Линейный уровень
Лине́йный у́ровень (Шаблон:Lang-en) аналогового сигнала — средняяШаблон:Sfn 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 трактаШаблон:Sfn. 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 трактаШаблон:Sfn.
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 Шаблон:Нп5, 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 сигналуШаблон:Sfn. Слишком мощный сигнал перегружал телефонное оборудование, слишком слабый был чрезмерно подвержен шумам и помехамШаблон:Sfn. 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 Шаблон:Nobr выделяется электрическая мощность 1 мВт»Шаблон:SfnШаблон:Sfn. Логарифмическая шкала измерений, привязанная к этому уровню, получила обозначение dBm (децибел относительно уровня Шаблон:NobrШаблон:Sfn. Именно этой шкалой градуировались стандартные «звуковые» вольтметры системы VU (VU-метры): ноль условных единиц VU (фактически лежащий в правой половине шкалы вольтметра) соответствовал напряжению Шаблон:NobrШаблон:SfnШаблон:Sfn.
С течением времени допустимый уровень сигнала на линии увеличился; в 1954 году стандартный линейный уровень телефонных сетей США вырос до Шаблон:Nobr (Шаблон:Nobr на нагрузке в Шаблон:Nobr или Шаблон:Nobr допустимый предельный уровень сигнала тогда составлял Шаблон:Nobr что гарантировало запас по перегрузке в Шаблон:Nobr относительно линейного уровняШаблон:Sfn. Тогда же стало очевидным, что встроенные в стандартные VU-метры германиевые выпрямители вносят в сигнал на линии неприемлемо высокие нелинейные искаженияШаблон:SfnШаблон:Sfn (Шаблон:Nobr на предельном уровне и значительно больше на меньших уровняхШаблон:Sfn). 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 Шаблон:NobrШаблон:Sfn. Вскоре внутри радиовещательных сетей возник новый отраслевой стандарт: условный ноль вольтметра VU теперь соответствовал Шаблон:Nobr или Шаблон:Nobr на сопротивлении 600 ОмШаблон:Sfn. Именно этот уровень применялся в качестве линейного в студийной аппаратуре вещательных сетейШаблон:Sfn.
В 1970-е годы положение изменилось: развился массовый рынок бытовой аппаратуры высококачественного воспроизведения звука, возник новый рынок полупрофессионального студийного оборудованияШаблон:Sfn. Студийный стандарт 600-мной линии, подразумевавший использование широкополосных согласующих трансформаторов, был для бюджетной бытовой аппаратуры слишком дорог, да и не нуженШаблон:Sfn. Достаточно было, чтобы выходное сопротивление источника сигнала было во много раз ниже входного сопротивления приёмникаШаблон:Sfn. Так возникла необходимость перейти от «мощностных» децибел dBm к новой шкале, оперирующей не мощностью, но напряжениемШаблон:SfnШаблон:Sfn. В США, следуя традиции, просто приравняли ноль шкалы напряжений к нолю шкалы dBm; новые логарифмические единицы получили обозначение dBu (от Шаблон:Lang-en, «ненагруженный»)Шаблон:SfnШаблон:Sfn. В Европе предложили новую шкалу, привязанную не к уровню Шаблон:Nobr а к уровню Шаблон:Nobr — эта шкала получила обозначение dBvШаблон:SfnШаблон:Sfn. Шкала dBV, стандартизованная МЭК и IHF, стала основной для бытовой техники; шкала dBu, как и её предшественница dBm, осталась стандартом для профессионаловШаблон:SfnШаблон:Sfn.
Линейные уровни в звуковой технике
Профессиональная аппаратура
Линейные уровни профессиональной аппаратуры, традиционно измеряемые в dBm или dBu, лежат в диапазоне Шаблон:Nobr или Шаблон:Nobr
- В США фактическим стандартом стал линейный уровень Шаблон:Nobr соответствующий среднему квадратическому напряжению Шаблон:NobrШаблон:SfnШаблон:SfnШаблон:Sfn;
- В западноевропейском радиовещании исторически применялся несколько бо́льший «уровень ARD» Шаблон:Nobr или Шаблон:NobrШаблон:Sfn;
- В студийной практике также распространён уровень Шаблон:Nobr или Шаблон:Nobr ВШаблон:Sfn.
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 Шаблон:Nobr для линейных уровней +4, +6 или Шаблон:Nobr соответственноШаблон:Sfn.
Бытовая аппаратура
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 Шаблон:Nobr среднеквадратическогоШаблон:Sfn. Этот же уровень (c оговорками) зафиксирован действующим международным стандартам МЭК 60933 и составленным на его основе российским ГОСТ Р 51771-2001Шаблон:Sfn, и спецификацией звукового канала видеоинтерфейса SCART[1].
- По данным других авторов (2010, 2012 годы), в бытовой аппаратуре и полупрофессиональной студийной технике преобладает установленный IHF уровень Шаблон:Nobr («стандарт IHF»Шаблон:Sfn), что соответствует среднеквадратическому напряжению сигнала Шаблон:Nobr (или Шаблон:NobrШаблон:SfnШаблон:Sfn;
- В бытовой видеотехнике конца XX века применялись уровни Шаблон:Nobr (Шаблон:Nobr система VHS) и Шаблон:Nobr (Шаблон:Nobr система Hi8); в начале 1980-х годов японские производители hi-fi ориентировались на ещё меньший уровень в Шаблон:Nobr (Шаблон:NobrШаблон:Sfn;
- Минимально допустимая величина линейного уровня, по стандарту МЭК, составляет всего Шаблон:Nobr (Шаблон:NobrШаблон:Sfn, и по состоянию на 2013 год она также широко применялась в серийных устройствахШаблон:Sfn.
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[1]. В соответствии с МЭК 60933 и ГОСТ Р 51771-2001 линейный (номинальный) уровень такого сигнала отстоит от предельного на Шаблон:Nobr и равняется Шаблон:NobrШаблон:Sfn. Однако, по данным 2013 года, большинство звукоинженеров сводили цифровые фонограммы, ориентируясь на запас по перегрузке в Шаблон:Nobr поэтому фактический средний линейный уровень на выходе проигрывателя вдвое меньше — всего Шаблон:NobrШаблон:Sfn.
Согласование уровней
Подавать сигнал с выхода профессиональной аппаратуры на вход бытового устройства обычно нельзя из-за неизбежных при этом перегрузок по входуШаблон:Sfn. Для ослабления сигнала профессиональной аппаратуры до бытовых Шаблон:Nobr применяют аттенюаторы или трансформаторы, которые получили в англоязычной среде собирательное название «преобразователи 4 в −10» (Шаблон:Lang-en). Аналогичным образом (-10/+4) маркируются переключатели на профессиональной аппаратуре со встроенными аттенюаторамиШаблон:Sfn. Так как профессиональные и бытовые уровни традиционно обозначаются в разных масштабах (dBu и dBV), то коэффициент ослабления такого аттенюатора равен не −16, а Шаблон:Nobr (напряжение ослабляется в Шаблон:NobrШаблон:SfnШаблон:Sfn.
Внутренние линейные уровни
Линейный уровень Шаблон:Nobr 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 Шаблон:Nobr или Шаблон:Nobr среднеквадратического; в схемах, построенных на ОУ, такой уровень гарантирует запас по перегрузке в Шаблон:NobrШаблон:Sfn. В специализированных микшерных пультах внутренний уровень может быть ещё меньше, порядка Шаблон:Nobr (Шаблон:Nobr среднеквадратического)Шаблон:Sfn.
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 Шаблон:Nobr[2].
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 другойШаблон:Sfn. Слишком слабый сигнал, проходя через звуковой тракт, будет чрезмерно зашумлён; слишком сильный будет преждевременно подвержен нелинейному ограничению при перегрузкахШаблон:Sfn. 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 амплитудеШаблон:Sfn. 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 возможногоШаблон:Sfn.
Абсолютный порог перегрузки определяется элементной базой и схемотехникой усилительных каскадов: в низковольтных схемах с батарейным питанием порог перегрузки не превышает Шаблон:Nobr в схемах на операционных усилителях порог составляет порядка Шаблон:Nobr 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 Шаблон:Nobr (Шаблон:Nobr среднеквадратического)Шаблон:Sfn.
Линейный уровень характеризует среднее напряжение сигнала, но не предельно допустимоеШаблон:Sfn; 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 51771-2001Шаблон:Sfn;
- 14 дБ — в студийных аналоговых магнитофонах. Бо́льшие уровни воспроизвести невозможно из-за естественной компрессии сигнала в ферромагнитном слое лентыШаблон:Sfn. Лента, сама по себе, служит удобным «ограничителем» сигналаШаблон:Sfn.
- 16 дБ — в полупрофессиональных микшерских пультах и нижнем сегменте студийной аппаратурыШаблон:Sfn;
- 20 дБ и более — в студийных цифровых рекордерах, профессиональных микшерских пультах и процессорах сигналаШаблон:Sfn;
- около 30 дБ — в верхнем сегменте студийной аппаратурыШаблон:Sfn.
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 — разница между средним и максимальным уровнями — составляет примерно Шаблон:Nobr Во время «войны громкости» 2000-х годов инженеры по мастерингу сжимали это отношение до Шаблон:Nobr а в наиболее «зажатых» записях — до Шаблон:Nobr Записи, подвергнутые такому сжатию, звучат «громко», подчас эффектно, но монотонноШаблон:SfnШаблон:Sfn. Длительное прослушивание таких записей утомляет слушателяШаблон:SfnШаблон:Sfn.