Логотип

Система шумопонижения Dolby- история изобретения

категория

Из мира электроники

материалы в категории

С. АГЕЕВ, г. Москва
Журнал Радио, 1998 год, №3

Без сомнения, многим читателям журнала хорошо известно имя Рэя Милтона Долби, хотя бы по названиям наиболее распространенных систем шумопонижения — Dolby-B, Dolby-C и Dolby-S, разработанных для применения в бытовой технике. Им также были созданы компандеры Dolby-A [первая коммерческая система шумопонижения) и Dolby-SR для профессионального применения. Достаточно сказать, что слово «долби» порой используется в самом общем смысле для обозначения систем шумопонижения вообще, а не конкретного типа.

К настоящему времени в профессиональной звукозаписи, в связи с переходом на цифровую технику для многоканальной записи и вытеснением аналоговых магнитофонов, системы шумопонижения потеряли былое значение. Единственная система шумопонижения, которая сейчас находит применение в высококачественной аналоговой технике, — это Dolby-S/SR.

Однако четверть века назад ситуация была иной. Фирма Рэя Долби только «вставала на ноги» со своей четырехполосной системой (1), которая позволяла снизить шум всего на 10 дБ. Dolby была достаточно сложна, дорога ($300 за канал), а самое главное, требовала прецизионной регулировки магнитофонов (±0,2...0,3 дБ). Такое могли себе позволить только первоклассные студии (London-Decca. Deutsche Grammofon Gesellschaft и т. п.) (2)

Не случайно опытная эксплуатация системы Dolby началась именно на студии Decca в Англии, а не в США.

Вместе с тем было много мест, где наряду с меньшей критичностью к точности настройки аппаратуры требовалось шумопонижение большее, чем на 10 дБ.

Первый успех в решении этой задачи выпал на долю американца Дэвида Блэкмора. Созданная им в 1971 г. компандерная система шумопонижения dbx (U.S. Pat № 3,789,143)(3) была проста в употреблении, недорога и обеспечивала шумопонижение до 30 дБ. Но главным ее достоинством оказалась некритичность к разбросу коэффициентов передачи и АЧХ каналов записи—воспроизведения.

Стоит напомнить, что большинство предложенных к тому времени систем шумопонижения (и даже более поздние) оказались малопригодны к практическому использованию. Основными их недостатками были либо чрезмерная чувствительность к дефектам носителя записи (магнитных или кинолент), либо внесение неприемлемых искажений в звучание.

Долби удалось выделиться на этом фоне ценой применения сложного многополосного устройства, заметность искажений была снижена за счет ограничения его регулирования (0... 10 дБ в диапазоне уровней входных сигналов от -40 до -20 дБ). Естественно, подавление шумов при этом получилось небольшим.

Блэкмер же рассудил иначе. Коль скоро критичность к неравномерности АЧХ в системе Dolby вызвана разделением спектра сигнала на полосы, следовательно, компандер надо сделать широкополосным, чтобы он обрабатывал сразу всю полосу частот (4) А поскольку критичность к согласованию уровней в системе Dolby вызвана неодинаковой обработкой сигналов с разными уровнями, то компандер должен быть устроен таким образом, чтобы алгоритм его работы не зависел от уровня сигнала (5).

Исходя из этого и была спроектирована система шумопонижения, положившая начало фирме dbx (пишется строчными буквами) — от David Blacmer Exellence (по другим данным, Experience). Сейчас эта фирма — один из «грандов» на рынке студийного оборудования. Кроме того, разработанная Блэкмером удачная конструкция VCA (voltage-controlled amplifier — управляемый напряжением усилитель — УНУ) по сей день используется в большинстве студийных приборов обработки звука.

Блок-схема основного варианта системы шумопонижения dbx приведена на рисунке, заимствованном из фирменных материалов. Шумоподавитель состоит из двух частей: основного канала,через который проходит обрабатываемый сигнал, и канала управления.

Входной сигнал при записи, пройдя через входной полосовой фильтр ПФ, формирователь частотных предыскажений основного канала (корректор 1) и управляемый напряжением усилитель (УНУ), поступает одновременно на выход устройства в целом (т. е. на вход усилителя записи) и на вход канала управления.

Канал управления состоит из входного частотного корректора (корректор 2), расщепителя фазы, двух среднеквадратичных выпрямителей, работающих на общий сглаживающий конденсатор, и не показанного на схеме буфера (повторителя) канала управления, с которого управляющее напряжение поступает на УНУ. Таким образом, при увеличении уровня выходного и соответственно входного сигнала снижается коэффициент передачи УНУ. тем самым осуществляется компрессия сигнала.

При воспроизведении на вход канала управления поступает гот же сигнал, что и на вход основного канала, полярность напряжения, управляющего УНУ, меняется на обратную (чтобы получить экспандирование, а не компрессию) и. наконец, частотная характеристика предыскажений в основном канале изменяется на зеркальную той, что была при записи.

Частотный корректор в основном канале при записи стоит перед УНУ и снижает уровень низкочастотных сигналов на 12 дБ (точки перегиба 370 и 1590 Гц). При воспроизведении же он включен после УНУ и восстанавливает уровень низкочастотных сигналов.

В канале управления сигнал проходит через второй частотный корректор, поднимающий уровень сигналов высоких частот на 20 дБ (точки перегиба 1600 Гц и 16 кГц). К выходу частотного корректора подключен фазорасщепитель второго порядка (Phase Splitter). С его выходов снимаются два сигнала, фазовый сдвиг между которыми в диапазоне частот20...200 Поколеблется около 90° (квадратурные сигналы).

Далее эта пара сигналов поступает на два квадратичных выпрямителя, работающих на общий сглаживающий конденсатор. Сглаженное напряжение используется для управления коэффициентом усиления УНУ. Крутизна характеристики выпрямителей выбрана так, что коэффициент компрессии при записи составляет 2:1. Иначе говоря, уровень выходного сигнала изменяется на 5 дБ при изменении уровня входного сигнала на 10 дБ.

Цель применения фазорасщепителя состоит в устранении главного недостатка широкополосного компандера: из-за необходимости быстрой реакции на высокочастотные сигналы время срабатывания выпрямителя должно быть как можно меньше (десятки микросекунд). Но тогда оно оказывается меньше периода самого низкочастотного сигнала, а следовательно, низкочастотный сигнал будет сам себя модулировать, что приведет к коэффициенту гармоник порядка 20...40 %. Для того чтобы избежать пульсаций управляющего сигнала, Блэкмер воспользовался гем, что sinzx+cos2x=1. То есть при использовании двух квадратичных детекторов и сдвиге фаз входных сигналов на 90° их выходные пульсации компенсируют друг друга. Стоит отметить, что выпрямители работают с логарифмом абсолютной величины входного сигнала, поскольку УНУ имеет экспоненциальную характеристику регулирования.

Кроме того, постоянная времени зарядки интегрирующего конденсатора сделана обратно пропорциональной скорости нарастания входного сигнала. Благодаря этому при медленных изменениях входного сигнала сглаживание хорошее (постоянная времени велика), а при быстром нарастании сигнала обеспечивается ускоренная реакция выпрямителя (скорость «сброса» коэффициента усиления может достигать 90 дБ за одну миллисекунду!).

Скорость восстановления усиления при исчезновении входного сигнала составляет 140 дБ в секунду. Это значение примерно в полтора раза выше скорости восстановления чувствительности уха после окончания сильного сигнала, вследствие чего шум при наступлении паузы ослабляется быстрее, чем человек способен ого услышать.

Благодаря применению среднеквадратичных выпрямителей фазовые искажения в канале передачи практически не влияют на работу компандера в установившемся режиме.

Назначение частотной коррекции нетривиально. Первый частотный корректор (в основном канале) предназначен для относительного подъема высоких частот при записи (при воспроизведении они зеркально ослабляются вместе с шумом). Кроме того, ослабление сигналов низких частот, на которых сосредоточена большая часть мощности сигнала, позволяет частично «разгрузить» от них канал записи, снизив тем самым искажения и модуляционный шум. Любопытно, что Долби применил аналогичную коррекцию ("Spectral-skewing") только пятнадцать лет спустя, при разработке Dolby-SR.

Второй частотный корректор (в канапе управления) выполняет сразу три функции. Во-первых, он в какой-то мере защищает канал управления от неслышимых низкочастотных помех, которые в его отсутствие вызывали бы хаотическую модуляцию сигнала. Во-вторых, фазовый сдвиг в этом корректоре смещает фазу пульсаций управляющего напряжения таким образом, что их фронты приходятся примерно на тот момент, когда полезный сигнал переходит через ноль. Благодаря этому снижено влияние пульсаций управляющего напряжения на тех частотах, где фазорасщепитель уже не обеспечивает квадратуры (выше 500...800 Гц). И наконец, подъем высоких частот в канале управления уменьшает уровень установившихся высокочастотных сигналов на выходе компрессора (начиная примерно с 5 кГц), что предотвращает перегрузку магнитных лент и каналов записи.

Так устроен классический шумоподааитель dbx или dbx-l. Кроме описанной выше структуры, другими фирмами по лицензиям выпускались также ее варианты, аналогичные по характеристикам.

Надо сказать, что при всем изяществе этой конструкции, из нее торчат ослиные уши технократического подхода к разработке. Дело в том, что при работе с постоянными или плавно меняющимися по уровню синусоидальными сигналами все было в полном порядке, но вот обработка импульсных сигналов сопровождалась большими искажениями процессов их нарастания и спада. Это существенно изменяет тембр звучания многих инструментов (6).
Поэтому звукорежиссеры, записывавшие классическую и джазовую музыку, избегали применения компандера dbx, особенно при записи ударных. Кроме того, выбросы уровня при срабатывании компрессора (возникающие из-за задержки уменьшения усиления при нарастании сигнала), доходившие до 12... 18 дБ, вынуждали снижать на ту же величину средний уровень записи. Как следствие, снижалась эффективность шумопонижения (7).

Иными словами, отношение сигнал/ шум при большом сигнале оказывалось меньше, чем в отсутствие шумоподавителя нате самые 12... 18 дБ. В профессиональных катушечных магнитофонах это проходило незамеченным. В кассетных же при громком сигнале оказывается слышно «дыхание» шума, звучание при этом «мутное», тогда как в паузе — гробовая тишина! Так если уровень записи на ленту установить равным -15...-20 дБ (чтобы выбросы проходили неискаженными), то отношение сигнал/шум в кассетном магнитофоне при этом не превысит 30...40 дБ, А минимальная величина отношения сигнал/шум при громких сигналах, необходимая для того, чтобы шум не был слышен из-за его маскировки сигналом, по данным Блессера, колеблется от 50 до 65 дБ. В хорошем катушечном магнитофоне, работающем с высокой скоростью ленты и широкими дорожками, первую из этих цифр при уровне записи -10...-15 дБ получить можно, но в обычном кассетном — едва ли.

Далее, применение фазорасщепите-лей и пары квадратичных выпрямителей действительно позволяло резко уменьшить пульсации при выпрямлении гармонических колебаний («синуса»), но оказывалось почти бесполезным при детектировании реальных сигналов. Соответственно и интермодуляционные искажения низших частот при компрессии оказались изрядными (2..,10%).

Еще одна проблема была вызвана тем, что АЧХ канала управления в системе dbx имеет вид, далекий от зеркального по отношению к спектральной плотности шума магнитофонов. Поэтому при воспроизведении слабых сигналов нарушается взаимное соответствие работы компрессора и экспандера. Происходит это из-за того, что схема управления чрезмерно чувствительна к самым высокочастотным (и низкочастотным) шумам, которые, не будучи слышны, вызывают паразитную модуляцию сигнала из-за детектирования в канале управления. Как следствие, реальное шумопонижение оказывается меньше теоретического и в реальных условиях по шуму паузы составляет всего 18...25 дБ (если учесть запас на перегрузку выбросами), а не 40...60 дБ. Кстати, паразитная модуляция доставляет неприятности почти во всех шумоподавителях, именно поэтому на входе шумоподавителя нужен полосовой фильтр, ослабляющий сигналы с частотами, выходящими за пределы звуковой полосы частот (особенно со стороны ВЧ).

Для уменьшения паразитной модуляции сигнала Блэкмер позднее ввел в канал управления ФНЧ четвертого порядка с крутым спадом и частотой среза в 10 кГц (помимо ФВЧ с частотой среза 35 Гц для подавления низкочастотных помех). Кроме этого, были изменены характеристики частотного корректора а канале управления. Его АЧХ получипа наклон +6 дБ на октаву ниже 440 Гц и выше 4,8 кГц (до 10 кГц), с плоским участком между ними. Отработка импульсных сигналов после доработки стала еще хуже (из-за задержки, вносимой фильтрами)(8), а риск перегрузки ленты на высших (и самых низших) частотах сильно возрос, Этот вариант устройства получил название dbx-ll. И наконец, в начале восьмидесятых годов была выпущена бытовая версия dbx-ll, в которой был применен обычный двухполупериодный выпрямитель, упрощен фильтр в канале управления и исключен фазорасщепитель (9)

Именно этот усеченный вариант реализован в известной микросхеме AN6291.

Несмотря на отмеченные недостатки, неприхотливость и неплохое подавление шума снискали компандеру dbx добрую славу в студиях среднего уровня, особенно после выпуска ряда многоканальных магнитофонов (Tascam, Otari, Fostex) со встроенным dbx. (Конкурирующая система — Dolby-A была громоздка в реализации и поэтому всегда оформлялась в виде отдельного устройства, а кроме того, Долби не спешил распродавать лицензии на его производство). Тем не менее надо сказать, что фирма dbx, стремясь обогнать Dolby Laboratories, одно время продавала лицензии на свои шумоподавители без ограничений. Это привело к появлению на рынке версий, упрощенных до неработоспособности (чаще всего экономили на входном фильтре), и злые языки острили, что dbx — это «Dolby для бедных».

Основной причиной появления выбросов уровня при срабатывании и появления динамических погрешностей являлась тонкая ошибка в построении канала управления. Дело в том, что фазорасщепитель задерживает сигнал на обоих своих выходах, иначе говоря, сигнал управления неизбежно запаздывает по отношению ко входному сигналу. Именно поэтому, несмотря на все ухищрения с повышением быстродействия детектора (переменная постоянная времени срабатывания), и образовывались выбросы при подаче быстро нарастающих сигналов (10).

Здесь уместно сравнение с системой шумопонижения High-Corn, предложенной специалистами фирмы Telefunken в середине семидесятых годов.

High-Corn во многом похожа на dbx: коэффициент компрессии одинаков (2:1), обе системы — широкополосные, обе используют частотную коррекцию с подъемом высоких частот при записи и ослаблением при воспроизведении. Но есть и отличия. Во-первых, закон компрессии в системе High-Corn получен другим способом, с помощью последовательного включения двух одинаковых управляемых усилителей (УНУ) с общим управлением. Работа компрессора при этом основана на том, что если уровень сигнала на выходе второго УНУ поддерживать постоянным, регулируя усиление одновременно обоих, то сигнал на выходе первого УНУ окажется скомпрессированным в соотношении 2:1.

Как уже говорилось, при построении широкополосного компандера существует проблема, связанная с ростом искажений на низких частотах из-за недостаточной инерционности детектора. Поэтому детектор уровня сигнала в системе High-Corn построен так, что у него после очень быстрого срабатывания есть определенное время «выдержки», в течение которого управляющее напряжение остается неизменным, а по его истечении может быстро спадать. Что касается динамических характеристик, то благодаря небольшому времени срабатывания (около 200 мкс) выбросы при компрессировании были невелики. Искажения на низших частотах были ощутимо снижены за счет того, что время выдержки (25 мс) было выбрано равным половине периода самых низкочастотных сигналов (20 Гц).

Это его хорошие стороны. Плохо было то, что из-за довольно быстрого восстановления усиления компрессора по истечении времени выдержки иногда образовывались слышимые «хлюпания». Они учащались, если сигнал, поступающий на экспандер, имел заметную паразитную амплитудную модуляцию (более 5...10 %). Для бытовых магнитофонов такая величина ПАМ — скорее правило, нежели дефект, и как следствие — щелчки следовали друг за другом.

Еще один недостаток системы HighCorn состоял в том, что частотная характеристика детектора, как и edbx, оказывалась далекой от зеркальности по отношению к спектру шума канала воспроизведения. При работе компрессора и экспандера во всем диапазоне входных сигналов (как в dbx) это привело бы к большой паразитной модуляции сигнала помехами. Разработчики системы High-Corn решили эту проблему, что называется, «в лоб»: они отказались от использования постоянного коэффициента компрессии (и экспандирования) на всех уровнях сигнала, введя порог, ниже которого компрессор не работал. В результате появилась проблема согласования уровней, как в системах Долби.

Позднее совместными усилиями специалистов фирм Telefunken и Nakamichi была разработана двухполосная версия, получившая название High-Corn II. Частота раздела составляла около 5 кГц. Работала она ненамного лучше и довольно скоро была забыта.

Вскоре та же участь постигла и первоначальную версию — High-Corn. Вероятно, связано это было с тем, что из-за чрезмерного подьема высоких частот при компрессии (до 17 дБ) и отсутствии мер по снижению уровня записываемого сигнала на высоких частотах возникали проблемы с перегрузкой лент, Кроме того, досаждали шумовые хлопки во время выдержки после прохода фронтов импульсных сигналов.

Но вернемся к компандеру dbx. К сожалению, разобраться, в чем состояла причина больших выбросов и уменьшить их, Блэкмер уже не успел. Как следствие, рынок профессиональных средств шумопонижения остался в руках Долби (11)

Поэтому фирма dbx (уже без Блэкмера) предприняла попытку внедрения своей системы в бытовую технику. Надо сказать, что это ей удалось: в начале—середине восьмидесятых годов большинство высококлассных кассетных дек (Technics, Akai, Aiwa) «имело на вооружении» тот или иной вариант компандера dbx, а изготовители грампластинок выпустили ряд дисков, звуковая дорожка на которых была скомпрессирована с его помощью, dbx для грампластинок отличается отсутствием частотной коррекции в основном канале.

Тем не менее к нашему времени dbx из бытовых магнитофонов практически исчез. Вероятно, наряду с рассмотренными выше недостатками, сказалось то обстоятельство, что запись, сделанная с Dolby-B, при некотором завале высших частот сносно играет и без Dolby, а вот запись, компрессированная системой dbx, без декодирования звучит ужасно. Кроме того, экспандер Dolby-B, в отличие от экспандера dbx, может играть и роль динамического фильтра при воспроизведении шумных записей.

Однако, как показали изыскания автора, недостатки компандера dbx сравнительно легко могут быть сведены к минимуму. Сохраняется единственный недостаток — несовместимость записей с обычными и компрессированными СШП Dolby. Достоинства же — хорошее шумопонижение, неприхотливость, приемлемая сложность и хорошая повторяемость — остаются.

Наиболее важно то, что степень «порчи звука», т. е. заметности искажений, у разработанной автором версии dbx—подобного компандера оказалась меньше, чему любого бытового Dolby, не исключая и Dolby-S, особенно при неидеально настроенном магнитофоне. «Ахиллесова пята» прототипа — выбросы при компрессии — практически «излечена».

Для достижения такого результата потребовалось внести четыре существенные доработки в первоначальный вариант компандера (dbx-l). В первую очередь, фазорасщепитель был заменен на фазовращатель, к выходу которого подключен один из каналов выпрямителя (другой канал подключен в обход фазовращателя). Во вторую очередь, были изменены частотные характеристики цепей предыскажений как в основном канале, так и в канале управления, с тем чтобы согласовать их с особенностями компакт-кассетного формата. В-третьих, для того, чтобы уменьшить искажения динамики сигналов, ослабить влияние паразитной амплитудной модуляции и модуляцию шума («дыхание»), коэффициент компрессии был снижен до 1,5:1 (как в системе Telcom). В-четвертых, в детектор была введена форсирующая цепь, ускоряющая его реакцию при резком нарастании высокочастотных сигналов (типа удара по тарелке, металлофону или треугольнику). И наконец, постоянная времени детектора была сделана составной для лучшего согласования со свойствами человеческого слуха.

Эти меры позволили практически исключить как выбросы при срабатывании, так и паразитную модуляцию сигнала. В результате субъективно ощущаемая степень шумопонижения по сравнению с прототипом существенно возросла несмотря на снижение коэффициента компрессии. Особенно это заметно при записи «живых», необработанных сигналов. Реальный динамический диапазон хорошего кассетного магнитофона при этом достигает 85...90дБ, что более чем достаточно в большинстве применений. Динамический диапазон, измеренный по ужесточенной методике как отношение максимального сигнала частотой 1000Гц(при искажениях 1 %!) к взвешенному по МЭК-А шуму паузы, в авторском макете магнитофона (12) превысил 90 дБ при использовании ленты BASF Chrom Super и скорости ее движения 4,76 см/с. Что касается перегрузочной способности, то АЧХ сквозного канала при уровне сигнала +6 дБ равномерна в пределах от 20 Гц до 20 кГц (по критерию +0...-1,5 дБ), а «0 дБ» шумоподавителя приведен к уровню намагниченности ленты 185 нВб/м.

Пометки в статье:
1. Название Dotby-A появилось позднее, после разработки Dolby-B. До этого момента профессиональная система шумопонижения называлась просто Dolby.
2. Погрешности работы систем Долби, особенно при переходе с одного магнитофона на другой, давно уже стали притчей во языцех среди владельцев кассетных магнитофонов.
3. Этот вариант системы шумопонижения потом получил обозначение dbx-l, с тем чтобы отличить его от более поздней (но худшей) версии dbx-ll. Иногда dbx-l также называли как dbx-Pro, кроме того, существовала упрощенная версия dbx-ll для бытовых магнитофонов.
4. Такое решение тоже не идеально; применение многополосного компандера позволяет заметно уменьшить интермодуляционные искажения и модуляционный шум, появляющийся только в присутствии сигнала. Возможности широкополосного компандера а этом отношении довольно ограничены.
5. А вот это оправдано почти всегда. Не случайно самой удачной системой шумопонижения, наряду с Dolby-SR, на взгляд автора статьи, явился многополосный компандер Telcom. в котором реализован этот принцип. Недаром Deutsche Grammofon предпочитает Telcom Dolby, несмотря на то что соответствующее оборудование давно снято с выпуска.
6. Вопреки распространенному мнению, что тембр всецело определяется усредненным спектральным составом сигнала, главную роль в формировании тембров играют быстрые изменения уровня и спектра сигнала. Классический пример: тембр звучания рояля при проигрывании -задом наперед» разительно отличается от нормального, хотя спектральный состав — тот же самый.
7. Для сравнения: ни одна из систем Долби не давала выбросов более чем на 3 дБ. Достигнуто это было, однако, весьма примитивным путем: выбросы просто срезались ограничителями. что вносило нелинейные искажения. Тем не менее их практически не было слышно как из-за кратковременности, так и из-за того, что они появлялись только при уровнях сигнала до -15 дБ. Сигналы с большим уровнем в Dolby-A проходили без обработки и поэтому практически не искажались.
8. Несмотря на уменьшение постоянной времени сглаживающего конденсатора на30%и увеличение скорости восстановления усиления до 180 дБ/с.
9. Как результат, нелинейные искажения на самых низких частотах увеличились до 5... 10 %, а интермодуляционкые составили те же 5... 10%, что недопустимо много.
10. Время задержки на обоих выходах фазоразностной схемы уменьшается с частотой, поэтому на средних частотах схема управления в dbx-l вела себя немного лучше, чем на низких. На высоких частотах начинало не хватать быстродействия детектора.
11. Несколько позже, so второй половине семидесятых годов, появилась немецкая система шумопонижения Telcom, которая сочетала достоинства Dolby (незаметность работы, неплохое подавление модуляционного шума) и dbx (сильное шумопонижение и неприхотливость к регулировке), но она оказалась еще сложнее (и дороже), чем Dolby-A, а потому широкого распространения, к сожалению, не получила. Кроме того, схемотехника Telcoma первое время была сыровата (неоптимальные частоты раздела, фактически однополулериодные детекторы и т. д.).
12. Магнитофон имеет ряд особенностей, в частности, чрезвычайно малошумящие ГВ и УВ

Почта сайта