Системы шумоподавления. Часть 2

Компрессия и экспондирование стационарного сигнала

Как было сказано в предыдущей части статьи , чтобы система шумоподавления эффективно устраняла шум без слышимых побочных эффектов, она должна работать только в тех областях частотного диапазона, где нет громких сигналов и, следовательно, не происходит маскирования (другими словами, она должна быть частотно зависимой).

Перед тем, как продолжить изучение устройства и принципа работы систем шумоподавления, следует рассмотреть графики, которые описывают работу приборов, производящих компрессию и экспандирование сигнала. Иллюстрируют эти процессы так называемые «передаточные кривые». К сожалению, их важность при создании систем шумоподавления часто недооценивают. Далее будет показано, что изучение поведения этих кривых при рассмотрении вопросов данной темы имеет очень большое значение.

О графиках в этой статье

Перед тем, как начать повествование, следует объяснить ряд особенностей графиков, присутствующих в статье:

Во всех графиках по горизонтальной оси откладываются значения уровня входного сигнала, а по вертикальной — величина уровня выходного сигнала прибора. Единицей измерения в обоих случаях является децибел. Отсчет ведется относительно точки 0 дБ, находящейся в верхнем правом углу графика. Эта точка выбрана в качестве начала отсчета, так как для систем шумоподавления 0 дБ — максимальный уровень сигнала, при котором характер шума не изменяется;
Линии на графиках — передаточные кривые — отображают взаимосвязь между уровнями входного и выходного сигналов для различных приборов. Чтобы сделать объяснения более прозрачными, на всех графиках в статье передаточные кривые изображены как прямые и ломаные. Однако в реальных условиях они более плавные, а изменения их наклона происходят не так резко;
Все передаточные кривые иллюстрируют соотношение уровней стационарных сигналов.

Передаточные кривые

Итак, любая точка на каждом графике в этой статье имеет две координаты: уровень выходного и входного сигналов. Рассмотрим прибор, который с уровнем входного сигнала в -15 дБ дает на выходе -10 дБ. На рисунке 1 такое соотношение сигналов показано в точке 1 (уровень входного сигнала -15, выходного — -10). Разница между ними составляет 5 дБ. Таким образом, в этой точке прибор ведет себя как усилитель, повышая уровень сигнала на 5 дБ.

Рис. 1. Линии с наклоном, равным 1, иллюстрируют следующие случаи работы прибора: А — прибор работает как усилитель с постоянным коэффициентом усиления; В — прибор работает как усилитель с коэффициентом усиления 1 (прямой сигнал); С — прибор работает как аттенюатор с постоянным коэффициентом ослабления сигнала

Далее прибор, получая сигнал уровня -30 дБ, на выходе дает -25 дБ. Этому случаю соответствует точка 2 на рисунке 1. В этой точке прибор также работает как усилитель, поднимая уровень входящего сигнала на те же 5 дБ.

Предположим, что устройство продолжает вести себя таким образом для всех входных сигналов, находящихся в динамическом диапазоне -30…-15 дБ. На рисунке 1 геометрическим местом точек, отображающих соотношение входных и выходных сигналов во время работы этого усилителя, будет отрезок между точками 1 и 2. Именно он и называется передаточной кривой данного аппарата для сигналов определенного уровня. Если для конкретного прибора внутри какой-то части динамического диапазона за изменением уровня входного сигнала следуют некоторые, фиксированные для этой части диапазона, изменения уровня выходного сигнала, говорят, что передаточная кривая имеет наклон, равный 1.

Пусть прибор для входных сигналов любого уровня ведет себя как усилитель с постоянным коэффициентом усиления (в нашем случае это 5 дБ), тогда линию между точками 1 и 2 на графике можно неограниченно продлить в обоих направлениях (линия А на рисунке 1). Проигнорируем пока тот факт, что продление в одном направлении вызовет неизбежную перегрузку, а в другом — усиление шума.

Теперь рассмотрим усилитель с коэффициентом усиления 1. Для него уровни выходного и входного сигналов будут равны, поэтому все точки на соответствующей передаточной кривой будут иметь равные координаты по обеим осям. На рисунке 1 работа этого усилителя представлена прямой В. Она, как и прямая А, имеет наклон, равный 1, но в отличие от нее проходит через точку (0, 0).

Сделаем ряд обобщений:

Прибор, передаточная кривая которого является прямой с наклоном, равным 1, является усилителем с постоянным коэффициентом усиления, усилителем с коэффициентом усиления 1 (передается прямой сигнал) либо работает как аттенюатор с постоянным коэффициентом ослабления сигнала.
То, какие функции выполняет устройство (усиление, ослабление или прямая передача сигнала), зависит от положения его передаточной кривой относительно прямой В на рисунке 1. Если соответствующая данному прибору передаточная кривая лежит выше линии В, это означает, что он работает как усилитель с постоянным коэффициентом (линия А). Если передаточная кривая устройства находится на прямой В, прибор не усиливает и не ослабляет сигнал, а передает его без изменений. Наконец, если передаточная кривая устройства расположена под кривой В, процессор работает как аттенюатор (линия С).
Любая точка над линией В соответствует усилению сигнала, а под этой линией — ослаблению. Причем, чем выше/ниже находится точка над/под линией В, тем сильнее усиление/ослабление.

Изменения наклона

Рис. 2. Передаточная кривая для прибора, который при уровне входного сигнала меньше -20 дБ работает как усилитель с постоянным коэффициентом усиления (происходит подъем сигнала на 20 дБ). В этом случае наклон передаточной кривой равен 1. На входных сигналах с уровнем выше -20 дБ прибор работает как лимитер (наклон равен 0)

Рис. 3. Прибор, передаточная кривая которого имеет наклон меньше 1, работает как компрессор. Устройство, у которого передаточная кривая имеет наклон больше 1, — как экспандер

Рис. 4.1. Компрессор, наклон передаточной кривой которого равен 1/2, имеет степень компрессии 2:1

Рис. 4.2. Экспандер, наклон передаточной кривой которого равен 2, имеет степень экспандирования 2:1

Рис. 5. Передаточные кривые сложной формы

Разумеется, не все приборы работают только как усилители или аттенюаторы для входных сигналов во всем динамическом диапазоне. Часто передаточная кривая одного прибора меняет свой наклон и положение относительно линии передачи прямого сигнала, что влечет за собой изменение типа устройства: в одних областях динамического диапазона аппарат работает как усилитель, в других — как аттенюатор. Однако и в этом случае некоторые части кривой все-таки остаются прямыми линиями с наклоном, равным 1. Это означает, что прибор для входных сигналов в определенной области динамического диапазона будет усиливать или ослаблять сигнал с постоянным коэффициентом. Например, на рисунке 2 показана передаточная кривая устройства, которое при уровне входного сигнала меньше -20 дБ ведет себя как усилитель с постоянным коэффициентом усиления входного сигнала (происходит усиление сигнала на 20 дБ). При этом на входных сигналах с более высоким уровнем прибор выполняет уже функции лимитера: независимо от того, насколько сильно увеличивается уровень входного сигнала, на выходе аппарат дает сигнал фиксированного уровня.

Наклон больше или меньше, чем 1

Если устройство осуществляет усиление с постоянным коэффициентом или передает прямой сигнал, после изменения уровня входного сигнала он меняет уровень выходного сигнала ровно на строго определенное, фиксированное для всего диапазона, значение. Во время работы компрессора ситуация несколько меняется. Действительно, суть работы этого прибора динамической обработки заключается в том, что, чем выше уровень входного сигнала, тем меньше аппарат его усиливает. На самом деле, компрессор усиливает сигнал не «на» несколько децибел, а «в» несколько раз. В результате получается, что его передаточная кривая имеет наклон меньше, чем 1 (то есть она проходит под углом, меньшим, чем 45° к горизонтальной оси). Во время работы экспандера наблюдается обратная ситуация: чем выше уровень входного сигнала, тем меньше он ослабляется. Из-за этого наклон передаточной кривой экспандера становится больше, чем 1. Оба случая проиллюстрированы на рисунке 3.

На рисунке 4.1 хорошо видна разница между передаточными кривыми компрессора с рисунка 3 (на рисунке 4.1 этому компрессору соответствует кривая D) и усилителя с постоянным коэффициентом усиления (на рисунке 4.1 ему соответствует кривая Е). Заметим, что в случае с усилителем при изменении уровня входного сигнала на 1 дБ, уровень выходного сигнала также увеличивается на 1 дБ.

А чтобы сигнал на выходе компрессора увеличился на 1 дБ, надо, чтобы на его входе уровень сигнала возрос на 2 дБ. То есть передаточная кривая этого компрессора имеет наклон 1/2.

На рисунке 4.2 изображены передаточные кривые для экспандера (линия F на графике) и аттенюатора с постоянным ослаблением сигнала (линия G). Так же как и в случае с усилителем, когда уровень входного сигнала для аттенюатора изменяется на 1 дБ, уровень выходного сигнала также изменяется на 1 дБ. Но чтобы уровень выходного сигнала экспандера возрос на 2 дБ, надо, чтобы уровень его входного сигнала увеличился на 1 дБ. Выходит, что передаточная кривая экспандера имеет наклон 2.

При рассмотрении работы приборов динамической обработки сигнала обычно говорят о соответствующих им степенях компрессии или экспандирования (Ratio). Во время расширения динамического диапазона сигнала степень экспандирования в каждой отдельной точке соответствует величине наклона передаточной кривой в этой точке (степень показывает, насколько изменяется уровень выходного сигнала при изменении уровня входного сигнала на 1 дБ). Таким образом, для экспандера, передаточная кривая которого лежит на линии F (рисунок 4.2), степень экспандирования составляет 2:1.

Степень компрессии является обратной величиной для значения наклона передаточной кривой. Получается, что компрессор, передаточная кривая которого лежит на кривой D (рисунок 4.1), имеет степень компрессии 2:1 (а не 1:2 как можно было бы подумать по аналогии с экспандером).

Передаточные кривые сложной формы

Примеры передаточных кривых сложной формы изображены на рисунке 5. Компрессор, передаточной кривой которого является ломаная H, в динамическом диапазоне -25…0 дБ имеет степень компрессии 2:1. Начиная с -25 дБ он усиливает сигнал с постоянным коэффициентом (повышает уровень всех входящих сигналов на 12,5 дБ). Кривая I является передаточной кривой экспандера, выполняющего действия, прямо противоположные компрессору H. Наконец, кривая J соответствует прибору, котрый экспандирует (со степенью 2:1) входящий сигнал с уровнем меньше чем -45 дБ, обеспечивает постоянное усиление на 20 дБ сигнала в динамическом диапазоне -45…-35 дБ, ограничивает входящий сигнал уровня -35…-25 дБ и инвертирует выходной уровень относительно входного для сигналов, уровень которых выше, чем -25 дБ.

Компрессия и экспондирование в условиях резкого изменения входного сигнала

До этого момента рассматривались передаточные кривые для стационарных сигналов. Далее речь пойдет о поведении компрессора и экспандера в ситуации, когда уровень входного сигнала резко повышается, а также о том, как при этих скачках можно прогнозировать поведение передаточных кривых.

Выбросы сигнала

Как уже говорилось в первой части статьи о системах шумоподавления, компрессоры порождают так называемые выбросы при резких скачках уровня входного сигнала. Устранить эти выбросы путем одного лишь уменьшения времени атаки не удается, так как быстрая реакция компрессора приводит к появлению слышимых щелчков. Возникает вопрос: как еще можно избежать выбросов сигнала, не получив при этом дополнительных призвуков? Чтобы ответить на него, сначала попытаемся определить величину выбросов.

Рис. 6. Выброс на 5 дБ при внезапном повышении сигнала с -20 до -10 дБ (при степени компрессии 2:1)

На рисунке 6 изображены передаточные кривые компрессора (имеющего степень компрессии 2:1 во всем динамическом диапазоне и единичное усиление в точке 0 дБ), а также усилителя с коэффициентом, равным 1. Для этого компрессора, при фиксированных уровнях входного сигнала в -20 дБ и -10 дБ, выходной сигнал будет составлять соответственно -10 дБ и -5 дБ (на графике это точки А и В).

Теперь рассмотрим ситуацию, когда уровень входного сигнала внезапно повышается с -20 до -10 дБ. Известно, что после появления этого скачка, компрессор должен уменьшить разницу между первоначальным и повышенным уровнями сигнала с 10 до 5 дБ (то есть в два раза, ведь степень компрессии равна 2:1). В предыдущей части статьи говорилось, что прибор не может мгновенно подавить повысившийся сигнал, для этого ему нужно какое-то время (так называемое время атаки). Получается, что перед тем, как подавить сигнал, компрессор будет усиливать его с определенным коэффициентом. Эту ситуацию иллюстрирует пунктирная линия на рисунке 6: уровень входного сигнала резко повысился до -10 дБ, но прибор все еще продолжает усиливать его на 10 дБ. В результате выходной сигнал достигает уровня 0 дБ (точка С). Как уже говорилось, это превышение уровня относительно желаемого на 5 дБ (желаемый уровень выходного сигнала — точка В на графике) будет устранено только через какое-то время, когда компрессор вернется к «нормальной» передаточной кривой. В результате, произойдет выброс сигнала величиной в 5 дБ. То есть величина выброса будет равна величине, на которую нужно уменьшить сигнал.

Из рисунка 6 понятно, что оценивать размер выброса следует путем сравнения исходной и измененной передаточных кривых. Проведем эту оценку для случая, когда уровень входного сигнала изменился с -15 до -6 дБ, как показано на рисунке 7. Судя по первоначальной передаточной кривой, уровень на выходе, соответствующий входному сигналу -15 дБ, составляет -7,5 дБ (точка D на графике). Как и на рисунке 6, через эту точку следует провести пунктирную линию под углом 45°. Разница между уровнями выходного сигнала в точках E и F (F находится строго над Е) составляет 4,5 дБ. Именно таким будет выброс сигнала.

Рис. 7. Выброс на 4,5 дБ при увеличении сигнала с -15 до -6 дБ (при степени компрессии 2:1)

Рис. 8. Выбросы происходят только для сигналов с уровнем меньше -20 дБ. При уровне входного сигнала больше, чем -20 дБ, выбросов не будет

Заметим, что на этот раз при выбросе уровень выходного сигнала был выше отметки 0 дБ (рисунок 7). Если у элементов звукового тракта, идущих за компрессором, произойдет перегрузка, это вызовет искажения звука на выходе из системы. То есть, если компрессор находится вначале цепи дополнительной обработки (например, шумоподавления), этот выброс вызовет ошибки и искажения в работе других устройств. Получается, что для такого компрессора (с постоянной степенью 2:1) размер выброса не играет роли — любой выброс, не зависимо от величины, будет опасен. Поэтому каждое резкое увеличение сигнала требует уменьшения его уровня в два раза.

Определение величины выброса будет полезным при работе с компрессором, который имеет более сложную передаточную кривую. Примером может послужить прибор, передаточная кривая которого изображена на рисунке 8. При входном сигнале с уровнем выше -20 дБ наклон его передаточной кривой равен 1. В этой области динамического диапазона компрессор не осуществляет усиления, а передает прямой сигнал. Ниже -20 дБ наклон его передаточной кривой равен 1/2 и, следовательно, степень компрессии составляет 2:1. Кстати, несмотря на то, что сигнал, уровень которого выше -20 дБ, не компрессируется, этот прибор, тем не менее, остается компрессором, ведь, в среднем, уклон его передаточной кривой меньше, чем 1.

Итак, при изменении входного сигнала с -30 до -20 дБ или с -10 до 0 дБ (то есть на 10 дБ в обоих случаях) выбросы сигнала будут составлять соответственно -10 дБ и 0 дБ. Получается, что при усилении высокоуровневых сигналов выбросов не происходит. Повышение уровня тихих сигналов вызывает выброс, однако он не влечет за собой перегрузку следующих аппаратов тракта, так как не достигает слишком высокого значения. Таким образом, после обработки сигнала таким компрессором, остается возможность для последующего экспандирования без искажения и появления ошибок.

Билинейные характеристики компрессора

На рисунке 8 изображена передаточная кривая компрессора, которая на сигналах высокого уровня является прямой линией с наклоном, равным 1. Когда сигнал находится в данной области динамического диапазона, характеристики прибора линейны. Это означает, что в его выходном сигнале нет никаких новых составляющих (лишних гармоник, интермодуляции и т. д.), которых не было во входном. Кроме того, при резком повышении уровня сигналов в этой области динамического диапазона компрессор с такой передаточной кривой не создает выбросов сигнала.

Рис. 9. Выбросы происходят только для сигналов с уровенем больше -40 дБ, но меньше -20 дБ. При уровне входного сигнала меньше -40 дБ выбросов не будет

Рис. 10. Передаточная кривая компрессора с билинейными характеристиками

Напомним, одно из свойств идеальной системы шумоподавления заключается в том, что компрессор должен усиливать низкоуровневый сигнал (который почти не оказывают маскирующего действия на шум) с постоянной степенью. Задача экспандера, находящегося в тракте после компрессора, — расширить динамический диапазон записи, понизив уровень тихих сигналов (чем тише сигнал, тем сильнее ослабление). Последовательное проведение операций компрессии и экспандирования обеспечит подавление шума. Передаточная кривая компрессора, повышающего уровень тихих сигналов, показана на рисунке 9. На низкоуровневых сигналах она имеет наклон, равный 1 (усиление с фиксированным коэффициентом), но при переходе определенного порогового уровня (к примеру -40 дБ) она превращается в передаточную кривую, соответствующую работе обычного компрессора. Прибор, имеющий такую передаточную кривую, ниже порогового уровня также является линейным.

На рисунках 8 и 9 показана идеальная обработка сигналов соответственно высокого и низкого уровней. Результат объединения этих алгоритмов изображен на рисунке 10. Прибор с такой передаточной кривой имеет так называемые билинейные характеристики, то есть в динамическом диапазоне есть две области, в которых он линеен. Он реально компрессирует сигнал (то есть изменяет его усиление) только в среднем участке динамического диапазона. В результате, этот аппарат производит необходимую компрессию сигнала, но при этом не вызывает выбросов.

На использовании приборов динамической обработки, которые имеют билинейные характеристики, основаны все системы шумоподавления Dolby. При проведении шумоподавления с использованием аппаратов, работающих по другому принципу, неизбежно появится слышимая модуляция шума или выбросы сигналов.

Итак, стремление минимизировать выбросы сигнала, возникающие при работе компрессора, приводит к необходимости вообще предотвратить их появление. Для этого нужно, чтобы компрессор не усиливал и не ослаблял высокоуровневые сигналы, а в нижней части динамического диапазона осуществлял фиксированное усиление. Это позволит предотвратить выбросы на громких сигналах и при этом повысит уровень звука при воспроизведении тихих фрагментов записи.

В первой части статьи говорилось о том, что идеальная система шумоподавления должна быть частотно зависимой, то есть должна работать только в тех областях частотного диапазона, где не происходит маскирования. Отсюда компрессоры с характеристиками, описанными выше, также будут частотно зависимыми. Например, в системах шумоподавления Dolby типа B компрессия с билинейными характеристиками применяется в полной мере в высокочастотной области диапазона, до некоторой степени на средних частотах и не используется вовсе в нижней части спектра.

Журнал “Звукорежиссер”