Компрессия и экспандирование стационарного сигнала

Как было сказано выше, 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).

Передаточные кривые

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». Далее будет показано, что изучение поведения этих кривых при рассмотрении вопросов данной темы имеет очень большое значение [5].

Особенности графиков.

1. 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, т. к. для систем шумоподавления 0 дБ – максимальный уровень сигнала, при котором характер шума не изменяется;

2. Линии на графиках – передаточные кривые – отображают взаимосвязь между уровнями входного и выходного сигналов для различных приборов. Чтобы сделать объяснения более прозрачными, на всех графиках передаточные кривые изображены как прямые и ломаные. Однако в реальных условиях они более плавные, а изменения их наклона происходят не так резко;

3. Все передаточные кривые иллюстрируют соотношение уровней стационарных сигналов.

Итак, любая точка на каждом графике имеет две координаты: уровень выходного и входного сигналов. Например, есть прибор, который с уровнем входного сигнала в –15 дБ дает на выходе –10 дБ. На рис. 8.11 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. 8.11. Линии с наклоном, равным 1, иллюстрируют разные режимы работы

Далее прибор, получая сигнал уровня –30 дБ, на выходе дает –25 дБ. Этому случаю соответствует точка 2 на рис. 8.11. 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 рис. 8.11 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 рис. 8.11). При этом пока игнорируется тот факт, что продление в одном направлении вызовет неизбежную перегрузку, а в другом – усиление шума.

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).

Справедлив ряд обобщений.

1. 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.

2. То, какие функции выполняет устройство (усиление, ослабление или прямая передача сигнала), зависит от положения его передаточной кривой относительно прямой В на рис. 8.11. 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).

3. 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.

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 рис. 8.12 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 линии равен 0).

 

 

 

 

Рис. 8.12. Передаточная кривая для усилителя-лимитера

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 (т. е. 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 рис. 8.13.

 

Рис. 8.13. Передаточные кривые компрессора A и экспандера B

На рис. 8.14 хорошо видна разница между передаточными кривыми компрессора с рис. 8.13 (на рис. 8.14 этому компрессору соответствует кривая D) и усилителя с постоянным коэффициентом усиления (на рис. 8.14 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 (степень компрессора 2:1).

 

 

 

 

Рис. 8.14. Передаточные кривые компрессора D и усилителя с постоянным
коэффициентом усиления E

На рис. 8.15 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 (степень экспандирования 2:1).

 

 

 

Рис. 8.15. Передаточные кривые экспандера F и аттенюатора G

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 (рис. 8.15), 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 (рис. 8.14), имеет степень компрессии 2:1 (а не 1:2 как можно было бы подумать по аналогии с экспандером).

Примеры передаточных кривых сложной формы изображены на
рис. 8.16. Компрессор, передаточной кривой которого является ломаная H, в динамическом диапазоне –20…0 дБ имеет степень компрессии 2:1. Начиная с –20 дБ он усиливает сигнал с постоянным коэффициентом (повышает уровень всех входящих сигналов на 10 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
–40 дБ, обеспечивает постоянное усиление на 20 дБ сигнала в динамическом диапазоне –40…–35 дБ, ограничивает входящий сигнал уровня
–35…–25 дБ и инвертирует выходной уровень относительно входного для сигналов, уровень которых выше, чем –25 дБ.

 

 

 

Рис. 8.16. Передаточные кривые сложной формы