Системи шумозаглушення. Частина 3.1

Мал. 1. Передавальний крива компресора з білінійну характеристиками

Мал. 2. а) компресор з двома маршрутами проходження сигналу б) експандер з двома маршрутами проходження сигналу

Мал. 3. Загальна посилення вхідного сигналу компресором обчислюється шляхом додавання посилення в головному і обхідному маршрутах

У висновку попередньої частини статті було зроблено висновок, що для побудови ефективної системи шумозаглушення компресор повинен мати Білінійні характеристики. Передавальний крива такого компресора схематично зображено на малюнку 1. Розглянемо можливості реалізації цього принципу на практиці.

Прилади з двома маршрутами проходження сигналу

В першу чергу, звернемо увагу на той факт, що при компресії з білінійну характеристиками високорівневі сигнали передаються безпосередньо. З цього випливає, що система шумозаглушення повинна мати тракт, по якому звук у всьому динамічному діапазоні буде проходити без змін. Цей так званий «головний маршрут» показаний на схемі, зображеної на малюнку 2а. Але щоб необхідна компресія сигналу в інших частинах динамічного діапазону була проведена, паралельно з головним маршрутом повинен проходити обхідний маршрут. Саме в ньому будуть присутні компресор або лимитер. Причому конструкція повинна бути такою, щоб для гучних сигналів на виході системи шумозаглушення сигнал з обхідного маршруту був значно слабкіше в порівнянні з сигналом головного маршруту і, отже, домінуючим опинявся сигнал, не схильний до динамічної обробці.

Якщо максимальне значення посилення, яке виробляється компресором, у всьому динамічному діапазоні визначено, то відомо і найбільше значення посилення при роботі зв'язки головного і обхідного маршрутів. Наприклад, на малюнку 3 показана ситуація, коли для сигналів, рівень яких нижче певної межі ( «початкової точки»), звук, що передається по обхідному маршруту, посилюється на 6 дБ. Це відповідає посиленню по напрузі на дві відносні одиниці (іншими словами, підвищення напруги в два рази). Тобто при посиленні рівня вхідного сигналу на одну відносну одиницю рівень сигналу, що проходить по обхідному маршруту, посилюється на дві одиниці, а по головному маршруту - на одну одиницю. У сумі отримуємо, що загальне посилення становить три одиниці. Таким чином, якщо рівень вхідного сигналу нижче відомого порога, загальне посилення по напрузі складе три відносні одиниці (або 9,5 дБ). Лінія, що відповідає цьому посилення, показана на малюнку 3: вона проходить під кутом 45о на 9,5 дБ вище лінії передачі прямого сигналу.

Як тільки рівень сигналу досягає початкової точки, посилення в обхідному тракті падає в міру зростання рівня вхідного сигналу. Покладемо, в точці А посилення в обхідному тракті зменшилася з 2 до 1, тоді загальне посилення в цій точці складе дві одиниці (одиниця в головному тракті плюс одиниця у вторинному тракті) або, іншими словами, 6 дБ. Нехай в точці В посилення у вторинному тракті опустилося до 1/10, тоді загальне посилення в цій точці складе 1 + 1/10 = 1,1 (або 0,8 дБ). Тобто високорівневі сигнали будуть передаватися майже без посилення, що і було потрібно.

Легко зрозуміти, як буде працювати експандер, відповідний компресора з двома маршрутами проходження сигналу. Схема роботи цього експандера показана на малюнку 2б. На цей раз сигнал у вторинний тракт надходить з виходу, і замість того, щоб додаватися до вихідному сигналу, він віднімається з вхідного. Відзначимо, що при ефективній роботі системи шумозаглушення умови проходження сигналу по обхідному маршруту компресора і експандера повинні бути однаковими.

Далі в цій статті, якщо розмова буде йти про компресори, конструкцію відповідного експандера завжди можна зрозуміти, уявивши собі операцію, зворотну тій, яку здійснює компресор. Звідси, які б умови не накладалися на роботу компресора, відповідні корективи повинні бути внесені і в роботу експандера.

Застосування систем шумозаглушення, що мають два маршрути проходження сигналу

Якщо для будь-якого вхідного сигналу в усьому динамічному діапазоні відомий рівень його посилення в обхідному тракті, можна обчислити підсумкові характеристики компресії. І назад, якщо відомо, які характеристики компресора потрібно отримати, нескладно зрозуміти, як на сигнал повинен впливати обхідний маршрут. При цьому точна форма кривої компресії у всіх областях динамічного діапазону не важлива. Головне, щоб необхідний рівень посилення мав місце нижче стартової точки і після кінцевої точки.

Мал. 4. Передавальні криві компресора в системі Dolby A

Візьмемо, наприклад, систему шумозаглушення Dolby типу А. Схема її роботи показана на малюнку 4. У тій області динамічного діапазону, яка розташована над самим кордоном низькорівневих сигналів, компресор в обхідний маршрут цієї системи працює швидше як лимитер. А для більш гучних звуків він починає інвертувати сигнал по рівню (будь-яке посилення вхідного сигналу викликає таке ж за значенням ослаблення вихідного сигналу). Результуюча характеристика компресора має точно визначену стартову точку, але кінцевої порогової точки у нього немає. Головне, що, починаючи приблизно з 20 дБ, посилення не відбувається (воно одиничне), і на малюнку добре видно, що в результаті компресор має Білінійні характеристики.

Одна з переваг системи шумозаглушення з двома маршрутами проходження сигналу полягає в тому, що максимальний вольтаж на виході обхідного маршруту компресора може лише незначно перевищувати максимальний вольтаж на виході або вході всього приладу. Це дозволяє використовувати при створенні апарату прості і відповідно недорогі компоненти. Таке гідність було особливо актуально в 1965 році, коли з'явилися перші Шумоподавлювачі типу А. Застосовуючи сучасні інтегральні схеми, можна отримати передавальні криві будь-яких необхідних форм. Але навіть сьогодні зі схемами типу Dolby SR, в яких в обхідний маршрут задіяно до десяти «компресорів», використання ще й VCA значно підвищує вартість усього пристрою.

Повторення накопичених теоретичних знань

Перед тим як почати більш детальну розповідь про конструкцію конкретних систем шумозаглушення, незайвим буде згадати, про що говорилося в попередніх частинах статті.

Найбільш проста система шумозаглушення є звичайним компандер з фіксованою ступенем компресії 2: 1. Поведінка цього пристрою не залежить від рівня сигналу. Такі системи з'явилися ще в 30-х роках минулого століття. Вони застосовувалися в телефонного зв'язку, де побічні ефекти (такі як модуляція шуму, перехідні спотворення) майже не впливають на розбірливість інформації.

Як було сказано в першій частині статті, під час роботи широкосмугових компандер зміни рівня звуку відбуваються в усьому спектрі незалежно від частоти. Таким чином, при посиленні сигналу експандером на x дБ, на ті ж x дБ збільшиться рівень шуму у всьому діапазоні. В результаті такої зміни модуляція шуму буде неминучою. Найбільш часто зустрічається ситуація, коли основний сигнал зосереджений в нижній частині спектра, і модуляція шуму добре чутна на високочастотних сигналах.

Щоб вирішити цю проблему, в більшості компандер виробляються посилення високих частот і додаткова еквалізація в контрольному тракті. Такий метод дійсно дозволяє знизити яку було чути модуляцію шуму при відтворенні низькочастотних сигналів, проте в цьому випадку під час відтворення гучних високочастотних сигналів добре помітною стає модуляція шуму в області низьких частот.

Компресори з постійним для всього динамічного діапазону нахилом кривої мають ще один серйозний недолік: під час їх роботи при різкому посиленні рівня сигналу відбувається викид. Такі викиди можуть спричинити за собою перехідні спотворення і помилки в роботі експандера.

Зате системи з передавальної кривої постійного нахилу мають і істотне гідність: вони не вимагають «калібрування», тобто налаштування рівня вхідного сигналу експандера таким чином, щоб він відповідав рівню вихідного сигналу компресора. До речі, вірно і зворотне твердження: якщо система не вимагає калібрування, вона неодмінно має передавальну криву з постійним нахилом і, отже, обов'язково буде породжувати викиди при відтворенні голосних сигналів.

Конструкція систем шумозаглушення Dolby типу А

Щоб уникнути появи ефекту модуляції шуму, система шумозаглушення повинна працювати тільки в тих областях частотного діапазону, де не відбувається маскування. Dolby A була першою системою, побудованої за цим принципом (1965 рік).

Мал. 5. Схема роботи компресора в системі Dolby A

В системі шумозаглушення типу А весь спектр частот розділений на чотири смуги. У кожній з них прилад проводить незалежну білінійну динамічну обробку сигналу. При цьому використовується система з двома маршрутами проходження сигналу. На діаграмі на рисунку 5 показана схема роботи компресора, що входить до складу системи типу A. Відповідний цьому компресора експандер може бути легко отриманий шляхом інвертування роботи обхідного маршруту, як це було описано вище.

Для цієї системи загальне посилення / ослаблення низькорівневих сигналів в кожній смузі фіксоване і дорівнює 10 дБ. Іншими словами, рівень шумозаглушення складає 10 дБ. Якщо рівень сигналу в будь-якої смузі знаходиться вище певної межі (стартової точки), прилад виробляє придушення шуму в цій смузі. При цьому сигнал і посилюється шум знаходяться приблизно на одній частоті, тому шум маскується гучним сигналом. Дуже важливо, що шумозаглушення в одній смузі незалежно від сигналу в інших смугах, а це фактично є визначенням системи шумозаглушення, що не викликає чутний ефект модуляції шуму. Нарешті, через те, що компресія білінійну, сигнали в межах верхніх 20 дБ динамічного діапазону майже не посилюються, а значить, можуть відбутися лише незначні викиди гучних сигналів.

калібрування

Складність, пов'язана з використанням пристроїв з білінійну характеристиками компресії, полягає в тому, що такі прилади вимагають проведення налаштування пристрою таким чином, щоб криві компресії і експандуванні були узгоджені між собою. Щоб полегшити процедуру калібрування, визначимо так званий рівень Dolby - контрольну точку на передавальної кривої. У компресорі, який входить до складу системи шумозаглушення типу А, спеціальний тон-генератор на референсном рівні видає частотно модульований тон (так званий тон Dolby). Після цього рівень вхідного сигналу для експандера налаштовується так, щоб індикатор рівня показав, що згенерований тон Dolby знаходиться точно на потрібному рівні.

Контрольна точка може бути в будь-якій області кривої компресії. Наприклад, можна вибрати рівень, на якому компресор здійснює посилення на 6 дБ (а експандер, відповідно, послаблює сигнал на 6 дБ). Однак це відносно низький рівень, і вимірювач (VU або PPM) буде погано його розпізнавати. Тому зазвичай в якості контрольного вибирають рівень, який знаходиться поруч з місцем, починаючи з якого посилення / ослаблення сигналу стає зовсім невеликим, тобто в районі кінцевої точки. При виробництві систем шумозаглушення перевірка кривих компресії виробляється на основі саме цього рівня.

До речі, так як загальне (сумарне) посилення високорівневих сигналів є одиничним, при використанні систем шумозаглушення типу А посилення високих частот і проведення додаткової еквалізациі в контрольному тракті не потрібно. Крім того, на відміну від систем, що мають передавальний криву з постійним нахилом, для систем типу А ступінь шумозаглушення (10 дБ) визначається формою білінійних характеристик компресії (тобто наскільки далеко початкова і кінцева точки розташовані один від одного), а не рівнем сигналу, надходять на вхід системи шумозаглушення, і не становищем референсного рівня Dolby відповідно до рівня сигналу. Це означає, що ефект шумозаглушення у систем типу А не залежить від рівня звуку в програмі в цілому.

Але чому для системи шумозаглушення було вибрано фіксоване значення 10 дБ, а не 15 або 20 дБ? Справа в тому, що значення 10 дБ дозволяє здійснювати шумозаглушення без чутних побічних ефектів і при цьому не надто ускладнювати конструкцію приладу, зберігаючи доступну ціну. Крім того, цього значення достатньо, щоб значно знизити рівень шуму на стереозаписи зі швидкістю 38 см / с. Щоб система такого типу здійснювала більш якісне шумозаглушення і була так само добре захищена від небажаних побічних ефектів, вона повинна мати значно більше смуг і, як результат, на багато вище ціну.

Необхідність створення систем шумозаглушення інших типів

Використання систем шумозаглушення типу А давало дуже серйозне поліпшення якості звуку на касеті, однак застосування цієї системи робило записи більш дорогими. Простий підрахунок показував, що створений на основі застосовувалися тоді активних елементів прилад повинен мати тільки одну смугу, будь-яке збільшення смуг спричинило б за собою значне підвищення вартості апарату.

Шум на касеті особливо добре помітний в області високих частот. Тому, в першу чергу, був зроблений експеримент, що був у цьому, щоб з усіх смуг шумоподавителя використовувати тільки високочастотну. В результаті система, що має смугу частот майже як у системи типу А (вище 3,3 кГц), працювала без чутних побічних ефектів, але ступінь шумозаглушення була дуже низькою. Якщо смугу робили ширше (наприклад, від 1 кГц і вище), процес шумозаглушення був ефективнішим, але з'являлася модуляція шуму: сигнал в такій широкій смузі не завжди маскував зміни шуму. Фактично, при розширенні смуги система починала вести себе як широкосмуговий компандер.

Односмугова система шумозаглушення: ранні експерименти

При використанні системи шумозаглушення, що має одну фіксовану смугу, наприклад від 3 кГц і вище, сигнали нижче 3 кгц не модулюють шум на більш високій частоті. Крім того, коли сигнали з частотою більше 3 кГц за рівнем знаходяться вище низкоуровневого порога (стартової точки), впливають на шум в смузі вище 3 кГц, вони при цьому маскують шум. В результаті відбувається ефективне шумозаглушення на високих частотах без появи побічних ефектів (модуляції шуму). Однак при відсутності звуку на записи і під час відтворення тихих сигналів шум добре чути в області від 1 до 3 кГц.

Спроба розширити смугу до 1 кГц призведе до значного підвищення ступеня шумозаглушення при наявності низькорівневих сигналів. Однак смуга стане занадто широкою, а це призведе до того, що сигнали в районі частоти 1 кГц, що знаходиться при цьому за рівнем вище верхньої межі (кінцевої точки), маскують не весь високочастотний шум. Виходить, що в області високих частот знову з'являється модуляція шуму. Особливо добре ефект модуляції помітний в інтервалі від 6 до 8 кГц.

Мал. 6. Частотні характеристики експандера з фіксованою смугою при посиленні вхідного сигналу

Малюнок 6 ілюструє поведінку експандера, що здійснює шумозаглушення величиною 10 дБ при смузі від 1 кГц і вище. На вході подається синусоїдальний сигнал в широкому динамічному діапазоні. Очевидно, що ослаблення сигналу, яке виробляє експандер на частоті 10 кГц, залежить від рівня синусоїдального сигналу. Якщо синусоїдальний сигнал знаходиться на частоті 1 кГц, він майже не маскує сигнал на 10 кГц, що призводить до появи модуляції шуму. Таким чином, питання полягає в тому, щоб зрозуміти, як можна забезпечити придушення шуму в смузі від 1 кГц і вище і уникнути при цьому ситуації, коли сигнали нижній частині цієї смуги модулюють шум у верхній частині діапазону.

Шумозаглушення з ковзної смугою

Відповідь на поставлене запитання таїться в тих експериментах, які були описані вище. Дійсно, смуга частот, що починалася з 1 кГц, була цілком придатною до тих пір, поки сигнали вище певної межі не були присутні в області частот навколо 1 кГц. При появі в цій області гучних сигналів, прилад працював більш ефективно з смугою від 3 кГц і вище (апарат більше не здійснював шумозаглушення на частоті 1 кГц, але цього більше й не було потрібно, так як шум в цій області повністю маскувався гучним сигналом).

Виходить, що система шумозаглушення з однією смугою може працювати ефективно, але тільки в тому випадку, якщо ширина цієї смуги може змінюватися в залежності від змін спектра сигналу. З тихими сигналами ця смуга буде здійснювати ефективне шумозаглушення при ширині від 1 кГц і вище. Але при появі в районі частоти 1 кГц сигналів, рівень яких знаходиться вище порогового значення, спеціальний фільтр повинен зрушити смугу так, щоб гучні сигнали виявилися за її межами.

Мал. 7. Частотні характеристики експандера з ковзаючою смугою при посиленні вхідного сигналу

Мал. 8. Частотні характеристики компресора з ковзаючою смугою

Мал. 9. Передавальна крива компресора на частоті 5 кГц

На малюнку 7 зображено сімейство частотних характеристик для так званої ковзної смуги експандера. Це сімейство складається з кривих (що мають, по суті, однакову форму і висоту, в даному випадку 10 дБ), які можуть рухатися (ковзати) уздовж частотної осі. Очевидно, прилад з такими характеристиками забезпечить високочастотне шумозаглушення: розширюючи або звужуючи в залежності від сигналу смугу частот, він автоматично визначає в різні моменти часу, яку криву з сімейства слід використовувати.

При наявності високорівневих сигналів керуюча схема переміщує фільтр таким чином, щоб ці сигнали виявилися в зоні передачі прямого сигналу, де не проводиться ослаблення сигналу (або відбувається мінімальне його ослаблення). Звичайно, в цій області не відбувається шумозаглушення, але воно там і не потрібно, адже високорівневі сигнали маскують шум. Щоб забезпечити проходження гучного сигналу з частотою 1 кГц, смуга повинна пересунутися таким чином, щоб цей сигнал не потрапив в неї (третя крива на малюнку 7). Це дозволить уникнути появи ефекту модуляції шуму, а величина шумозаглушення на частоті 10 кГц при цьому зміниться незначно.

Компресор в системі шумозаглушення має зворотні характеристики: відбувається підвищення сигналу на 10 дБ і відповідне зміщення смуги (рисунок 8). Гучний сигнал, що надходить на вхід компресора, викликає зсув смуги в такий стан, при якому посилення цієї гучної сигналу мінімально або взагалі відсутня. Це запобігає надмірне посилення сигналу і, отже, захищає наступні апарати тракту від перевантаження.

Можна заперечити, що описаний вище процес не є компресією або експандуванні, а являє собою лише пре- або постемфазіс. Розглянемо поведінку компресора при посиленні сигналу на частоті 5 кГц. Не будемо при цьому звертати увагу на посилення інших частот. Частота 5 кГц зображена на малюнку 8 у вигляді пунктирною лінії. Вхідний сигнал, рівень якого знаходиться нижче порогового значення, підвищується на 10 дБ. При появі сигналів вище певної межі фільтр зміщується вправо по частотної осі і величина посилення сигналу на частоті 5 кГц поступово зменшується. Коли фільтр змістився досить сильно, посилення на частоті 5 кГц зменшується до одиничного, і апарат починає передавати прямий сигнал. Передавальний крива, що ілюструє роботу такого пристрою, показана на малюнку 9. Вона показує, що прилад має Білінійні характеристики.

Поява системи придушення Dolby типу В

За принципом, описаним вище, працюють системи шумозаглушення Dolby типу В. Такі прилади мають ковзаючу смугу і забезпечують шумопоглинання на 10 дБ в діапазоні від 1 кГц і вище. Крім того, ці прилади, як і інші системи шумозаглушення Dolby, мають двухтрактовую структуру.

Мал. 10. Схема роботи компресора і експандера системи Dolby B

Можна припустити, що ковзання межі смуги уздовж частотної осі зажадає зміни положення двох частот (відповідних початковій і кінцевій точках), на яких відбувається фільтрація, і, отже, двох VCA (підсилювачів, керованих напругою). Однак, як показано на малюнку 10, змінні НЧ-фільтри розташовані в обхідному тракті, сигнал якого, як і в випадку з системами типу А, додається до сигналу головного тракту. Загальна частотна характеристика, по суті, являє собою криву постійної форми і висоти. Нижня гранична точка цієї кривої відповідає частоті, яку визначає змінний НЧ-фільтр. Друга гранична точка знаходиться нижче верхньої на певну для даного приладу величину. Таким чином, необхідний тільки один керований напругою підсилювач. До появи економічних інтегральних схем в ролі VCA виступав польовий транзистор, який використовується в якості керованого напругою резистора.