ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA sistema de redução de ruído dbx - passado e presente. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Áudio Neste artigo, o autor examina as características de projeto, operação e aplicação de um dos sistemas de redução de ruído mais eficazes - o sistema dbx compander, que já competiu com o conhecido sistema Dolby-A. Além disso, com base em uma análise aprofundada das deficiências de tais sistemas, ele criou um compander UWB, que é praticamente desprovido de sua principal desvantagem - distorção perceptível das frentes dos sinais musicais. Muitas pessoas conhecem bem o nome de Ray Milton Dolby, pelo menos pelos nomes dos sistemas de redução de ruído mais comuns - Dolby-B, Dolby-C e Dolby-S, desenvolvidos para uso em eletrodomésticos. Ele também criou o Dolby-A (o primeiro sistema comercial de redução de ruído) e os companders Dolby-SR para uso profissional. Basta dizer que a palavra “dolby” às vezes é usada no sentido mais geral para designar sistemas de redução de ruído em geral, e não um tipo específico. Até o momento, na gravação de som profissional, devido à transição para a tecnologia digital de gravação multicanal e ao deslocamento dos gravadores analógicos, os sistemas de redução de ruído perderam sua importância anterior. O único sistema de redução de ruído utilizado atualmente em equipamentos analógicos de alta qualidade é o Dolby-S/SR. Contudo, há um quarto de século a situação era diferente. A empresa de Ray Dolby estava apenas se recuperando com seu sistema de quatro vias1, que reduziu o ruído em apenas 10 dB. Dolby era bastante complexo, caro (US$ 300 por canal) e, o mais importante, exigia ajuste preciso dos gravadores (±0,2...0,3 dB). Somente estúdios de primeira classe poderiam pagar isso (London-Decca. Deutsche Grammofon Gesellschaft, etc.)2. Não é por acaso que a operação experimental do sistema Dolby começou justamente no estúdio Decca, na Inglaterra, e não nos EUA. Ao mesmo tempo, havia muitos locais onde, juntamente com menos criticidade para a precisão das configurações do equipamento, era necessária uma redução de ruído superior a 10 dB. O primeiro sucesso na resolução deste problema coube ao americano David Blackmore. O sistema compander de redução de ruído dbx que ele criou em 1971 (patente norte-americana nº 3,789,143)3 era fácil de usar, barato e proporcionava redução de ruído de até 30 dB. Mas sua principal vantagem acabou sendo a não criticidade para a propagação dos coeficientes de transmissão e resposta de frequência dos canais de gravação e reprodução. Vale lembrar que a maioria dos sistemas de redução de ruído propostos naquela época (e mesmo posteriores) revelaram-se de pouca utilidade para o uso prático. Suas principais desvantagens eram a sensibilidade excessiva a defeitos no meio de gravação (fitas magnéticas ou de filme) ou a introdução de distorções inaceitáveis no som. Dolby conseguiu se destacar neste cenário ao custo de usar um dispositivo multibanda complexo; a notação da distorção foi reduzida limitando sua regulação (0...10 dB na faixa de níveis de sinal de entrada de -40 a -20 dB). Naturalmente, a supressão de ruído acabou sendo pequena. Blackmer pensava diferente. Como a criticidade da irregularidade da resposta de frequência no sistema Dolby é causada pela divisão do espectro do sinal em bandas, portanto, o compander deve ser de banda larga para que processe toda a banda de frequência de uma só vez4. E como a criticidade da correspondência de nível no sistema Dolby é causada pelo processamento desigual de sinais com níveis diferentes, o compander deve ser projetado de tal forma que seu algoritmo operacional não dependa do nível do sinal5. Com base nisso, foi projetado um sistema de redução de ruído, que lançou as bases para a empresa dbx (escrito em letras minúsculas) - de David Blacmer Excellence (segundo outras fontes, Experience). Agora esta empresa é uma das “grandes” no mercado de equipamentos de estúdio. Além disso, o design VCA (amplificador controlado por tensão) de sucesso da Blackmer ainda é usado na maioria dos equipamentos de processamento de áudio de estúdio hoje. O diagrama de blocos da versão principal do sistema de redução de ruído dbx é mostrado na figura, emprestado de materiais proprietários. O supressor de ruído consiste em duas partes: o canal principal através do qual passa o sinal processado e o canal de controle. O sinal de entrada durante a gravação, tendo passado pelo filtro de passagem de entrada, pelo gerador de pré-ênfase de frequência do canal principal (corretor 1) e pelo amplificador controlado por tensão (VCA), chega simultaneamente à saída do dispositivo como um todo ( ou seja, na entrada do amplificador de gravação) e na entrada do gerenciamento de canal. O canal de controle consiste em um corretor de frequência de entrada (corretor 2), um divisor de fase, dois retificadores RMS operando em um capacitor de suavização comum e um canal de controle não mostrado no diagrama de buffer (repetidor), a partir do qual a tensão de controle é fornecida para a unidade de controle. Assim, com o aumento do nível de saída e, consequentemente, do sinal de entrada, o coeficiente de transmissão da unidade de controle diminui. Isso resulta na compressão do sinal. Durante a reprodução, na entrada do canal de controle é recebido o mesmo sinal que na entrada do canal principal, a polaridade da tensão que controla o UNA é invertida (para obter expansão, não compressão), etc. Finalmente, a resposta de frequência da pré-ênfase no canal principal muda para espelhar a da gravação. Ao gravar, o corretor de frequência no canal principal está localizado na frente do UNA e reduz o nível dos sinais de baixa frequência em 12 dB (pontos de inflexão 370 e 1590 Hz). Durante a reprodução, ele é ligado após UNU e restaura o nível dos sinais de baixa frequência. No canal de controle, o sinal passa por um segundo equalizador de frequência, que aumenta o nível dos sinais de alta frequência em 20 dB (pontos de inflexão 1600 Hz e 16 kHz). Um divisor de fase de segunda ordem (Phase Splitter) é conectado à saída do corretor de frequência. Dois sinais são obtidos de suas saídas, cuja mudança de fase na faixa de frequência 20...200 irá flutuar em cerca de 90° (sinais de quadratura). A seguir, este par de sinais é fornecido a dois retificadores quadráticos operando em um capacitor de suavização comum. A tensão suavizada é usada para controlar o ganho do VNA. A inclinação das características do retificador é escolhida de modo que a taxa de compressão de gravação seja 2:1. Em outras palavras, o nível de saída muda 5 dB quando o nível de entrada muda 10 dB. O objetivo da utilização de um divisor de fase é eliminar a principal desvantagem de um compander de banda larga: devido à necessidade de resposta rápida a sinais de alta frequência, o tempo de resposta do retificador deve ser o mais curto possível (dezenas de microssegundos). Mas então acaba sendo menor que o período do sinal de frequência mais baixa e, portanto, o sinal de baixa frequência se modulará, o que levará a uma distorção harmônica de cerca de 20...40%. Para evitar ondulações no sinal de controle, Blackmer aproveitou o fato de sinzx+cos2x=1. Ou seja, ao usar dois detectores quadráticos e deslocar as fases dos sinais de entrada em 90°, suas ondulações de saída compensam-se mutuamente. Vale ressaltar que os retificadores operam com o logaritmo do valor absoluto do sinal de entrada, pois a unidade de controle possui característica de controle exponencial. Além disso, a constante de tempo de carga do capacitor integrador é inversamente proporcional à taxa de variação do sinal de entrada. Graças a isso, quando o sinal de entrada muda lentamente, a suavização é boa (a constante de tempo é grande), e quando o sinal aumenta rapidamente, o retificador responde rapidamente (a velocidade de “reset” do ganho pode chegar a 90 dB em um milissegundo!) . A taxa de recuperação de ganho quando o sinal de entrada desaparece é de 140 dB por segundo. Este valor é aproximadamente uma vez e meia superior à taxa de restauração da sensibilidade auditiva após o término de um sinal forte, fazendo com que o ruído no início de uma pausa enfraqueça mais rápido do que uma pessoa é capaz de ouvi-lo. Graças ao uso de retificadores rms, as distorções de fase no canal de transmissão praticamente não têm efeito na operação do compander em estado estacionário. O propósito da correção de frequência não é trivial. O primeiro corretor de frequência (no canal principal) é projetado para um aumento relativo nas altas frequências durante a gravação (durante a reprodução, elas são espelhadas e atenuadas junto com o ruído). Além disso, a atenuação dos sinais de baixa frequência, onde a maior parte da potência do sinal está concentrada, permite “descarregar” parcialmente o canal de gravação deles, reduzindo assim a distorção e o ruído de modulação. É curioso que a Dolby tenha aplicado uma correção semelhante (“distorção espectral”) apenas quinze anos depois, ao desenvolver o Dolby-SR. O segundo corretor de frequência (no canal de controle) executa três funções ao mesmo tempo. Em primeiro lugar, protege até certo ponto o canal de controle de interferências inaudíveis de baixa frequência, que na sua ausência causariam uma modulação caótica do sinal. Em segundo lugar, a mudança de fase neste corretor muda a fase das ondulações da tensão de controle de tal forma que suas bordas ocorrem aproximadamente no momento em que o sinal útil passa por zero. Graças a isso, a influência das ondulações da tensão de controle é reduzida nas frequências onde o divisor de fase não fornece mais quadratura (acima de 500...800 Hz). Finalmente, o aumento de alta frequência no canal de controle reduz o nível de sinais de alta frequência em estado estacionário na saída do compressor (começando em cerca de 5 kHz), o que evita a sobrecarga das fitas magnéticas e dos canais de gravação. É assim que funciona o supressor de ruído clássico dbx ou dbx-l. Além da estrutura descrita acima, outras empresas também produziram suas variantes sob licença, com características semelhantes. Deve ser dito que, apesar de toda a elegância deste design, destacam-se as orelhas de burro de uma abordagem tecnocrática ao desenvolvimento. O fato é que ao trabalhar com sinais senoidais de nível constante ou suavemente variável, tudo estava em perfeita ordem, mas o processamento de sinais pulsados era acompanhado por grandes distorções nos processos de sua ascensão e queda. Isto altera significativamente o timbre de muitos instrumentos.6. Portanto, os engenheiros de som que gravavam música clássica e jazz evitavam usar o dbx compander, principalmente na gravação de bateria. Além disso, os picos de nível quando o compressor é ativado (devido a um atraso na redução do ganho à medida que o sinal aumenta), atingindo 12...18 dB, forçaram o nível médio de gravação a ser reduzido na mesma proporção. Como resultado, a eficiência de redução de ruído diminuiu7. Em outras palavras, a relação sinal-ruído com um sinal grande acabou sendo menor do que na ausência de um supressor de ruído, no máximo 12...18 dB. Nos gravadores profissionais, isso passou despercebido. Nas fitas cassete, com sinal alto, ouve-se a “respiração” do ruído, o som é “turvo”, enquanto durante uma pausa há um silêncio mortal! Portanto, se o nível de gravação na fita for ajustado para -15...-20 dB (para que as emissões não sejam distorcidas), então a relação sinal-ruído no gravador de cassetes não excederá 30...40 dB, e o valor mínimo da relação sinal-ruído em Em sinais altos, a exigência para que o ruído não seja ouvido devido ao seu mascaramento pelo sinal, segundo Blesser, varia de 50 a 65 dB. Em um bom gravador bobina a bobina, trabalhando com alta velocidade de fita e trilhas largas, o primeiro desses números pode ser obtido em um nível de gravação de -10...-15 dB, mas em um gravador de cassetes comum é dificilmente possível. Além disso, o uso de divisores de fase e um par de retificadores quadráticos tornou possível reduzir drasticamente a ondulação ao retificar oscilações harmônicas ("senoidais"), mas revelou-se quase inútil na detecção de sinais reais. Assim, a distorção de intermodulação de frequências mais baixas durante a compressão revelou-se significativa (2...10%). Outro problema foi causado pelo fato de a resposta de frequência do canal de controle no sistema dbx ter uma forma que está longe de ser espelhada em relação à densidade de ruído espectral dos gravadores. Portanto, ao reproduzir sinais fracos, a correspondência mútua entre o funcionamento do compressor e do expansor é perturbada. Isso ocorre porque o circuito de controle é excessivamente sensível ao ruído de frequência mais alta (e de baixa frequência), que, embora não seja ouvido, causa modulação parasita do sinal devido à detecção no canal de controle. Como resultado, a redução real do ruído acaba por ser inferior à teórica e em condições reais o ruído de pausa é de apenas 18...25 dB (se tivermos em conta a margem de sobrecarga com emissões), e não 40. ..60dB. A propósito, a modulação espúria é um problema em quase todos os supressores de ruído, razão pela qual é necessário um filtro passa-faixa na entrada do supressor de ruído para atenuar sinais com frequências fora da banda de frequência de áudio (especialmente no lado HF). Para reduzir a modulação de sinal espúrio, Blackmer introduziu mais tarde um filtro passa-baixa de quarta ordem com um roll-off acentuado e uma frequência de corte de 10 kHz no canal de controle (além de um filtro passa-alta com uma frequência de corte de 35 Hz para suprimir interferência de baixa frequência). Além disso, as características do corretor de frequência no canal de controle foram alteradas. Sua resposta de frequência tem uma inclinação de +6 dB por oitava abaixo de 440 Hz e acima de 4,8 kHz (até 10 kHz), com uma seção plana entre eles. O processamento dos sinais de pulso após a modificação ficou ainda pior (devido ao atraso introduzido pelos filtros)8, e o risco de sobrecarga da fita em frequências mais altas (e mais baixas) aumentou muito.Esta versão do dispositivo foi chamada de dbx-ll. E finalmente, no início dos anos oitenta, foi lançada uma versão consumidora do dbx-ll, na qual foi utilizado um retificador convencional de onda completa, o filtro no canal de controle foi simplificado e o divisor de fase foi eliminado9. É esta versão truncada que está implementada no conhecido chip AN6291. Apesar das deficiências observadas, sua despretensão e boa supressão de ruído deram ao dbx compander boa fama em estúdios de nível médio, especialmente após o lançamento de uma série de gravadores multicanais (Tascam, Otari, Fostex) com dbx integrado. (O sistema concorrente, Dolby-A, era complicado de implementar e, portanto, sempre foi projetado como um dispositivo separado e, além disso, o Dolby não tinha pressa em vender licenças para sua produção). No entanto, deve-se dizer que a dbx, tentando ultrapassar a Dolby Laboratories, certa vez vendeu licenças para seus supressores de ruído sem restrições. Isso levou ao surgimento no mercado de versões simplificadas ao ponto de inoperabilidade (na maioria das vezes economizavam no filtro de entrada), e línguas malignas brincavam que dbx é “Dolby para os pobres”. A principal razão para o aparecimento de picos de nível durante a operação e o aparecimento de erros dinâmicos foi um erro sutil na construção do canal de controle. O fato é que o divisor de fase atrasa o sinal em ambas as saídas, ou seja, o sinal de controle inevitavelmente fica atrás do sinal de entrada. É por isso que, apesar de todos os truques para aumentar a velocidade do detector (constante de tempo de resposta variável), as emissões foram formadas quando sinais rapidamente crescentes foram fornecidos10. Uma comparação com o sistema de redução de ruído High-Corn, proposto pelos especialistas da Telefunken em meados dos anos setenta, é apropriada aqui. High-Corn é semelhante em muitos aspectos ao dbx: a taxa de compressão é a mesma (2:1), ambos os sistemas são de banda larga e ambos usam correção de frequência com aumento de alta frequência durante a gravação e atenuação durante a reprodução. Mas também existem diferenças. Primeiramente, a lei de compressão no sistema High-Corn é obtida de forma diferente, utilizando a conexão sequencial de dois amplificadores controlados idênticos (CAA) com controle comum. O funcionamento do compressor é baseado no fato de que se o nível do sinal na saída da segunda UNU for mantido constante ajustando o ganho de ambos ao mesmo tempo, então o sinal na saída da primeira UNU será comprimido em uma proporção de 2:1. Como já mencionado, ao construir um compander de banda larga, existe um problema associado ao aumento da distorção em baixas frequências devido à inércia insuficiente do detector. Portanto, o detector de nível de sinal no sistema High-Corn é projetado de tal forma que, após uma operação muito rápida, possui um certo tempo de “holding”, durante o qual a tensão de controle permanece inalterada, e depois pode cair rapidamente. Quanto às características dinâmicas, devido ao curto tempo de resposta (cerca de 200 μs), as emissões durante a compressão foram pequenas. A distorção em frequências mais baixas foi significativamente reduzida devido ao fato de o tempo de permanência (25 ms) ter sido escolhido igual à metade do período dos sinais de frequência mais baixa (20 Hz). Esses são seus pontos positivos. O ruim foi que, devido à recuperação bastante rápida do ganho do compressor após o tempo de permanência, às vezes eram formados “silenciadores” audíveis. Eles se tornaram mais frequentes se o sinal que entrava no expansor tivesse modulação de amplitude parasita perceptível (mais de 5...10%). Para gravadores domésticos, esse valor PAM é mais uma regra do que um defeito e, como resultado, os cliques se sucederam. Outra desvantagem do sistema HighCorn foi que a resposta de frequência do detector, como o edbx, estava longe de ser espelhada em relação ao espectro de ruído do canal de reprodução. Ao operar o compressor e o expansor em toda a faixa de sinais de entrada (como em dbx), isso levaria a uma grande modulação parasita do sinal por ruído. Os desenvolvedores do sistema High-Corn resolveram esse problema, como dizem, “de frente”: abandonaram o uso de uma taxa de compressão (e expansão) constante em todos os níveis de sinal, introduzindo um limite abaixo do qual o compressor não funcionou . Como resultado, surgiu o problema de correspondência de níveis, como nos sistemas Dolby. Posteriormente, através do esforço conjunto de especialistas da Telefunken e Nakamichi, foi desenvolvida uma versão bidirecional, chamada High-Corn II. A frequência de cruzamento foi de cerca de 5 kHz. Não funcionou muito melhor e foi rapidamente esquecido. Logo o mesmo destino se abateu sobre a versão original - High-Corn. Isto provavelmente se deveu ao fato de que devido ao aumento excessivo das altas frequências durante a compressão (até 17 dB) e à falta de medidas para reduzir o nível do sinal gravado nas altas frequências, surgiram problemas de sobrecarga das fitas. , o ruído aparece durante a exposição após a passagem das frentes do sinal de pulso. Mas vamos voltar ao compander dbx. Infelizmente, Blackmer não teve tempo de descobrir qual foi a razão das grandes emissões e reduzi-las. Como resultado, o mercado de produtos profissionais de redução de ruído permaneceu nas mãos da Dolby11. Portanto, a dbx (sem Blackmer) tentou introduzir seu sistema em eletrodomésticos. Deve-se dizer que ela teve sucesso: do início a meados dos anos XNUMX, a maioria dos toca-fitas de última geração (Technics, Akai, Aiwa) estavam armados com uma ou outra versão do compander dbx, e os fabricantes de discos lançaram vários discos em qual a trilha de áudio foi compactada com sua ajuda, o dbx para discos de gramofone se diferencia pela ausência de correção de frequência no canal principal. No entanto, em nossa época, o dbx praticamente desapareceu dos gravadores domésticos. Provavelmente, junto com as desvantagens discutidas acima, o fato é que uma gravação feita com Dolby-B, com algum bloqueio de frequências mais altas, toca toleravelmente mesmo sem Dolby, mas uma gravação compactada pelo sistema dbx soa péssima sem decodificação. Além disso, o expansor Dolby-B, ao contrário do expansor dbx, também pode desempenhar o papel de um filtro dinâmico ao reproduzir gravações ruidosas. Contudo, como a pesquisa do autor mostrou, as desvantagens do compander dbx podem ser minimizadas com relativa facilidade. A única desvantagem permanece - a incompatibilidade das gravações com Dolby UWB normal e compactado. As vantagens – boa redução de ruído, despretensão, complexidade aceitável e boa repetibilidade – permanecem. O mais importante é que o grau de “dano sonoro”, ou seja, a notabilidade da distorção, na versão do compander tipo dbx desenvolvido pelo autor acabou sendo menor do que o de qualquer Dolby doméstico, sem excluir o Dolby- S, especialmente com um gravador mal sintonizado. O “calcanhar de Aquiles” do protótipo – emissões de compressão – está praticamente “curado”. Para alcançar este resultado, foi necessário fazer quatro modificações significativas na versão original do compander (dbx-l). Em primeiro lugar, o divisor de fase foi substituído por um deslocador de fase, à saída do qual está conectado um dos canais retificadores (o outro canal é conectado contornando o deslocador de fase). Em segundo lugar, as características de frequência dos circuitos de pré-ênfase tanto no canal principal como no canal de controle foram alteradas para alinhá-los com as características do formato de cassete compacto. Em terceiro lugar, a fim de reduzir a distorção da dinâmica do sinal, enfraquecer a influência da modulação de amplitude espúria e da modulação de ruído (“respiração”), a taxa de compressão foi reduzida para 1,5:1 (como no sistema Telcom). Em quarto lugar, um circuito de forçamento foi introduzido no detector, acelerando sua resposta a um aumento acentuado nos sinais de alta frequência (como bater em um prato, metalofone ou triângulo). Finalmente, a constante de tempo do detector foi composta para melhor corresponder às propriedades da audição humana. Essas medidas permitiram eliminar praticamente tanto os surtos durante a operação quanto a modulação parasita do sinal. Como resultado, o grau de redução de ruído percebido subjetivamente em comparação com o protótipo aumentou significativamente, apesar da redução na taxa de compressão. Isto é especialmente perceptível ao gravar sinais “ao vivo” não processados. A faixa dinâmica real de um bom gravador de cassetes atinge 85...90 dB, o que é mais que suficiente na maioria das aplicações. Faixa dinâmica, medida usando um método mais rigoroso como a relação entre o sinal máximo com frequência de 1000 Hz (com distorção de 1%!) e o ruído de pausa ponderado de acordo com IEC-A, no layout do gravador do autor12 excedeu 90 dB ao usar a fita BASF Chrom Super e sua velocidade de 4,76 cm/s. Quanto à capacidade de sobrecarga, a resposta de frequência do canal de passagem em um nível de sinal de +6 dB é uniforme na faixa de 20 Hz a 20 kHz (de acordo com o critério +0...-1,5 dB), e “0 dB” do supressor de ruído é ajustado para o nível de magnetização da fita de 185 nWb/m. Notas
Autor: S. Ageev, Moscou Veja outros artigos seção Áudio. Leia e escreva útil comentários sobre este artigo. Últimas notícias de ciência e tecnologia, nova eletrônica: Máquina para desbastar flores em jardins
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