Системи шумозаглушення. Частина 2

Компресія і експондірованіе стаціонарного сигналу

Як було сказано в попередній частині статті, щоб система шумозаглушення ефективно усувала шум без чутних побічних ефектів, вона повинна працювати тільки в тих областях частотного діапазону, де немає гучних сигналів і, отже, не відбувається маскування (іншими словами, вона повинна бути частотно залежної) .

Перед тим, як продовжити вивчення будови і принципу роботи систем шумозаглушення, слід розглянути графіки, які описують роботу приладів, які виробляють компресію і експандуванні сигналу. Ілюструють ці процеси так звані «передавальні криві». На жаль, їх важливість при створенні систем шумозаглушення часто недооцінюють. Далі буде показано, що вивчення поведінки цих кривих при розгляді питань даної теми має дуже велике значення.

Про графіках в цій статті

Перед тим, як почати розповідь, слід пояснити ряд особливостей графіків, присутніх в статті:

У всіх графіках по горизонтальній осі відкладаються значення рівня вхідного сигналу, а по вертикальній - величина рівня вихідного сигналу приладу. Одиницею виміру в обох випадках є децибел. Відлік ведеться щодо точки 0 дБ, що знаходиться у верхньому правому куті графіка. Ця точка обрана в якості початку відліку, так як для систем шумозаглушення 0 дБ - максимальний рівень сигналу, при якому характер шуму не змінюється;
Лінії на графіках - передавальні криві - відображають взаємозв'язок між рівнями вхідного і вихідного сигналів для різних приладів. Щоб зробити пояснення більш прозорими, на всіх графіках в статті передавальні криві зображені як прямі і ламані. Однак в реальних умовах вони більш плавні, а зміни їх нахилу відбуваються не так різко;
Всі передавальні криві ілюструють співвідношення рівнів стаціонарних сигналів.

передавальні криві

Отже, будь-яка точка на кожному графіку в цій статті має дві координати: рівень вихідного і вхідного сигналів. Розглянемо прилад, який з рівнем вхідного сигналу в -15 дБ дає на виході -10 дБ. На малюнку 1 таке співвідношення сигналів показано в точці 1 (рівень вхідного сигналу -15, вихідного - -10). Різниця між ними становить 5 дБ. Таким чином, в цій точці прилад поводиться як підсилювач, підвищуючи рівень сигналу на 5 дБ.

Мал. 1. Лінії з нахилом, рівним 1, ілюструють такі випадки роботи приладу: А - прилад працює як підсилювач з постійним коефіцієнтом підсилення; В - прилад працює як підсилювач з коефіцієнтом посилення 1 (прямий сигнал); З - прилад працює як атенюатор з постійним коефіцієнтом ослаблення сигналу

Далі прилад, отримуючи сигнал рівня -30 дБ, на виході дає -25 дБ. Цьому випадку відповідає точка 2 на малюнку 1. У цій точці прилад також працює як підсилювач, піднімаючи рівень вхідного сигналу на ті ж 5 дБ.

Припустимо, що пристрій продовжує вести себе таким чином для всіх вхідних сигналів, які перебувають в динамічному діапазоні -30 ... -15 дБ. На малюнку 1 геометричним місцем точок, що відображають співвідношення вхідних і вихідних сигналів під час роботи цього підсилювача, буде відрізок між точками 1 і 2. Саме він і називається передавальної кривої даного апарату для сигналів певного рівня. Якщо для конкретного приладу всередині якоїсь частини динамічного діапазону за зміною рівня вхідного сигналу йдуть деякі, фіксовані для цієї частини діапазону, зміни рівня вихідного сигналу, кажуть, що передавальна крива має нахил, рівний 1.

Нехай прилад для вхідних сигналів будь-якого рівня поводиться як підсилювач з постійним коефіцієнтом посилення (в нашому випадку це 5 дБ), тоді лінію між точками 1 і 2 на графіку можна необмежено продовжити в обох напрямках (лінія А на малюнку 1). Проігноруємо поки той факт, що продовження в одному напрямку викличе неминучу перевантаження, а в іншому - посилення шуму.

Тепер розглянемо підсилювач з коефіцієнтом посилення 1. Для нього рівні вихідного і вхідного сигналів будуть рівні, тому всі точки на відповідній передавальної кривої будуть мати рівні координати по обох осях. На малюнку 1 робота цього підсилювача представлена прямий В. Вона, як і пряма А, має нахил, рівний 1, але на відміну від неї проходить через точку (0, 0).

Зробимо ряд узагальнень:

Прилад, передавальна крива якого є прямий з нахилом, рівним 1, є підсилювачем з постійним коефіцієнтом посилення, підсилювачем з коефіцієнтом посилення 1 (передається прямий сигнал) або працює як атенюатор з постійним коефіцієнтом ослаблення сигналу.
Те, які функції виконує пристрій (посилення, ослаблення або пряма передача сигналу), залежить від положення його передавальної кривої відносно прямої В на малюнку 1. Якщо відповідна даного приладу передавальна крива лежить вище лінії В, це означає, що він працює як підсилювач з постійним коефіцієнтом (лінія А). Якщо передавальна крива пристрою знаходиться на прямій В, прилад не посилює і не послаблює сигнал, а передає його без змін. Нарешті, якщо передавальна крива пристрою розташована під кривою В, процесор працює як атенюатор (лінія С).
Будь-яка точка над лінією В відповідає посиленню сигналу, а під цією лінією - ослаблення. Причому, чим вище / нижче знаходиться точка над / під лінією В, тим сильніше посилення / ослаблення.

зміни нахилу

Мал. 2. Передавальний крива для приладу, який при рівні вхідного сигналу менше -20 дБ працює як підсилювач з постійним коефіцієнтом посилення (відбувається підйом сигналу на 20 дБ). В цьому випадку нахил передавальної кривої дорівнює 1. На вхідних сигналах з рівнем вище -20 дБ прилад працює як лимитер (нахил дорівнює 0)

Мал. 3. Прилад, передавальна крива якого має нахил менше 1, працює як компресор. Пристрій, у якого передавальна крива має нахил більше 1, - як експандер

Мал. 4.1. Компресор, нахил передавальної кривої якого дорівнює 1/2, має ступінь компресії 2: 1

Мал. 4.2. Експандер, нахил передавальної кривої якого дорівнює 2, має ступінь експандуванні 2: 1

Мал. 5. Передавальні криві складної форми

Зрозуміло, не всі прилади працюють тільки як підсилювачі або атенюатори для вхідних сигналів у всьому динамічному діапазоні. Часто передавальна крива одного приладу змінює свій нахил і положення щодо лінії передачі прямого сигналу, що тягне за собою зміну типу пристрою: в одних областях динамічного діапазону апарат працює як підсилювач, в інших - як атенюатор. Однак і в цьому випадку деякі частини кривої все-таки залишаються прямими лініями з нахилом, рівним 1. Це означає, що прилад для вхідних сигналів в певній галузі динамічного діапазону буде посилювати чи послаблювати сигнал з постійним коефіцієнтом. Наприклад, на малюнку 2 показана передавальна крива пристрою, який при рівні вхідного сигналу менше -20 дБ поводиться як підсилювач з постійним коефіцієнтом посилення вхідного сигналу (відбувається посилення сигналу на 20 дБ). При цьому на вхідних сигналах з більш високим рівнем прилад виконує вже функції лимитера: незалежно від того, наскільки сильно збільшується рівень вхідного сигналу, на виході апарат дає сигнал фіксованого рівня.

Нахил більше або менше, ніж 1

Якщо пристрій здійснює посилення з постійним коефіцієнтом або передає прямий сигнал, після зміни рівня вхідного сигналу він змінює рівень вихідного сигналу рівно на строго певний, фіксований для всього діапазону, значення. Під час роботи компресора ситуація дещо змінюється. Дійсно, суть роботи цього приладу динамічної обробки полягає в тому, що, чим вище рівень вхідного сигналу, тим менше апарат його підсилює. Насправді, компресор підсилює сигнал не "на" кілька децибел, а «в» кілька разів. В результаті виходить, що його передавальна крива має нахил менше, ніж 1 (тобто вона проходить під кутом, меншим, ніж 45 ° до горизонтальної осі). Під час роботи експандера спостерігається зворотна ситуація: чим вище рівень вхідного сигналу, тим менше він послаблюється. Через це нахил передавальної кривої експандера стає більше, ніж 1. Обидва випадки проілюстровані на малюнку 3.

На малюнку 4.1 добре видно різницю між передавальними кривими компресора з малюнка 3 (на малюнку 4.1 цього компресора відповідає крива D) і підсилювача з постійним коефіцієнтом посилення (на малюнку 4.1 йому відповідає крива Е). Зауважимо, що у випадку з підсилювачем при зміні рівня вхідного сигналу на 1 дБ, рівень вихідного сигналу також збільшується на 1 дБ.

А щоб сигнал на виході компресора збільшився на 1 дБ, треба, щоб на його вході рівень сигналу зріс на 2 дБ. Тобто передавальна крива цього компресора має нахил 1/2.

На малюнку 4.2 зображені передавальні криві для експандера (лінія F на графіку) і атенюатора з постійним ослабленням сигналу (лінія G). Так само як і у випадку з підсилювачем, коли рівень вхідного сигналу для атенюатора змінюється на 1 дБ, рівень вихідного сигналу також змінюється на 1 дБ. Але щоб рівень вихідного сигналу експандера зріс на 2 дБ, треба, щоб рівень його вхідного сигналу збільшився на 1 дБ. Виходить, що передавальна крива експандера має нахил 2.

При розгляді роботи приладів динамічної обробки сигналу зазвичай говорять про відповідні їм ступенях компресії або експандуванні (Ratio). Під час розширення динамічного діапазону сигналу ступінь експандуванні в кожній окремій точці відповідає величині нахилу передавальної кривої в цій точці (ступінь показує, наскільки змінюється рівень вихідного сигналу при зміні рівня вхідного сигналу на 1 дБ). Таким чином, для експандера, передавальна крива якого лежить на лінії F (рисунок 4.2), ступінь експандуванні становить 2: 1.

Ступінь компресії є зворотною величиною для значення нахилу передавальної кривої. Виходить, що компресор, передавальна крива якого лежить на кривій D (малюнок 4.1), має ступінь компресії 2: 1 (а не 1: 2 як можна було б подумати по аналогії з експандером).

Передавальні криві складної форми

Приклади передавальних кривих складної форми зображені на малюнку 5. Компресор, передавальної кривої якого є ламана H, в динамічному діапазоні -25 ... 0 дБ має ступінь компресії 2: 1. Починаючи з -25 дБ він підсилює сигнал з постійним коефіцієнтом (підвищує рівень всіх вхідних сигналів на 12,5 дБ). Крива I є передавальної кривої експандера, що виконує дії, прямо протилежні компресора H. Нарешті, крива J відповідає приладу, котрий експандірует (зі ступенем 2: 1) вхідний сигнал з рівнем менше ніж -45 дБ, забезпечує постійне посилення на 20 дБ сигналу в динамічному діапазоні -45 ... -35 дБ, обмежує вхідний сигнал рівня -35 ... -25 дБ і інвертує вихідний рівень щодо вхідного для сигналів, рівень яких вище, ніж -25 дБ.

Компресія і експондірованіе в умовах різкої зміни вхідного сигналу

До цього моменту розглядалися передавальні криві для стаціонарних сигналів. Далі мова піде про поведінку компресора і експандера в ситуації, коли рівень вхідного сигналу різко підвищується, а також про те, як при цих перегонах можна прогнозувати поведінку передавальних кривих.

викиди сигналу

Як вже говорилося в першій частині статті про системи шумозаглушення, компресори породжують так звані викиди при різких скачках рівня вхідного сигналу. Усунути ці викиди шляхом одного лише зменшення часу атаки не вдається, тому що швидка реакція компресора призводить до появи чутних клацань. Виникає питання: як ще можна уникнути викидів сигналу, не отримавши при цьому додаткових призвуків? Щоб відповісти на нього, спочатку спробуємо визначити величину викидів.

Мал. 6. Викид на 5 дБ при раптовому підвищенні сигналу з -20 до -10 дБ (при ступеня компресії 2: 1)

На малюнку 6 зображено передавальні криві компресора (має ступінь компресії 2: 1 у всьому динамічному діапазоні і одиничне посилення в точці 0 дБ), а також підсилювача з коефіцієнтом, рівним 1. Для цього компресора, при фіксованих рівнях вхідного сигналу в 20 дБ і -10 дБ, вихідний сигнал буде складати відповідно -10 дБ і -5 дБ (на графіку це точки А і В).

Тепер розглянемо ситуацію, коли рівень вхідного сигналу раптово підвищується з -20 до -10 дБ. Відомо, що після появи цього стрибка, компресор повинен зменшити різницю між початковим і підвищеним рівнями сигналу з 10 до 5 дБ (тобто в два рази, адже ступінь компресії дорівнює 2: 1). У попередній частині статті говорилося, що прилад не може миттєво придушити підвищився сигнал, для цього йому потрібно якийсь час (так зване час атаки). Виходить, що перед тим, як придушити сигнал, компресор буде посилювати його з певним коефіцієнтом. Цю ситуацію ілюструє пунктирна лінія на малюнку 6: рівень вхідного сигналу різко підвищився до -10 дБ, але прилад все ще продовжує посилювати його на 10 дБ. В результаті вихідний сигнал досягає рівня 0 дБ (точка С). Як вже говорилося, це перевищення рівня щодо бажаного на 5 дБ (бажаний рівень вихідного сигналу - точка В на графіку) буде усунуто тільки через якийсь час, коли компресор повернеться до «нормальної» передавальної кривої. В результаті, відбудеться викид сигналу величиною в 5 дБ. Тобто величина викиду буде дорівнює величині, на яку потрібно зменшити сигнал.

З малюнка 6 зрозуміло, що оцінювати розмір викиду слід шляхом порівняння вихідної і зміненої передавальних кривих. Проведемо цю оцінку для випадку, коли рівень вхідного сигналу змінився з -15 до -6 дБ, як показано на малюнку 7. Судячи з початкової передавальної кривої, рівень на виході, відповідний вхідного сигналу -15 дБ, становить -7,5 дБ (точка D на графіку). Як і на малюнку 6, через цю точку слід провести пунктирну лінію під кутом 45 °. Різниця між рівнями вихідного сигналу в точках E і F (F знаходиться строго над Е) становить 4,5 дБ. Саме таким буде викид сигналу.

Мал. 7. Викид на 4,5 дБ при збільшенні сигналу з -15 до -6 дБ (при ступеня компресії 2: 1)

Мал. 8. Викиди відбуваються тільки для сигналів з рівнем менше -20 дБ. При рівні вхідного сигналу більше, ніж -20 дБ, викинулися буде

Зауважимо, що на цей раз при викиді рівень вихідного сигналу був вище позначки 0 дБ (малюнок 7). Якщо у елементів звукового тракту, що йдуть за компресором, відбудеться перевантаження, це викличе спотворення звуку на виході з системи. Тобто, якщо компресор знаходиться спочатку ланцюга додаткової обробки (наприклад, шумозаглушення), цей викид викличе помилки і спотворення в роботі інших пристроїв. Виходить, що для такого компресора (з постійною ступенем 2: 1) розмір викиду не грає ролі - будь-який викид, не залежно від величини, буде небезпечний. Тому кожне різке збільшення сигналу вимагає зменшення його рівня в два рази.

Визначення величини викиду буде корисним при роботі з компресором, який має більш складну передавальний криву. Прикладом може послужити прилад, передавальний крива якого зображена на малюнку 8. Коли надходить сигнал з рівнем вище -20 дБ нахил його передавальної кривої дорівнює 1. У цій області динамічного діапазону компресор не здійснює посилення, а передає прямий сигнал. Нижче -20 дБ нахил його передавальної кривої дорівнює 1/2 і, отже, ступінь компресії становить 2: 1. До речі, незважаючи на те, що сигнал, рівень якого вище -20 дБ, не компресує, цей прилад, тим не менше, залишається компресором, адже, в середньому, ухил його передавальної кривої менше, ніж 1.

Отже, при зміні вхідного сигналу з -30 до -20 дБ або з -10 до 0 дБ (тобто на 10 дБ в обох випадках) викиди сигналу становитимуть відповідно -10 дБ і 0 дБ. Виходить, що при посиленні високорівневих сигналів викидів не відбувається. Підвищення рівня тихих сигналів викликає викид, проте він не тягне за собою перевантаження наступних апаратів тракту, так як не досягає занадто високого значення. Таким чином, після обробки сигналу таким компресором, залишається можливість для подальшого експандуванні без спотворення і появи помилок.

Білінійні характеристики компресора

На малюнку 8 зображена передавальна крива компресора, яка на сигналах високого рівня є прямою лінією з нахилом, рівним 1. При подачі вхідного сигналу знаходиться в даній області динамічного діапазону, характеристики приладу лінійні. Це означає, що в його вихідному сигналі немає ніяких нових складових (зайвих гармонік, інтермодуляції і т. Д.), Яких не було у вхідному. Крім того, при різкому підвищенні рівня сигналів в цій області динамічного діапазону компресор з такою передавальної кривої не створює викидів сигналу.

Мал. 9. Викиди відбуваються тільки для сигналів з уровенем більше -40 дБ, але менше -20 дБ. При рівні вхідного сигналу менше -40 дБ викидів НЕ буде

Мал. 10. Передавальний крива компресора з білінійну характеристиками

Нагадаємо, одна з властивостей ідеальної системи шумозаглушення полягає в тому, що компресор повинен посилювати низькорівневий сигнал (який майже не роблять маскує дії на шум) з постійною ступенем. Завдання експандера, що знаходиться в тракті після компресора, - розширити динамічний діапазон запису, знизивши рівень тихих сигналів (чим тихіше сигнал, тим сильніше ослаблення). Послідовне проведення операцій компресії і експандуванні забезпечить придушення шуму. Передавальний крива компресора, підвищує рівень тихих сигналів, показана на малюнку 9. На низькорівневих сигналах вона має нахил, рівний 1 (посилення з фіксованим коефіцієнтом), але при переході певного порогового рівня (наприклад -40 дБ) вона перетворюється в передавальний криву, відповідну роботі звичайного компресора. Прилад, що має таку передавальний криву, нижче порогового рівня також є лінійним.

На малюнках 8 і 9 показана ідеальна обробка сигналів відповідно високого і низького рівнів. Результат об'єднання цих алгоритмів зображений на малюнку 10. Прилад з такою передавальної кривої має так звані Білінійні характеристики, тобто в динамічному діапазоні є дві області, в яких він лине. Він реально компресують сигнал (тобто змінює його посилення) тільки в середній ділянці динамічного діапазону. В результаті, цей апарат виробляє необхідну компресію сигналу, але при цьому не викликає викидів.

На використанні приладів динамічної обробки, які мають Білінійні характеристики, засновані всі системи шумозаглушення Dolby. При проведенні шумозаглушення з використанням апаратів, які працюють за іншим принципом, неминуче з'явиться чутна модуляція шуму або викиди сигналів.

Отже, прагнення мінімізувати викиди сигналу, що виникають при роботі компресора, призводить до необхідності взагалі запобігти їх появі. Для цього потрібно, щоб компресор не посилював і не послаблював високорівневі сигнали, а в нижній частині динамічного діапазону здійснював фіксоване посилення. Це дозволить запобігти викидам на гучних сигналах і при цьому підвищить рівень звуку при відтворенні тихих фрагментів запису.

У першій частині статті говорилося про те, що ідеальна система шумозаглушення повинна бути частотно залежної, тобто повинна працювати тільки в тих областях частотного діапазону, де не відбувається маскування. Звідси компресори з характеристиками, описаними вище, також будуть частотно залежними. Наприклад, в системах шумозаглушення Dolby типу B компресія з білінійну характеристиками застосовується в повній мірі в високочастотної області діапазону, до деякої міри на середніх частотах і не використовується зовсім в нижній частині спектра.

Журнал "Звукорежисер"