громкоговорители, только маленькие). Чтобы получить достаточную громкость звучания, сигнал (обычно линейного уровня) необходимо значительно усилить. Нагрузка таких усилителей обычно низкоомная (катушки громкоговорителей имеют сопротивление 2-16 Ом, наушников – 8-300 Ом), поэтому обычно говорят не о выходном напряжении такого усилителя, а о его выходной мощности (при данной нагрузке). Обычно для усилителя оговаривается, на какую минимальную нагрузку он может работать, и важно не подключать к его выходу громкоговорители с меньшим сопротивлением, чтобы не вывести усилитель из строя⁴.

Требуемая мощность усилителя зависит не только от желаемой громкости, но и от чувствительности («отдачи») громкоговорителей, которая у разных моделей может отличаться в 10 и более раз. Подбор оптимальной пары «усилитель-громкоговоритель» – вообще предмет отдельного разговора.

Усилители мощности выполняются как в виде отдельных блоков (зачастую оборудованных коммутатором входов, регуляторами тембра и громкости и др. дополнениями), так и входят в состав более сложных устройств (AV‑ресиверов, домашних кинотеатров, телевизоров и т.д.). В любом случае общий принцип построения таких усилителей одинаков, и почти все усилители строятся по двухтактной схеме (рис. 2, Г) с вариациями (вроде мостовой схемы включения). Транзисторные усилители мощности разделяются на следующие основные классы:

• класс А: выходные транзисторы работают в линейном режиме, и через них течет большой постоянный ток. У таких усилителей низкий КПД (0% в тихих местах, не более 50% для самых громких; они сильно нагреваются и потребляют много «лишней» электроэнергии), зато у них очень высокая линейность и чистота звучания.
• класс B: транзисторы «приоткрываются» ровно настолько, чтобы пропустить в нагрузку требуемый ток. При этом КПД усилителя много лучше, чем в классе А (до 78%), однако за счет нелинейности транзисторов возникают большие искажения, особенно заметные при малой громкости. Инженеры борются с ними, принимая специальные меры, но все равно такие усилители звучат «грязнее», чем в классе А.
• класс AB: промежуточный между А и В; КПД усилителя много больше, чем в классе А, а искажений много меньше, чем в классе B. Самый распространенный класс усилителей.
• класс D: использует принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ), когда на громкоговоритель поступают высокочастотные импульсы разной ширины. Меняя ширину такого импульса (согласно форме входного сигнала), усилитель заставляет меняться и средний ток, текущий через громкоговоритель – и последний излучает звук! Это уже почти «цифровой» усилитель, и для формирования нужных импульсов часто используют именно цифровые схемы. КПД таких усилителей может приближаться к 100%, поэтому они могут быть очень компактными (т.к. мало нагреваются при работе). Правда, качество звучания таких усилителей не самое высокое, хотя во многих случаях и достаточное.
• класс T: один из новейших классов, работает аналогично классу D, но за счет «умной» цифровой начинки имеет гораздо меньшие искажения, чем обычный класс D.
• иные классы (C, H и др.) имеют свои особенности, но встречаются реже.

Выбор модели усилителя определяется типом решаемой задачи (и, конечно, бюджетом), например:

• Качественные, но неэкономичные усилители (в том числе и на электронных лампах) используются в системах класса Hi-Fi и Hi-End
• Наиболее экономичные усилители (пусть при меньшем качестве) применяются в автомобильных аудиосистемах и переносной аппаратуре с батарейным питанием

Большая выходная мощность усилителя должна без потерь передаваться в громкоговоритель, поэтому важно снабдить систему толстыми и качественными «акустическими» кабелями. Кроме того, мощный усилитель потребляет от сети много энергии (причем неравномерно, в зависимости от входного сигнала и громкости), поэтому важно также обеспечить для него подвод качественного электропитания (это особенно актуально для мощных концертных усилителей и систем класса Hi-End).

Цифровые аудиосигналы

Цифровые аудиосигналы сами по себе усиления не требуют, необходима только их буферизация для передачи по линиям связи (что делается в самих источниках таких сигналов, например, в CD или DVD-проигрывателях) и, при необходимости, распределение на несколько потребителей. Спектр таких сигналов не превышает нескольких мегагерц, поэтому сигналы формата S/PDIF (коаксиальный вариант), например, легко распределяются и устройствами, предназначенными для композитного видеосигнала. При передаче цифровых сигналов возникают и иные проблемы (например, джиттер, который приходится устранять с помощью перетактирования), которые выходят за рамки данной брошюры.

УСИЛЕНИЕ ВИДЕОСИГНАЛОВ

Видеосигналы можно условно разбить на 2 класса:

• Радиочастотные («антенные») сигналы – сигналы с очень широким спектром (до нескольких гигагерц в случае спутникового телевидения), но небольшой амплитуды. Их обычно надо лишь доставить от антенны (или кабельного разветвителя в кабельных сетях) до входа телевизора, сет-топ-бокса или ТВ-тюнера, возможно, с небольшим усилением и для нескольких получателей.
• Относительно «низкочастотные» (по сравнению с антенными) видеосигналы стандартных интерфейсов: композитное, s-Video, компонентное видео, компьютерное видео (VGA). Спектр таких сигналов может быть от 5 до 500 МГц, и задача усилителей, в основном, состоит в раздаче таких сигналов нескольким получателем (усилители-распределители) либо в доставке этих сигналов на значительные расстояния по линиям связи (линейные усилители).

Любые усилители видеосигналов должны иметь значительно большую полосу пропускания (по сравнению с аудиоусилителями), однако требования по уровню шумов (динамическому диапазону) и линейности для них относительно ниже, что связано с особенностями восприятия человеческого глаза.

Усиление радиочастотных сигналов

«Антенные» усилители обычно имеют полосу пропускания:

• до 300-500 МГц (для сигналов метрового и дециметрового ТВ диапазонов)
• до 8-12 ГГц (малошумящие усилители для антенн спутникового ТВ).

Такие усилители обычно работают с коаксиальными кабелями с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом. Сигнал усиливается по мощности, коэффициент усиления:

• Для усилителей слабого сигнала: 6-30 дБ (4-1000 раз). Используются для улучшения качества приема ТВ сигнала
• Для усилителей-распределителей: 0-6 дБ (т.е. от простого повторения сигнала до 4 раз). Используются для «раздачи» исходного сигнала нескольким потребителям

Рис. 9. Внешний вид малошумящего антенного усилителя
и усилителя-распределителя

Многие усилители оборудованы регуляторами коэффициента усиления для подстройки под конкретную систему. При построении сложных кабельных систем усилители-распределители можно каскадировать, раздавая сигнал многим потребителям в разных зданиях и помещениях.

Усиление стандартных аналоговых видеосигналов

Видеосигналы в стандартных интерфейсах сами по себе должны иметь стандартные уровни, и не требуют какого-то особенного усиления. Поэтому речь идет, в основном о:

• небольшом усилении сигнала и, отдельно, его высокочастотных составляющих для компенсации потерь в длинных соединительных кабелях (линейные усилители). Зачастую источник сигнала просто не предназначен для работы на длинную линию, и такой усилитель выполняет роль мощного буфера
• усилении по мощности и разветвлении сигнала для нескольких потребителей (усилители-распределители).

Усилители для видеосигналов разделяются по типам сигналов:

Линейные усилители, от которых требуется компенсация длины кабеля, обычно имеют регулировки:

Рис. 10. Внешний вид линейных усилителей для сигналов CV и VGA (XGA)

Рис. 11. Амплитудно-частотная характеристика усилителя для сигнала VGA
(с подъемом ВЧ и без)

Линейные усилители лучше включать перед длинными кабелями, а не после них.

Рис. 12. Включение линейного усилителя сигнала VGA

«Тянучки» и искаженная цветопередача

«Тянучки» скомпенсированы, цветопередача нормальная

Рис. 13. Сигнал VGA (1600x1200, 85 Гц), переданный на расстояние 60 м, без коррекции и с коррекцией в усилителе

Распределение стандартных аналоговых видеосигналов

Усилители-распределители позволяют один видеосигнал передать на несколько приемников сигнала. Иногда возникает вопрос: почему нельзя просто включить несколько приемников «впараллель», распаяв соответствующий кабель, и не применять дополнительные усилители? Вот ответ на данный вопрос:

• Видеосигналы передаются по коаксиальным кабелям с волновым сопротивлением 75 Ом
• Для нормальной работы таких кабелей надо, чтобы у приемника сигнала входное сопротивление было равно 75 Ом (см. рис. 15)


Рис. 14. Передача сигнала по 75-омному кабелю

• Если несколько приемников просто соединить параллельно, их входные сопротивления также включатся параллельно, и общее сопротивление нагрузки пропорционально упадет


Рис. 15. Неправильное включение, «запараллеливание» приемников
(нагрузка получилась 75 / 3 = 25 Ом)

• При этом передатчик будет перегружен, сигнал на входе приемника будет сниженным, а в кабеле появятся переотражения сигнала, которые визуально будут проявляться в виде «звона», «тянучек», «контуров» на изображении, могут быть искажены цвета, а синхронизация может срываться

Правильный метод распределения сигнала следующий:

• Для каждого приемника сигнала используется отдельный 75-омный коаксиальный кабель и отдельный выход источника сигнала (это — забота проектировщика системы)
• На входе каждого приемника сигнала устанавливается согласующий 75-омный резистор («терминатор») (это — забота разработчика приемной аппаратуры)⁵
• Если у приемника терминатора нет (это редкий случай), необходимо установить внешний терминатор, вроде показанного на рис. 17.


Рис. 16. Внешний терминатор, подключенный ко входу приемника видеосигнала

• Для s-Video и компонентных видеосигналов (YUV, RGBS, VGA) отдельный терминатор должен присутствовать на каждой из линий для видеосигнала

Рис. 17. схема распределения видеосигнала
(Нажмите на фото для увеличения)

Разветвленные системы распределения видео

Иногда видеосигнал надо доводить до многих получателей, находящихся в разных местах. В этом случае можно комбинировать усилители-распределители и линейные усилители, получая разветвленные системы. Основные принципы построения таких систем:

• Один выход всегда подключается на один вход с терминатором
• Допустима работа на несколько входов (2-5), если терминатор включен только на последнем из них. Такие входы должны располагаться возможно ближе друг к другу
• Все приборы (источники и приемники сигналов, усилители) должны получать питание от одной фазы сетевого питания и иметь общее заземление или зануление
• Если предыдущее требование невыполнимо, следует между приборами, находящимися на разных контурах, включать в цепь прохождения сигнала гальванические развязки (или готовиться к проблемам)
• Перед длинными линиями связи лучше устанавливать линейные усилители с коррекцией
• Чем больше усилителей включено в цепь прохождения сигнала, тем больше деградирует сигнал. Каждый усилитель обязательно вносит свои шумы и искажения (пусть небольшие). При каскадном включении они складываются. Желательно избегать схем с каскадным включением более 2-3 усилителей.

Рис. 18. Разветвленная схема распределения с каскадированием
(Нажмите на фото для увеличения)

Другие способы распределения аналогового видео

Когда нужно передать видеосигнал на особенно большие расстояния, или когда имеются проблемы с помехами или заземлением, можно использовать альтернативные способы передачи, используя специальные усилители-преобразователи сигнала:

• По кабелям витой пары (см. брошюру «Передача сигнала по кабелям витой пары»). Специальная пара «передатчик-приемник» обеспечивает транслыцию видеосигнала на большие расстояния по дешевому кабелю: композитного видео до 1-1,5 км, сигнала VGA – до 300 м
• По оптическим кабелям (см. брошюру «Передача сигнала. Оптоволоконные линии связи»)
• По радиоэфиру, с помощью инфракрасных лучей, через вычислительные сети Ethernet и Интернет

Эти и другие способы распределения выходят за рамки данной брошюры.

Цифровое видео

Методы усиления и рапределения цифровых видеосигналов имеют свою специфику и рассматриваются в отдельных брошюрах.

• Сигналы SDI и HD SDI (см. брошюру «Интерфейсы. SDI и HD SDI»)
• Сжатое видео по интерфейсу Firewire (см. брошюру «Интерфейсы. IEEE 1394 (Firewire)»)
• Сигналы DVB/ASI по методам усиления/распределения в основном аналогичны сигналам SDI и HD SDI