11.12. Системы шумоподавления в устройствах звукозаписи

Компандерные системы шумоподавления нашли широкое примене­ние в связи и звуковом вещании. Применению этих систем в устрой­ствах звукозаписи препятствуют некоторые обстоятельства. Во-первых, из-за различия АЧХ и ФЧХ сжимателя и расширителя не совпадают их динамические параметры tу и tв - При этом искажаются фронты и спады музыкальных сигналов, что недопустимо. Во-вторых, регулиро­вание происходит вне зависимости от мгновенных спектров сигнала и помехи. При большой разнице спектров помеха не маскируется сиг­налом. Изменение уровня помехи одновременно с изменением уровня сигнала увеличивает заметность помехи. Наконец, ввиду большой ши­рины спектра полезного сигнала невозможно выбрать оптимальным пу­тем динамические параметры АРУ.

Известно, что эффективность действия устройств шумоподавления повышается, если спектр звуковых частот разделить на несколько срав­нительно узкополосных участков и в каждой такой полосе частот ре­гулирование коэффициента передачи производить раздельно, выбрав для этого более подходящие динамические параметры. Как показыва­ет опыт, достаточно спектр полезного сигнала поделить на 3-4 части. Для порогового ШП часто используют четырехполосную структуру, по­казанную на рис. 11.39 со следующими полосами частот: 0–1,5 кГц; 1,5–3 кГц; 3–6 кГц и выше 6 кГц. В полосе частот 0–1,5 кГц, в которой сосредоточена основная часть энергии звука, регулирование не производится. В остальных полосах осуществляется пороговое шумопо­давление, причем динамические параметры выбираются в соответствии со свойствами сигнала в этих частотных полосах. Кроме того, можно автоматически изменять границы каждой полосы при изменении спек­тра сигнала для повышения эффективности работы такого устройства. Такие устройства, в частности, были предложены А.А. Друговым.

В последние годы различные варианты многополосных АРУ бы­ли также разработаны Р.М. Долби и его сотрудниками и внедрены в устройства магнитной, механической и оптической записи, в радиове­щание в диапазоне МВ-ЧМ.

Системам ШП Долби свойственны не­которые общие принципы:

1. Спектр записываемых (передаваемых) сигналов разделяется на несколько частей.

2. В каждой частотной полосе регулирование осуществляется неза­висимо при наиболее подходящих динамических параметрах.

3- Выходной сигнал в каждой полосе формируется путем сложе­ния или вычитания сигналов, прошедших основной нерегулируемый и дополнительный регулируемый тракты.

4. Преобразование уровней ведется не во всем динамическом диа­пазоне, а лишь в ограниченной его части – в области малых и сред­них уровней.

Обобщенная структурная схема системы " DоIbу-А" изображена на рис. 11.40, а амплитудные характеристики – на рис. 11.41, где 1, 2–характеристики

передающего и приемного звеньев, соответственно,

' 3 – результирующая характери­стика. Регулирование производит­ся не во всем диапазоне входных уровней, а лишь при сравнительно небольших уровнях. Это уменьша­ет заметность переходных процес­сов. При больших уровнях поме­хи маскируются сигналом. Входной сигнал распределяется по двум пу­тям, причем в основном тракте он не регулируется, а в дополнитель­ном подвергается регулированию с помощью сжимателя. Затем обе со­ставляющие складываются в сумма­торе. В результате сигналы боль­шого уровня не претерпевают изме­нения, поскольку коэффициент пе­редачи дополнительного тракта при больших входных сигналах мал. При малых входных уровнях коэффи­циент передачи дополнительного тракта увеличивается, доля сигнала этого тракта относительно основного становится больше и уровень сиг­нала на выходе сумматора Сумм.1 возрастает. В приемной части си­стемы сигнал с выхода поступает на сумматор через расширитель уже инвентированным и вычитается из обш.его сигнала, вследствие чего вос­станавливаются исходные соотношения уровней.

П олная структурная схема системы изображена на рис. 11.42.

О собенность дополнительных трактов та, что в них спектр сиг­нала разделяется на четыре части с помощью фильтров, пропускаю­щих полосы частот 30–80; 80–3000; 3000–20000 и 9000–20000 Гц (рис. 11.43). Выбор полос пропускания определяется спектром наибо­лее характерных шумов и помех и особенностей их восприятия слухом. Так, в полосах пропускания ФНЧ лежит частота фона переменного то­ка 50 Гц, в полосе пропускания ПФ – переходные помехи и помехи копирэффекта, ФВЧ – структурные помехи, обусловленные неоднород­ностью ферромагнитного слоя ленты (см. рис. 11.29,б) и высокочастот­ные модуляционные помехи.

В каждой из полос динамический диапазон сжимается и соответ­ственно потом расширяется путем изменения коэффициента передачи только при уровнях, лежащих ниже определенного уровня Nнорм. Сиг­налы с выхода сжимателей добавляются к сигналу основного тракта, а в приемной части системы соответственно вычитается при уровнях менее Nнорм. Сигналы более высокого уровня проходят через систему без из­менений. Для поддержания номинального уровня сигнала и устранения выбросов ЗС при его прохождении через сжиматели и расширители пе­ред ними включены ограничители максимальных уровней. Улучшение отношения С/П в диапазоне частот 30–15000 Гц составляет пример­но 10 дБ, а на более высоких частотах – 15 дБ. Аналогичная система ШП, но с несколько иными граничными частотами и без перекрытия полос, разработана фирмой "Телефункен" .

Разделение спектра сигнала до регулируемых звеньев значительно повышает эффективность регулирования, особенно если энергия сигна­ла сосредоточена в какой-либо одной полосе. Ввиду большого уровня сигнала в этой полосе не происходит регулирования, зато в других по­лосах ввиду небольшого уровня попадающего в них сигнала регулиро­вание происходит более эффективно и отношение С/П увеличивается в большей степени.

Положительная сторона системы Долби-А – подавление мульти­пликативной, модуляционной помехи, возникающей, например, из-за неконтакта при воспроизведении магнитной фонограммы. Эта помеха преобладает среди других помех тракта воспроизведения. В результа­те воздействия модуляционного шума на колебания одной частоты fо спектр воспроизводимого сигнала будет состоять из составляющей ча­стоты fо. окруженной двумя боковыми полосами, форма которых повто­ряет форму спектра модуляционного шума, т.е. будет напоминать спектр амплитудно-модулированного сигнала и занимать широкую полосу ча­стот (рис. 11.44). Если часть этого спектра попадает в полосу того ре­гулируемого звена, в которой уменьшается коэффициент передачи, то эта часть спектра будет подавлена.

Дополнительный тракт системы Долби-А универсален и использу­ется дважды – при записи и воспроизведении. Поэтому искажения АЧХ и ФЧХ фильтрами при записи компенсируются искажениями обратного знака при воспроизведении. Это – важное достоинство системы Долби-А. Но аппаратура этой системы сложна, содержит сотни полупроводни­ковых элементов и потому очень дорога.

Для бытовой и полупрофессиональной аппаратуры используют си­стемы " Dо1Ьу-В" и " Dо1Ьу-С" . Способ шумоподавления, используемый в " Dо1Ьу-В" , можно было бы назвать управляемыми предыскажения­ми. "Dо1Ьу-В" содержит одно регулируемое и одно управляющее зве­но, действующие только в верхней части частотного диапазона, шири­на которого изменяется в зависимости от уровня сигнала. В системе используют управляемый ФВЧ, обеспечивающий "скользящую" харак­теристику сжатия, начиная с частоты 300 Гц. В этом диапазоне со­средоточены наиболее заметные структурные помехи магнитной ленты (см. рис. 11.29,б). На частотах выше 4 кГц уровень помех уменьшается примерно на 10 дБ. Как и в "Do1Ьу-А", один и тот же дополнительный тракт используется и при записи, и при воспроизведении. Благодаря этому устраняются искажения, которые могли бы возникнуть из-за некомплементарности амплитудных характеристик и разных значений tу и tв сжимателя и расширителя.

Структурная схема системы Долби-Б изображена на рис. 11.45, ча­стот–ные характеристики тракта записи при разных входных уровнях – на рис. 11.46, частотные характе­ристики блока регулирования БР в процессе записи (3) и воспроиз­ведения (В) – на рис. 11.47, ам­плитудные характеристики сжимателя (1), расширителя (2) и об­щая (3) – на рис. 11.48.

При записи усилители У1, У2, У4 образуют основной тракт. На­пряжение с выхода У1 поступает в дополнительный тракт, состо­ящий из предыскажающего кон­тура ПК (ФВЧ), блока регулиро­вания с РЗ и УЗ и усилителя У3. Усиленное ступенью УЗ на­пряжение складывается на входе У4 с напряжением основного трак­та. При небольшом уровне сигна­ла и в его отсутствии коэффици­ент передачи РЗ близок к единице (кривая 1 на рис. 11.46). При увеличе­нии уровня (кривые 2, 3, 4) коэффициент передачи РЗ спадает и подъ­ем коэффициента передачи уменьшается При уровнях выше некоторого нормированного дополнительный тракт практически запирается и АЧХ основного тракта становится практически горизонтальной (кривая 5).

При воспроизведении сигнал, поступающий от усилителя воспро­изведения УВ магнитофона на вход, проходит У1. Регулируемое звено вместе с У3 образуют цепь отрицательной обратной связи (ООС), охваты­вающую У1. Глубина ООС зависит от частоты и уровня сигнала. Пара­метры системы шумоподавления выбирают такими, чтобы подъем АЧХ на верхних звуковых частотах, имевший место при записи, полностью компенсировался бы при воспроизведении.

Динамические параметры управляющей цепи выбраны такими:

t y = 1–2 мс, tв = 100–150 мс.

Шумоподавитель "Dо1Ьу-В" иногда используют при воспроизведе­нии фонограмм, записанных без устройств шумоподавления. В этом случае он действует как управляемый восстанавливающий контур. Осла­бление помех происходит ввиду уменьшения коэффициента передачи на верхних частотах. Однако при этом он вносит частотные искажения при небольших уровнях сигнала. Шумоподавитель "Dо1Ьу-В" сравнительно недорог благодаря простоте и широко выпускаемой для него специали­зированной интегральной схеме, содержащей все его элементы. Отече­ственная промышленность выпускает бытовые магнитофоны, содержа­щие аналог устройства " Dо1Ьу-В".

Шумоподавители типа "Dо1Ьу-В" разработаны в основном для борь­бы с высокочастотными шумами, возникающими в бытовых магнито­фонах и видеомагнитофонах с небольшой скоростью движения ленты (как правило, касссетных). Несколько измененную систему " Dо1Ьу-В" применяют иногда и в профессиональных целях, например в радиове­щании в диапазоне МВ-ЧМ.

В системе " Dо1Ьу-С" используют два включенных цепочкой автома­тических регулятора " Dо1Ьу-В" . Оба действуют в одинаковых полосах частот, но их пороги срабатывания выбраны разными. Система действу­ет начиная с частоты 100 Гц. На частоте 400 Гц отношение С/П улуч­шается примерно на 15 дБ, а в области частот 2–10 кГц улучшение этого отношения составляет уже около 20 дБ.

Следующей разработкой, предназначенной для бытовых устройств, явилась система " Dо1Ьу-S" . В ней использованы идеи, уже осуществлен­ные в системах "Dо1Ьу-В" и "Dо1Ьу-С", а также некоторые новые прин­ципы, положенные в основу профессиональной системы " Dо1Ьу-Stereo-SR", рассмотренной далее. Не вдаваясь в описание довольно сложной структуры системы " Dо1Ьу-Stereo ", отметим, что в ней повышена эф­фективность шумоподавления, в частности, возможно некоторое шумо­подавление в области нижних частот, уменьшена критичность системы к неравномерностям АЧХ в процессе записи и воспроизведения, дости­гаются лучшие пространственные эффекты.

Дальнейшим развитием многоканальных устройств фотографиче­ской звукозаписи для кинематографа явились системы " Dо1Ьу-Stereo" , " Dо1Ьу-Stereo SR" (Speetral Recording - спектральная запись), " Dо1Ьу-Stereo SR - D" (Digital - цифровая).

В системе "Dо1Ьу-Stereo" на двух оптических дорожках кроме двух сигналов (левого и правого каналов стереопары в матричной форме зако­дированы сигнал центрального канала и сигнал "окружения" (см. гл. 9). Наличие центрального канала помогает локализовать звуки, которые должны идти из средней части экрана для слушателей, места которых сильно смещены относительно оси симметрии зала: громкоговорители окружения" помимо воспроизведения эффектов звучания сзади и с бо­ков улучшают ощущение глубины звучания и усиливают иллюзию вовле­чения слушателя в действие. В устройствах "Dо1Ьу-Stereo" используют систему шумоподавления "Dо1Ьу-А".

В системе "Dо1Ьу-SR" сочетаются фильтры с фиксированными и ре­гулируемыми полосами частот, что обеспечивает улучшение отношения С/П на 25 дБ, причем в наиболее чувствительном для слуха диапазо­не частот 0,8–6 кГц технические решения аналогичны примененным в системах Dо1Ьу-А. -В, -С. Помимо этого в состав системы " Dо1Ьу-SR" введено устройство, уменьшающее искажения при высоких уровнях сигнала. Фильтры "Dо1Ьу-SR" адаптируются к спектру сигнала.

Возникает вопрос: почему в кинематографе нельзя применить шу-моподавители "Dо1Ьу-В" и еще более эффективные, но достаточно про­стые шумоподавители "Dо1Ьу-С"? Обе указанные системы предназна­чены для подавления помех в высокочастотной части спектра. Энер­гия помех оптической фонограммы распределена по всему диапазону звуковых частот. Поэтому приходится использовать четырехполосные устройства типа А, Stereo-SR и SR*D.

Фильмы, звук в которых записан по системе " Dо1Ьу-Stereo SR*D", содержат две оптические фонограммы: аналоговую матричную четырех­канальную и цифровую шестиканальную. Цифровые сигналы записаны в промежутках между перфорациями. Такие фильмы можно демон­стрировать в кинотеатрах с аналоговой и цифровой воспроизводящей ап­паратурой. При повреждении цифровой фонограммы воспроизведение автоматически переключается на аналоговые дорожки. Система шумо­подавления " Dоlby-SR" обеспечивает качество, сравнимое с цифровой 16-разрядной записью, т.е. динамический диапазон более 70 дБ (от­ношение С/П около 90 дБ). Шесть цифровых каналов используются следующим образом: три сигнала подаются на заэкранные громкого­ворители Л, П, Ц, два на левую и правую линейки громкоговорителей "окружения", один предназначен для воспроизведения звуков особо низ­ких частот 20–30 Гц. Существуют варианты таких систем для 35- и 70-миллиметровой ленты.

В СССР тоже была разработана шестиканальная система воспро­изведения звука в кинематографе Суперфон-35 , альтернативная мно­гоканальным системам " Dо1Ьу-Stereo''. Однако "Суперфон-35" не по­лучил широкого распространения в России. Две установки действуют в Москве – в кинотеатре "Октябрь" и малом зале Дома кино, одна в С.-Петербурге.

К многополосным относятся системы шумоподавления "Тельком с4" и "Хай-Ком" (Нigh - Com). Структурная схема системы "сжиматель-расширитель" "Тельком с4" изображена на рис. 11.49, а ее амплитудные характеристики – на рис. 11.50. В каждом полосном тракте сжимателя и расширителя использованы по три регулируемых усилителя РУ –

один в РЗ, два – в У3 Управляющее напряжение Еу воздействует сра­зу на все три РУ. В УЗ спектр сигнала разделяется, как и в" Dо1Ьу-А", на четыре части, но с иными частотными границами: 35–215…215–1450, 1450–4800, 16000 Гц. Постоянные времени в каждом из четырех У3 подобраны таким образом, чтобы получить быструю реакцию управляю­щего напряжения Еу на нарастание и спадание уровня входного сигнала и достаточно хорошее сглаживание пульсаций выпрямленного напряже­ния. Регулирование производится во всем диапазоне изменения входно­го уровня 90 дБ. При изменении входного уровня на 90 дБ выходной уровень изменяется на 60 дБ. Коэффициент сжатия сж ⁼ 90/60 = 1,67.

Система "Хай-Ком" - модификация системы "Тельком с4". В ней используют не три, а два регулируемых усилителя. Коэффициент сжа­тия составляет 0,5.