Про принципи роботи шумоподавлювачів. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Аудіотехніка

 Коментарі до статті

Питання зниження шумів в апаратах магнітного запису, як і раніше, привертають увагу радіоаматорів та користувачів аудіоапаратури. Цьому сприяє поширення імпортних магнітофонів, забезпечених різними системами шумопонижения.

Недолік інформації частково викликаний тим, що в інструкціях з експлуатації апаратури немає відомостей про особливості реалізації та використання вбудованих систем. В результаті поширюються найрізноманітніші домисли, а проблеми з якістю звуковідтворення залишаються.

Спочатку варто зауважити, що словом "шумоподавлювач" позначають два принципово різних типи систем: один з них призначений дня видалення вже наявного у фонограмі шуму (англійською Denoiser), а інший - для запобігання накопиченню шумів при передачі або запису сигналів (Noise Reductor) . Ця двозначність нерідко породжує плутанину та непорозуміння, тому для позначення систем першого типу у професійному середовищі прийнято користуватися англійським словом – "донойзер", щоб відрізнити їх від систем другого типу. Добре відомими денойзерами є динамічні фільтри (DNL, DNR, HUSH, "Маяк"), принцип дії яких заснований на одночасному зменшенні посилення та сигналу та шуму в окремій частині спектру (зазвичай ВЧ), де корисним сигналом можна знехтувати. Їхня гідність - придатність до роботи з будь-яким джерелом сигналу, а серйозний недолік - неминуча втрата частини інформації.

Тепер денойзер застосовуються в основному для "чистки" старих (або технічно невдалих) записів. У побутовій апаратурі використовуються рідко, зазвичай лише як допоміжний засіб: адже для отримання оптимального результату потрібно ручне або автоматичне підстроювання під конкретну фонограму. Професійний денойзер може бути виконаний як окремий пристрій (аналоговий або цифровий) або як програма для комп'ютера. Як приклад назвемо програмний комплекс NoNoise фірми Sonic Solutions. Уявлення про його роботу ви отримаєте, прослухавши диски The Beatles Live at the BBC.

Найвищий з відомих автору аналогових деноізеров був реалізований фірмою Orban. Цей п'ятисмуговий динамічний фільтр має унікальну здатність аналізу і рівня, і типу сигналу, що запобігає "з'їданню" ревербераційних звуків та негучній високочастотній перкусії. Системи другого типу (Dolby, dbx, High-Corn. Super-D та інших.) обробляють сигнал двічі: перший раз перед записом чи передачею, і другий - прийому чи відтворенні. Тому їх ще називають комплементарними, на відміну від систем першого типу, які отримали умовну назву некомплементарних. Оскільки робота комплементарних систем ґрунтується на застосуванні комбінації з компресора та експандера динамічного діапазону, їх часто називають компандерними або просто компандерами (COMpressor+exPANDER).

Компандери, як правило, забезпечують більше придушення шуму і менше спотворюють музичний сигнал, ніж денойзер. Однак вони висувають певні вимоги до каналу приймання-передачі (або запису-відтворення) і, як наслідок, більш "примхливі" у застосуванні.

Основною, але небезперечною, ідеєю, на якій базуються всі системи шумопониження (СШП), а не лише компандерні. є припущення у тому. що шум погіршує сприйняття лише слабких сигналів, а при сильному сигналі (великій гучності) не чути через ефект маскування слабкого звуку сильнішим.

Якщо слідувати цій логіці, немає потреби, щоб рівень шуму був незмінний як за відсутності, так і за наявності корисного сигналу. Тобто вважається допустимим і непомітним на слух зростання абсолютного рівня шуму у разі зростання рівня сигналу. Це і відкриває шлях до побудови компандерних систем, у яких коефіцієнти передачі обох половин (компресора і експандера) змінюються залежно від рівня сигналу.

Практично це означає, що слабкі сигнали перед подачею в канал передачі (наприклад, на магнітофон) посилюються, а сильний сигнал проходить без змін (або навіть послаблюється). Така операція називається компресією (стисненням) динамічного діапазону. На іншому кінці каналу здійснюється зворотне перетворення, у результаті сигнал приводиться до вихідного діапазону рівнів, а шуми при слабкому сигналі знижуються.

Очевидно, що при реалізації такої системи динамічний діапазон, що вимірюється як відношення максимального сигналу, що пропускається до шуму без сигналу, може істотно перевищувати це ж відношення, виміряне для власне каналу передачі. Зрозуміло, що саме перша цифра (як велика) і фігурує як величина динамічного діапазону в характеристиках СШП.

Однак вона характеризує, швидше, діапазон допустимих рівнів вхідного сигналу, тоді як відношення сигнал/шум у присутності сигналу (тобто миттєве відношення сигнал/шум) визначається переважно характеристиками каналу передачі. Без вжиття додаткових заходів, наприклад, спеціальної частотної корекції, застосування багатосмугових систем або динамічного коректора АЧХ, відношення сигнал/шум у присутності сигналу не може перевищити таке для каналу без шумоподавлювача. Простіше кажучи, якщо шум у каналі прослуховується при максимальному рівні сигналу, виграш від застосування компандування при цьому відсутній. Хоч як це неприємно, саме така ситуація і має місце у більшості випадків. Пов'язана вона з тим, що поширене припущення про те, що будь-який гучний звук робить нечутними (маскує) будь-які слабкі звуки, у тому числі і шуми, в загальному випадку невірно.

Фахівцями з психоакустики (науці про особливості сприйняття звуків людиною) багато десятиліть тому встановлено те що, що явище маскування діє лише у обмеженої області частот, переважно поблизу частоти гучного (маскуючого) сигналу. Найбільш наочно це відображають так звані "криві маскування" (рис. 1, 2), з яких, зокрема, випливає, що в присутності вузькосмугових звуків гучністю до 90...95 фон2, слух людини на ряді частот все ще здатний розрізняти звуки , що знаходяться поблизу порога чутності без маскуючого сигналу. І лише збільшення гучності вище приблизно 95 т призводить до рефлекторного зниження чутливості, що захищає вухо від пошкодження.

Мал. 1. Криві маскування чистого тону вузькосмуговими шумами з центральними частотами 0,25; 1 та 4 кГц

Мал. 2 Криві маскування контрольного тону (залежно від його частоти та рівня) іншим чистим тоном із частотою 1,2 кГц та рівнем звукового тиску 80 дБ. З робіт Ліклайдера (1951), Флетчера (1929), Уегела та Лейна. Червоним кольором зображена частота перешкоди, зеленим – крива маскування. Тон із рівнем нижче цієї кривої не чути. Пробний тон із рівнем і частотою, що потрапляють у заштриховані області, створює биття; якщо цей тон має рівень вище окресленого блакитною штриховою лінією, то буде чути суміш кількох тонів (продуктів інтермодуляції у вухах). При рівні пробного тону в межах від жовтої до блакитної лінії, чути перешкоди, пробний тон та різницевий тон, а якщо рівень лежить у межах від зеленої лінії до жовтої – перешкода і тон різницевої частоти. Зліва від зеленої лінії перешкода та пробний тон чути окремо.

Таким чином, людське вухо має свого роду компресор динамічного діапазону, який дозволяє йому працювати з сигналами в динамічному діапазоні близько 130 дБ, при одночасно сприйманому (миттєвому) динамічному діапазоні близько 90 дБ. Отже, якщо в присутності сигналу шуми та спотворення не перевищують абсолютного порога чутності або - 90 дБ щодо максимального рівня сигналу (з урахуванням нерівномірності чутливості слуху), то ні шуму, ні спотворень не буде чути за будь-яких умов (і сигналів). Однак ці умови не забезпечуються навіть більшістю підсилювачів, не кажучи вже про магнітофони.

Тому реальніший інший підхід: треба вжити заходів до того, щоб при відтворенні різних сигналів спектри шумів і продуктів спотворень системи звукопередачі проходили по можливості нижче кривих маскування цих сигналів. Зокрема, для інтермодуляційних продуктів спотворень це означає, що вкрай небажано утворення різницевих тонів при обробці високочастотних сигналів, як і сумарних тонів від низькочастотних сигналів. У той самий час гармонічні спотворення основних тонів цілком можуть мати рівень -50 дБ залишатися непоміченими.

Що ж до шумів, то характер їхнього сприйняття інший, ніж "організованих" звуків. Здатність людського слуху сприймати шуми залежить від спектру та швидкості зміни корисного сигналу, і допустиме відношення сигнал/шум у присутності сигналу з рівнем 85...95 дБ (щодо порога чутності) становить від 40...45 дБ при швидкозмінному та широкосмуговому корисному сигналі, приблизно до 75...85 дБ для чистих тонів, особливо по краях звукової смуги частот. У середньому воно становить 50...65 дБ.

Виходячи з цього, можна сказати, що в магнітному записі компандерні шумоподавлювачі в більшості випадків працюють "на межі фолу". Навіть при ідеальній узгодженості роботи компресора та експандера, якщо канал запису-відтворення має відношення сигнал/шум у присутності максимального сигналу менше 80 дБ, можливі ситуації, коли шум все-таки буде чути.

Відносний рівень шуму в каналах запису-відтворення аналогових магнітофонів, навіть відсутність сигналу, як правило, не дотягує до -80 дБ. Такі значення, що фігурують в описах деяких побутових магнітофонів (наприклад, Tandberg SE-20), досягнуто за рахунок застосування нестандартної частотної корекції, однак із втратою перевантажувальної здатності на вищих частотах.

Мало того, у присутності сигналу рівень шуму в аналоговому магнітофоні завжди збільшується, становлячи за номінального рівня сигналу величину від -35 до -60 дБ. Цей збільшений шум викликаний присутністю сигналу, і він приблизно пропорційний до рівня сигналу. Тому його й назвали модуляційним шумом.

При записі чистого тону з номінальним рівнем спектр модуляційного шуму на доброякісному магнітофоні складається з двох компонентів: порівняно вузьких бічних смуг, що викликаються паразитною амплітудною та частотною модуляцією записаного сигналу, і широкосмугового шуму, що перевищує рівень шуму паузи на 10...25 дБ частоти сигналу та якості стрічки.

Бічні смуги, якщо тільки їхній сумарний рівень не перевищує -40...-46 дБ, при невеликій їхній ширині (менше 5...8% від центральної частоти), практично ніколи не чути, оскільки виявляються під відповідною кривою маскування (мал. 3а та 3б).

Мал. 3а. Модуляційний шум у касетному магнітофоні при номінальній швидкості та корекція 70 мкс. Чорна лінія - частотна залежність порога чутності третьоктавного шуму, блакитна лінія - частотна залежність третьоктавного шуму паузи (*0 дБ" на стрічку, тобто 250 мВб/м відповідає рівню 60 дБ звукового тиску), червона лінія - спектр сигналу рівнем 315 дБ, а зелена лінія - крива маскування Як видно, на частотах вище 0 кГц маскування відсутня і зростання високочастотного шуму в присутності сигналу низькочастотного стає добре чутним.

Мал. 3б. Те саме, але частота сигналу дорівнює 3150 Гц. Видно, що найбільш чутною виявляється низькочастотна частина широкосмугової компоненти модуляційного шуму, що не маскується корисним сигналом. Саме це є основною причиною "каламутності" та "бруду" у звучанні тарілок, дзвіночків, а також високих нот скрипок.

Широкосмугова ж компонента при відтворенні чистих тонів досить часто чутна (у вигляді "забрудненості" звуку) навіть на студійному майстер-магнітофоні, оскільки її загальний рівень рідко виявляється нижче -50 дБ щодо рівня сигналу. На жаль, існують лише два способи зниження рівня широкосмугової компоненти модуляційного шуму: покращення якості стрічок та збільшення ширини записів (кожне подвоєння дає виграш всього 3 дБ).

Модуляційний шум завдає маси неприємностей: кожен удар по клавішах роялю супроводжується потріскуванням, начебто вони прокладені папером, басові труби органу сильно сиплять, струнні інструменти починають нагадувати духові, з тарілок "сиплеться пісок" і т. д. До речі, головною причиною використання різних типів магнітних стрічок є саме різниця у величині інтермодуляційних спотворень і в рівні (а також частотної залежності) модуляційного шуму.

Єдиний спосіб зменшити помітність зростання широкосмугового шуму в присутності сигналу - так званого "дихання" (breathing) або "накачування" (pumping) - це ввести таку частотну корекцію в сигнал, що записується, щоб зворотна частотна корекція при відтворенні послабила не маскуються корисним сигналом частини спектру шуму (Рис. 4).

Мал. 4а. Ступінь залежності модуляційного шуму можна знизити, якщо при відтворенні послабити частини спектру, де він не маскується сигналом. Так, для низькочастотних сигналів (до 400 Гц) роль такого адаптивного фільтра може виконувати експандер шумоподавлювача Dolby-B. Його АЧХ наведено у верхній частині малюнка, а результуючий спектр сигналу зображено оранжевою лінією.

Мал. 4б. Те саме, але частота корисного сигналу 3150 Гц. Видно, що необхідна АЧХ фільтра, що зменшує помітність шуму модуляції, виявляється зовсім інший - зі "сходинкою".

Така частотна корекція може бути здійснена кількома способами. Перший і найбільш очевидний -поділ спектру сигналу на окремі смуги, всередині кожної з яких працює компандер. Завдяки цьому наявність сильного сигналу в одній зі смуг не призводить до шуму в інших. Як давно встановлено, для забезпечення прийнятної якості роботи такої системи потрібно від чотирьох до семи смуг, що різко ускладнює конструкцію шумоподавлювача та робить його роботу критичною до точності АЧХ каналу запису-відтворення. Так, побудована за цим принципом чотирисмугова Dolby-A вимагає налаштування АЧХ магнітофона з похибкою трохи більше ±0,3...0,5 дБ.

Другий, більш простий спосіб полягає у використанні фіксованого ланцюга частотної корекції, підібраної таким чином, що для більшості сигналів забезпечується АЧХ, близька до оптимального для придушення шуму широкосмугового. Якість роботи такої системи залежить від грамотного підбору характеристик корекції. Подібний підхід застосовано у більшості широкосмугових компандерів (High Com, ADRS, dbx тощо). На жаль, характеристики корекції у відомих автору широкосмугових компандерах далекі від оптимальних.

Третій спосіб полягає у використанні компандерів з адаптивною частотною характеристикою, що автоматично підлаштовуються під спектр вхідного сигналу. Цей підхід (у поєднанні з ланцюжком з фіксованою АЧХ) реалізований у системі Dolby-S/SR. Характер зміни частотних характеристик компресора наведено на рис. 5. Система з адаптивною АЧХ, як правило, відмінно обробляє одиночні чисті тони та одноголосні інструменти, але на реальному сигналі можливості адаптації, на жаль, обмежені. Так, у системі Dolby-S/SR за наявності широкосмугових сигналів припиняється витягування середніх частот під час запису. При відтворенні це призводить до "проривів" шумів та спотворень у ділянці частот приблизно від 500...800 Гц до 2...4 кГц ("неприродна середина").

Мал. 5. Сімейство АЧХ кодера Dolby-SR при різних рівнях сигналу з частотою 200 Гц (коричневі лінії) та з частотою 3 кГц (блакитні лінії). Використання зворотних частотних характеристик при відтворенні дозволяє суттєво знизити помітність як звичайного, тек та модуляційного шуму.

Природно, можливі комбінації перерахованих способів.

Усі розглянуті вище методи припускають, що тимчасові та рівневі характеристики компресора та експандера однакові, а канал запису-відтворення не вносить спотворень структури сигналів. Практично розраховувати цього не доводиться, у компандерних системах неминуче виникають помилки стеження (tracking errors). Їх вплив на кінцевий сигнал сильно залежить від пристрою системи, але зводиться переважно до двох моментів: до спотворення процесів наростання та спаду звуків, що змінює їх тембр, і до появи перешкод спрацьовування (клацань та бавовни).

Основною причиною появи клацань та бавовни є, наприклад, наступний факт. При швидкій реакції компресора на стрибок рівня сигналу (наприклад, при бавовні долоні) послаблюються одночасно всі частоти в смузі, що обробляється компресором. На експандер же складові різних частот через фазові зрушення приходять з розбігом за часом, але обробляються одночасно. Як результат, з'являються імпульсні похибки у вихідному сигналі та відповідно клацання спрацьовування (див. рис. 6а та 6б).

Мал. 6,а. Вплив фазових спотворень каналу передачі скомпресованого сигналу, Зверху вниз: осцилограмі вхідного сигналу (загасаюче середньочастотне коливання, накладене на більш слабкий низькочастотний сигнал), осцилограма вихідного сигналу компресора, осцилограма фазово- спотвореного сигналу, осциллограма фазово- спотвореного сигналу. Видно велика похибка і перешкода спрацьовування.

Мал. 6б. "З'їдання" атаки музичного сигналу при зспанюванні через фазові спотворення компресованого сигналу (послідовність осцилограм, як на попередньому малюнку). Видно також викид при спрацюванні компресора.

Що стосується помилок за рівнем сигналу, то найчастіше вони виникають через похибки АЧХ або коефіцієнт передачі каналу запису-відтворення. Ще однією причиною похибок є паразитна амплітудна модуляція сигналу в каналі запису-відтворення.

І нарешті, при малих рівнях сигналу є проблемою проникнення різноманітних перешкод у ланцюги управління компресором або експандером. Для зменшення проникнення радіочастотних (і інфранізкочастотних) перешкод на входах компандера обов'язково повинні стояти смугові фільтри, що відсікають сигнали з частотами, що виходять за межі звукової смуги частот. Відсутність такого фільтра найчастіше призводить до непрацездатності шумоподавлювача в реальних умовах.

Саме через перераховані вище обставини звучання магнітофона, оснащеного будь-яким з відомих компандерів, не буде вільним від проблем. На жаль, ідеального (або практично бездоганного) компандерного шумоподавлювача сьогодні не існує. Більше того, у зв'язку з розвитком цифрових технологій основну увагу розробників СШП звернено створення денойзеров. Однак роботи з удосконалення компандерів ведуться і зараз. До вдалих розробок можна віднести, наприклад, компандер звукового каналу системи відеозапису VHS-HiFi.

Проте в масових касетних магнітофонах, як і раніше, використовується Dolby-B/C, рідше Dolby-S або dbx. Тому щоразу, перш ніж натиснути кнопку, варто замислитися, чи таке використання даного компандера при даному записі? І якщо вихідний запис на компакт-диску середньої якості, а магнітофон.

Автор: С.Агєєв, м.Москва

Дивіться інші статті розділу Аудіотехніка.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Штучна шкіра для емуляції дотиків 15.04.2024

У світі сучасних технологій, де віддаленість стає дедалі більш повсякденною, збереження зв'язку й почуття близькості грають значної ролі. Нещодавні розробки німецьких учених із Саарського університету в галузі штучної шкіри становлять нову еру у віртуальних взаємодіях. Німецькі дослідники з університету Саарського розробили ультратонкі плівки, які можуть передавати відчуття дотику на відстані. Ця передова технологія надає нові можливості для віртуального спілкування, особливо для тих, хто виявився далеко від своїх близьких. Ультратонкі плівки, розроблені дослідниками, товщиною всього 50 мікрометрів, можуть бути інтегровані в текстильні вироби та носитися як друга шкіра. Ці плівки діють як датчики, що розпізнають тактильні сигнали від мами чи тата, і як виконавчі механізми, що передають ці рухи дитині. Дотики батьків до тканини активують датчики, які реагують на тиск та деформують ультратонку плівку. Ця ...>>

Котячий унітаз Petgugu Global 15.04.2024

Турбота про домашніх тварин часто може бути викликом, особливо коли йдеться про підтримку чистоти в будинку. Представлено нове цікаве рішення стартапу Petgugu Global, яке полегшить життя власникам кішок та допоможе їм тримати свій будинок в ідеальній чистоті та порядку. Стартап Petgugu Global представив унікальний котячий унітаз, здатний автоматично змивати фекалії, забезпечуючи чистоту та свіжість у вашому будинку. Цей інноваційний пристрій оснащений різними розумними датчиками, які стежать за активністю вашого вихованця в туалеті та активуються для автоматичного очищення після його використання. Пристрій підключається до каналізаційної системи та забезпечує ефективне видалення відходів без необхідності втручання з боку власника. Крім того, унітаз має великий обсяг сховища, що змивається, що робить його ідеальним для домашніх, де живуть кілька кішок. Котячий унітаз Petgugu розроблений для використання з водорозчинними наповнювачами та пропонує ряд додаткових матеріалів. ...>>

Привабливість дбайливих чоловіків 14.04.2024

Стереотип про те, що жінки віддають перевагу "поганим хлопцям", довгий час був широко поширений. Однак нещодавні дослідження, проведені британськими вченими з Університету Монаша, пропонують новий погляд на це питання. Вони розглянули, як жінки реагують на емоційну відповідальність та готовність допомагати іншим у чоловіків. Результати дослідження можуть змінити наше уявлення, що робить чоловіків привабливими в очах жінок. Дослідження, проведене вченими з Університету Монаша, призводить до нових висновків щодо привабливості чоловіків для жінок. В рамках експерименту жінкам показували фотографії чоловіків з короткими історіями про їхню поведінку в різних ситуаціях, включаючи їхню реакцію на зіткнення з бездомною людиною. Деякі з чоловіків ігнорували безпритульного, тоді як інші надавали йому допомогу, наприклад, купуючи їжу. Дослідження показало, що чоловіки, які виявляють співчуття і доброту, виявилися більш привабливими для жінок порівняно з т ...>>

Випадкова новина з Архіву Концептуальний автомобіль GM Precept 22.05.2002 На автосалоні в Детройті в січні 2002 року було представлено концептуальний автомобіль GM Precept. Згідно з програмою уряду США зі створення автомобілів нового покоління, подібні машини можуть з'явитися на вулицях вже через 5 років. GM Precept оснащений ефективним двигуном внутрішнього згоряння з безпосереднім упорскуванням збідненої суміші, який встановлений ззаду та має привід на задній міст. Під капотом Precept розташований другий електричний трифазний мотор потужністю 35 кВт. Найважливіший елемент усієї системи особливий вузол, що знаходиться в задній частині шасі, головними завданнями якого є регенерація енергії при гальмуванні, коли він працює на зразок генератора, і додавання потужності при розгоні. Бортовий комп'ютер швидкодією 266 МГц знаходиться в режимі постійного обміну інформацією практично з усіма системами машини і вибирає той варіант їхньої взаємодії, який оптимізує витрати енергії та скорочує викиди шкідливих речовин. Каплевидна форма, відмова від переднього розташування радіатора та дзеркал заднього виду (їх замінюють 3 мініатюрні камери, що передають зображення на рідкокристалічний екран), а також забір повітря в зоні задніх коліс забезпечили новому автомобілю найкращий у світі коефіцієнт лобового опору. Таким чином, Precept є ніби містком, що з'єднує нас з тим світом автомобілів, який стане звичним років через десять.

Інші цікаві новини:

▪ Світлодіод товщиною 3 атоми для надтонких гнучких екранів

▪ Електрокросовер Tata Curvv

▪ Вирішено основну проблему вирощування рослин у космосі

▪ У ритмі світила

▪ Дисплей AMOLED 814 пікселів на дюйм для VR-пристроїв

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Вимірювальна техніка. Добірка статей

▪ стаття Коли колонок більше, ніж каналів. Мистецтво аудіо

▪ статья Який цар наказав стратити річку? Детальна відповідь

▪ стаття Зміна білизни. Медична допомога

▪ стаття Охоронний пристрій з керуванням від iBUTTON з можливістю підключення мобільного телефону. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Російська сітка в Сі-Бі радіостанції. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024