Системы шумоподавления. Часть 3.1

Рис. 1. Передаточная кривая компрессора с билинейными характеристиками

Рис. 2. а) компрессор с двумя маршрутами прохождения сигнала б) экспандер с двумя маршрутами прохождения сигнала

Рис. 3. Общее усиление входного сигнала компрессором вычисляется путем сложения усиления в главном и обходном маршрутах

В заключении предыдущей части статьи был сделан вывод, что для построения эффективной системы шумоподавления компрессор должен иметь билинейные характеристики. Передаточная кривая такого компрессора схематично изображена на рисунке 1. Рассмотрим возможности реализации этого принципа на практике.

Приборы с двумя маршрутами прохождения сигнала

В первую очередь, обратим внимание на тот факт, что при компрессии с билинейными характеристиками высокоуровневые сигналы передаются напрямую. Из этого следует, что система шумоподавления должна иметь тракт, по которому звук во всем динамическом диапазоне будет проходить без изменений. Этот так называемый «главный маршрут» показан на схеме, изображенной на рисунке 2а. Но чтобы необходимая компрессия сигнала в других частях динамического диапазона была проведена, параллельно с главным маршрутом должен проходить обходной маршрут. Именно в нем будут присутствовать компрессор или лимитер. Причем конструкция должна быть такой, чтобы для громких сигналов на выходе системы шумоподавления сигнал с обходного маршрута был значительно слабее по сравнению с сигналом главного маршрута и, следовательно, доминирующим оказывался сигнал, не подверженный динамической обработке.

Если максимальное значение усиления, производимое компрессором, во всем динамическом диапазоне определено, то известно и наибольшее значение усиления при работе связки главного и обходного маршрутов. Например, на рисунке 3 показана ситуация, когда для сигналов, уровень которых ниже определенной границы («начальной точки»), звук, передающийся по обходному маршруту, усиливается на 6 дБ. Это соответствует усилению по напряжению на две относительные единицы (другими словами, повышению напряжения в два раза). То есть при усилении уровня входного сигнала на одну относительную единицу уровень сигнала, проходящего по обходному маршруту, усиливается на две единицы, а по главному маршруту — на одну единицу. В сумме получаем, что общее усиление составляет три единицы. Таким образом, если уровень входного сигнала ниже известного порога, общее усиление по напряжению составит три относительные единицы (или 9,5 дБ). Линия, соответствующая этому усилению, показана на рисунке 3: она проходит под углом 45о на 9,5 дБ выше линии передачи прямого сигнала.

Как только уровень сигнала достигает начальной точки, усиление в обходном тракте падает по мере возрастания уровня входного сигнала. Положим, в точке А усиление в обходном тракте уменьшилось с 2 до 1, тогда общее усиление в этой точке составит две единицы (единица в главном тракте плюс единица во вторичном тракте) или, другими словами, 6 дБ. Пусть в точке В усиление во вторичном тракте опустилось до 1/10, тогда общее усиление в этой точке составит 1 + 1/10 = 1,1 (или 0,8 дБ). То есть высокоуровневые сигналы будут передаваться почти без усиления, что и требовалось.

Легко понять, как будет работать экспандер, соответствующий компрессору с двумя маршрутами прохождения сигнала. Схема работы этого экспандера показана на рисунке 2б. На этот раз сигнал во вторичный тракт поступает с выхода, и вместо того, чтобы добавляться к выходному сигналу, он вычитается из входного. Отметим, что при эффективной работе системы шумоподавления условия прохождения сигнала по обходному маршруту компрессора и экспандера должны быть одинаковыми.

Далее в этой статье, если разговор будет идти о компрессорах, конструкцию соответствующего экспандера всегда можно понять, представив себе операцию, обратную той, которую осуществляет компрессор. Отсюда, какие бы условия не накладывались на работу компрессора, соответствующие коррективы должны быть внесены и в работу экспандера.

Применение систем шумоподавления, имеющих два маршрута прохождения сигнала

Если для любого входного сигнала во всем динамическом диапазоне известен уровень его усиления в обходном тракте, можно вычислить результирующие характеристики компрессии. И обратно, если известно, какие характеристики компрессора нужно получить, несложно понять, как на сигнал должен воздействовать обходной маршрут. При этом точная форма кривой компрессии во всех областях динамического диапазона не важна. Главное, чтобы необходимый уровень усиления имел место ниже стартовой точки и после конечной точки.

Рис. 4. Передаточные кривые компрессора в системе Dolby A

Возьмем, к примеру, систему шумоподавления Dolby типа А. Схема ее работы показана на рисунке 4. В той области динамического диапазона, которая расположена над самой границей низкоуровневых сигналов, компрессор в обходном маршруте этой системы работает скорее как лимитер. А для более громких звуков он начинает инвертировать сигнал по уровню (любое усиление входного сигнала вызывает такое же по значению ослабление выходного сигнала). Результирующая характеристика компрессора имеет точно определенную стартовую точку, но конечной пороговой точки у него нет. Главное, что, начиная примерно с 20 дБ, усиления не происходит (оно единичное), и на рисунке хорошо видно, что в результате компрессор имеет билинейные характеристики.

Одно из достоинств системы шумоподавления с двумя маршрутами прохождения сигнала состоит в том, что максимальный вольтаж на выходе обходного маршрута компрессора может лишь незначительно превосходить максимальный вольтаж на выходе или входе всего прибора. Это позволяет использовать при создании аппарата простые и соответственно недорогие компоненты. Такое достоинство было особенно актуально в 1965 году, когда появились первые шумоподавители типа А. Применяя современные интегральные схемы, можно получить передаточные кривые любых требуемых форм. Но даже сегодня со схемами типа Dolby SR, в которых в обходном маршруте задействовано до десяти «компрессоров», использование еще и VCA значительно повышает стоимость всего устройства.

Повторение накопленных теоретических знаний

Перед тем как начать более детальный рассказ о конструкции конкретных систем шумоподавления, нелишним будет вспомнить, о чем говорилось в предыдущих частях статьи.

Наиболее простая система шумоподавления представляет собой обычный компандер с фиксированной степенью компрессии 2:1. Поведение этого устройства не зависит от уровня сигнала. Такие системы появились еще в 30-х годах прошлого века. Они применялись в телефонной связи, где побочные эффекты (такие как модуляция шума, переходные искажения) почти не влияют на разборчивость информации.

Как было сказано в первой части статьи, во время работы широкополосных компандеров изменения уровня звука происходят во всем спектре независимо от частоты. Таким образом, при усилении сигнала экспандером на x дБ, на те же x дБ увеличится уровень шума во всем диапазоне. В результате такого изменения модуляция шума будет неизбежной. Наиболее часто встречается ситуация, когда основной сигнал сосредоточен в нижней части спектра, и модуляция шума хорошо слышна на высокочастотных сигналах.

Чтобы решить эту проблему, в большинстве компандеров производятся усиление высоких частот и дополнительная эквализация в контрольном тракте. Такой метод действительно позволяет снизить слышимую модуляцию шума при воспроизведении низкочастотных сигналов, однако в этом случае во время воспроизведения громких высокочастотных сигналов хорошо заметной становится модуляция шума в области низких частот.

Компрессоры с постоянным для всего динамического диапазона наклоном кривой имеют еще один серьезный недостаток: во время их работы при резком усилении уровня сигнала происходит выброс. Такие выбросы могут повлечь за собой переходные искажения и ошибки в работе экспандера.

Зато системы с передаточной кривой постоянного наклона имеют и существенное достоинство: они не требуют «калибровки», то есть настройки уровня входного сигнала экспандера таким образом, чтобы он соответствовал уровню выходного сигнала компрессора. Кстати, верно и обратное утверждение: если система не требует калибровки, она непременно имеет передаточную кривую с постоянным наклоном и, следовательно, обязательно будет порождать выбросы при воспроизведении громких сигналов.

Конструкция систем шумоподавления Dolby типа А

Чтобы избежать появления эффекта модуляции шума, система шумоподавления должна работать только в тех областях частотного диапазона, где не происходит маскирования. Dolby A была первой системой, построенной по этому принципу (1965 год).

Рис. 5. Схема работы компрессора в системе Dolby A

В системе шумоподавления типа А весь спектр частот разделен на четыре полосы. В каждой из них прибор проводит независимую билинейную динамическую обработку сигнала. При этом используется система с двумя маршрутами прохождения сигнала. На диаграмме на рисунке 5 показана схема работы компрессора, входящего в состав системы типа A. Соответствующий этому компрессору экспандер может быть легко получен путем инвертирования работы обходного маршрута, как это было описано выше.

Для этой системы общее усиление/ослабление низкоуровневых сигналов в каждой полосе фиксировано и равно 10 дБ. Другими словами, уровень шумоподавления составляет 10 дБ. Если уровень сигнала в какой-либо полосе находится выше определенной границы (стартовой точки), прибор производит подавление шума в этой полосе. При этом сигнал и усиливающийся шум находятся примерно на одной частоте, поэтому шум маскируется громким сигналом. Очень важно, что шумоподавление в одной полосе независимо от сигнала в других полосах, а это фактически является определением системы шумоподавления, не вызывающей слышимый эффект модуляции шума. Наконец, из-за того, что компрессия билинейна, сигналы в пределах верхних 20 дБ динамического диапазона почти не усиливаются, а значит, могут произойти лишь незначительные выбросы громких сигналов.

Калибровка

Сложность, связанная с использованием устройств с билинейными характеристиками компрессии, заключается в том, что такие приборы требуют проведения настройки устройства таким образом, чтобы кривые компрессии и экспандирования были согласованы между собой. Чтобы облегчить процедуру калибровки, определим так называемый уровень Dolby — контрольную точку на передаточной кривой. В компрессоре, который входит в состав системы шумоподавления типа А, специальный тон-генератор на референсном уровне выдает частотно модулируемый тон (так называемый тон Dolby). После этого уровень входного сигнала для экспандера настраивается так, чтобы индикатор уровня показал, что сгенерированный тон Dolby находится точно на нужном уровне.

Контрольная точка может быть в любой области кривой компрессии. К примеру, можно выбрать уровень, на котором компрессор осуществляет усиление на 6 дБ (а экспандер, соответственно, ослабляет сигнал на 6 дБ). Однако это относительно низкий уровень, и измеритель (VU или PPM) будет плохо его распознавать. Поэтому обычно в качестве контрольного выбирают уровень, который находится рядом с местом, начиная с которого усиление/ослабление сигнала становится совсем небольшим, то есть в районе конечной точки. При производстве систем шумоподавления проверка кривых компрессии производится на основе именно этого уровня.

Кстати, так как общее (суммарное) усиление высокоуровневых сигналов является единичным, при использовании систем шумоподавления типа А усиление высоких частот и проведение дополнительной эквализации в контрольном тракте не требуется. Кроме того, в отличие от систем, имеющих передаточную кривую с постоянным наклоном, для систем типа А степень шумоподавления (10 дБ) определяется формой билинейных характеристик компрессии (то есть насколько далеко начальная и конечная точки расположены друг от друга), а не уровнем сигнала, поступающим на вход системы шумоподавления, и не положением референсного уровня Dolby в соответствии с уровнем сигнала. Это означает, что эффект шумоподавления у систем типа А не зависит от уровня звука в программе в целом.

Но почему для системы шумоподавления было выбрано фиксированное значение 10 дБ, а не 15 или 20 дБ? Дело в том, что значение 10 дБ позволяет осуществлять шумоподавления без слышимых побочных эффектов и при этом не слишком усложнять конструкцию прибора, сохраняя доступную цену. Кроме того, этого значения достаточно, чтобы значительно понизить уровень шума на стереозаписи со скоростью 38 см/с. Чтобы система такого типа осуществляла более качественное шумоподавление и была так же хорошо защищена от нежелательных побочных эффектов, она должна иметь значительно больше полос и, как результат, на много выше цену.

Необходимость создания систем шумоподавления других типов

Использование систем шумоподавления типа А давало очень серьезное улучшение качества звука на кассете, однако применение этой системы делало записи более дорогими. Простой подсчет показывал, что созданный на основе применявшихся тогда активных элементов прибор должен иметь только одну полосу, любое увеличение полос повлекло бы за собой значительное повышение стоимости аппарата.

Шум на кассете особенно хорошо различим в области высоких частот. Поэтому, в первую очередь, был сделан эксперимент, состоявший в том, чтобы из всех полос шумоподавителя использовать только высокочастотную. В результате система, имеющая полосу частот почти как у системы типа А (выше 3,3 кГц), работала без слышимых побочных эффектов, но степень шумоподавления была очень низкой. Если полосу делали шире (например, от 1 кГц и выше), процесс шумоподавления был эффективнее, но появлялась модуляция шума: сигнал в такой широкой полосе не всегда маскировал изменения шума. Фактически, при расширении полосы система начинала вести себя как широкополосный компандер.

Однополосная система шумоподавления: ранние эксперименты

При использовании системы шумоподавления, имеющей одну фиксированную полосу, к примеру от 3 кГц и выше, сигналы ниже 3 кГц не модулируют шум на более высокой частоте. Кроме того, когда сигналы с частотой более 3 кГц по уровню находятся выше низкоуровневого порога (стартовой точки), влияют на шум в полосе выше 3 кГц, они при этом маскируют шум. В результате происходит эффективное шумоподавление на высоких частотах без появления побочных эффектов (модуляции шума). Однако при отсутствии звука на записи и во время воспроизведения тихих сигналов шум хорошо слышен в области от 1 до 3 кГц.

Попытка расширить полосу до 1 кГц приведет к значительному повышению степени шумоподавления при наличии низкоуровневых сигналов. Однако полоса станет слишком широкой, а это приведет к тому, что сигналы в районе частоты 1 кГц, находящейся при этом по уровню выше верхней границы (конечной точки), маскируют не весь высокочастотный шум. Получается, что в области высоких частот вновь появляется модуляция шума. Особенно хорошо эффект модуляции заметен в интервале от 6 до 8 кГц.

Рис. 6. Частотные характеристики экспандера с фиксированной полосой при усилении входного сигнала

Рисунок 6 иллюстрирует поведение экспандера, осуществляющего шумоподавление величиной 10 дБ при полосе от 1 кГц и выше. На входе подается синусоидальный сигнал в широком динамическом диапазоне. Очевидно, что ослабление сигнала, которое производит экспандер на частоте 10 кГц, зависит от уровня синусоидального сигнала. Если синусоидальный сигнал находится на частоте 1 кГц, он почти не маскирует сигнал на 10 кГц, что приводит к появлению модуляции шума. Таким образом, вопрос состоит в том, чтобы понять, как можно обеспечить подавление шума в полосе от 1 кГц и выше и избежать при этом ситуации, когда сигналы нижней части этой полосы модулируют шум в верхней части диапазона.

Шумоподавление со скользящей полосой

Ответ на поставленный вопрос таится в тех экспериментах, которые были описаны выше. Действительно, полоса частот, начинавшаяся с 1 кГц, была вполне подходящей до тех пор, пока сигналы выше определенной границы не присутствовали в области частот вокруг 1 кГц. При появлении в этой области громких сигналов, прибор работал более эффективно с полосой от 3 кГц и выше (аппарат больше не осуществлял шумоподавление на частоте 1 кГц, но этого больше и не требовалось, так как шум в этой области полностью маскировался громким сигналом).

Получается, что система шумоподавления с одной полосой может работать эффективно, но только в том случае, если ширина этой полосы может меняться в зависимости от изменений спектра сигнала. С тихими сигналами эта полоса будет осуществлять эффективное шумоподавление при ширине от 1 кГц и выше. Но при появлении в районе частоты 1 кГц сигналов, уровень которых находится выше порогового значения, специальный фильтр должен сдвинуть полосу так, чтобы громкие сигналы оказались за ее пределами.

Рис. 7. Частотные характеристики экспандера со скользящей полосой при усилении входного сигнала

Рис. 8. Частотные характеристики компрессора со скользящей полосой

Рис. 9. Передаточная кривая компрессора на частоте 5 кГц

На рисунке 7 изображено семейство частотных характеристик для так называемой скользящей полосы экспандера. Это семейство состоит из кривых (имеющих, по сути, одинаковую форму и высоту, в данном случае 10 дБ), которые могут двигаться (скользить) вдоль частотной оси. Очевидно, прибор с такими характеристиками обеспечит высокочастотное шумоподавление: расширяя или сужая в зависимости от сигнала полосу частот, он автоматически определяет в разные моменты времени, какую кривую из семейства следует использовать.

При наличии высокоуровневых сигналов управляющая схема перемещает фильтр таким образом, чтобы эти сигналы оказались в зоне передачи прямого сигнала, где не производится ослабление сигнала (или происходит минимальное его ослабление). Конечно, в этой области не происходит шумоподавления, но оно там и не нужно, ведь высокоуровневые сигналы маскируют шум. Чтобы обеспечить прохождение громкого сигнала с частотой 1 кГц, полоса должна передвинуться таким образом, чтобы этот сигнал не попал в нее (третья кривая на рисунке 7). Это позволит избежать появления эффекта модуляции шума, а величина шумоподавления на частоте 10 кГц при этом изменится незначительно.

Компрессор в системе шумоподавления имеет обратные характеристики: происходит повышение сигнала на 10 дБ и соответствующее смещение полосы (рисунок 8). Громкий сигнал, поступающий на вход компрессора, вызывает смещение полосы в такое положение, при котором усиление этого громкого сигнала минимально или вообще отсутствует. Это предотвращает чрезмерное усиление сигнала и, следовательно, защищает последующие аппараты тракта от перегрузки.

Можно возразить, что описанный выше процесс не является компрессией или экспандированием, а представляет собой лишь пре- или постэмфазис. Рассмотрим поведение компрессора при усилении сигнала на частоте 5 кГц. Не будем при этом обращать внимание на усиление других частот. Частота 5 кГц изображена на рисунке 8 в виде пунктирной линии. Входной сигнал, уровень которого находится ниже порогового значения, повышается на 10 дБ. При появлении сигналов выше определенной границы фильтр смещается вправо по частотной оси и величина усиления сигнала на частоте 5 кГц постепенно уменьшается. Когда фильтр сместился довольно сильно, усиление на частоте 5 кГц уменьшается до единичного, и аппарат начинает передавать прямой сигнал. Передаточная кривая, иллюстрирующая работу такого устройства, показана на рисунке 9. Она показывает, что прибор имеет билинейные характеристики.

Появление системы подавления Dolby типа В

По принципу, описанному выше, работают системы шумоподавления Dolby типа В. Такие приборы имеют скользящую полосу и обеспечивают шумоподавление на 10 дБ в диапазоне от 1 кГц и выше. Кроме того, эти приборы, как и прочие системы шумоподавления Dolby, имеют двухтрактовую структуру.

Рис. 10. Схема работы компрессора и экспандера системы Dolby B

Можно предположить, что скольжение границы полосы вдоль частотной оси потребует изменения положения двух частот (соответствующих начальной и конечной точкам), на которых происходит фильтрация, и, следовательно, двух VCA (усилителей, управляемых напряжением). Однако, как показано на рисунке 10, переменные НЧ-фильтры расположены в обходном тракте, сигнал которого, как и в случае с системами типа А, добавляется к сигналу главного тракта. Общая частотная характеристика, по сути, представляет собой кривую постоянной формы и высоты. Нижняя граничная точка этой кривой соответствует частоте, которую определяет переменный НЧ-фильтр. Вторая граничная точка находится ниже верхней на определенную для данного прибора величину. Таким образом, необходим только один управляемый напряжением усилитель. До появления экономичных интегральных схем в роли VCA выступал полевой транзистор, используемый в качестве управляемого напряжением резистора.