3. ЧАСТОТНЫЕ И ФАЗОВЫЕ ИСКАЖЕНИЯ

Напряжение на выходе любого звена вещательного тракта можно представить как вектор, сдвинутый на угол φ по отношению к входному напряжению

_вых = U_вх e^jφ.

Коэффициент передачи звена в этом случае

где К — модуль коэффициента передачи; φ — угол сдвига фазы между входным _вх и выходным _вых напряжениями.

Зависимость модуля коэффициента передачи от частоты сигнала называется частотной характеристикой звена, а зависимость угла сдвига фазы между выходным и входным напряжениями от частоты — фазовой характеристикой.

Частотную характеристику обычно строят в прямоугольной системе координат, откладывая по вертикальной оси в линейном масштабе K, а по горизонтальной — в логарифмическом масштабе частоту сигнала f. Идеальной характеристикой будет прямая, параллельная горизонтальной оси. В этом случае говорят, что звено не вносит частотных искажений. Для оценки искажений используются как коэффициент частотных искажений М = K_ср/K, так и относительное усиление S = 1/М = K/K_ср, коэффициент передачи в области средних частот.

В звеньях вещательного тракта нормируют неравномерность частотной характеристики в заданной полосе частот ΔS = S_макс — S_мин, где S_макс, S_мин - максимальная и минимальная величины относительного усиления соответственно. Обычно величину ΔS определяют в децибелах, и она не должна выходить за пределы определенных допусков в пределах рабочего диапазона частот. Рабочий диапазон частот определяется разностью f_в — f_н, где f_в -высшая граничная частота; f_н — низшая граничная частота. Граничные частоты — это частоты, на которых модуль коэффициента передачи в  раз меньше коэффициента передачи звена в области средних частот.

Неравномерность частотной характеристики для каждого класса качества нормируется на краях рабочего диапазона частот в пределах от f_н до 1,5 f_н и от 0,66f_в до f_в, f также в средней части рабочего диапазона (рис. 5 и табл. 2).  В цепях, содержащих реактивные элементы, время распространения синусоидальных сигналов зависит от частоты. Вследствие этого отдельные гармоники сложного передаваемого сигнала сдвигаются на различные отрезки времени, что приводит к искажению формы сигнала, т. е. к фазовым искажениям.

 

 

Рис. 5. Поле допусков для амплитудно-частотных характеристик:

f_н , f_в - нижняя и верхняя границы номинального диапазона частот соответственно; f₀ —частота 1000 (800) Гц

 

 

Для отсутствия фазовых искажений необходимо, чтобы групповое время запаздывания t_гр в полосе частот было постоянным

 

где dφ — приращение фазы; dω — приращение угловой частоты; τ₀ — постоянная  величина, имеющая размерность времени.

Если все гармоники вещательного сигнала в процессе распространения сдвигаются на одинаковый промежуток времени τ₀, то сигнал не изменяет своей формы. В этом случае сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями звена канала линейно зависит от частоты, т. е. φ = φ_ср + τ₀ω, где φ_ср = 2kπ, k = 0, 1, 2, 3, ..., и фазовые искажения отсутствуют.

Фазовые искажения характеризуются разницей во времени пробега по каналу сигналов средней частоты и граничных частот диапазона:

где Δt_н, Δt_в—разность во времени пробега по каналу сигналов нижней: и верхней граничной частоты и средней частоты диапазона. Согласно рекомендации МККТТ средняя частота выбирается 800 Гц. Так как человеческое ухо является частотным анализатором, то оно мало чувствительно к фазовым искажениям. Но при больших громкостях звука фазовые искажения воспринимаются как изменение тембра [75].

Увеличение времени пробега высокочастотных составляющих воспринимается как своеобразное изменение звучания, поскольку сопутствующие словам речи придыхания сдвигаются во времени и приводят к «размытости» звучания. Особенно снижается качество передачи, когда сдвиг во времени приближается к длительности слога. Увеличение времени распространения низкочастотных составляющих менее заметно на слух. Хотя фазовые искажения вещательных каналов и заметны на слух, существующим ГОС 11515—75 они не нормируются. Имеются только рекомендации по допустимым фазовым искажениям для каналов вещания, соответствующих различным классам качества [75]. Для канала вещания, соответствующего высшему классу качества, величина Δt_в ≤ 2 мс, Δt_н ≤ 12 мс. Для первого класса качества Δt_в ≤: 8 мс, Δt_н ≤ 80 мс, для второго класса качества Δt_в ≤10 мс, Δt_н ≤80 мс.

Исследования частотных искажений показали, что высококвалифицированные эксперты замечают различия в звучании натурального и искаженного сигналов не более чем в 15% случаев, если полоса частот сокращается до 30—15 000 Гц. Двухстороннее сокращение в области верхних и нижних частот замечается на слух и воспринимается экспертами более благоприятно, чем одностороннее сокращение в области нижних или верхних частот. Эксперты замечают отдельные пики и провалы на частотной характеристике. Комбинации пиков и провалов менее заметны, чем единичные пики и провалы [29, 75].