3. Про радио

Слушая в машине или просто через обычный приёмник радио в диапазоне УКВ-2 (OIRT) или по-рабоче-крестьянски FM, пытливый слушатель заметил следующее: купил он диск своей любимой группы, слушает и наслаждается, и вот он слышит ту же песню на радио и чувствует, что звучит она иначе. То ли сочнее, то ли все звуки ближе, то ли шума больше... А что же на самом деле?

Начнём с того, что разница в звуке действительно есть, это правда. Очевидно, что с диска мы слышим (при качественной акустике) больше частот фонограммы, нет никаких помех и навязчивых гнусавых голосов псевдодиджеев и, конечно же, рекламы. Но менее очевидно или слухо-ощутимо динамическое сжатие звука, хитрость, без которой в большом городе развернуть 30 радиостанций в пределе выделенного диапазона (87,5 - 108 МГц) очень проблематично. Динамическое сжатие - это изменение уровня громкости звука и приведение его к иному значению. Чуть ниже я объясню, что это такое, но перейдём к главному: зачем это нужно?

Немножко физи... о природе вещей: FM - Frequency Modulation - частотная модуляция, способ, которым радиопередатчик доносит до наших радиоприёмников звуки по волне радиостанции. Слушая радио на частоте, скажем, 100,00 МГц, фактическая частота радиосигнала "гуляет" чуть ниже и чуть выше (симметрично) на максимальный сдвиг от 100 МГц, называемый девиацией частоты. Обычно, это 50 Гц (для маломощных станций) и несколько кГц для эфирных. Можно было бы рассказать о гармониках и зеркальных каналах, но не стоит, ибо к главному вопросу они отношения не имеют :) Частота сигнала сдвигается вслед за звуком, который в модуляторе её изменяет. Тихие звуки колеблят частоту в небольших пределах, громкие сдвигают сильнее вплоть до величины девиации.

А теперь покажу эту картину на рисунках от руки:

Рисунок 1

 На этом рисунке я хочу показать, в чём принципиальное различие между динамически сжатым звуком (сигналом) и обычным (в роли обычного - сигнал с CD). Разница в распределении вероятности появления сигнала на том или ином уровне громкости. Звук с CD в нашем случае качественный и несжатый, он в равной степени может быть и громким и тихим, а сжатый звук скорее всего будет громким (+А и -А - это максимальная [А]мплитуда сигнала). Что это для нас означает? Переходим ко второму рисунку:

Рисунок 2

 Поскольку аплитуда (уровень громкости или просто громкость) сигнала колеблет частоту радиосигнала, то отклонение этой частоты в точности соответствует рассмотренной выше вероятности нахождения сигнала на заданной амплитуде (громкости). Как раз на рисунке 2 я это и показал: полосы занимаемых частот радиосигналов от CD и динамически сжатого источника.

Вот теперь мы совсем близки к ответу на самый главный вопрос современ... этого весёлого рассказа :).

Динамическое сжатие сигнала позволяет более эффективно использовать выделенную под одну радиостанцию полосу частот, которая занимается по её краям (см. рис. 2 нижнюю половину). Конечно, полоса одной радиостанции не ограничивается только центральной частотой +- девиация, а имеет гармоники (это следствия колебательных процессов в упругой среде) и зеркальные каналы, но они настолько слабы, что не мешают другим радиостанциям работать по соседству.

А теперь я расскажу вам сказку про динамический диапазон. Хотите верьте, а хотите - нет, но дело обстоит так.

Рисунок 3

Терминология.

Динамический диапазон - это разность максимального и минимального уровней сигнала.

Переходная функция - функция, преобразующая входящий сигнал f0 в выходящий f1. Если ПФ = x, то никакого преобразования нет, и f1=f0. Этот случай изображён на рисунке 4 вверху. А если ПФ не прямая линия, а, например, квадратный корень из x, (f1=sqr(f0)), то мы получим динамическое сжатие, показанное на том же рисунке 4 ниже и правее.

По сути, сжатие увеличивает громкость тихих звуков и не меняет её у громких, а по науке уменьшает динамический диапазон.