聲信號指示

     本文討論的聲信號主要是指語言和音樂信號，它們是一種瞬時(shí)變化的隨機(jī)信號，是一種波形很復(fù)雜的信號。根據(jù)傅里葉分析，任何復(fù)雜信號都可以用一系列的簡諧信號來表示（這也是現(xiàn)代頻譜分析技術(shù)的基礎(chǔ)），因此常用測量設(shè)備的指示裝置都是針對簡諧信號而設(shè)計(jì)的。描述簡諧信號大小的物理量有：峰值、有效值和平均值。這些量都有非常明確的物理意義。

    1 表示簡諧信號的物理量

  峰值(U_p)表示某一時(shí)間間隔內(nèi)信號的最大瞬時(shí)值；

  有效值(U_rms)是指某一時(shí)間間隔內(nèi)信號的瞬時(shí)值的平方平均值的平方根值，表示信號所具有的能量；

    平均值(U_avg)是指信號瞬時(shí)絕對值的平均值。

    對于簡諧信號這三個(gè)量之間的關(guān)系是：

    如果設(shè)U_p = 1，則U_rms= 0.707，U_avg= 0.637。如果用分貝來表示，以U_p為參考，則有效值比峰值下降3dB，平均值比峰值下降3.9dB，比有效值下降0.9dB。如圖1所示。

    這三種物理量中最常用的是有效值，例如，測量放大器的表頭、萬用表上的電壓指示以及電度表等指示的都是信號的有效值。

2 復(fù)雜聲信號的表示方法

    然而，用表示簡諧信號的物理量來表征音頻工程中的語言或音樂信號則不行，因?yàn)檎Z言或音樂信號的波形很復(fù)雜。通常情況下，我們并不一定要知道語言或音樂信號的能量大小，卻更關(guān)心信號在傳輸過程中是否失真。取一段語言或音樂信號進(jìn)行觀察，會發(fā)現(xiàn)有很多能量很小但峰值很高的尖峰，這不同于簡諧信號。為了表示此類信號波形的特征，引入了一個(gè)物理量——峰值因子，即信號的峰值與有效值之比。對于簡諧信號，其峰值因子為1.4，而語言信號的峰值因子一般為3～5，音樂信號的峰值因子更高，可高達(dá)10以上。

    如果用有效值表來指示語言或音樂信號的大小，則只能了解信號的能量大小，而不知道信號的峰值情況。信號在有效值表上指示為最大值時(shí)，信號的峰值可能早就被削掉了。信號的峰值的能量雖然很小，但對音質(zhì)的影響卻至關(guān)重要。人耳對瞬時(shí)變化的峰值是通過一定的日寸間平均來反映的，并不敏感。但是，如果尖峰被削波，則會出現(xiàn)很多原來信號中沒有的高頻成分，這就是失真。人耳對失真極為敏感。所以，音頻工程中不能用有效值來指示聲信號的大小。為此，提出了兩個(gè)新的物理量：準(zhǔn)峰值和準(zhǔn)平均值。這兩個(gè)量完全是因音頻工程的需要而提出的，它不像峰值、有效值和平均值等有明確的物理意義，是一個(gè)相對量。

2.1準(zhǔn)峰值

    準(zhǔn)峰值，是用與聲音信號有相同峰值的穩(wěn)態(tài)簡諧信號的有效值表示的值。假如有一個(gè)音樂信號波形如圖2所示，它有很多很尖很高的峰，假設(shè)有一個(gè)簡諧信號的峰值與被測的音樂信號的峰值一樣高，就可以用此簡諧信號的有效值表示該音樂信號的準(zhǔn)峰值。對于簡諧信號來講，準(zhǔn)峰值就是有效值；對于復(fù)雜的聲信號，則知道其準(zhǔn)峰值，就可以準(zhǔn)確地知道其峰值的大小，即比準(zhǔn)峰值大3dB。這對節(jié)目信號的控制非常有利，可以有效地防止電聲設(shè)備對節(jié)目信號的削波。指示準(zhǔn)峰值的表頭稱為峰值節(jié)目電平表，又稱為PPM表。

2.2 準(zhǔn)平均值

  準(zhǔn)平均值，是用與聲信號有相同平均值的穩(wěn)態(tài)簡諧信號的有效值表示的值。對于簡諧信號，準(zhǔn)平均值就是有效值；對于復(fù)雜的聲音信號，其平均值與聲信號的響度相對應(yīng)，所以指示準(zhǔn)平均值的表頭稱為標(biāo)準(zhǔn)音量表，又稱為vu表。

3 聲信號的指示裝置

    3.1 峰值節(jié)目電平表

    峰值節(jié)目電平表( Peak Programme Level Meters，簡稱PPM表)，是用來指示音樂和語言傳輸中復(fù)雜電信號的準(zhǔn)峰值的表。它由兩部分構(gòu)成：電子部分包括放大、整流、積分、對數(shù)放大電路；指示部分為動圈型表頭或增量式顯示器。峰值節(jié)目電平表一般分為I型、Ⅱ型和簡易型，不同的國家選型不同，德國和斯堪的納維亞國家廣播當(dāng)局選用I型，英國廣播當(dāng)局選用Ⅱ_a型，歐洲廣播聯(lián)盟成員國選用Ⅱ_b型，普通和消費(fèi)類聲頻設(shè)備常用簡易型。

    峰值節(jié)目電平表的主要特征有：信號最大允許電平（參考指標(biāo)）、參考輸入電平、標(biāo)尺分度、幅頻響應(yīng)、積分時(shí)間、過沖、返回時(shí)間、可逆性誤差、輸入阻抗和接入PPM表導(dǎo)致的失真等。

    I型和Ⅱ型峰值節(jié)目電平表的主要差別如下：

    1、I型表的標(biāo)度至少應(yīng)該覆蓋-40dB～+3dB范圍；

    2、Ⅱ_a型表相對于參考指標(biāo)的標(biāo)度范圍為-20dB～+4dB，Ⅱ_b型表為-21dB~+3dB；

    3、I型表的標(biāo)稱積分時(shí)間（上升時(shí)間）為5ms，Ⅱ型表為10ms。

    其他特性基本一致。

    峰值節(jié)目電平表要求指示器的上升時(shí)間非常短，因?yàn)樾盘柕姆逯岛芗怃J，變化又很快，要能正確指示信號的峰值必須要求其上升的時(shí)間非常短，然而，峰值過后的下降時(shí)間(1.7s)則很長。如果下降時(shí)間也很快，則使用者還來不及看清就過去了。這里并不要求去測量峰值的大小，而是要知道是否有峰值出現(xiàn)。因此，緩慢的下降對控制者來講很有利。在下降過程中，如果又出現(xiàn)新的高峰，則表頭指示迅速上升，然后再緩慢下降，表的指示常處在高位，反映信號的峰值的變化。

    峰值節(jié)目電平表的標(biāo)尺分度：I型表的標(biāo)尺分度規(guī)定在-40dB～+3dB范圍內(nèi)近似為線性，并以分貝標(biāo)定。信號最大允許電平在分貝標(biāo)度上標(biāo)志“0”，在百分?jǐn)?shù)標(biāo)度上標(biāo)志“100”。使用1000Hz正弦測試信號校準(zhǔn)，參考輸入電壓為1.55V[+6dB  (0dB=0.775V)]，即標(biāo)尺分度上的0dB相當(dāng)于輸入1000Hz正弦信號、有效值為1.55V時(shí)指示的值。

    Ⅱ型表的標(biāo)尺分度：Ⅱ_a型表頭的標(biāo)度用編號分度線分成六個(gè)近似相等的間隔，每個(gè)間隔為4dB，如圖3所示。信號最大允許電平在標(biāo)度尺上標(biāo)志為“6”，使用1000Hz正弦測試信號，參考輸入電壓為1.94V校準(zhǔn)。Ⅱb型表頭的標(biāo)度用編號分度線分成12個(gè)近似相等的間隔，間隔為2dB。主要標(biāo)志線位于中間位置“TEST”電平標(biāo)志線左右4dB間隔的各點(diǎn)上，如圖4所示。信號最大允許電平在標(biāo)度上為+9dB，參考輸入電壓_為2 .18V（1000Hz正弦信號）。在高于“TEST”電平9dB的點(diǎn)上有一條附加的標(biāo)志線?？倶?biāo)度長度應(yīng)不小于200px。

Ⅱ_a型和Ⅱ_b型表頭的對應(yīng)關(guān)系見表1。

    簡易型標(biāo)尺分度：覆蓋范圍為+6dB～-42dB，高于參考指示6dB、低于參考指示12dB的范圍內(nèi)，分辨率應(yīng)等于或優(yōu)于每個(gè)元件3dB；參考指示以下12dB到40dB范圍內(nèi)，分辨率應(yīng)等于或優(yōu)于每個(gè)元件6dB。信號最大允許電平在標(biāo)度上對應(yīng)于0dB。圖5為一例普通峰值節(jié)目電平表顯示器。有效頻率范圍至少為31.5Hz～16kHz。積分時(shí)間為5ms，當(dāng)規(guī)定的較低點(diǎn)為參考指示以下20dB時(shí)，返回時(shí)間應(yīng)為1.7s±0.3s。當(dāng)反轉(zhuǎn)不對稱輸入信號的極性時(shí)，響應(yīng)變化比應(yīng)不大于1dB。

    3.2標(biāo)準(zhǔn)音量表

    標(biāo)準(zhǔn)音量表(Standard Volume Indicators，簡稱vu表)，是用來確定語言和音樂節(jié)目的電信號強(qiáng)度的表，它的指示單位為vu，所以標(biāo)準(zhǔn)音量表又稱為vu表。它由三部分組成：一個(gè)帶全波整流器的指示器，一個(gè)可調(diào)衰減器和一個(gè)串聯(lián)電阻器（固定衰減器）。標(biāo)準(zhǔn)音量表的接線圖如圖6所示，圖中所標(biāo)的21.22. 23表示線路的兩端向左看或向右看的阻抗值。從圖6可以看出，標(biāo)準(zhǔn)音量表所示的音量大小應(yīng)為指示器指示值和衰減器指示值的代數(shù)和。它的基準(zhǔn)值是在音量表的輸入端(AB端)輸入1000Hz的穩(wěn)態(tài)簡諧信號，電壓為1.228V (+4dB，基準(zhǔn)電壓為0.775V)，可變衰減器的衰減量置于0dB時(shí)表頭所示值。規(guī)定這值在刻度盤上指示為0(即0vu)或100%。其主要特性如下：

    幅頻特性：31.5Hz～16kHz(誤差0.5vu)；

    響應(yīng)時(shí)間：上升時(shí)間300ms±10%，下降時(shí)間≈300ms;

    過沖：指針至少過沖1%，不得大于1.5%：

    輸入阻抗：7.5kΩ±3%;

    反接引起的誤差：小于0.2vu。

標(biāo)準(zhǔn)音量表的表頭刻度見圖7。表盤用vu值加以校準(zhǔn)，其最大刻度為+3vu，最小刻度為-20vu，刻度為對數(shù)刻度，基準(zhǔn)值為0vu，相當(dāng)于+4dB(參考值為0.775V)的電平輸出。同時(shí)還有百分刻度，以0vu為100%，也就是說，音量以0vu為最大值，大于0vu的表盤刻度一般用紅線以示警戒。

    峰值節(jié)目電平表(PPM表)和標(biāo)準(zhǔn)音量表(vu表)在音頻工程中分別指示聲信號對應(yīng)的準(zhǔn)峰值和準(zhǔn)平均值。這兩個(gè)量值對錄音師和調(diào)音師在操作過程中都很重要，但是要求一個(gè)人同時(shí)注意兩個(gè)表頭的不同指示值并不現(xiàn)實(shí)。所以，很多使用者希望在一塊表頭上能夠大致估計(jì)出另一種表示數(shù)值。例如，在峰值節(jié)目電平表上讀數(shù)的同時(shí)能估計(jì)出音量大小?？紤]到一般的音頻信號的準(zhǔn)峰值比準(zhǔn)平均值高約2.8倍，20log2.8≈9dB，也就是說，一個(gè)音頻信號的準(zhǔn)峰值大約比準(zhǔn)平均值高9dB。如果在峰值節(jié)目電平表上信號最大允許電平為0dB，則在-9dB處刻一條線，有可能來反映音量表上的最大值。這樣做，完全是為了使用者的需要。因?yàn)閺奈锢斫嵌热タ矗@兩種表頭的檢波特性和表頭的響應(yīng)時(shí)間等完全不同，用同一塊表去指示并不合適，指示的兩個(gè)量是完全不能替代的。但是在工程應(yīng)用中，只要大致相當(dāng)就可以，因?yàn)槲覀儾挥帽眍^去精確測量一個(gè)數(shù)值，只是用它指示量的變化。因此，有的峰值節(jié)目電平表上在-9dB增加了一條線用以反映音量的限值。

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