Аудиотехника (стр. 6 )

Для расчета параметров эквалайзера задаются количеством N-частотных полос обработки, верхними и нижними граничными частотами fmax и fmin. Точные значения центральных частот полос f0,i рассчитываются по формуле

, (3.28)

где i = 1,2…N

Шаговый коэффициент (шаг разноса центральных частот фильтров)

(3.29)

или

, (3.30)

где M — количество частотных полос на октаву.

Добротность Q при максимальном подъеме или спаде АЧХ выбирается из условия:

. (3.31)

2. Параметрические эквалайзеры, в отличие от графических, для каждой полосы позволяют осуществлять независимую друг от друга установку всех параметров: центральной частоты регулирования f0, ширины полосы регулирования Df и величины подъема/завала АЧХ. Благодаря независимой регулировке параметров каждого фильтра, они позволяют эффективно корректировать АЧХ именно в той части звукового диапазона, где это необходимо. По этой причине параметрические эквалайзеры имеют небольшое число полос (4–6), при этом центральные частоты этих фильтров могут изменяться в диапазоне 2–4 октав. Такой пара­метрический эквалайзер позволяет корректировать звуковой тракт с большей точностью и оперативностью, чем, например, десятиполосный графический эквалайзер.

При расширении полосы частот, захватываемой контуром параметрического эквалайзера, увеличивается площадь, ограниченная кривой и осью абсцисс, то есть возрастает мощность регулируемого сигнала и, соответственно, возрастает субъективно воспринимаемая громкость звучания сигнала после эквалайзера. Избежать этого недостатка позволяет применение эквалайзеров, использующих «принцип пропорциональной добротности», которые сохраняют постоянную площадь под кривой и поддерживают постоянный уровень громкости в полосе регулируемых частот. Этот эффект осуществляется путем уменьшения предельно допустимой регулировки уровня АЧХ при расширении полосы захватываемых частот.

3. Полупараметрические эквалайзеры, в отличие от параметрических, на каждую полосу регулирования имеют только два органа управления — эти устройства не позволяют осуществлять регулировку добротности колебательных контуров, то есть изменять полосу их пропускания.

4. Параграфические эквалайзеры (от слов параметрический и графический) — многополосные параметрические эквалайзеры, но конструктивное исполнение регуляторов подъема/спада АЧХ выполнено как у графического — на основе потенциометров с линейным перемещением ручек. Эта особенность повышает удобство эксплуатации устройства и позволяет изменять АЧХ в широких пределах с высокой точностью.

3.3 Системы шумоподавления

3.3.1 Назначение и классификация систем шумоподавления

Качество звучания в звукозаписи ухудшают мешающие шумы и помехи. По происхождению шумы и помехи разделяются на акустические и электрические. Существует задача снижения уровня мешающих воздействий до такого значения, при котором они незаметны или мало заметны на слух даже в тихих местах звучания и в паузах.

Часть шумов и помех может быть снижена до приемлемого значения в местах их возникновения техническими мерами: улучшением звукоизоляции, применением малошумящих электронных приборов и элементов, электростатическим и электромагнитным экранированием звукозаписывающей аппаратуры, защитой искрящих приборов и устройств, использованием мер электромагнитной совместимости. Для уменьшения влияния мешающих воздействий, уже проникших в тракты звуковоспроизведения или возникающих в них, служат системы шумоподавления (СШП). Эти системы строятся с учетом особенностей субъективного восприятия музыки и шумов таким образом, чтобы существенно ослабить шумы, не затронув другие показатели качества прослушиваемой фонограммы в целом [3, 7, 8, 10].

По характеру воздействия на аудиосигнал СШП делятся на два типа:

1. Системы с однократным воздействием на сигнал. Большинство систем такого рода работают только при воспроизведении и не требуют предварительной обработки сигнала перед записью. К таким системам относятся пороговые шумоподавители, динамические подавители и ограничители шума, а также их комбинации. Основной недостаток таких устройств — частичное подавление полезного сигнала, связан с принципом их работы. Так как такие шумоподавители вносят вклад в нелинейные искажения всего усилительного тракта, то всегда предусматривается возможность исключения их из тракта прохождения сигнала, что полезно при воспроизведении звуковых программ с качественных носителей информации.

2. Системы, требующие предварительной обработки аудиосигнала при записи и последующего воздействия на него при воспроизведении. К таким системам относятся системы частотных предыскажений и все разновидности компандерных шумоподавителей, которые, не устраняя шумы источника, предотвращают появление в полезном сигнале шумовой составляющей, создаваемой собственно трактом звукопередачи. Эти устройства технически сложны, но наиболее эффективны и позволяют значительно снизить шум без ущерба для исходного сигнала. Из-за того, что в случае их применения необходима двукратная обработка аудиосигнала, такие системы, как правило, используют в устройствах магнитной записи.

По признаку отсутствия или наличия регулирования СШП делятся на два типа [2]:

1. Статические СШП — это те системы, параметры которых постоянны во времени и не зависят от характеристик аудиосигнала.

2. Динамические СШП — это те системы, параметры которых зависят от интенсивности и спектра аудиосигнала и помехи.

По признаку воздействия на частотную или амплитудную характеристику звукового тракта СШП разделяются на три группы [2]:

1. СШП первой группы основаны на изменении формы АЧХ тракта и соответственно на изменении спектра сигнала.

2. СШП второй группы основаны на регулировании динамического диапазона аудиосигнала.

3. СШП смешанного типа одновременно воздействуют и на амплитудную, и на амплитудно-частотную характеристику, то есть одновременно регулируют уровни и спектр сигнала.

3.3.2 Системы частотных предыскажений

Система частотных предыскажений относится к статическим СШП. Принцип ее работы заключается во внесении в аудиосигнал частотных искажений с целью такого изменения его спектра, чтобы лучше противостоять помехам, воздействующим на тракт. Возможность введения частотных предыскажений основывается на предпосылках, что 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 [8]. Например, спектр шумов магнитной ленты имеет максимум в области ВЧ (рис. 3.28). То же наблюдается при переходе помехи из одной пары кабеля в другую.

Рисунок 3.28 — Спектр структурных помех магнитной ленты

Таким образом, отношение «сигнал/шум» оказывается наименьшим в области верхних частот. Для улучшения отношения «сигнал/шум» в этой области частот на входе тракта, на который воздействует или в котором возникает шум, включают предыскажающий контур (ПК), коэффициент передачи которого увеличивается с ростом частоты (рис. 3.30, а), а для исправления введенных частотных искажений на выходе тракта включают восстанавливающий контур (ВК), коэффициент передачи которого уменьшается с ростом частоты (рис. 3.30, б).

Рисунок 3.29 — Структурная схема системы

частотных предыскажений

Амплитудно-частотные характеристики ПК и ВК сопряжены, их суммарная АЧХ горизонтальна.

а б

Рисунок 3.30 — АЧХ предыскажающего (а)

и восстанавливающего (б) контуров

Исходя из свойств аудиосигналов, допустимый подъем коэффициента передачи ПК устанавливается в пределах 14–20 дБ. Среднестатистический выигрыш, создаваемый частотными предыскажениями, составляет 4¸5 дБ.

3.3.3 Системы шумоподавления с однократным воздействием на аудиосигнал

Пороговый шумоподавитель

Пороговые шумоподавители (Noise Gate) используются в основном в бытовой аппаратуре магнитной звукозаписи. Их работа основана на принципе автоматического уменьшения усиления в тракте воспроизведения в паузах, когда шумы проявляются наиболее сильно. Для определения паузы используется различие уровней сигнала и шума. Порог срабатывания устанавливают вручную таким, чтобы уменьшение шума не сопровождалось заметным снижением уровня слабого сигнала. Некоторые реализации пороговых шумоподавителей полностью отключают аудиосигнал от выхода звукового тракта до тех пор, пока уровень сигнала вновь не превысит установленный порог срабатывания.

Пороговый шумоподавитель позволяет уменьшить суммарный уровень шума в канале воспроизведения на 1¸2 дБ.

Динамический подавитель шума

Принцип работы системы динамического подавления шума – Dynamic Noise Reducer (DNR), основан на том, что в силу особенностей слухового восприятия уменьшение уровня звукового сигнала приводит к субъективному сужению полосы слышимых частот (см. рис. 1.4). Таким образом, соответствующее сужение полосы пропускания тракта уменьшает влияние помех, частоты которых лежат вне спектра слышимого сигнала.

Система DNR (рис. 3.31) автоматически сужает полосу пропускания звукового тракта (за счет ограничения ВЧ, где шумы особенно заметны — см. п. 3.3.2) при малых уровнях входного сигнала и расширяет — при больших. С этой целью в канал передачи аудиосигнала (как правило, на выходе усилителя воспроизведения) включен ФНЧ с управляемой граничной частотой в пределах от 800 Гц до 30 кГц (рис. 3.32). Управляющий сигнал выделяется из полезного сигнала с помощью ФВЧ (fгр=6 кГц) и формируется детектором уровня (ДУ).

Рисунок 3.31 — Структурная схема

динамического подавителя шума (DNR)

Рисунок 3.32 — АЧХ ФНЧ с управляемой частотой среза

В паузе и при небольших уровнях сигнала полоса пропускания звукового тракта устанавливается минимальной (показано сплошной линией на рис. 3.32). При увеличении громкости (уровня сигнала) полоса пропускания расширяется (показано стрелкой на рис. 3.32), но одновременно увеличивается маскировка шумов полезным сигналом и подавление шумов становится не обязательным.

В среднем, система динамического подавления шума дает выигрыш в отношении «сигнал/шум» 10¸14 дБ.

Динамический ограничитель шума

Система динамического ограничения шума — Dynamic Noise Limiter (DNL) – также применяется в случаях, когда более всего мешает шум высших частот, главным образом в паузах или при тихом воспроизведении записи [10].

Динамический ограничитель шума, структурная схема которого изображена на рисунке 3.33, работает следующим образом. Аудиосигнал поступает на фазовращатель, на выходах которого сигналы сдвинуты на 180 градусов. Один из них (U1) поступает на сумматор непосредственно, а второй (U2) — через цепь, в которую входят ФВЧ с фиксированной граничной частотой (обычно fгр»4 кГц) и система АРУ с задержкой, состоящая из регулируемого аттенюатора и детектора уровня (ДУ). Коэффициент передачи регулируемого аттенюатора обратно пропорционален управляющему напряжению, формируемому детектором уровня. Пороговый уровень сигнала U2, при котором начинает изменяться коэффициент передачи аттенюатора, выбирается примерно на 38 дБ меньше номинального.

Рисунок 3.33 — Структурная схема динамического

ограничителя шума (DNL)

Пока уровень входного аудиосигнала выше порогового значения, коэффициент передачи аттенюатора близок к нулю и полезный сигнал (U1) поступает на выход системы без изменений. Когда уровень сигнала опускается ниже порогового значения, коэффициент передачи аттенюатора соответственно повышается и составляющие спектра с частотами выше 4 кГц вычитаются в сумматоре и, таким образом, компенсируются. Амплитудно-частотные характеристики динамического ограничителя шума при разных уровнях входного сигнала приведены на рисунке 3.34.

Рисунок 3.34 — АЧХ динамического ограничителя шума

при разных уровнях входного сигнала

Система DNL дает выигрыш в отношении «сигнал/шум» на частоте 6 кГц примерно 5 дБ, а на частоте 10 кГц — до 20 дБ. DNL используется также в устройствах, предназначенных для реставрации старых фонограмм.

Система шумопонижения «HUSH»

Система ШП «HUSH» (рис. 3.35) является системой однократного воздействия и способна ослабить шум на 25 дБ без предварительной обработки сигнала [10].

Рисунок 3.35 — Структурная схема системы

шумопонижения «HUSH»: ФУН — фильтр, управляемый

напряжением; ПФ — полосовой фильтр; УУН — усилитель,

управляемый напряжением; ПД — пиковый детектор;

ДМС — детектор минимального сигнала

Система «HUSH» обеспечивает сразу два способа подавления шумов. Первый способ основан на использовании усилителя, управляемого напряжением (УУН), и позволяет ослабить уровень шума путем уменьшения усиления, когда входной сигнал становится ниже определенного уровня. Другой способ подавления шума связан с использованием фильтра, управляемого напряжением (ФУН). Он определяет верхний частотный предел для аудиосигнала и предполагает, что все, что находится выше этого предела, является шумом.

Отличительная особенность системы «HUSH» состоит в том, что она адаптивно изменяет и пороговый уровень УУН, и предельную частоту ФУН. Установка коэффициента усиления основана на том, что в звуковом материале имеются короткие паузы, единственным содержанием которых является шум. Причем большая часть спектра этого шума расположена в интервале от 3 кГц до 8 кГц. Детектор минимального сигнала (ДМС) контролирует эту область спектра и формирует адаптивное пороговое напряжение, соответствующее нижнему шумовому уровню, который для определения установки коэффициента усиления УУН сравнивается с полным входным сигналом.

Частота среза ФУН определяется разностным сигналом, полученным при сравнении нижнего уровня с полным сигналом в том же диапазоне, в котором был измерен шум. Чем выше сигнал над нижним уровнем шума, тем выше может быть частота среза ФУН, не приводящая к прослушиванию дополнительных шумов.

Система шумопонижения «Dolby HX-Pro»

Система «Dolby HX-Pro» (HX от английского Headroom eXtension — расширение перегрузочной способности) является системой адаптивного динамического подмагничивания и обеспечивает автоматическую оптимизацию тока высокочастотного подмагничивания в зависимости от уровня и спектрального состава записываемого сигнала [10]. При этом поддерживается линейность АЧХ тракта на высоких частотах при увеличении уровня записи. Эти меры позволяют расширить перегрузочную способность канала записи, что улучшает качество звука, уменьшает интермодуляционные искажения (рис. 3.36) и увеличивает отношение «сигнал/шум» на 6–8 дБ. Таким образом, система «Dolby HX-Pro» выполняет те же функции, что и СШП с однократным воздействием на сигнал, но, в отличие от вышеперечисленных систем, работает только при записи сигнала на магнитную ленту.

Так как обработка сигналов происходит только в процессе записи, то фонограммы, сделанные с применением «Dolby HX-Pro», можно воспроизводить на любом магнитофоне, а также совмещать такую систему с другими.

Рисунок 3.36 — Амплитудная характеристика канала

магнитной записи: 1 — идеальная АХ; 2 — фиксированное

подмагничивание; 3 — «Dolby HX-Pro»

3.3.4 Системы шумоподавления компандерного типа

Динамический диапазон реальных музыкальных источников звука может превышать 100 дБ (см. п. 1.3.3). Высококачественный аналоговый магнитофон обеспечивает диапазон 60 дБ между уровнями, соответствующими насыщению ленты и шуму. Записать полный динамический диапазон акустического сигнала на магнитную ленту, уменьшив влияние шумов на полезный сигнал, позволяет принцип компандирования (companding — производное от compression — сжатие и expanding — расширение). В отличие от СШП с однократным воздействием, компандерные СШП не уменьшают слышимость шумов, уже проникших в аудиосигнал, а предотвращают их появление.

Компандерная СШП состоит из компрессора (сжимателя) и экспандера (расширителя). В компрессоре, который включается перед входом усилителя записи (рис. 3.37), происходит сжатие динамического диапазона аудиосигнала за счет усиления слабых сигналов. Обработанный таким образом сигнал записывается на носитель. Небольшие уровни сигнала, которые были бы замаскированы помехами и шумами в канале записи-воспроизведения, из-за сжатия оказываются выше уровня шумов (NШ) носителя и звукового тракта.

Сигнал с выхода усилителя воспроизведения поступает на экспандер, в котором усиленный в компрессоре сигнал ослабляется до первоначального уровня, то есть происходит восстановление первоначального динамического диапазона. При этом также уменьшается и уровень шума и тем самым увеличивается отношение «сигнал/шум».

Рисунок 3.37 — Структурная схема СШП компандерного типа

и соответствующая диаграмма уровней аудиосигнала

Степень сжатия динамического диапазона аудиосигнала оценивается коэффициентом сжатия K, представляющим собой отношение уровня сигнала на выходе компрессора Pa к уровню входного сигнала Pe. Аналогично можно ввести понятие коэффициента расширения динамического диапазона, который всегда будет больше единицы и должен быть равен обратной величине к коэффициенту сжатия.

По спектру обрабатываемых сигналов компандеры делятся на три типа:

1. Широкополосные компандеры, одновременно обрабатывающие весь спектр аудиосигнала.

2. Компандеры с переменной АЧХ, обрабатывающие только часть спектра.

3. Комбинированные и многополосные компандеры.

По виду амплитудной характеристики коэффициента сжатия компандеры делятся на три типа:

1. Линейные компандеры (рис. 3.38), коэффициент сжатия которых не зависит от уровня аудиосигнала (с постоянной крутизной).

Рисунок 3.38 — Статическая характеристика

линейного компандера

2. Нелинейные компандеры, коэффициент сжатия которых зависит от уровня аудиосигнала.

3. Билинейные компандеры (рис. 3.39). Сжатие осуществляется только в определенном диапазоне уровней. За пределами этого диапазона сжатие не производится.

Наибольшее распространение получили компандерные СШП типа «Dolby», названные так по имени изобретателя (исключением является описанная выше СШП «Dolby HX-Pro», которая не является компандерной). В СШП «Dolby» используются билинейные компандеры (либо многополосные, либо с переменной АЧХ).

Рисунок 3.39 — Статическая характеристика

билинейного компандера

Система шумоподавления «Dolby-A»

Система «Dolby-A» — это СШП коммерческого назначения, разработанная для профессионального использования. Обобщенная структурная схема системы показана на рис. 3.40, а амплитудные характеристики — на рис. 3.41.

Рисунок 3.40 — Упрощенная структурная схема СШП «Dolby-A»

Регулирование производится не во всем диапазоне входных уровней, а лишь при сравнительно небольших уровнях, что уменьшает заметность переходных процессов. При больших уровнях помехи маскируются сигналом и их подавление становится необязательным.

Рисунок 3.41 — Амплитудная характеристика

сжима, расширии сквозного

тракта (3) системы «Dolby-A»

Входной аудиосигнал распределяется по двум путям, причем в основном тракте он не регулируется, а в дополнительном подвергается регулированию с помощью сжимателя, после чего обе составляющие складываются. Коэффициент передачи дополнительного тракта при больших входных сигналах мал, в результате чего сигналы большого уровня не претерпевают изменений. При малых входных уровнях коэффициент передачи дополнительного тракта увеличивается, доля сигнала этого тракта относительно основного становится больше и уровень сигнала на выходе первого сумматора возрастает. Сигнал с выхода системы поступает на сумматор через расширитель уже инвертированным и вычитается из общего сигнала, вследствие чего восстанавливаются исходные соотношения уровней.

Особенностью дополнительных трактов является разделение в них спектра сигнала на четыре части с помощью фильтров, пропускающих полосы частот 30–80; 80–3000; 3000–20000 и 9000–20000 Гц (рис. 3.42). Выбор полос пропускания определен спектром наиболее характерных шумов и помех и особенностей их восприятия слухом: 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. 3.28) и высокочастотные модуляционные помехи.

Рисунок 3.42 — Частотные характеристики фильтров

системы «Dolby-A»

В каждой из полос динамический диапазон сжимается и соответственно затем расширяется путем изменения коэффициента передачи только при уровнях, лежащих ниже определенного порогового уровня Nнорм. Сигналы с выхода компрессоров добавляются к сигналу основного тракта, а в приемной части системы соответственно вычитаются при уровнях менее Nнорм. Сигналы более высокого уровня проходят через систему без изменений. 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 «сигнал/шум» увеличивается в большей степени.

Дополнительный тракт системы «Dolby-A» универсален и используется дважды — при записи и воспроизведении. Поэтому искажения АЧХ и ФЧХ фильтрами при записи компенсируются искажениями обратного знака при воспроизведении.

Система ШП «Dolby-A» обеспечивает улучшение отношения «сигнал/шум» в диапазоне частот 30–15000 Гц примерно на 10 дБ, а на более высоких частотах — на 15 дБ.

Система шумоподавления «Dolby-B»

Система ШП «Dolby-B» (рис. 3.43) появилась в 1970 году и предназначена, в первую очередь, для борьбы с высокочастотными шумами, возникающими в бытовых магнитофонах с небольшой скоростью движения ленты.

Рисунок 3.43 — Структурная схема СШП «Dolby-B»

Система содержит два тракта прохождения аудиосигнала: основной (выше пунктирной линии на рис. 3.43) и вспомогательный (ниже пунктирной линии), выходы которых объединены с помощью сумматора. В основном тракте никаких преобразований сигнала не происходит. В состав дополнительного тракта входят ФВЧ с управляемой частотой среза (от 1,5 кГц и выше в зависимости от EУ), детектор уровня (ДУ), усилитель (коэффициент усиления K=2,3), инвертор и ограничитель. Последний срезает выбросы напряжения длительностью до 1 мс, возникающие из-за задержки срабатывания ДУ в моменты резкого повышения входного сигнала.

При записи (переключатель S1 на рис. 3.43 в верхнем положении) схема работает как компрессор. В зависимости от напряжения записываемого аудиосигнала параметры дополнительного тракта меняются автоматически таким образом, чтобы уровень сигнала на его выходе поддерживался постоянным. Причем этот уровень поддерживается постоянным не за счет изменения коэффициента передачи дополнительного тракта (как, например, в СШП «Dolby-A»), а путем сдвига граничной частоты ФВЧ. Управляющее напряжение для изменения АЧХ ФВЧ формируется детектором уровня. Чем выше уровень входного сигнала, тем дальше в область ВЧ сдвигается граничная частота ФВЧ. В результате малые уровни записываемого сигнала усиливаются за счет добавления напряжения из вспомогательного тракта. При возрастании уровня записываемого сигнала относительное приращение уменьшается. Таким образом, при записи происходит частотно-зависимое сжатие динамического диапазона сигнала (рис. 3.44).

Рисунок 3.44 — Зависимость динамического диапазона

записываемого сигнала от частоты в СШП «Dolby-B»

при разных входных уровнях

При воспроизведении (переключатель S1 на рис. 3.43 в нижнем положении) устройство работает как экспандер, уменьшающий усиление в местах с низким уровнем фонограммы. Сигнал после инвертора с выхода системы через вспомогательный тракт подводится к сумматору и вычитается из основного сигнала. Использование в экспандере того же самого вспомогательного тракта позволяет автоматически обеспечить обратный вид характеристик по отношению к компрессору (рис. 3.45) и устранить искажения, возникающие из-за некомплементарности амплитудных и фазовых характеристик компрессора и экспандера.

Система «Dolby-B» обеспечивает следующее предельное улучшение отношения «сигнал/шум» на различных частотах: 600 Гц — 3 дБ, 1200 Гц — 6 дБ, 2400Гц — 8 дБ, 5000Гц — 8 дБ, 5000…10000Гц — 10 дБ.

Рисунок 3.45 — Амплитудные характеристики СШП

«Dolby-B»: сжима, расшири, общая (3)

Система шумоподавления «Dolby-C»

Система ШП «Dolby-С» (разработана в 1983 году) позволяет улучшить отношение «сигнал/шум» на 15 дБ для частот 400…1000 Гц и на 20 дБ для частот выше 1 кГц. Это достигнуто путем последовательного включения двух каскадов «Dolby-B» (рис. 3.46), работающих в одинаковых полосах частот, но с разными порогами срабатывания. Первый каскад системы работает при уровнях сигнала, сравнимых с уровнями в «Dolby-B». Второй каскад работает при пороговом уровне сигнала, пониженном на 20 дБ. Такое разделение позволяет уменьшить выбросы уровня.

Рисунок 3.46 — Структурные схемы компрессора (а)

и экспандера (б) системы шумоподавления «Dolby-C»

Для уменьшения шумов в области СЧ частота среза ФВЧ в каскаде обработки сигнала по сравнению с «Dolby-B» уменьшена с 1,5 кГц до 375 Гц. Дополнительно введены ограничение спектра обрабатываемого сигнала и схема «антинасыщения», включенная в цепь обработки аудиосигналов с малым уровнем.

Устройство ограничения спектра сигнала, установленное перед компрессором, обеспечивает спад АЧХ на частотах выше 10 кГц (рис. 3.47). Это позволяет улучшить модуляционную способность на ВЧ канала «записи-воспроизведения» и уменьшить ошибки вследствие колебаний уровня, вызываемых выпадением сигнала. Спектр сигнала восстанавливается после экспандера в устройстве восстановления спектра.

Рисунок 3.47 — АЧХ компрессора СШП

«Dolby-С»

Схема «антинасыщения» служит для предотвращения перегрузки магнитной ленты на ВЧ и уменьшения интермодуляционных искажений.

Запись, сделанную на аппаратуре, оборудованной «Dolby-С», можно воспроизводить на магнитофонах с системой «Dolby-B» без потери качества, так как эти системы являются совместимыми.

Система шумоподавления «Dolby-SR»

Система шумоподавления «Dolby-SR» (Spectral Recording — спектральная запись) обеспечивает улучшение отношения «сигнал/шум» на 10…12 дБ больше, чем «Dolby-B», и эффективно работает практически во всем звуковом диапазоне частот. Последняя особенность позволяет успешно использовать «Dolby-SR» в кинематографе, так как энергия помех оптической фонограммы распределена по всему диапазону звуковых частот, а не только в области ВЧ как у магнитной записи.

В СШП «Dolby-SR» сигналы записываются с учётом не только их уровня, но и спектрального состава. Принцип работы системы основан на следующем. Все воспринимаемые человеком звуки находятся в области, ограниченной двумя кривыми равной громкости, соответствующими максимальному и минимальному уровням слышимости (рис. 1.8). При обработке входного сигнала, помимо компрессирования, «Dolby-SR» изменяет его АЧХ так, чтобы она в максимально возможной мере совпадала с соответствующей кривой равной громкости. На рисунке 3.48 приведены две АЧХ — исходного сигнала (прямая пунктирная линия) и его же — после указанной обработки (верхняя пунктирная кривая).

Рисунок 3.48 — АЧХ сигнала до и после обработки

системой «Dolby-SR»

На рисунке 3.49 пунктирными линиями изображены спектр входного сигнала, преобразованный кодером «Dolby-SR» (верхняя кривая), и спектр широкополосного шума тракта «записи-воспроизведения» (нижняя прямая).

Рисунок 3.49 — АЧХ записываемого сигнала

и широкополосного шума

На рисунке 3.50 верхняя пунктирная прямая изображает спектр записанного сигнала после его восстановления на воспроизводящей стороне (на выходе декодера «Dolby-SR»), а нижняя пунктирная кривая — это спектр шума тракта, получающийся после декодера. Здесь же приведена низшая из кривых равной громкости, соответствующая порогу слышимости (сплошная кривая).

Рисунок 3.50 — Спектр полезного сигнала

и шума после декодера «Dolby-SR»

Из приведенных рисунков видно, что помимо восстановления исходного сигнала произошло и перераспределение спектра шумов. В области НЧ и ВЧ уровень шума даже повысился, но из-за малой чувствительности слуха на краях диапазона эти шумы не слышны (их интенсивность лежит ниже порога слышимости). В области СЧ, где чувствительность уха максимальна, шум значительно уменьшился, благодаря чему общий уровень воспринимаемых ухом шумов значительно ослабился.

Таким образом, в СШП «Dolby-SR» производится изменение АЧХ и компрессирование сигнала в кодере с последующим его экспандированием в декодере. Все эти функции выполняются одними и теми же узлами — частотнозависимыми компрессорами. Для этого разработана особая конструкция компрессора, который совмещен со скользящим фильтром. При его работе одновременно изменяется и АЧХ сигнала, и осуществляется его компрессия и экспандирование.

Система шумоподавления dbx

Система dbx (разработана в 1975 году) применяется в бытовой и профессиональной аудиотехнике. В системе используется широкополосный линейный компандер с коэффициентом сжатия (рис. 3.51).

Рисунок 3.51 — Характеристика сжатия системы dbx

На рисунке 3.52 показана структурная схема компандера dbx и соответствующая диаграмма уровней аудиосигнала.

Рисунок 3.52 — Упрощенная структурная схема системы dbx

и диаграмма уровней аудиосигнала

До записи аудиосигнал проходит через фиксированный предкорректор верхних частот (ПК), который обеспечивает подъем уровней сигнала в области выше 2 кГц на 10 дБ (рис. 3.53, а). Эта мера позволяет понизить уровень высокочастотного шума в канале воспроизведения. Затем динамический диапазон аудиосигнала сжимается в компрессоре, состоящем из усилителя управляемого напряжением (УУН) и детектора эффективного уровня сигнала (Дет.). Коэффициент усиления управляемого усилителя в логарифмическом масштабе линейно связан с управляющим напряжением UУПР. При воспроизведении аудиосигнал проходит через экспандер, где расширяется его динамический диапазон, и через выходной частотный корректор (ВК), компенсирующий предварительный подъем верхних частот (рис. 3.53, б).

а б

Рисунок 3.53 — Амплитудно-частотная характеристика ПК (а) и ВК (б)

Система шумопонижения dbx заметно превосходит системы «Dolby» по эффективности подавления шумов [10]. Однако она не получила широкого распространения, так как записи, сделанные с применением dbx-преобразования, нельзя использовать без обратного преобразования, в то время как записи, выполненные с использованием «Dolby», могут звучать вполне приемлемо для некритичного слушателя, если убавить высокие частоты регулятором тембра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современная звукотехника развивается в двух основных направлениях. Во-первых, это все более расширяющееся применение интегральных схем и, во-вторых, использование цифровой техники не только для управления и регулирования, но и для передачи сигналов. Управляющие звенья, где все чаще используются средства цифровой техники, это такие электронные устройства, как переключатели, регуляторы громкости, тембра, эквалайзеры, высокоэффективные системы шумоподавления и т. д. Быстро прогрессирующие возможности интегральной схемотехники прежде всего используются в указанных областях.

При обработке сигналов в электронных звуковых устройствах стремятся по возможности более полно сохранить содержащуюся в сигналах информацию. При этом объективная оценка качества звукотехнических устройств осуществляется по следующим основным показателям:

-  линейные искажения (неравномерность амплитудно - и фазочастотной характеристик);

-  нелинейные искажения и паразитная модуляция (появление новых составляющих в частотном спектре сигнала, вариации уровня и частоты подаваемых сигналов);

-  относительный уровень помех (отношение сигнал/по-меха).

Совершенствующиеся методы анализа звукотехнических схем позволяют вскрывать все новые причины, приводящие к искажениям при воспроизведении. Решающую роль при анализе электронных схем звукового оборудования играют расчеты и моделирование на ЭВМ, а при конструировании — машинное проектирование. Значителен прогресс и в технике звукотехнических измерений. Только благодаря новым методам и средствам измерений стало возможным объективное подтверждение самых различных эффектов, предсказуемых на основе расчетов. Так, например, на практике выявлено, что гораздо большее влияние на слушателя оказывает не повышение качества звучания (т. е. отсутствие шумов и искажений), а увеличение числа каналов воспроизведения. Моделирование звуковых систем и звукового поля, ими создаваемого, позволяет определять их пространственные характеристики, создавать новые эффективные схемы звуковых систем, а также проектировать адаптивные системы и звуковые процессоры.

Во второй части данного учебного пособия рассматриваются процессы записи и воспроизведения для различных носителей звуковой информации, принципы построения и работы устройств звуковоспроизведения, аппарат и форматы цифровой записи, хранения и обработки цифровых аудиосигналов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Козюренко звуковоспроизведение. — М.: Радио и Связь, 1993. — 144 с.

2.  Справочное руководство по звуковой схемотехнике. — М.: Мир, 1991. — 446 с.

3.  , Болотников схемы высококачественного звуковоспроизведения. — М.: Радио и связь, 1986. — 136 с.

4.  Ковалгин . — М.: Радио и связь, 1989. — 272 с.

5.  , , Гензель основы стереофонии. — М.: Связь, 1978. — 336 с.

6.  , Ковалгин воспроизведение звука. — М.: Радио и связь, 1981. — 184 с.

7.  Кинг по звукотехнике. — Л.: Энергия, 1980. — 384 с.

8.  , Болотников узлы усилителей высококачественного звуковоспроизведения. — М.: Радио и Связь, 1989. — 144 с.

9.  Куликов аудиоаппаратура. Ремонт и обслуживание: Учебное пособие. — М.: ДМК Пресс, 2001. — 320 с.

10.  Устройство аудио - и видеоаппаратуры. — М: ДМК, 2001. — 288 с.