Приборы с двумя маршрутами прохождения сигнала

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 рис. 8.22, а. 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.

 

Рис. 8.22.Система шумоподавления с билинейными характеристиками:
а) компрессор, б) экспандер

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 рис. 8.23 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 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 рис. 8.23: она проходит под углом 45^о на 9,5 дБ выше линии передачи прямого сигнала.

 

 

 

Рис. 8.23. Общее усиление входного сигнала компрессором

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 рис. 8.22, б. На этот раз сигнал во вторичный тракт поступает с выхода, и вместо того, чтобы добавляться к выходному сигналу, он вычитается из входного. При эффективной работе системы шумоподавления условия прохождения сигнала по обходному маршруту компрессора и экспандера должны быть одинаковыми.

8.5.2. Применение систем шумоподавления с двумя маршрутами
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.

Возьмем, к примеру, систему шумоподавления Dolby типа А. Схема ее работы показана на рис. 8.24. 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.

 

 

 

 

 

Рис. 8.24. Передаточные кривые компрессора в системе Dolby A

8.6. Конструкция систем шумоподавления Dolby

8.6.1. Конструкция систем шумоподавления Dolby типа A

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) [5].

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 рис. 8.25 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.

 

 

 

 

Рис. 8.25. Схема работы компрессора в системе Dolby A

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, надо определить 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 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, т. е. в районе конечной точки. При производстве систем шумоподавления проверка кривых компрессии производится на основе именно этого уровня.

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 (т. е. 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 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, намного выше цену.

8.6.2. Конструкция систем шумоподавления Dolby типа В

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.

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. 8.26 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.

 

 

Рис. 8.26. Частотные характеристики экспандера с фиксированной полосой
при усилении входного сигнала

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, т. к. 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.

На рис. 8.27 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 рис. 8.27). Это позволит избежать появления эффекта модуляции шума, а величина шумоподавления на частоте 10 кГц при этом изменится незначительно.

 

 

Рис. 8.27. Частотные характеристики экспандера со скользящей полосой
при усилении входного сигнала

Компрессор в системе шумоподавления имеет обратные характеристики: происходит повышение сигнала на 10 дБ и соответствующее смещение полосы (рис. 8.28). 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.

 

 

Рис. 8.28. Частотные характеристики компрессора со скользящей полосой

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 рис. 8.28 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 рис. 8.29. Она показывает, что прибор имеет билинейные характеристики.

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. 8.29. Передаточная кривая компрессора на частоте 5 кГц

 

 

Рис. 8.30. Схема работы компрессора а) и экспандера б) системы Dolby B

8.6.3. Дальнейшие разработки систем шумоподавления Dolby

Итак, на смену системам шумоподавления с несколькими фиксированными полосами Dolby типа А пришли системы типа В (и позже типа С), имеющие одну скользящую полосу. Все эти системы эффективно устраняли шум в высокочастотной области на записях, сделанных на аудиокассете. В начале 80-х, взвесив все «за» и «против» для каждого типа систем, Рэй Долби разработал способ объединения всех достоинств каждой системы в новом типе шумоподавителей, который получил название Dolby SR (Spectral Recording – спектральная запись). Системы этого типа появились в 1986 году и были рассчитаны на работу с профессиональными аналоговыми записями.

При описании систем шумоподавления типа SR будет рассмотрена работа устройств только для высокочастотной области диапазона, однако по такому же принципу эта система может работать на низких и средних частотах. Так как речь идет о системах Dolby, подразумевается, что все аппараты имеют два маршрута прохождения сигнала и билинейные характеристики.

Фиксированная полоса

На рис. 8.31, а сплошная линия соответствует частотной характеристике системы шумоподавления с фиксированной полосой в области высоких частот. Для проведения шумоподавления прибор на 10 дБ повышает уровень тех сигналов, которые тише определенного значения (ниже сплошной линии на рисунке). Когда внутри полосы появляется сильный по уровню сигнал, устройство снижает усиление на 2 дБ. Новую, изменившуюся частотную характеристику изображает пунктирная линия. На рисунке показано, что усиление уменьшается на 2 дБ не только на частоте громкого сигнала, но внутри всей полосы. Следовательно, после экспандирования эффект шумоподавления в высокочастотном диапазоне составляет уже не 10 дБ, а 8 дБ.

Система шумоподавления Dolby типа В на рис. 8.31, б имеет скользящую полосу в области высоких частот. При обработке сигналов, уровень которых находится ниже граничного значения (сплошная линия на рисунке), прибор усиливает звук, как в случае с фиксированной полосой. А при появлении громкого сигнала усиление на частоте этого сигнала уменьшается на 2 дБ. Частотная характеристика, которая при этом получается, изображена в виде пунктирной линии. Из рисунка видно, что усиление на остальных частотах внутри полосы уменьшается с различной степенью. На более низких частотах относительно частоты громкого сигнала усиление уменьшается больше, чем на 2 дБ, в то время как на частотах выше частоты громкого сигнала усиление ослабляется менее чем на 2 дБ. Отсюда экспандер, следующий в тракте после компрессора, обеспечивает шумоподавление со значением меньше 8 дБ ниже частоты громкого сигнала и больше 8 дБ на частотах выше громкого сигнала.

 

 

 

а) Характеристики компрессора с фиксированной полосой

 

 

б) Характеристики компрессора со скользящей полосой

 

 

в) Характеристики компрессора с фиксированной и скользящей полосой

Рис. 8.31. Типы характеристик компрессоров

Скользящая полоса

Таким образом, на частотах выше громкого сигнала прибор, имеющий скользящую полосу, работает эффективнее, чем аппарат с фиксированной полосой. А в области частотного диапазона, находящейся ниже высокоуровневого сигнала, наоборот, предпочтительнее прибор с фиксированной полосой.