Лінійний рівень

Лінійний рівень (англ. line level) аналогового сигналу — середня величина напруги сигналу, що передається з одного блоку сигнального тракту в інший по міжблочних лініях зв'язку; в більш загальному формулюванні, лінійний рівень — середня напруга сигналу в будь-якій точці аналогового тракту. Відповідний лінійному рівню сигнал називають сигналом лінійного рівня, вихідне коло джерела такого сигналу — лінійним виходом, а сумісне з ним вхідне коло приймача сигналу — лінійним входом. Поняття лінійного рівня, що з'явилося в США в міжвоєнний період, сходить до поняття лінії дротового телефонного зв'язку і не пов'язане безпосередньо з поняттями лінійності і нелінійності аналогового тракту.

Діпазони значень лінійних (темно-червоний) і граничних рівнів сигналу в побутовій і професійній звуковій техніці

Величини лінійних рівнів залежать від призначення апаратури (побутова чи професійна), природи джерела сигналу (відео, аудіо тощо) та його носія (аналогова або цифрова форма), часу випуску апаратури і т. ін. Вибір лінійного рівня — компроміс між вимогами до (відношення сигнал / шум), з одного боку, і до перевантажувальної здатності до рівня нелінійних спотворень — з другого. Напруги лінійних рівнів звукової апаратури завжди виражаються в середніх квадратичних (діючих) значеннях. Крім зазначення рівня в вольтах або мілівольтах, на практиці застосовуються і специфічні для своїх галузей застосування логарифмічні одиниці — dBV у побутовій і dBm або dBu у професійній апаратурі.

Походження поняття

У перші десятиліття існування ефірного радіомовлення єдиним способом передачі програм між станціями, що входять в мережі радіомовлення, був наземний (дротовий) телефонний зв'язок. Дальність дії самих радіомовних станцій була невеликою, а якість прийому програм по радіоканалу — незадовільно низькою для цілей ретрансляції; супутникового радіозв'язку не існувало в принципі. Практично відразу після перших експериментів з телефонної трансляції радіомовникам і телефоністам треба було узгодити технічні вимоги до сигналу, що передавався. Занадто потужний сигнал перевантажував телефонне обладнання, занадто слабкий — був надмірно уразливий до шумів і перешкод. У 1940 році радіомовні компанії США і телефонний монополіст зафіксували технічні вимоги в стандарті, в якому дали чітке визначення: «лінійний рівень — середній рівень звукової програми, при якому в абонентському навантаженні з вхідним опором 600 Ом виділяється електрична потужність 1 мВт». Логарифмічна шкала вимірювань, прив'язана до цього рівня, отримала позначення dBm (децибел щодо рівня 1 мВт). Саме цією шкалою градуювалися стандартні «звукові» (VU-метри): нуль умовних одиниць VU (що фактично лежить в правій половині шкали вольтметра) відповідав напрузі 775 мВ.

З плином часу допустимий рівень сигналу на лінії збільшився; в 1954 році стандартний лінійний рівень телефонних мереж США виріс до +8 dBm (6,3 мВт на навантаженні в 600 Ом, або 1,95 В); допустимий граничний рівень сигналу тоді становив +18 dBm, що гарантувало запас по перевантаженню в 10 дБ, щодо лінійного рівня. Тоді ж стало очевидним, що вбудовані в стандартні VU-метри германієві випрямлячі вносять в сигнал на лінії неприйнятно високі нелінійні спотворення (0,3 % на граничному рівні і значно більше на менших рівнях). Щоб уникнути цих спотворень інженери стали включати послідовно з VU-вольтметром баластний резистор, який підвищував вхідний опір приладу і одночасно зменшував напругу на вході вольтметра приблизно в півтора раза, або на 4 дБ. Незабаром всередині радіомовних мереж виник новий галузевий стандарт: умовний нуль VU-вольтметра тепер відповідав +4 dBm, або 1,228 В на опорі 600 Ом. Саме цей рівень застосовувався як лінійний у студійній апаратурі мовних мереж.

У 1970-і роки становище змінилося: розвинувся масовий ринок побутової апаратури високоякісного відтворення звуку, виник новий ринок напівпрофесійного студійного обладнання. Студійний стандарт 600-омної лінії, що мав на увазі використання широкосмугових узгоджувальних трансформаторів, був для бюджетної побутової апаратури занадто дорогим, та й не потрібним. Досить було, щоб вихідний опір джерела сигналу був у багато разів нижчим вхідного опору приймача. Так виникла необхідність перейти від «потужнісних» децибел dBm до нової шкали, що оперує не потужністю, а напругою. У США, слідуючи традиції, просто прирівняли нуль шкали напруг до нуля шкали dBm; нові логарифмічні одиниці отримали позначення dBu (від англ. unterminated — «ненавантажений»). У Європі запропонували нову шкалу, прив'язану не до рівня 775 мВ, а до рівня 1 В — ця шкала отримала позначення dBv. Шкала dBV, стандартизована МЕК і , стала основною для побутової техніки; шкала dBu, як і її попередниця dBm, залишилася стандартом для фахівців.

Лінійні рівні в звуковій техніці

Напруга в залежності від часу, виражена в кутових градусах періоду синусоїдальних хвиль опорних і лінійних рівнів з ${\displaystyle V_{RMS}}$, ${\displaystyle V_{PK}}$ і ${\displaystyle V_{PP}}$ для професійної та побутової (споживчої) апаратури відзначені відносно рівня +4 dBu (синя штрихова лінія)

Професійна апаратура

Лінійні входи і виходи професійної апаратури зазвичай використовують роз'єми XLR

Лінійні рівні професійної апаратури, традиційно вимірювані в dBm або dBu, лежать в діапазоні +4…+8 dBu, або 1,228…1,95 В:

• У США фактичним стандартом став лінійний рівень +4 (dBm), що відповідає середній квадратичній напрузі величиною 1,228 В;
• У західноєвропейському радіомовленні історично застосовувався дещо більший «рівень ARD»: +6 dbU, або 1,55 В;
• У студійній практиці також поширений рівень +8 dBu, або 1,95 В.

Якщо сигнал джерела передається приймачу по симетричній балансній лінії (що є нормою в професійній практиці), то напруга сигналу вимірюється між двома протифазними провідниками. Середні напруги сигналу на кожному з цих провідників удвічі менше лінійного рівня — 614, 775 або 973 мВ для лінійних рівнів +4 , +6 або +8 dBu відповідно.

Побутова апаратура

Лінійні входи і виходи побутової апаратури зазвичай використовують роз'єми RCA

У побутовій звуковій апаратурі, як правило, використовуються значно менші лінійні рівні:

• За даними американського словника The Audio Dictionary (2005 рік), найбільш поширеним є лінійний рівень близько 500 мВ (середнє квадратичне значення). Цей же рівень (з застереженнями) зафіксований чинним міжнародним стандартом МЕК 60933 і складеним на його основі російським ГОСТ Р 51771—2001, а також специфікацією звукового каналу відеоінтерфейсу SCART.
• За даними інших авторів (2010, 2012 роки), у побутовій апаратурі та напівпрофесійній студійній техніці переважає встановлений рівень −10 dBV («стандарт IHF»), що відповідає середньоквадратичній напрузі сигналу 316 мВ (або −7,78 dBu);
• У побутовій відеотехніці кінця XX століття застосовувалися рівні −6 dBu (387 мВ, система VHS) і −7,5 dBu (327 мВ, система Hi8); на початку 1980-х років японські виробники Hi-Fi орієнтувалися на ще менший рівень в −10 dBu (245 мВ);
• Мінімально допустима величина лінійного рівня, за стандартом МЕК, становить всього −20 dBu (25 мВ), і станом на 2013 рік вона також широко застосовувалася в серійних пристроях.

У документації на програвачі цифрових носіїв замість зазначення лінійного рівня може вказуватися гранична середня квадратична напруга неспотвореного синусоїдального сигналу на виході цифро-аналогового перетворювача. Її типове значення, стандартизоване в 1980-і роки для стаціонарних програвачів компакт-дисків і звукового інтерфейсу SCART, дорівнює 2 В. Відповідно до МЕК 60933 і ГОСТ Р 51771-2001 лінійний (номінальний) рівень такого сигналу відстоїть від граничного на 12 дБ і дорівнює 500 мВ. Однак, за даними 2013 року, більшість звукоінженерів цифрові фонограми, орієнтуючись на запас по перевантаженню в 18 дБ, тому фактичний середній лінійний рівень на виході програвача є вдвічі меншим — всього 250 мВ.

Узгодження рівнів

Подавати сигнал з виходу професійної апаратури на вхід побутового пристрою зазвичай не можна, через неминучі при цьому перевантаження по входу. Для послаблення сигналу професійної апаратури до побутових −10 dBV застосовують атенюатори або трансформатори, які отримали в англомовному середовищі збірну назву «перетворювачі 4 в -10» (англ. 4/-10 converters). Аналогічним чином (-10/+4) маркуються перемикачі на професійній апаратурі з вбудованими атенюаторами. Оскільки професійні та побутові рівні традиційно позначаються в різних масштабах (dBu і dBV), то коефіцієнт послаблення такого атенюатора дорівнює не -16, а −11,8 дБ (напруга послаблюється в 3,89 раза).

Внутрішні лінійні рівні

Лінійний рівень +4…+8 dBu є оптимальним для міжблочних ліній, але занадто великим для обробки сигналу всередині блоків. Як правило, в професійній апаратурі сигнал, що приходить ззовні, послаблюється до внутрішнього лінійного рівня, який становить близько −6…0 dBu, або 388…775 мВ (середнє квадратичне значення); в схемах побудованих на операційних підсилювачах такий рівень гарантує запас по перевантаженню в 20…27 дБ. У спеціалізованих мікшерних пультах внутрішній рівень може бути ще меншим — −16 dBu (123 мВ середньоквадратичної величини).

Внутрішні лінійні рівні побутової апаратури, особливо розрахованої на батарейне живлення, також можуть бути істотно нижчими від номінальних — наприклад, в касетній апаратурі з СШП Dolby і dbx були поширені опорні рівні 25…35 мВ.

Співвідношення середнього та граничного рівнів

Вибір лінійного рівня — компроміс між вимогами до (відношення сигнал / шум), з одного боку, і до перевантажувальної здатності до рівня нелінійних спотворень — з іншого. Занадто слабкий сигнал, проходячи через звуковий тракт, буде надмірно зашумлений; занадто сильний буде передчасно підданий нелінійному обмеженню при перевантаженнях. У ламповій і ранній транзисторній апаратурі збільшення лінійного рівня також викликало плавне зростання спотворень в лінійній області роботи; в сучасній аналоговій апаратурі це явище практично відсутнє: підсилювачі підтримують штатний низький рівень спотворень аж до перевантаження по амплітуді. Однак деякі операційні підсилювачі, використовувані в тому числі в студійній апаратурі, відрізняються аномально високими при переході з режиму А в режим AB — оптимальний діапазон вихідних напруг таких операційних підсилювачів є набагато вужчим від гранично можливого.

Абсолютний поріг перевантаження визначається елементною базою і схемотехнікою підсилювальних каскадів: в низьковольтних схемах з батарейним живленням поріг перевантаження не перевищує ±1 В, в схемах на операційних підсилювачах поріг становить близько ±10 В, а в конструкціях на дискретних транзисторах або лампах він може становити кілька десятків вольт. У професійній апаратурі де-факто стандартизовані два рівні гранично допустимих напруг:

• +20 dBu (7,75 В, середньоквадратичне значення) — в напівпрофесійній апаратурі і нижньому сегменті студійної апаратури;
• +24 dBu (12,3 В, середньоквадратичне значення) і вище — у «звичайній» студійній апаратурі. У верхньому сегменті студійної техніки початку XXI століття допустимі значно більші граничні рівні — до +37 dBu (55 В, середньоквадратичне значення).

Лінійний рівень характеризує середню напругу сигналу, але не гранично допустиму; остання завжди перевищує лінійний рівень. Різниця між номінальним (паспортним) лінійним рівнем апаратури і граничним рівнем сигналу, вираженим в тому ж масштабі середніх квадратичних напруг, становить

• 12 дБ — в побутовій апаратурі по МЕК 60933 і ГОСТ Р 51771-2001;
• 14 дБ — в студійних аналогових магнітофонах. Великі рівні відтворити неможливо через природну компресію сигналу в феромагнітному шарі стрічки. Стрічка сама по собі служить зручним «обмежувачем» сигналу.
• 16 дБ — в напівпрофесійних мікшерських пультах і нижньому сегменті студійної апаратури;
• 20 дБ і більше — в студійних цифрових рекордерах, професійних мікшерських пультах і процесорах сигналу;
• близько 30 дБ — у верхньому сегменті студійної апаратури.

Наведені цифри характеризують можливості самої апаратури; динамічний діапазон фонограм, призначених для тиражування і радіотрансляції, зазвичай додатково обмежується при мастерингу. У нормальних записах, що не були піддані агресивній компресії, ^[en] — різниця між середнім і максимальним рівнями — становить приблизно 18 дБ. Під час «війни гучності» 2000-х років інженери з мастерингу стискали це відношення до 12 дБ, а в найбільш «затиснутих» записах — до 8 дБ. Записи піддані такому стисненню звучать «голосно», часом ефектно, але монотонно. Тривале прослуховування таких записів утомлює слухача.

Примітки

1. White, Louie, 2005, p. 216.
2. White, Louie, 2005, p. p. 216.
3. Rose, 2012, p. 75.
4. Rose, 2013, p. 43.
5. Rose, 2012, p. 76.
6. Temmer, Narma, 1954, p. 88.
7. Rose, 2013, p. 44.
8. Self, 2010, p. 339.
9. White and Louie, 2005, p. 216.
10. Hurtig, 1988, p. 18—19.
11. Self, 2010, p. 340.
12. ГОСТ Р 51771—2001, с. 2.
13. Roche D. 2 Vrms – A funny old standard // EE Times. — 2008. — 4 September.
14. Hurtig, 1988, p. 19.
15. Talbot-Smith, 2013, p. 3.96.
16. ГОСТ Р 51771—2001, с. 2—3 (прим. 2(в), 5(а)).
17. Сухов Н. Dolby B, Dolby C, Dolby S ... dbx? // Радиохобби. — № 4. — С. 48.
18. Self, 2010, p. 339—340.
19. Katz, 2002, p. 67.
20. Katz, 2002, p. 68.
21. Katz, 2002, p. 122.
22. Katz, 2002, p. 123.
23. Katz, 2002, p. 128.

Література

• ГОСТ Р 51771—2001. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Входные и выходные параметры и типы соединителей. Технические требования. — ИПК Издательство стандартов.
• Кирн П. Цифровой звук. Реальный мир. Передовые технологии для профессионалов. — ИД Вильямс, 2008. — 713 с. — .
• Hurtig B. Multi-Track Recording for Musicians. — Alfred Music, 1988. — .
• ^[en]. Mastering Audio: The Art and the Science. — Focal Press, 2002. — .
• Rose J. Audio Postproduction for Digital Video. — CRC Press, 2012. — .
• Rose J. Producing Great Sound for Film and Video. — CRC Press, 2013. — .
• Self D. Small Signal Audio Design. — 5th ed. — Focal Press / Elsevier, 2010. — .
• Talbot-Smith, Michael. Audio Engineer's Reference Book. — CRC Press, 2013. — .
• Temmer S., Narma R. A New Program Distribution System // Journal of the Audio Engineering Society. — 1954. — Vol. 2, no. 1. — P. 88—91.
• White G., Louie G. The Audio Dictionary. — Third ed., rev. and expanded. — University of Washington Press, 2005. — .