11.11. Системы и устройства шумоподавления

Качество звучания в звуковом вещании, звукозаписи, устройствах звукоусиления и связи ухудшают различные мешающие воздействия, именуемые помехами. По происхождению помехи разделяют на аку­стические и электрические. Электрические в свою очередь подразде­ляют на космические, атмосферные, промышленные (индустриальные), внутренние. Помехи классифицируют также по слуховому воздействию, спектру, длительности, диапазону частот. Различают сосредоточенную помеху с линейчатым спектром (например, фон переменного тока с ча­стотами 50, 100, 150, 300 Гц), воспринимаемую как "гудение", помеху с широким непрерывным спектром, вызываемую чаще всего термиче­ским (тепловым) движением носителей зарядов (например, электронов) и проявляющуюся как шум, импульсную помеху с широким спектром, но кратковременным воздействием и воспринимаемую как щелчки и по­трескивания. В особую группу выделяют внятные переходные помехи, образующиеся при паразитных связях между цепями, по которым пере­даются речевые или музыкальные сигналы.

Причинами помех являются:

1) недостаточная звукоизоляция помещений, откуда идет или где воспроизводится звуковая информация;

2) пульсации выпрямленного тока в источниках питания, электри­ческие и магнитные "наводки" от цепей переменного тока;

3) хаотическое движение (флуктуации) электронов или других заря­женных частиц в проводниках, резисторах, электронных приборах (тран­зисторах, лампах и т.д.);

4) посторонние электрические и магнитные поля, создаваемые трансформаторами, электродвигателями, цепями переменного тока, со­седними цепями в многопарных кабелях;

5) специфические недостатки носителей записи, обусловленные не­однородностью магнитной и киноленты, грампластинки, а также копирэффект и модуляционный шум;

6) посторонние источники в радиодиапаэонах (другие радиостан­ции, атмосферные электрические разряды, промышленная, медицин­ская, бытовая электроаппаратура).

Существует задача снижения уровня помех до такого значения, при котором они незаметны или мало заметны на слух даже в тихих местах звучания и в паузах. Часть помех снижают до приемлемого значения в местах их возникновения техническими мерами: улучшением звуко­изоляции, применением малошумящих электронных приборов и элемен­тов, улучшением сглаживающих фильтров, электростатическим и элек­тромагнитным экранированием, применением носителей записи с более тонкой структурой, защитой искрящих приборов и устройств, использо­ванием мер электромагнитной совместимости, увеличением избиратель­ности радиоприемных устройств.

Задача улучшения отношения сигнал/помеха всегда была в центре внимания разработчиков аппаратуры 3В. Значение этой задачи в по­следнее время возросло ввиду обострения конкурентной борьбы между фирмами, производящими цифровые и аналоговые устройства, и особен­но в связи с развитием систем и устройств многоканальной стереофони­ческой магнитной, оптической и механической записи и воспроизведе­ния звука. Уменьшение ширины зазора магнитной головки, оптического штриха, радиуса конца иглы звукоснимателя повлекло за собой уменьше­ние интенсивности считываемого сигнала и одновременно относительное возрастание уровня помех ввиду ухудшения усреднения неоднородностей фонограммы при меньшей площади читающего штриха.

В настоящем разделе рассматриваются меры по борьбе с помехами, уже проникшими в трактах 3В или возникающими в них. Для этой цели служат устройства и системы шумоподавления.

По признаку воздействия на частотную или амплитудную характе­ристику устройства и системы условно разделяют на две группы. Систе­мы ШП, относящиеся к первой группе, основаны на изменении формы АЧХ тракта и соответственно на изменении спектра сигнала, а ко вто­рой группе – на регулировании D сигнала. Существуют и смешанные устройства, которые одновременно воздействуют и на амплитудную, и на амплитудно-частотную характеристику, т.е. одновременно регулиру­ют уровни и спектр сигнала.

По признаку отсутствия или наличия регулирования различают си­стемы статические и динамические. В первых воздействие на ампли­тудную или амплитудно-частотную характеристику неизменно во време­ни, во вторых оно зависит от интенсивности и спектра сигнала и помехи. Примером такой статической системы шумоподавления служит система предыскажений. Частотные предыскажения как средство уменьшения влияния помех заключаются в том, что в тракт 3В, имеющий скоррек­тированную, горизонтальную АЧХ, вносят частотные искажения с целью такого изменения спектра сигнала на входе тракта, чтобы лучше проти­востоять помехам, воздействующим на тракт. Частотные предыскаже­ния – это не средство исправления АЧХ канала или тракта 3В. Речь идет о сознательном внесении частотных искажений в тракт, который до этого обладал горизонтальной АЧХ, т.е. в нем отсутствовали частотные искажения. Это делается для повышения помехозащищенности ЗС.

Возможность введения частотных предыскажений основывается на предпосылках, что огибающая спектра исходного сигнала не горизон­тальна, а спадает к нижним и верхним частотам, и что формы огибаю­щих спектров сигнала и помехи различны и не совпадают по частотам. Пусть огибающая спектра исходного сигнала имеет максимум в области средних частот, а к краям спектра спадает на 15–20 дБ, а спектр помехи смещен в область верхних частот. Такое соотношение сигнала и помехи имеет место, например, при детектировании ЧМ сигналов, когда уровень помехи нарастает по мере отклонения частоты от среднего значения, т.е. спектр помехи имеет "треугольную" форму (рис. 11.29,а). Спектр шу­мов магнитной ленты также имеет максимум в области верхних частот (рис. 11.29.б) Примерно такое же положение наблюдается при переходе помехи из одной пары кабеля в другую. Во всех этих случаях отношение С/П оказывается наименьшим в области верхних частот. Для улучшения отношения С/П в этой области частот на входе тракта, на который воз­действует или в котором возникает помеха, включают предыскажающий контур (ПК), коэффициент передачи которого увеличивается с ростом частоты, а для исправления введенных частотных искажений на выходе тракта включают восстанавливающий контур (ВК), коэффициент пере­дачи которого уменьшается с ростом частоты (рис. 11.30). Амплитудно-частотные характеристики ПК и ВК сопряжены, их суммарная АЧХ го­ризонтальна. После введения ПК уровни сигнала на верхних частотах не должны превышать уровни сигнала на средних частотах во избежа­ние увеличения нелинейных искажений или перемодуляции передатчи­ка. Исходя из свойств сигналов 3В, допустимый подъем коэффициента передачи ПК устанавливают обычно в пределах 14–20 дБ (5–10 раз).

Частотные предыскажения в области верхних частот широко приме­няются в механической и магнитной записи звука, в МКЗВ и соедини­тельных линиях, в МВ-ЧМ радиовещании, в передатчиках ТПВ. Сред­нестатистический выигрыш, создаваемый частотными предыскажения­ми, составляет 4–5 дБ.

В процессе эксплуатации системы предыскажений неожиданным оказалось то, что в некоторых случаях ее использование явилось при­чиной возрастания нелинейных искажений, увеличения копирэффекта

в аппаратах магнитной записи, в появлении при радиовещании в диа­пазоне МВ специфических, так называемых " S - искажений" , проявля­ющихся на свистящих и шипящих звуках. Выяснилось, что известные графики распределения уровней в спектрах речевых и музыкальных сиг­налов являются лишь статистическим усреднением многих измерений. Мак-Найт, исследуя фонограммы натуральных звучаний музыкальных инструментов, показал, что эти уровни находятся в пределах очень ши­рокого диапазона (рис. 11.31).

Разброс уровней в области нижних и верхних частот достига­ет 30 дБ. Большие уровни на нижних и верхних частотах в классиче­ской музыке встречаются редко. Но они характерны для современных эстрадных ансамблей с мощной ритмической группой и электронными музыкальными инструментами.

Несмотря на отмеченный недостаток, предыскажения продолжают применять, но во избежание превышения номинального уровня прибегают к двум техническим приемам: кон­тролируют уровни с помощью много­полосного измерителя уровня, напо­минающего по своему действию ана­лизатор спектра, и на этой основе кор­ректируют спектр сигнала вручную, а на входе передатчика МВ-ЧМ вклю­чают устройство, анализирующее спектр и автоматически уменьшающее коэффициент передачи на верхних ча­стотах при возникновении опасности перемодуляции (так называемые огра­ничители с переменным предыскаже­нием). Наконец, просто рассчитывают на то, что кратковременно действую­щие искажения слабо замечаются нашим сознанием.

К статическим устройствам первой группы ШП можно отнести так­же контур для повышения разборчивости речи в условиях сильных по­мех, используемый в каналах радиовещания на удаленные страны. Ча­стотная характеристика этого контура изображена на рис. 11.32. Ее подъем в области верхних частот увеличивает разборчивость речи, но не приводит к слышимым частотным искажениям, так как при дальнем радиоприеме используют приемники с довольно узкой кривой избира­тельности. Необходимость спада этой характеристики в области ниж­них частот станет понятной из нижеследующего.

Для увеличения средней мощности речевого сигнала с целью даль­нейшего улучшения С/П после контура включают сжиматель (компрес­сор). При диапазоне сжатия 18 дБ и времени восстановления tв = 0,3 с компрессора слоговая разборчивость повышается с 69 до 88 % при из­менении отношения С/П с 5 до 15 дБ. Уменьшение tв до 0,3 с, необ­ходимое для повышения уровня громкости, влечет за собой увеличение пульсаций управляющего напряжения Еу и возрастание коэффициента гармоник на нижних частотах. Для уменьшения этого недостатка вво­дят спад частотной характеристики (рис. 11.32) на нижних частотах. Это не влияет на разборчивость.

Необходимо заметить, что действие включенных АРУ может вы­звать обратный эффект снижения разборчивости, поскольку при боль­шом сжатии О подчеркиваются помехи предыдущей части тракта (шум дыхания диктора), увеличивается уровень реверберационных продолже­ний каждого слога и звучание становится "бубнящим". Для уменьше­ния этого явления информационные передачи следует вести из студии с небольшим временем реверберации.

Другой способ уменьшения влияния этого явления заключается во включении после сжимателя или ограничителя максимальных уровней ограничителя минимальных уровней (шумоподавителя), о чем уже упо­миналось ранее.

В силу особенностей слухового восприятия уменьшение уровня ЗС например, с N1 до N2, приводит к субъективному сужению полосы слы­шимых частот (рис. 11.33). Можно соответственно сужать полосу про­пускания и тем самым "отсекать" области частот, в которых содержатся помехи. Таким образом, сужение полосы пропускания тракта уменьшает влияние помех, частоты которых лежат вне спектра сигнала. Ограниче­ние полосы частот бывает не только статическим, но и динамическим. Полоса пропускания устанавливается минимальной в паузе и при неболь­ших уровнях сигнала. Желательно ограничивать полосу пропускания не только на верхних, но и на нижних частотах во избежание наруше­ния баланса громкостей низко- и высокочастотных составляющих ЗС. Ограничение верхней части спектра сигнала будет менее заметно, если соответственно ограничивается нижняя часть спектра. Иначе будет ощу­щаться изменение тембра (преобладание низкочастотных или высокоча­стотных составляющих) даже тогда, когда спектр помехи сосредоточен в области верхних частот. Для этой цели применяют управляемые филь­тры (рис. 11.34). На рассмотренной идее основано действие устройства динамического регулирования полосы пропускания. Структурная схема такого устройства изображена на рис. 11.34,а, а АЧХ – на рис. 11.34,б(1,2,3 – уровни малые, средние, большие).

На динамическом регулировании полосы пропускания основано дей­ствие шумоподавателя DNL- (Dynamic Noise Limiter). В спектре музы­кальных сигналов содержание составляющих верхних частот уменьша­ется со снижением интенсивности звука. При очень малых уровнях верх­няя граница спектра не превышает 4,5 кГц. Поэтому при передаче тихих звучаний полосу пропускания уменьшают, подавляя тем самым соста­вляющие помех верхнихчастот. При большой громкости полосу про­пускания расширяют, но помехинезаметны ввиду маскирующего дей­ствия сигнала. Структурная схема шумоподавителя DNL. изображена на рис. 11.35. Входной сигнал поступает на фазовращатель ФВ, на выхо­дах 1 и 2 которого сигналы сдвинуты на 180°. Один из них поступает на сумматор Сум непосредственно, а второй через цепь, в которую входят фильтр верхних частот ФВЧ, усилитель У, АРУ с РЗ и УЗ, удлинитель Удл. Фильтр верхних частот подавляет составляющие спектра в обла­сти частот ниже 4,5 кГц. Высокочастотные составляющие усиливаются, подвергаются автоматическому регулированию. Коэффициент передачи в этой цепи зависит от уровня сигнала. Амплитудная характеристика це­пи 1 изображена на рис. 11.36,а, цепи 2– на рис. 11.36,б, а суммарная амплитудная характеристика на выходе устройства – на рис. 11.36,в. Для сигналов с небольшим уровнем коэффициент передачи уменьшает­ся, что и определяет подавление помех.

Пороговый уровень сигнала U1, при котором начинается шумопода­вление, выбран на 38 дБ меньше номинального. Шумоподавитель DNL - дает выигрыш в отношении С/П на частоте 6 кГц примерно 5 дБ, а на частоте 10 кГц более 20 дБ. Шумоподаватель DNL - используют и в устройствах, предназначенных для реставрации старых фонограмм.

Перейдем к рассмотрению динамических устройств и систем ШП второй группы. Простейшей из них является система "сжиматель-расширитель" (компандерная система). Структурная схема системы и поясняющие ее действие диаграммы уровней изображены на рис. 11.37. Действие сжимателя приводит к улучшению отношения С/П. Неболь­шие уровни сигнала, которые были бы замаскированы помехами и шу­мами в канале 3В, из-за сжатия D оказываются выше уровня шумов. В паузах сигнала коэффициент передачи расширителя уменьшается, что способствует подавлению помех паузы. Выигрыш в отношении С/П в конечном счете определяется увеличением среднего уровня и средней мощности сигнала в канале. В аналоговых МКЗВ приняты сж = 0,5; расш = 2 и средний выигрыш в отношении С/П составляет 10–13 дБ.

В спутниковых трактах 3В и стереофонического сопровождения ТВ используют адаптивные системы шумоподавления Panda-1 иPanda-2. первой обеспечивается сжатие D игналов на 20 дБ, во второй – на 30 дБ. При этом достигается отношение С/П примерно 90 дБ.

Разновидностью систем "сжиматель – расширитель" является си­стема предельного сжатия D, иначе называемая управляемым компан­дером. Под этим не вполне точным названием (все АРУ – управляемые устройства) понимают систему шумоподавления, в которой с целью по­вышения эффективности и точности регулирования по каналу 3В вме­сте с сигналом, динамический диапазон которого сжат до сравнительно малого значения, передается дополнительный сигнал, несущий инфор­мацию об огибающей исходного сигнала 3В. После входного усилителя (рис. 11.38) напряжение 3В поступает на выпрямитель В, выделяющий огибающую сигнала. Напряжение огибающей ЗС управляет коэффициентом передачи РЗ1, а в модуляторе Мод модулирует напряжение вспомогательного генератора ВГ. Вспомогательную частоту выбирают обычно выше спектра частот сигнала. Сигнал с предельно сжатым D вместе с модулированными колебаниями ВГ поступает в тракт. В точке приема эти два напряжения разделяются фильтрами Ф1 и Ф2. Выделен­ные Ф2 модулированные колебания детектируются в УЗ. Под действием сигнал управления Еу изменяется коэффициент передачи РЗ2. В ре­зультате восстанавливается динамический диапазон исходного сигнала. Эффективность действия рассмотренной системы нарушают изменения коэффициента передачи тракта, например, вследствие зам ираний