Sobre os princípios de operação dos supressores de ruído. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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As questões de redução de ruído em dispositivos de gravação magnética ainda atraem a atenção de radioamadores e usuários de equipamentos de áudio. Isso é facilitado pelo uso generalizado de gravadores importados equipados com vários sistemas de redução de ruído.

A falta de informação se deve, em parte, ao fato de as instruções de operação dos equipamentos não conterem informações sobre as características de implementação e uso de sistemas embarcados. Como resultado, todos os tipos de especulações estão circulando, mas os problemas de qualidade de áudio permanecem.

Em primeiro lugar, é importante notar que a palavra "supressor de ruído" refere-se a dois tipos de sistemas fundamentalmente diferentes: um deles é projetado para remover o ruído já presente no fonograma (em inglês Denoiser) e o outro - para evitar o acúmulo de ruído durante a transmissão ou gravação de sinais (Noise Reductor) . Essa ambiguidade muitas vezes dá origem a confusão e mal-entendidos, portanto, para designar sistemas do primeiro tipo em um ambiente profissional, costuma-se usar a palavra inglesa - "donozer" para distingui-los dos sistemas do segundo tipo. Denoisers conhecidos são filtros dinâmicos (DNL, DNR, HUSH, "Mayak"), cujo princípio é baseado na redução simultânea de ganho e sinal e ruído em uma parte separada do espectro (geralmente HF), onde o útil sinal pode ser desprezado. Sua vantagem é a adequação para trabalhar com qualquer fonte de sinal, e uma séria desvantagem é a perda inevitável de algumas informações.

Agora, os denoisers são usados ​​​​principalmente para "limpar" registros antigos (ou tecnicamente malsucedidos). Raramente são utilizados em equipamentos domésticos, geralmente apenas como auxílio: afinal, para obter o resultado ideal, é necessário o ajuste manual ou automático de um fonograma específico. O denoiser profissional pode ser feito como um dispositivo autônomo (analógico ou digital) ou como um programa para um computador. Vamos usar o pacote de software NoNoise da Sonic Solutions como exemplo. Você pode ter uma ideia de seu trabalho ouvindo os discos "The Beatles Live at the BBC".

O denoiser analógico de mais alta qualidade conhecido pelo autor foi feito por Orban. Este filtro dinâmico de cinco bandas tem uma capacidade única de analisar o nível e o tipo de sinal, evitando que sons de reverberação e percussão de alta frequência de baixa frequência sejam consumidos. Os sistemas do segundo tipo (Dolby, dbx, High-Corn, Super-D, etc.) processam o sinal duas vezes: a primeira vez antes da gravação ou transmissão e a segunda vez durante a recepção ou reprodução. Portanto, eles também são chamados de complementares, ao contrário dos sistemas do primeiro tipo, que receberam o nome condicional de não complementares. Como o trabalho de sistemas complementares é baseado no uso de uma combinação de um compressor e um expansor de faixa dinâmica, eles são freqüentemente chamados de companders ou simplesmente companders (COMpressor + exPANDER).

Os Companders geralmente fornecem mais redução de ruído e menos distorção no sinal de música do que os denoisers. No entanto, eles impõem certos requisitos ao canal de recepção-transmissão (ou gravação-reprodução) e, como resultado, são mais "caprichosos" na aplicação.

A ideia principal, mas não discutível, na qual se baseiam todos os sistemas de redução de ruído (UWBs), e não apenas os compander. é a suposição de que. esse ruído prejudica a percepção apenas de sinais fracos, e com sinal forte (volume alto) não é audível devido ao efeito de mascarar um som fraco por um mais forte.

Seguindo essa lógica, não há necessidade de o nível de ruído ser constante tanto na ausência quanto na presença de um sinal útil. Ou seja, um aumento no nível de ruído absoluto com o aumento do nível de sinal é considerado aceitável e imperceptível pelo ouvido. Essa suposição abre caminho para a construção de sistemas compander, nos quais os ganhos de ambas as metades (compressor e expansor) mudam dependendo do nível do sinal.

Na prática, isso significa que os sinais fracos são amplificados antes de serem alimentados no canal de transmissão (por exemplo, para um gravador), enquanto um sinal forte passa sem alterações (ou até atenua). Esta operação é chamada de compressão (compressão) da faixa dinâmica. Na outra extremidade do canal, é realizada uma conversão inversa, como resultado da qual o sinal é trazido para a faixa de nível original e o ruído é reduzido com um sinal fraco.

Obviamente, ao implementar tal sistema, a faixa dinâmica, medida como a relação entre o sinal máximo transmitido e o ruído na ausência de sinal, pode exceder significativamente a mesma relação medida para o próprio canal de transmissão. É claro que é o primeiro dígito (tão grande) que aparece como o valor da faixa dinâmica nas características UWB.

No entanto, caracteriza, em vez disso, a faixa de níveis aceitáveis ​​do sinal de entrada, enquanto a relação sinal-ruído na presença de um sinal (isto é, a relação sinal-ruído instantânea) é determinada principalmente pelas características de o próprio canal de transmissão. Sem medidas adicionais, como equalização de frequência especial, uso de sistemas multibanda ou um equalizador de resposta de frequência dinâmica, a relação sinal-ruído na presença de um sinal não pode exceder a de um canal não silenciado. Simplificando, se o ruído no canal for ouvido mesmo no nível de sinal máximo, não haverá ganho com o uso do companding. Por mais lamentável que possa parecer, é exatamente isso que acontece na maioria dos casos. Está relacionado com o fato de que a suposição comum de que qualquer som alto torna inaudível (mascara) qualquer som fraco, inclusive o ruído, geralmente não é verdadeira.

Especialistas em psicoacústica (a ciência da percepção humana dos sons) estabeleceram o fato, muitas décadas atrás, de que o fenômeno de mascaramento opera apenas em uma faixa de frequência limitada, principalmente perto da frequência de um sinal alto (mascaramento). Isso é mais claramente refletido pelas chamadas "curvas de máscara" (Fig. 1, 2), das quais, em particular, segue-se que na presença de sons de banda estreita com volume de até 90 ... 95 phon2, a audição humana em várias frequências ainda é capaz de distinguir sons , que estão próximos do limiar da audição na ausência de um sinal de mascaramento. E apenas um aumento no volume acima de cerca de 95 phon leva a uma diminuição reflexa da sensibilidade, protegendo o ouvido de danos.

Arroz. 1. Curvas de mascaramento de tons puros por ruídos de banda estreita com frequências centrais 0,25; 1 e 4 kHz

Arroz. 2 Curvas de mascaramento de tom de controle (dependendo de sua frequência e nível) por outro tom puro com frequência de 1,2 kHz e nível de pressão sonora de 80 dB. De Licklider (1951), Fletcher (1929), Wegel e Lane. A frequência de interferência é mostrada em vermelho, a curva de mascaramento em verde. Um tom abaixo desta curva não é ouvido. Um tom de teste com nível e frequência caindo dentro das áreas sombreadas cria batidas; se este tom tiver um nível acima do traçado pela linha tracejada azul, então será ouvida uma mistura de vários tons (produtos de intermodulação nos ouvidos). Quando o nível do tom de teste está no intervalo da linha amarela à linha azul, ruído, tom de teste e tom de diferença são ouvidos, e se o nível estiver no intervalo da linha verde ao amarelo - ruído e tom da frequência de diferença. À esquerda da linha verde, o ruído e o tom de teste são ouvidos separadamente.

Assim, o ouvido humano possui uma espécie de compressor de faixa dinâmica que permite trabalhar com sinais na faixa dinâmica de cerca de 130 dB, com uma faixa dinâmica simultaneamente percebida (instantânea) de cerca de 90 dB. Portanto, se na presença de um sinal, o ruído e a distorção não excederem o limite absoluto de audibilidade ou - 90 dB em relação ao nível máximo do sinal (levando em consideração a sensibilidade auditiva desigual), nem o ruído nem a distorção serão ouvidos sob qualquer condições (e sinais). No entanto, essas condições não são fornecidas nem mesmo pela maioria dos amplificadores, para não mencionar os gravadores.

Portanto, uma abordagem diferente é mais realista: é necessário tomar medidas para garantir que, quando vários sinais são reproduzidos, os espectros de ruído e produtos de distorção do sistema de transmissão de som passem o mais longe possível abaixo das curvas de mascaramento desses sinais. Em particular, para produtos de distorção de intermodulação, isso significa que a formação de tons de diferença durante o processamento de sinais de alta frequência, bem como tons de soma de sinais de baixa frequência, é altamente indesejável. Ao mesmo tempo, a distorção harmônica dos tons fundamentais pode ser de -50 dB e passar despercebida.

Quanto aos ruídos, a natureza de sua percepção é diferente da dos sons "organizados". A capacidade da audição humana de perceber o ruído depende do espectro e da taxa de mudança do sinal útil, e da relação sinal-ruído permitida na presença de um sinal com um nível de 85 ... 95 dB (relativo a o limiar de audição) é de 40 ... sinal, até cerca de 45...75 dB para tons puros, especialmente nas bordas da banda de freqüência de áudio. Em média, é de 85 ... 50 dB.

Com base nisso, podemos dizer que os supressores de ruído do compander de gravação magnética funcionam na maioria dos casos "à beira de uma falha". Mesmo que o compressor e o expansor sejam perfeitamente combinados, se o canal de gravação/reprodução tiver uma relação sinal/ruído na presença de um sinal máximo inferior a 80 dB, pode haver situações em que o ruído ainda será ouvido.

O nível de ruído relativo nos canais de gravação e reprodução de gravadores analógicos, mesmo na ausência de sinal, via de regra, não atinge -80 dB. Aparecendo nas descrições de alguns gravadores domésticos (por exemplo, Tandberg SE-20), esse valor foi alcançado por meio do uso de correção de frequência não padrão, mas com perda de capacidade de sobrecarga em frequências mais altas.

Além disso, na presença de um sinal, o nível de ruído em um gravador analógico sempre aumenta, chegando a um valor de -35 a -60 dB no nível do sinal nominal. Esse aumento de ruído é causado pela presença de um sinal e é aproximadamente proporcional à força do sinal. É por isso que é chamado de ruído de modulação.

Ao gravar um tom puro com um nível nominal, o espectro de ruído de modulação em um gravador de fita de boa qualidade consiste em dois componentes: bandas laterais relativamente estreitas causadas por amplitude parasita e modulação de frequência do sinal gravado e ruído de banda larga que excede o nível de ruído de pausa por 10 ... 25 dB, dependendo da frequência do sinal e da qualidade da fita.

As bandas laterais, a menos que seu nível total não exceda -40...-46 dB, com sua pequena largura (menos de 5...8% da frequência central), quase nunca são audíveis, pois estão sob o mascaramento correspondente curva (Fig. 3a e 3b).

Arroz. 3a. Ruído de modulação em um gravador de fita cassete em velocidade nominal e correção de 70 µs. A linha preta é a dependência de frequência do limiar de audibilidade do ruído de um terço de oitava, a linha azul é a dependência de frequência do ruído de um terço de oitava de uma pausa (*0 dB "na fita, ou seja, 250 mWb / m corresponde a um nível de pressão sonora de 60 dB), a linha vermelha é o espectro do sinal de 315 Hz com 0 dB e a linha verde é a curva de mascaramento. no ruído de alta frequência na presença de um sinal de baixa frequência torna-se claramente audível.

Arroz. 3b. O mesmo, mas a frequência do sinal é de 3150 Hz. Pode-se ver que a parte de baixa frequência do componente de banda larga do ruído de modulação, que não é mascarada pelo sinal útil, é a mais audível. Esta é a principal razão para a "turbidez" e "sujeira" no som de pratos, sinos, bem como notas altas de violinos.

O componente de banda larga, ao reproduzir tons puros, é frequentemente ouvido (na forma de som “sujo”) mesmo em um gravador master de estúdio, pois seu nível geral raramente fica abaixo de -50 dB em relação ao nível do sinal. Infelizmente, existem apenas duas maneiras de reduzir o nível do componente de ruído de modulação de banda larga: melhorando a qualidade das fitas e aumentando a largura das faixas de gravação (cada duplicação dá um ganho de apenas 3 dB).

O ruído da modulação causa muitos problemas: cada golpe nas teclas do piano é acompanhado por estalos, como se fossem cobertos com papel, os tubos graves do órgão sibilam muito, os instrumentos de corda começam a se assemelhar a instrumentos de sopro, “areia é derramando” dos pratos, etc. A propósito, a principal razão para diferenças audíveis ao usar diferentes tipos de fitas magnéticas, é precisamente a diferença na quantidade de distorção de intermodulação e no nível (assim como a dependência de frequência) do ruído de modulação.

A única maneira de reduzir a visibilidade do aumento do ruído de banda larga na presença de um sinal - a chamada "respiração" (respiração) ou "bombeamento" (bombeamento) - é introduzir equalização de frequência no sinal gravado para que a frequência inversa a equalização durante a reprodução atenua as partes do espectro de ruído que não são mascaradas pelo sinal desejado (Fig. 4).

Arroz. 4a. O grau de dependência do ruído de modulação pode ser reduzido se, durante a reprodução, atenuar as partes do espectro onde não é mascarado pelo sinal. Portanto, para sinais de baixa frequência (até 400 Hz), o papel desse filtro adaptativo pode ser desempenhado pelo expansor do supressor de ruído Dolby-B. Sua resposta de frequência é mostrada na parte superior da figura e o espectro de sinal resultante é mostrado como uma linha laranja.

Arroz. 4b. O mesmo, mas a frequência do sinal útil é de 3150 Hz. Pode-se ver que a resposta de frequência necessária do filtro, que reduz a visibilidade do ruído da modulação, acaba sendo completamente diferente - com um "passo".

Essa correção de frequência pode ser feita de várias maneiras. A primeira e mais óbvia é a divisão do espectro do sinal em bandas separadas, cada uma com seu próprio compander. Devido a isso, a presença de um sinal forte em uma das bandas não acarreta o aparecimento de ruído nas demais. Há muito se estabeleceu que, para garantir uma qualidade aceitável de operação de tal sistema, quatro a sete bandas são necessárias, o que complica muito o projeto do supressor de ruído e torna sua operação crítica para a precisão da resposta de frequência do gravador. canal de reprodução. Assim, o Dolby-A de quatro bandas construído de acordo com este princípio requer o ajuste da resposta de frequência do gravador com um erro não superior a ± 0,3 ... 0,5 dB.

O segundo método, mais simples, é usar uma rede de equalização de frequência fixa, escolhida de forma que, para a maioria dos sinais, seja fornecida uma resposta de frequência próxima do ideal para suprimir o ruído de banda larga. A qualidade da operação de tal sistema depende muito da seleção competente das características de correção. Uma abordagem semelhante é usada na maioria dos companders de banda larga (High Com, ADRS, dbx, etc.). Infelizmente, as características de correção nos companders de banda larga conhecidos pelo autor estão longe de serem ótimas.

A terceira maneira é usar companders com resposta de frequência adaptável, que se adaptam automaticamente ao espectro do sinal de entrada. Esta abordagem (em combinação com uma cadeia com uma resposta de frequência fixa) é implementada no sistema Dolby-S / SR A natureza da mudança nas características de frequência do compressor é mostrada na fig. 5. Um sistema com uma resposta de frequência adaptável, via de regra, processa perfeitamente tons puros únicos e instrumentos monofônicos, mas, infelizmente, as possibilidades de adaptação são limitadas em um sinal real. Assim, no sistema Dolby-S / SR, na presença de sinais de banda larga, o “alongamento” das frequências médias durante a gravação é interrompido. Durante a reprodução, isso leva a "descobertas" de ruído e distorção na faixa de frequência de cerca de 500 ... 800 Hz a 2 ... 4 kHz ("meio não natural").

Arroz. Fig. 5. Família de resposta de frequência do codificador Dolby-SR em diferentes níveis de sinal em 200 Hz (linhas marrons) e em 3 kHz (linhas azuis). O uso de características de frequência inversa durante a reprodução pode reduzir significativamente a visibilidade do ruído convencional, técnico e de modulação.

Obviamente, combinações desses métodos também são possíveis.

Todos os métodos discutidos acima assumem que as características de tempo e nível do compressor e do expansor são as mesmas, e o canal de gravação-reprodução não distorce a estrutura dos sinais. Na prática, você não pode contar com isso, então erros de rastreamento inevitavelmente ocorrem em sistemas compander. A sua influência no sinal final depende fortemente da estrutura do sistema, mas resume-se principalmente a dois pontos: à distorção dos processos de subida e descida dos sons, que altera o seu timbre, e ao aparecimento de ruídos de funcionamento (cliques e pipoca).

O principal motivo do aparecimento de clicks e pops é, por exemplo, o seguinte fato. Quando o compressor reage rapidamente a um salto de nível de sinal (por exemplo, ao bater palmas), todas as frequências na banda processadas pelo compressor são atenuadas simultaneamente. Devido às mudanças de fase, os componentes de diferentes frequências chegam ao expansor com um atraso de tempo, mas são processados ​​simultaneamente. Como resultado, erros de impulso aparecem no sinal de saída e, consequentemente, cliques de atuação (ver Fig. 6a e 6b).

Arroz. 6, a. Influência da distorção de fase no canal de transmissão de sinal comprimido, De cima para baixo: forma de onda do sinal de entrada (oscilação de frequência média amortecida sobreposta a um sinal de baixa frequência mais fraco), forma de onda do sinal de saída do compressor, forma de onda do sinal com distorção de fase, forma de onda do sinal expandido. Um grande erro e interferência são visíveis.

Arroz. 6b. "Comendo" o ataque de um sinal musical durante a expansão devido a distorções de fase do sinal comprimido (sequência de oscilogramas, como na figura anterior). Uma explosão também é visível quando o compressor é ativado.

Quanto aos erros no nível do sinal, na maioria das vezes surgem devido a erros na resposta de frequência ou no coeficiente de transmissão do canal de reprodução de gravação. Outra causa de erros é a modulação de amplitude parasita do sinal no canal de gravação-reprodução.

E, finalmente, em níveis de sinal baixos, a penetração de várias interferências no circuito de controle de um compressor ou expansor é um problema. Para reduzir a penetração de interferência de radiofrequência (e infra-baixa frequência), as entradas do compander devem ter filtros passa-banda que cortam sinais com frequências fora da banda de frequência de áudio. A ausência de tal filtro geralmente leva à inoperabilidade do supressor de ruído em condições reais.

É precisamente por causa das circunstâncias listadas acima que o som de um gravador equipado com qualquer um dos companders conhecidos não estará livre de problemas. Infelizmente, o denoiser compander perfeito (ou quase perfeito) não existe hoje. Além disso, em conexão com o desenvolvimento de tecnologias digitais, a principal atenção dos desenvolvedores UWB está voltada para a criação de denoisers. No entanto, o trabalho para melhorar os companders está em andamento no momento. Desenvolvimentos bem-sucedidos incluem, por exemplo, um compander no canal de áudio de um sistema de gravação de vídeo VHS-HiFi.

No entanto, Dolby-B / C ainda é usado em gravadores de cassetes em massa, com menos frequência Dolby-S ou dbx. Portanto, cada vez, antes de pressionar o botão, vale a pena considerar se é necessário usar este compander para esta gravação? E se a gravação original em um CD for de qualidade média e um gravador.

Autor: S. Ageev, Moscou

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