семестр 1 / лабы / лаба 5 / лаба_5_5_фипоз_метода

подавления слабых, но мешающих сигналов. В этом качестве экспандер вниз входит составной частью практически во все шумопода-

вители (денойзеры).

Гейт (от английского gate – клапан, ворота) – один из самых распространенных приборов динамической обработки. Его основное, изначальное назначение – отсечка сигналов малого уровня, для которых он является своеобразным клапаном, не пропуская их на выход. По своей работе гейт аналогичен формирователю огибающей в синтезаторах. Это такой же многоступенчатый формирователь огибающей плюс управляемый усилитель (VCA), только запускается гейт не от нажатия клавиши, а при превышении входным сигналом порога срабатывания threshold.

Большинство гейтов имеют относительно несложный 3-ступенчатый формирователь огибающей, состоящей из трех частей: нарастания (attack), удержания (hold) и плавного затухания (release). Механизм формирования огибающей поясняет рис. 5.21, где изображены три сигнала – входной (верхняя сигналограмма), сформированная генератором гейта огибающая (в середине) и результирующий выходной сигнал – внизу. Естественно, что динамика обработанного гейтом сигнала будет отличаться от исходной, а именно – сигналы, лежащие ниже порога срабатывания, будут полностью подавлены, а сигналы, превысившие порог атаки, будут обрабатываться в зависимости от соотношения их исходной скорости и времени открывания гейта. Именно это свойство – менять динамику сигналов – и является причиной, по которой гейт получил столь широкое распространение.

Обязательной составной частью гейта являются перестраиваемые обрезные НЧ и ВЧ фильтры, назначение которых, как и в компрессоре, – изменение характеристик канала управления. И так же, как в компрессоре, они не влияют на тембр самого сигнала. В результате настройки этих фильтров в канале управления удается практически снять зависимость работы гейта от громкости звучания того или иного инструмента, поскольку для управления важна интенсивность определенных составляющих в спектре записываемого музыкального инструмента, например основной тон барабана.

Затухание сигналов большинства инструментов не является ровным и плавным, а имеет волнообразный характер. На слух это малозаметно, однако гейт в этот момент начинает периодически переключаться, что на слух воспринимается очень неприятно.

Справиться с этой проблемой помогает особое устройство – триггер с гистерезисом. В этом случае в гейте имеются два порога срабатывания – один на открывание и один – на закрывание, причем порог на закрывание всегда меньше, чем на открывание.

Для облегчения понимания особенностей функционирования устройств динамической обработки на рис. 5.22 на одном графике совмещены проходные динамические характеристики рассмотренных широкополосных приборов.

5.4. Развитие методов обработки вещательных сигналов

Звуковой вещательный сигнал, проходя звенья тракта распределения, претерпевает изменение своих статистических свойств. Данный факт подтверждается ухудшением качества звучания ЗВС и является вполне логичным явлением. Анализируя характер вносимых искажений, укажем на динамический во времени характер их возникновения, а также на «адаптивность характера искажений», т.е. на зависимость от вида сигнала и включенных ранее устройств обработки. Учитывая отсутствие средств, непосредственно позволяющих справиться с такой задачей, нельзя не сделать вполне логичный вывод о необходимости разработки алгоритма обработки ЗВС, основанном на глубоком анализе вещательного сигнала и предусматривающего множество настроек параметров обработки. При этом настройки должны выбираться в соответствии с местом включения устройства в тракт распределения, а также с учетом особенностей условий прослушивания.

Большинство созданных ранее устройств регулирования либо практически не учитывали структуру ЗВС, либо опирались на усредненные свойства передаваемого сигнала. В то же время, анализируя современные тенденции развития устройств обработки вещательного сигнала, следует отметить, что разрабатываемые ныне методы регулирования все в большей степени опираются на глубокий анализ свойств сигнала, приближающийся к методам распознавания. Развитие микропроцессорной базы и методов анализа позволило осуществить обработку вещательного сигнала на длительности звуковых объектов (ЗО).

В работах А. Моля [27 и др.] предложена достаточно обоснованная сегментация звукового сообщения на ЗО, каждый из которых

вотдельности характеризуется тремя параметрами (координатами):

-громкостью, выражаемой логарифмом интенсивности звуко-

вых колебаний;

-высотой, выражаемой логарифмом частоты звуковых колеба-

ний;

-длительностью, выражаемой логарифмом продолжительности звуковых колебаний.

Вмузыкальных формах воспринимается последовательность взаимосвязанных друг с другом ЗО, составляющих элементарные

ячейки, музыкальные фразы, движения мелодий и отрывки музыкальных произведений. В речевых сообщениях аналогом является последовательность слов, фраза, короткое предложение, полустишие или стих. Система вещания, по определению, должна обеспечить передачу ЗВС с любыми возможными частотными, уровневыми и временными характеристиками во всем диапазоне их существования в сигнале и при любой вероятности их появления.

Известно, что минимальная длительность акустического воздействия (уже воспринимаемого как самостоятельное звуковое событие) имеет длительность порядка 40 мс (например, звук п в человеческой речи). Наиболее же длинные звуковые объекты (например, финальный аккорд органа) могут достигать 7 с – длительность таких объектов определяется величиной постоянной времени долговременной слуховой памяти человека.

Процесс регулирования ЗВС в тракте передачи на временном интервале максимально длительного ЗО трудностей не вызывает и выполняется в большинстве существующих АРУР. В то же время достижение минимального времени регулирования, составляющего малую часть длительности самого короткого ЗО, вызывает серьезные трудности, определяемые способами выделения сигнала управления в канале управления устройства регулирования.

Анализ существующих устройств регулирования, а также современных методов обработки [44] позволяет сделать вывод о том, что в большинстве устройств сигнал управления формируется непосредственно из самого вещательного сигнала.

Простейшим приемом выделения огибающей ЗВС является «выпрямление» сигнала диодным мостом с последующей НЧ фильтрацией. В этом случае ограничение максимально возможной скорости регулирования в значительной степени определяется высокими требованиями к степени фильтрации (полосе ФНЧ) и обусловлено паразитным проникновением НЧ составляющих ЗВС в сигнал управления. Следствием этого является интермодуляция ВЧ составляющих ЗВС его же НЧ компонентами.

Требуемая высокая добротность фильтра (затухание в полосе заграждения порядка 60 дБ) оборачивается значительной постоянной времени переходных процессов. В [1] приведены типовые значения времен срабатывания и восстановления в авторегуляторах, а возникающие характерные искажения огибающей ЗВС показаны ниже (рис. 5.23). Такие искажения являются неустранимыми, поскольку обусловлены инерционной природой процесса накопления (интегрирования) напряжения в блоке формирования сигнала управления.

Рис. 5.23. Искажение огибающей выходного сигнала АРУР

Формирование сигнала управления с использованием гильбертовской огибающей (ГО) ЗВС позволяет сделать процесс регулирования сигнала безынерционным [44]. Дело в том, что, в отличие от авторегуляторов, рассмотренных выше, преобразование ГО не связано с процессами срабатывания и восстановления авторегулятора и в этом смысле безынерционно. В преобразователях, построенных на основе использования ГО, отсутствуют выбросы сигнала при срабатывании (см. рис. 5.23) и нет длительных процессов восстановления, что в некоторых инерционных авторегуляторах приводит к неприятному эффекту – «дыханию» шума паузы. По отношению к самому сигналу нелинейное преобразование ГО линейно; оно не сопровождается ни гармоническими, ни интермодуляционными искажениями. Пример неискажающего компандирования ЗВС на основе использования ГО приведен ниже в разд. 5.7.

5.5. Системы шумоподавления

Системы первичного распределения сигнала ЗВ создавались на базе телефонной сети. В аналоговых системах передачи для обеспечения необходимого частотного диапазона объединялись несколько телефонных каналов, например для передачи сигнала с полосой эффективно передаваемых частот 10 кГц – три. Так как сигнал ЗВ гораздо более мощный, чем телефонный, для сохранения загрузки группового тракта приходилось исключать из эксплуатации 10

телефонных каналов. Соотношение сигнал–шум телефонного канала недостаточно для передачи ЗВС. Этот недостаток свойственен и цифровым системам передачи.

Итак, основным недостатком большинства каналов передачи ЗВС является высокий уровень собственных шумов. Для компенсации влияния шума на качество передачи и используются системы шумоподавления. Так, для улучшения защищенности низкоуровневых ВЧ составляющих звукового сигнала от шумов канала используется

фильтр предкоррекции (ПК) на входе канала, а на его выходе –

восстанавливающий контур (ВК).

Качественно работу такой системы иллюстрируют графики на рис.5.24, где показаны усредненные энергетические спектры звукового сигнала Sc и шумов Gш, а также коэффициенты передачи К ПК и ВК. В результате совместного действия фильтров ПК и ВК влияние шумовых спектральных составляющих канала передачи на выходе канала

Gш.вых уменьшается.

Получили широкое распространение пороговые и компандерные системы шумоподавления. Первые устраняют шумы путем отсечки сигналов малого уровня. При этом они вносят весьма заметные на слух нелинейные искажения. Поэтому такие системы в основном используются при передаче речевого сигнала по зашумленным каналам. Вторые вносят нелинейные искажения в момент срабатывания.

Компандерные системы состоят из компрессора и экспандера. Такие системы сжимают динамический диапазон ЗВС, обеспечивая защищенность слабых сигналов от шумов канала на величину по-

рядка 20 дБ (рис. 5.25) [57].

В компандерных системах используются как линейные, так и частотно-зависимые амплитудные характеристики компрессоров и экспандеров (рис. 5.26).

Рис. 5.26. Амплитудные характеристики компрессоров и экспандеров компандерных систем

Компенсировать последние два недостатка удалось, используя многополосную компандерную систему, предложенную в 1950-х годах А.А. Друговым, а практически реализованную Р. Долби в многочисленных системах Dolbi. Так, широко используются в профессиональной звукозаписи шумоподавители Dolbi-A, в которых входной сигнал разделяется на 4 узкополосных, каждый из которых компандируется отдельно. Упрощенная схема шумоподавителя Dolbi-A приведена на рис. 5.28.

Система шумоподавления Dolbi-B имеет ступенчатую частотную характеристику с подъемом верхних частот при низких уровнях входного сигнала (рис. 5.29). Dolbi-B обеспечивает шумоподавление до 10 дБ на частотах выше 4 кГц.

Рис. 5.27. Результаты работы компандерных систем

Рис. 5.28. Упрощенная схема шумоподавителя Dolbi-A

Система Dolbi-C использует двухкаскадный компандер, что позволяет получить на частотах выше 1 кГц шумоподавление до 20 дБ (рис. 5.30). Основу шумоподавителя образуют два последовательно включенных компандера, которые порознь обрабатывают сигналы высокого и низкого уровней, что позволяет уменьшить выбросы уровня. В сигнальной ветви имеется цепь частотной коррекции с фиксированными параметрами, предназначенная для понижения уровня составляющих выше 10 кГц, например пилот-сигнала 19 кГц стереофонического ОВЧ ЧМ вещания. Все это позволяет улучшить запись верхних частот в канале магнитной записи, например в кассетных магнитофонах, и уменьшить искажения уровня при выпадениях сигнала, повысить качество при его компактном представлении в современных системах записи.

Рис. 5.29. Структурная схема и характеристики системы Dolbi-B

В профессиональных системах звукопередачи применяют также шумоподавитель Dolbi-SR, содержащий три каскада компрессирования, в каждом из которых входной сигнал разделяется на один или два полосовых сигнала. Во всех каскадах сжатие производится на определенных уровнях сигнала (–30, –48, –62 дБ). В первых двух каскадах граничная частота разделения сигнала составляет около 800 Гц, каскад с порогом –62 дБ обрабатывает сигналы на частотах выше 800 Гц. В каждом из 5 каскадов имеются фильтры с фиксированной и переменной частотой среза.

Один из недостатков систем Dolbi состоит в несовместимости с другими системами шумоподавления. Сигнал должен быть одинаково обработан на входе и выходе канала, что не всегда возможно в распределенной системе радиовещания.