Системы шумопонижения Dolby

Принцип действия системы шумопонижения, разработанной фирмой Dolby Laboratories, основан на использовании компрессии динамического диапазона сигналов при записи и обратного расширения при воспроизведении. Динамичес­кий диапазон при записи сужают автоматическим электронным регулятором, на­зываемым динамическим компрессором, который вырабатывает управляющее напряжение, пропорциональное уровню записываемого аудиосигнала. Данное напряжение регулирует коэффициент усиления тракта записи (рис. 4.31) в соот­ветствии со следующим принципом: если аудиосигнал слабый, управляющее на­пряжение увеличивает коэффициент усиления (до 10 дБ), если сильный, коэф­фициент усиления не меняется.

При воспроизведении записанных таким образом аудиосигналов используется устройство, называемое экспандером. В его задачу входит снижение усиления в местах фонограммы со слабым сигналом до первоначального уровня. При этом также ослабляется и шум, который добавился в канале записи и имеется на маг­нитной ленте. В фрагментах фонограмм, где сигнал сильный, коэффициент уси­ления и отношение сигнал/шум практически остаются неизменными. Степень шумопонижения автоматически регулируется также и в зависимости от частоты входного сигнала. Для правильного воспроизведения экспандер должен иметь характеристику, точно противоположную характеристике компрессора, следова­тельно, фонограммы, записанные с применением системы Dolby, можно воспро­изводить только на аналогичных магнитофонах, что является недостатком системы. Если такую фонограмму воспроизвести на магнитофоне, не снабженном системой Dolby, качество звучания будет даже хуже, чем при обычной записи.

Существует несколько разновидностей такой системы шумопонижения, кото­рые приведены в табл.4.4. Рассмотрим их подробнее.

Таблица 4.4. Характеристики систем шумопонижения

Рис.4.31. К пояснению принципа работы системы шумопонижения Dolby

Исторически первой была разработана профессиональная система Dolby А,затем ее модифицировали (упростили) для бытовых магнитофонов, и она полу­чила название Dolby В (можно встретить обозначение Dolby NR - Noize Reducer). Следующим шагом стала система Dolby С. Последние разработки фирмы - сис­темы Dolby S и Dolby НХ-Рго.

В Dolby В используется устройство, способное работать как в режиме компрес­сора, так и в режиме экспандера. Его структурная схема приведена на рис.4.32.

Рис. 4.32. Структурная схема компрессора-экспандера системы шумопонижения Dolby В

Устройство содержит два тракта (основной и вспомогательный), выходы кото­рых объединяются с помощью сумматора. В основном тракте никаких преобразо­ваний сигнала не происходит.

В режиме записи представленная схема работает как компрессор. При этом параметры вспомогательного тракта автоматически меняются в зависимости от напряжения записываемого сигнала таким образом, чтобы выходной уровень тракта поддерживался постоянным. В результате малые уровни записываемого сигнала усиливаются за счет добавления напряжения из вспомогательного кана­ла. При возрастании уровня записываемого сигнала относительное приращение уменьшается, так как к большему сигналу основного канала добавляется посто­янное значение сигнала вспомогательного канала. На максимальных уровнях та­кое приращение становится совсем малым.

Постоянный уровень выходного сигнала в схеме поддерживается не с помощью управляемого усиления во вспомогательном тракте, а путем сдвига граничной час­тоты фильтра высоких частот (ФВЧ), включенного на входе данного тракта. Управляющее напряжение для регулировки АЧХ формируется детектором уров­ня. При большом входном сигнале граничная частота фильтра сдвигается в область высших частот. За регулируемым ФВЧ следует усилитель, обеспечивающий необ­ходимый уровень выходного сигнала вспомогательного тракта. Заметим, что ука­занные регулировки производятся только при превышении входным записываемым сигналом определенного уровня срабатывания. Возникающая при этом зависи­мость динамического диапазона записываемого сигнала от его частоты показана на рис. 4.33

На выходе вспомогательного тракта включен ограничитель, срезающий выбро­сы напряжения длительностью до 1 мс, которые возникают из-за задержки сраба­тывания детектора уровня в моменты внезапного повышения входного сигнала.

Рис.4.33. Зависимость динамического диапазона записываемого сигнала от частоты в системе Dolby В

Инвертор, установленный на выходе устройства, не влияет на алгоритм работы в режиме компрессора, он нужен только для режима экспандера.

При воспроизведении данное устройство работает как экспандер, уменьша­ющий усиление в местах фонограммы с низким уровнем сигнала. При этом одновре­менно подавляется шум, добавившийся в тракте записи и свойственный магнитной ленте. Сигнал после инвертора с выхода устройства через тот же вспомогатель­ный тракт подводится к сумматору и вычитается из основного сигнала. Посколь­ку во вспомогательном тракте экспандера применены те же элементы, что и в схеме компрессора, обратный вид характеристик этих устройств обеспечивается авто­матически.

Привлекательность новой модификации системы шумопонижения, полу­чившей название Dolby С, объясняется тем, что она обеспечивает большее по­давление шума, чем система Dolby В, и при этом совместима с ней. Запись, сде­ланную на аппаратуре, оборудованной Dolby С, можно без потери качества воспроизводить на магнитофонах с системой Dolby В.

Шумопонижающее устройство Dolby С, по сути дела, представляет собой два включенных последовательно каскада шумопонижения Dolby В с некоторыми дополнениями. В отличие от предыдущего устройства в компрессоре (рис 4.34а) и экспандере (рис 4.34б) системы Dolby С используются два каскада с плавно изменяемой полосой пропускания, которые работают в одном и том же частот­ном диапазоне, но реагируют на сигналы разных уровней. Первый каскад снижа­ет шумы при сигналах с относительно высоким уровнем, второй - при сигналах с более низким уровнем. Их амплитудные характеристики приведены на рис.4.35.Каждый каскад в отдельности обеспечивает величину шумопонижения на 10 дБ, а вместе - на 20 дБ.

Рис.4.34 Структурные схемы компрессора (а) и экспандера (б) системы шумопонижения Dolby С

Для уменьшения уровня шума в диапазоне средних частот в системе Dolby С частота среза фильтра по сравнению с Dolby В уменьшена на две октавы (с 1,5 кГц до 375 Гц). Кроме того, в Dolby С есть два дополнения: ограничение спектра об­рабатываемого сигнала и схема «антинасыщения». Устройство ограничения спектра сигнала устанавливается перед компрессором и обеспечивает спад АЧХ на частотах выше 10 кГц. При этом компрес­сор в режиме записи не реагирует на сигналы с такими частотами. За экспандером нахо­дится устройство восстановления спектра, создающее обратный подъем АЧХ. Схема «антинасыщения» служит для предотвраще­ния перегрузки магнитной ленты на высоких частотах и уменьшения интермодуляцион­ных искажений. Она делает возможным уве­личение уровня записи на 5 дБ в области высоких частот.

Рис.4.35 Амплитудные характеристики устройств в системе Dolby С

Рис.4.36. Амплитудно-частотные характеристики компрессора системы Dolby С

На рис. 4.36 показаны амплитудно-частот­ные характеристики компрессора системы Dolby С. Спад на частотах выше 10 кГц при всех уровнях записываемого сигнала опре­деляется устройством ограничения спектра, а наклон АЧХ для сигналов с высоким и сред­ним уровнем на частотах выше 1,5 кГц созда­ется схемой «антинасыщения».

Сравнительные спектральные характеристики шумов для магнитофонов, снабженных устройствами шумопонижения сис­тем Dolby В и Dolby С, показаны на рис.4.37.

Система шумопонижения Dolby S (Spectral) появилась сравнительно недав­но. Ею оснащены некоторые кассетные магнитофоны высокого класса.

Рис.4.37. Сравнительные спектральные характеристики шумов при использовании систем Dolby В и Dolby С

В схеме по-прежнему присутствуют устройства компрессии и расширения динамическо­го диапазона. Кроме того, для снижения несбалансированности сквозной ампли­тудно-частотной характеристики на краях звукового диапазона дополнительно производится спектральная обработка сигналов высоких и низких частот. При этом также отфильтровываются возможные инфра- и ультразвуковые помехи.

Иной принцип повышения отношения сигнал/шум применен в системе Dolby НХ- Pro. Соответствующее устройство устанавливается только в тракте записи и обеспечивает оптимизацию тока высокочастотного подмагничивания в зависи­мости от уровня и спектрального состава записываемого сигнала. При этом под­держивается линейность АЧХ тракта на высоких частотах при увеличении уров­ня записи. Так как обработка сигналов происходит только в процессе записи, фонограммы, сделанные с применением Dolby HX-Pro, можно воспроизводить на любом магнитофоне, а также совмещать данную систему с другими.