Динамический диапазон

Отношение сигнал/шум определяет динамический диапазон. Полный динамический диапазон музыки, достигающий 60...80 дБ, пропустить через тракт звуковоспроизведения сложно. Например, по каналам звукового вещания можно передавать сигналы с динамическим диапазоном немногим более 40 дБ. Поэтому в звукозаписи прибегают к искусственному сжатию и ограничению динамического диапазона. Хотя вносимые таким образом искажения чаще всего носят линейный характер, они приводят к перераспределению энергии между спектральными составляющими, в результате чего звук становится «плоским» и неприятным. Этим недостатком страдают многие записи на грампластинках и, особенно, на компакт-дисках.

На динамический диапазон большое влияние оказывают помехи: фон сети частотой 50 Гц, фон частотой 100 Гц из-за недостаточно отфильтрованного напряжения источника питания или неудачной трассировки печатных плат, разного рода шумы. Шумы и помехи сокращают динамический диапазон звукового тракта.

Для борьбы с шумами магнитной ленты разработано и используется большое количество различных шумоподавителей: пороговых, динамических (DNL, «Маяк» и т.п.), компандерных (Dolby, dbx, ANRS и др.). Следует отметить, что шумоподавители типа dbx к настоящему времени из бытовых магнитофонов практически исчезли. Одна из причин — запись, сделанная с Dolby-В при небольшом завале в области ВЧ сносно звучит и на магнитофонах без шумопода-вителя, а вот запись, компрессированная системой dbx, без декодирования звучит ужасно.

Борьба с фоном и наводками достигается правильным выбором конструкции и расчетом силового трансформатора, его экранированием; экранированием чувствительных цепей, узлов, правильным выбором точек заземления, разделением слаботочных и сильноточных земель и т.п.

Кроме самого тракта на динамический диапазон большое влияние оказывает уровень шума и помех в помещении прослушивания, который достигает 40...50 дБ, в то время как музыку мы слушаем с максимальным уровнем громкости порядка 80...90 дБ. Акустические шумы и др. помехи маскируют обертоны, если уровень последних меньше уровня шумов и помех. В результате маскировки часть обертонов не будет восприниматься слухом, и тембр звучания будет обедненным.

Шум в студии складывается из следующих основных составляющих: шум, проникающий из смежных помещений, с улицы; шум от систем кондиционирования и вентиляции; шумы технического оборудования. Для изоляции от внешних шумов стены делают двойными, с воздушной прослойкой.

Рассмотрим некоторые особенности носителей записи.

В грамзаписи максимальный уровень сигнала определяется глубиной канавки, с которой нет проблем, особенно после внедрения технологии DMM фирмы «Тельдек», предусматривающей прямую запись на металлический диск, с которого производится тиражирование грампластинок без промежуточных матриц. Следует отметить, что на пластинках отечественного производства отмечалась недостаточная глубина сигналов в области низших частот.

В магнитной записи основное препятствие для расширения динамического диапазона представляет сам носитель. При этом возникающие при перегрузке так называемые «мягкие» искажения менее заметны на слух, чем те, что возникают при перегрузке транзисторного усилителя или цифрового тракта.

В цифровой обработке музыки сигнал, превысивший цифровой максимум, просто обрезается. Поскольку реальный музыкальный сигнал содержит пики на 6...9 дБ превышающие среднюю амплитуду, мастеринг-инженеру приходится выбирать одно из двух зол: либо что-то делать с пиками, изменив реальную динамику программы; либо оставить пики, и тогда средняя громкость сигнала окажется на уровне —17...23 дБ и даже ниже! В этом случае запись проигрывает в цифровом разрешении сигналов среднего уровня. При уровне же сигнала ниже -50 дБ искажения CD превышают 1%, т.е. превышают допустимый порог, и далее стремятся к 40%, т.к. возрастает относительный размер ступеньки. Уменьшить эти искажения можно путем интерполяции — введения дополнительных отсчетов.

Существуют следующие меры борьбы с перегрузкой цифрового тракта:

♦ аналоговый динамический ограничитель перед АЦП;

♦ нелинейный ограничитель (soft clipping) уровня перед АЦП;

♦ программно реализуемая динамическая обработка (Samplitude Master) после ЦАПа, с помощью которой восстанавливается форма ограниченного сигнала, т.е. уменьшается спектр высших гармоник.

Чтобы избавиться от ВЧ-мусора на выходе ЦАП используют ФНЧ. Поскольку реальные фильтры вносят недопустимо большие фазовые искажения инженеры еще на заре эпохи CD придумали хитроумное решение — увеличить частоту дискретизации цифрового сигнала в 8, 16, 32, 64 и более раз, т.е. произвести ее передискретизацию с помощью цифровых фильтров-интерполяторов, управляемых быстродействующими процессорами по специально разработанным программам, позволяющим максимально восстанавливать изначальную форму звукового сигнала. Сочетание многозвенного интерполятора и цифрового ФНЧ называют фильтром передискретизации.

В проигрывателях первых поколений с шумами квантования боролись подмешиванием белого шума (диттера), который достаточно эффективно их маскировал. В новейших моделях все чаще применяют интерполяцию сигналов малого уровня, позволяющее искусственно повысить разрядность сигнала до 18...20 бит, что уменьшает шумы квантования и позволяет отказаться от подмешивания белого шума. Качество звучания во многом определяется степенью линейности звукового тракта и акустическими свойствами помещения прослушивания.