Sui principi di funzionamento dei soppressori di rumore. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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I problemi della riduzione del rumore nei dispositivi di registrazione magnetica attirano ancora l'attenzione dei radioamatori e degli utenti di apparecchiature audio. Ciò è facilitato dall'uso diffuso di registratori a nastro importati dotati di vari sistemi di riduzione del rumore.

La mancanza di informazioni è in parte dovuta al fatto che le istruzioni per l'uso dell'apparecchiatura non contengono informazioni sulle caratteristiche dell'implementazione e dell'uso dei sistemi embedded. Di conseguenza, circolano ogni sorta di speculazioni, ma permangono problemi di qualità audio.

Innanzitutto, vale la pena notare che la parola "soppressore di rumore" si riferisce a due tipi di sistemi fondamentalmente diversi: uno di essi è progettato per rimuovere il rumore già presente nel fonogramma (in inglese Denoiser), e l'altro per impedire l'accumulo di rumore durante la trasmissione o la registrazione dei segnali (Noise Reductor) . Questa ambiguità genera spesso confusione e fraintendimenti, pertanto, per designare sistemi del primo tipo in ambito professionale, è consuetudine utilizzare la parola inglese - "donozer" per distinguerli dai sistemi del secondo tipo. I denoiser ben noti sono filtri dinamici (DNL, DNR, HUSH, "Mayak"), il cui principio si basa sulla riduzione simultanea di guadagno, segnale e rumore in una parte separata dello spettro (solitamente HF), dove l'utile segnale può essere trascurato. Il loro vantaggio è la loro idoneità a lavorare con qualsiasi sorgente di segnale e un grave inconveniente è l'inevitabile perdita di alcune informazioni.

Ora i denoiser vengono utilizzati principalmente per "ripulire" i record vecchi (o tecnicamente falliti). Sono usati raramente nelle apparecchiature domestiche, di solito solo come ausilio: dopotutto, per ottenere il risultato ottimale, è necessaria la regolazione manuale o automatica su uno specifico fonogramma. Il denoiser professionale può essere realizzato come dispositivo autonomo (analogico o digitale) o come programma per un computer. Prendiamo come esempio il pacchetto software NoNoise di Sonic Solutions. Puoi farti un'idea del suo lavoro ascoltando i dischi "The Beatles Live at the BBC".

Il denoiser analogico di altissima qualità noto all'autore è stato realizzato da Orban. Questo filtro dinamico a cinque bande ha una capacità unica di analizzare sia il livello che il tipo di segnale, impedendo che i suoni di riverbero e le percussioni ad alta frequenza a bassa frequenza vengano consumati. I sistemi del secondo tipo (Dolby, dbx, High-Corn, Super-D, ecc.) elaborano il segnale due volte: la prima volta prima della registrazione o della trasmissione e la seconda volta durante la ricezione o la riproduzione. Pertanto, sono anche chiamati complementari, in contrasto con i sistemi del primo tipo, che hanno ricevuto il nome condizionale di non complementare. Poiché il lavoro dei sistemi complementari si basa sull'uso di una combinazione di un compressore e di un espansore di gamma dinamica, sono spesso chiamati compander o semplicemente compander (COMpressor + exPANDER).

I compander generalmente forniscono una maggiore riduzione del rumore e una minore distorsione nel segnale musicale rispetto ai denoiser. Tuttavia, impongono determinati requisiti al canale di ricezione-trasmissione (o registrazione-riproduzione) e, di conseguenza, sono più "capricciosi" nell'applicazione.

L'idea principale, ma non discutibile, su cui si basano tutti i sistemi di riduzione del rumore (UWB), e non solo quelli compander. è il presupposto che. quel rumore altera la percezione dei soli segnali deboli, e con un segnale forte (alto volume) non è udibile per l'effetto di mascherare un suono debole con uno più forte.

Seguendo questa logica, non è necessario che il livello di rumore sia costante sia in assenza che in presenza di un segnale utile. Cioè, un aumento del livello di rumore assoluto con l'aumento del livello del segnale è considerato accettabile e impercettibile a orecchio. Questa ipotesi apre la strada alla costruzione di sistemi compander, in cui i guadagni di entrambe le metà (compressore ed espansore) cambiano a seconda del livello del segnale.

In pratica, ciò significa che i segnali deboli vengono amplificati prima di essere immessi nel canale di trasmissione (ad esempio, a un registratore), mentre un segnale forte passa senza modifiche (o addirittura attenua). Questa operazione è chiamata compressione (compressione) della gamma dinamica. All'altra estremità del canale viene eseguita una conversione inversa, a seguito della quale il segnale viene portato all'intervallo di livello originale e il rumore viene ridotto con un segnale debole.

Ovviamente, implementando un tale sistema, la gamma dinamica, misurata come rapporto tra il massimo segnale trasmesso e il rumore in assenza di segnale, può superare significativamente lo stesso rapporto misurato per il canale di trasmissione stesso. È chiaro che è la prima cifra (più grande) che appare come valore della gamma dinamica nelle caratteristiche UWB.

Tuttavia, caratterizza piuttosto l'intervallo di livelli accettabili del segnale di ingresso, mentre il rapporto segnale/rumore in presenza di un segnale (ovvero il rapporto segnale/rumore istantaneo) è determinato principalmente dalle caratteristiche di il canale di trasmissione stesso. Senza misure aggiuntive, come un'equalizzazione di frequenza speciale, l'uso di sistemi multibanda o un equalizzatore con risposta dinamica in frequenza, il rapporto segnale/rumore in presenza di un segnale non può superare quello di un canale non silenziato. In poche parole, se si sente il rumore nel canale anche al livello massimo del segnale, non c'è guadagno dall'uso del companding. Per quanto sfortunato possa sembrare, questo è esattamente ciò che accade nella maggior parte dei casi. È collegato al fatto che l'ipotesi diffusa che qualsiasi suono forte renda non udibile (maschere) qualsiasi suono debole, incluso il rumore, generalmente non è vera.

Gli esperti di psicoacustica (la scienza della percezione umana dei suoni) hanno stabilito molti decenni fa che il fenomeno del mascheramento opera solo in un intervallo di frequenza limitato, principalmente vicino alla frequenza di un segnale forte (mascheramento). Ciò si riflette più chiaramente nelle cosiddette "curve di mascheramento" (Fig. 1, 2), dalle quali, in particolare, ne consegue che in presenza di suoni a banda stretta con un volume fino a 90 ... 95 phon2, l'udito umano a un certo numero di frequenze è ancora in grado di distinguere i suoni, che sono vicini alla soglia dell'udito in assenza di un segnale di mascheramento. E solo un aumento del volume superiore a circa 95 phon porta a una diminuzione riflessa della sensibilità, proteggendo l'orecchio dai danni.

Riso. 1. Curve di mascheramento del tono puro mediante rumori a banda stretta con frequenze centrali 0,25; 1 e 4kHz

Riso. 2 Curve di mascheramento del tono di controllo (a seconda della frequenza e del livello) con un altro tono puro con una frequenza di 1,2 kHz e un livello di pressione sonora di 80 dB. Da Licklider (1951), Fletcher (1929), Wegel e Lane. La frequenza di interferenza è mostrata in rosso, la curva di mascheramento in verde. Non si sente un tono al di sotto di questa curva. Un tono di prova con livello e frequenza che rientrano nelle aree ombreggiate crea battiti; se questo tono ha un livello superiore a quello delineato dalla linea blu tratteggiata, si sentirà una miscela di più toni (prodotti di intermodulazione nelle orecchie). Quando il livello del tono di prova è nell'intervallo dalla linea gialla alla linea blu, si sentono rumore, tono di prova e tono di differenza, e se il livello si trova nell'intervallo dalla linea verde al giallo - rumore e tono della frequenza di differenza. A sinistra della linea verde, il rumore e il tono di prova vengono uditi separatamente.

Pertanto, l'orecchio umano ha una sorta di compressore della gamma dinamica che gli consente di lavorare con segnali nella gamma dinamica di circa 130 dB, con una gamma dinamica percepita simultaneamente (istantanea) di circa 90 dB. Pertanto, se in presenza di un segnale, il rumore e la distorsione non superano la soglia assoluta di udibilità o - 90 dB rispetto al livello massimo del segnale (tenendo conto della sensibilità uditiva irregolare), non si sentiranno né rumore né distorsione in nessuna condizioni (e segnali). Tuttavia, queste condizioni non sono fornite nemmeno dalla maggior parte degli amplificatori, per non parlare dei registratori.

Pertanto, un altro approccio è più realistico: è necessario adottare misure per garantire che durante la riproduzione di vari segnali, gli spettri dei prodotti di rumore e distorsione del sistema di trasmissione del suono vadano il più possibile al di sotto delle curve di mascheramento di questi segnali. In particolare, per i prodotti di distorsione di intermodulazione, ciò significa che la formazione di toni differenza durante l'elaborazione di segnali ad alta frequenza, nonché toni somma da segnali a bassa frequenza, è altamente indesiderabile. Allo stesso tempo, la distorsione armonica dei toni fondamentali potrebbe essere di -50 dB e passare inosservata.

Quanto ai rumori, la natura della loro percezione è diversa da quella dei suoni "organizzati". La capacità dell'udito umano di percepire il rumore dipende dallo spettro e dalla velocità di variazione del segnale utile e dal rapporto segnale-rumore consentito in presenza di un segnale con un livello di 85 ... 95 dB (rispetto a la soglia uditiva) va da 40... segnale, fino a circa 45...75 dB per i toni puri, specialmente ai bordi della banda di frequenza audio. In media, è di 85 ... 50 dB.

Sulla base di ciò, possiamo dire che nella maggior parte dei casi i soppressori di rumore del compander di registrazione magnetica funzionano "sull'orlo di un fallo". Anche se il compressore e l'espansore sono perfettamente abbinati, se il canale di registrazione-riproduzione ha un rapporto segnale/rumore in presenza di un segnale massimo inferiore a 80 dB, potrebbero esserci situazioni in cui si sentirà ancora del rumore.

Il livello di rumore relativo nei canali di registrazione-riproduzione dei registratori analogici, anche in assenza di segnale, di norma non raggiunge i -80 dB. Apparendo nelle descrizioni di alcuni registratori domestici (ad esempio, Tandberg SE-20), questo valore è stato raggiunto attraverso l'uso di una correzione di frequenza non standard, ma con una perdita di capacità di sovraccarico alle frequenze più alte.

Inoltre, in presenza di un segnale, il livello di rumore in un registratore analogico aumenta sempre, attestandosi su un valore compreso tra -35 e -60 dB al livello nominale del segnale. Questo aumento del rumore è causato dalla presenza di un segnale ed è approssimativamente proporzionale alla potenza del segnale. Ecco perché si chiama rumore di modulazione.

Quando si registra un tono puro con un livello nominale, lo spettro del rumore di modulazione su un registratore a nastro di buona qualità è costituito da due componenti: bande laterali relativamente strette causate dall'ampiezza parassita e dalla modulazione di frequenza del segnale registrato e rumore a banda larga che supera il livello di rumore di pausa da 10 ... 25 dB, a seconda della frequenza del segnale e della qualità del nastro.

Le bande laterali, a meno che il loro livello totale non superi -40...-46 dB, con la loro piccola ampiezza (inferiore al 5...8% della frequenza centrale), non sono quasi mai udibili, in quanto sotto il corrispondente mascheramento curva (Fig. 3a e 3b).

Riso. 3a. Rumore di modulazione in un registratore a cassette alla velocità nominale e correzione di 70 µs. La linea nera è la dipendenza dalla frequenza della soglia uditiva del rumore di un terzo di ottava, la linea blu è la dipendenza dalla frequenza del rumore di un terzo di ottava di una pausa (*0 dB "sul nastro, cioè 250 mWb / m corrisponde a un livello di pressione sonora di 60 dB), la linea rossa è lo spettro del segnale di 315 Hz con livello 0 dB e la linea verde è la curva di mascheramento Come si può vedere, a frequenze superiori a 2 kHz, non c'è mascheramento e l'aumento di il rumore ad alta frequenza in presenza di un segnale a bassa frequenza diventa chiaramente udibile.

Riso. 3b. Lo stesso, ma la frequenza del segnale è 3150 Hz. Si può notare che la parte a bassa frequenza della componente a banda larga del rumore di modulazione, che non è mascherata dal segnale utile, è la più udibile. Questa è la ragione principale della "torbidità" e della "sporcizia" nel suono dei piatti, delle campane e delle note alte dei violini.

La componente a banda larga, quando si riproducono toni puri, si sente abbastanza spesso (sotto forma di suono "sporco") anche su un registratore master da studio, poiché il suo livello complessivo è raramente inferiore a -50 dB rispetto al livello del segnale. Sfortunatamente, ci sono solo due modi per ridurre il livello della componente di rumore di modulazione a banda larga: migliorare la qualità dei nastri e aumentare l'ampiezza delle tracce di registrazione (ogni raddoppio dà un guadagno di soli 3 dB).

Il rumore della modulazione crea molti problemi: ogni colpo sui tasti del pianoforte è accompagnato da scoppiettii, come se fossero coperti di carta, le canne dei bassi dell'organo sono molto sibilanti, gli strumenti a corda iniziano ad assomigliare a strumenti a fiato, "la sabbia è versando" dai piatti, ecc. A proposito, il motivo principale delle differenze udibili quando si utilizzano diversi tipi di nastri magnetici, è proprio la differenza nella quantità di distorsione di intermodulazione e nel livello (così come la dipendenza dalla frequenza) del rumore di modulazione.

L'unico modo per ridurre la visibilità della crescita del rumore a banda larga in presenza di un segnale - il cosiddetto "respiro" (respiro) o "pompaggio" (pompaggio) - è introdurre l'equalizzazione della frequenza nel segnale registrato in modo che la frequenza inversa l'equalizzazione durante la riproduzione attenua le parti dello spettro del rumore che non sono mascherate dal segnale desiderato (Fig. 4).

Riso. 4a. Il grado di dipendenza del rumore di modulazione può essere ridotto se, durante la riproduzione, si attenuano quelle parti dello spettro in cui non è mascherato dal segnale. Quindi, per i segnali a bassa frequenza (fino a 400 Hz), il ruolo di tale filtro adattivo può essere svolto dall'espansore del soppressore di rumore Dolby-B. La sua risposta in frequenza è mostrata nella parte superiore della figura e lo spettro del segnale risultante è mostrato come una linea arancione.

Riso. 4b. Lo stesso, ma la frequenza utile del segnale è 3150 Hz. Si può vedere che la risposta in frequenza richiesta del filtro, che riduce la visibilità del rumore di modulazione, risulta essere completamente diversa - con un "passo".

Questa correzione di frequenza può essere eseguita in diversi modi. La prima e più ovvia è la divisione dello spettro del segnale in bande separate, ognuna delle quali ha il proprio compander. Per questo motivo, la presenza di un segnale forte in una delle bande non comporta la comparsa di rumore nelle altre. È stato a lungo stabilito che per garantire una qualità accettabile di funzionamento di un tale sistema, sono necessarie da quattro a sette bande, il che complica notevolmente la progettazione del soppressore di rumore e rende il suo funzionamento fondamentale per l'accuratezza della risposta in frequenza della registrazione- canale di riproduzione. Pertanto, il Dolby-A a quattro bande costruito secondo questo principio richiede la regolazione della risposta in frequenza del registratore con un errore non superiore a ± 0,3 ... 0,5 dB.

Il secondo metodo più semplice consiste nell'utilizzare una rete di equalizzazione a frequenza fissa, scelta in modo tale che per la maggior parte dei segnali sia fornita una risposta in frequenza vicina all'ottimale per sopprimere il rumore a banda larga. La qualità del funzionamento di un tale sistema dipende molto dalla selezione competente delle caratteristiche di correzione. Un approccio simile viene utilizzato nella maggior parte dei compander a banda larga (High Com, ADRS, dbx, ecc.). Sfortunatamente, le caratteristiche di correzione nei compander a banda larga noti all'autore sono tutt'altro che ottimali.

Il terzo modo è utilizzare i compander con risposta in frequenza adattiva, che si adattano automaticamente allo spettro del segnale di ingresso. Questo approccio (in combinazione con una catena con una risposta in frequenza fissa) è implementato nel sistema Dolby-S / SR.La natura del cambiamento nelle caratteristiche di frequenza del compressore è mostrata in fig. 5. Un sistema con una risposta in frequenza adattativa, di regola, elabora perfettamente singoli toni puri e strumenti monofonici, ma, purtroppo, le possibilità di adattamento sono limitate su un segnale reale. Quindi, nel sistema Dolby-S / SR, in presenza di segnali a banda larga, l'allungamento delle frequenze medie durante la registrazione si interrompe. Durante la riproduzione, ciò porta a "scoperte" di rumore e distorsione nella gamma di frequenze da circa 500 ... 800 Hz a 2 ... 4 kHz ("medio innaturale").

Riso. Fig. 5. Famiglia di risposta in frequenza dell'encoder Dolby-SR a diversi livelli di segnale a 200 Hz (linee marroni) ea 3 kHz (linee blu). L'uso di caratteristiche di frequenza inversa durante la riproduzione può ridurre significativamente la visibilità del rumore convenzionale, tecnologico e di modulazione.

Naturalmente, sono possibili anche combinazioni di questi metodi.

Tutti i metodi discussi sopra presuppongono che le caratteristiche di tempo e livello del compressore e dell'espansore siano le stesse e che il canale di registrazione-riproduzione non distorca la struttura dei segnali. In pratica, non puoi contare su questo, quindi inevitabilmente si verificano errori di tracciamento nei sistemi compander. La loro influenza sul segnale finale dipende fortemente dalla struttura del sistema, ma si riduce principalmente a due punti: alla distorsione dei processi di salita e discesa dei suoni, che ne modifica il timbro, e alla comparsa di rumori di funzionamento (clic e pop).

Il motivo principale della comparsa di clic e pop è, ad esempio, il fatto seguente. Quando il compressore reagisce rapidamente a un salto di livello del segnale (ad esempio, quando si battono le mani), tutte le frequenze nella banda elaborata dal compressore vengono attenuate contemporaneamente. A causa degli sfasamenti, i componenti di frequenze diverse arrivano all'espansore con un ritardo, ma vengono elaborati contemporaneamente. Di conseguenza, nel segnale di uscita compaiono errori di impulso e, di conseguenza, scatti di attivazione (vedere Fig. 6a e 6b).

Riso. 6, un. Influenza della distorsione di fase nel canale di trasmissione del segnale compresso, dall'alto verso il basso: forma d'onda del segnale di ingresso (oscillazione a media frequenza smorzata sovrapposta a un segnale a bassa frequenza più debole), forma d'onda del segnale di uscita del compressore, forma d'onda del segnale distorta in fase, forma d'onda del segnale espansa. Sono visibili un grande errore e un'interferenza.

Riso. 6b. "Mangiare" l'attacco di un segnale musicale durante l'espansione dovuto alle distorsioni di fase del segnale compresso (sequenza di oscillogrammi, come nella figura precedente). Uno scoppio è visibile anche quando il compressore è attivato.

Per quanto riguarda gli errori nel livello del segnale, molto spesso sorgono a causa di errori nella risposta in frequenza o nel coefficiente di trasmissione del canale di registrazione-riproduzione. Un'altra causa di errori è la modulazione di ampiezza parassita del segnale nel canale di registrazione-riproduzione.

Infine, a bassi livelli di segnale, la penetrazione di varie interferenze nel circuito di controllo di un compressore o di un espansore presenta un problema. Per ridurre la penetrazione dei disturbi in radiofrequenza (e infrabassa) agli ingressi del compander, è indispensabile disporre di filtri passa-banda che tagliano i segnali con frequenze al di fuori della banda di frequenza audio. L'assenza di un tale filtro porta spesso all'inoperabilità del soppressore di rumore in condizioni reali.

È proprio a causa delle circostanze sopra elencate che il suono di un registratore dotato di uno qualsiasi dei ben noti compander non sarà esente da problemi. Sfortunatamente, il denoiser compander perfetto (o quasi impeccabile) non esiste oggi. Inoltre, in connessione con lo sviluppo delle tecnologie digitali, l'attenzione principale degli sviluppatori UWB è rivolta alla creazione di denoiser. Tuttavia, al momento sono in corso lavori per migliorare i compander. Gli sviluppi di successo includono, ad esempio, un compander nel canale audio di un sistema di registrazione video VHS-HiFi.

Tuttavia, Dolby-B / C è ancora utilizzato nei registratori di cassette di massa, meno spesso Dolby-S o dbx. Pertanto, ogni volta, prima di premere il pulsante, vale la pena considerare se è necessario utilizzare questo compander per questa registrazione? E se la registrazione originale su un CD è di qualità media e un registratore.

Autore: S. Ageev, Mosca

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