Устройства шумоподавления в звукозаписи

Одним из достижений бытовой магнитной записи последних лет явилось создание высококачественных стереофонических кассетных магнитофонов.

Еще совсем недавно, при разработке первых образцов монофонических кассетных магнитофонов, конструкторы ставили перед собой весьма скромную задачу: создать относительно дешевые и простые в эксплуатации аппараты, даже в ущерб, качеству звучания. Очень скоро, однако, такие магнитофоны перестали устраивать не только любителей музыки, но и рядовых слушателей. Конструкторам пришлось срочно направить свои усилия на улучшение качественных показателей кассетных магнитофонов, с тем чтобы на стандартной скорости ленты 4,76 см/с получить качество звучания, не уступающее звучанию электрофонов и катушечных магнитофонов, работающих на скорости 9,53 и 19,06 см/с.

Проблема эта оказалась не из легких. Все попытки реализовать так называемые Hi-Fi нормы в кассетных магнитофонах при стандартной ширине ленты 3,81 мм и скорости 4,76 см/с оказались безуспешными. Пробовали усложнять схемы коррекции, использовать магнитные головки с весьма узким зазором, однако получить скачкообразное улучшение качества не удавалось.

Решить проблему удалось только с появлением новых магнитных лент и специальных систем шумоподавления. В публикуемой статье рассказывается о ряде шумопо-давляющих систем, применяющихся за рубежом в бытовой и профессиональной звукозаписывающей аппаратуре.

Пороговые подавители шума

Пороговые подавители шума используются в звукозаписи уже около 40 лет. Работа их основана на довольно простом принципе: в паузах, когда шумы проявляются сильнее всего, в тракте воспроизведения автоматически уменьшается усиление. Для распознавания паузы используется различие в уровне полезного сигнала и помехи. В конкретных трактах записи или воспроизведения подбирается напряжение (порог) срабатывания цепи шумоподавления, при котором эффективное снижение шума не сопровождается сужением динамического диапазона.

На рис. 1 приведена схема подавителя шума фирмы Panasonic (США), работающего по описанному выше принципу. Подробное описание этого устройства было помещено в журнале Радио, 1974. № 4, поэтому на рисунке приведены лишь каскады, добавленные в обычную схему усилителя воспроизведения для снижения шума в паузе. К тракту прохождения сигнала (точка А) с помощью переключателя В1 и разделительного конденсатора С4 подключаются диоды Д4, Д5. В паузе диоды открыты и через них протекает ток от источника питания, шунтируя цепь прохождения сигнала и таким образом умень-. шая коэффициент передачи канала. При появлении полезного сигнала диоды Д4, Д5 закрываются отрицательным напряжением, поступающим на них с диодов Д1, Д2 выпрямителя выходного напряжения усилителя, выполненного на транзисторах T 1 и Т2. Диоды Д4, Д5 перестают шунтировать вход основного сигнала и коэффициент передачи усилителя воспроизведения возрастает.

Система DNL

Другая система шумоподавления, получившая свое название от первых букв английских слов Dynamic Noise Limiter, что в переводе означает: Динамический ограничитель шума. была предложена фирмой Philips). Принцип действия этой системы основан на так называемой динамической фильтрации сигнала, впервые использованной Н. Скоттом для уменьшения шумов в грамзаписи еще в 1947 г.

Известно, что спектр музыкальных сигналов в значительной мере зависит от громкости исполнения: с уменьшением громкости относительное содержание высокочастотных составляющих в сигнале уменьшается, например, при игре пианиссимо излучаются преимущественно основные тона, которые для большинства инструментов лежат в диапазоне частот, не превышающем 4,5 кГц. Следовательно, если во время исполнения таких пассажей (а также в паузах звучания) ограничивать полосу пропускания канала, то это лишь незначительно ухудшит качество звучания, но наиболее характерные для звукозаписи высокочастотные шумы, проявляющиеся силь-нее всего именно при малом сигнале и в паузах, будут в значительной мере ослаблены. При увеличении уровня сигнала полоса пропускания расширяется, но одновременно увеличивается маскировка шумов полезным сигналом и подавление шумов становится не столь необходимым.

Структурная система шумоподави-геля фирмы Philips, реализующе-го принцип автоматической регулировки полосы пропускания, изображена га рис. 2. Входной сигнал поступает га фазовращатель, на выходе которого образуются сигналы, сдвинутые то фазе на 180°. Один из сигналов поступает на вход сумматора непосредственно, а второй — через канал дополнительной обработки. Канал дополнительной обработки состоит из фильтра верхних частот, выделяющего высокочастотные составляющие сигнала (выше 4,5 кГц), дополнительного усилителя НЧ, блока автоматической регулировки усиления и делителя напряжения.

Амплитудные характерстики отдельных звеньев шумоподавителя приведены на рис. 3. Напряжение U1 поступающее непосредственно на вход сумматора, имеет линейную зависимость от сигнала (рис. 3. а), а напряжение U2, поступающее на вход сумматора через канал дополнительной обработки, нелинейную (рис. 3, б). В результате сложения напряжения U1 и U2 амплитудная характеристика сигнала на выходе сумматора имеет вид, показанный на рис. 3, в. Из этой характеристики видно, что коэффициент передачи шумоподавителя зависит от уровня сигнала, причем на малых уровнях он меньше, чем на больших. Это и создает эффект подавления шума. На начальном участке характеристики до порога срабатывания системы АРУ можно достичь полной компенсации противофазных высокочастотных составляющих входного сигнала.

Уровень входного напряжения U0, при котором эффективно начинает действовать система шумоподавления, выбирается обычно на 38 дБ ниже его номинального значения, что примерно соответствует нижней границе динамического диапазона записи.

Принципиальная схема шумоподавителя системы DN.L приведена на рис. 4. Первый каскад его выполнен па транзисторе Т1 по схеме с разделенной нагрузкой. Сигнал с коллектоpa транзистора Т1 поступает непосредственно в выходную цепь, а с эмиттера в канал дополнительной обработки. Цепочка C3R6 вместе с конденсаторами С4 и С5 и с элементами второго и третьего каскадов усилителя. выполненных на транзисторах Т2 и ТЗ, образуют активный фильтр верхних частот с частотой среза около 5 кГц. Четвертый каскад усилителя так же, как и его входной каскад, выполнен по схеме с разделенной нагрузкой. Сигнал с эмиттера транзистора Т4 поступает на регулируемое звено RI7, Д4, Д6, а с коллектора — на выпрямитель управляющего сигнала, собранный па диодах Д3, Д5 и конденсаторах С9, С10.

При малом уровне высокочастотных составляющих напряжение на коллекторе транзистора Т4 недостаточно для открывания диодов Д3, До, сигнал проходит через управляемое звено без ослабления и в точке соединения конденсатора С11 и резистора R19 суммируется с противофазным сигналом, поступающим сюда с коллектора транзистора Т1.

Переменный резистор R19 позволяет установить максимальное шумоподавление в паузе. При увеличении уровня высокочастотных составляющих диоды Д3, Д5 открываются, конденсаторы С9, С10 заряжаются до амплитудного значения напряжения, действующего на коллекторе 14, диоды Д4, Д6 также открываются, и коэффициент передачи делителя, состоящего из резистора RT7 и дифференциального сопротивления диодов Д4 и Д6, уменьшается. При увеличении сигнала до уровня 38—35 дБ относи-тельно номинального значения канал дополнительной обработки оказывается практически запертым, и сигнал проходит на выход шумоподавителя только через резистор RI9.

Отметим еще одну особенность цепи регулировки. Так как сигнал с коллектора транзистора Т4 поступает в цепь управления через фильтр 68 R16, пропускающий лишь высокочастотные составляющие, шумоподавление сохраняется и в том случае, когда в сигнале преобладают низшие частоты. Если бы противофазным каналом управляли все составляющие спектра, то имел бы место неприятный эффект модуляции шума низкочастотными сигналами. которые плохо .маскируют высокочастотные шумы.

Результаты испытаний системы DXL показали, что улучшение отношения сигнал/шум на частоте 6 кГц составляет около 5 дБ, а на частоте выше 10 кГц более 20. Достоинством этой системы шумоподавления является ее полная совместимость с любой звуковоспроизводящей аппаратурой. Она пригодна для любых записей, как старых, так и новых (в отличие, например, от компандерных систем, требующих при воспроизведении определенной обработки сигнала, зависящей от характера записи). Важно также, что уменьшаются не только шумы капала записи или передачи, как при применении компан-. дерных систем, но также и шумы исходной программы, возникающие, например, при исполнении пли первичной записи.

К недостаткам системы DXL можно отнести то, что компромисс, на который приходится идти при выборе степени подавления шумов и минимальным искажением спектра сигнала, не всегда оказывается удачным. В результате в тихих местах некоторых программ может иметь место как недостаточное шумоподавление, так и искажение тембра.

В последнее время рядом фирм были сделаны попытки улучшить параметры системы DN-L. Например, одна

из японских фирм в своем шумо-иодавителе применила три цепи шумоподавления (рис, 5), каждая из которых, благодаря различным емкостям конденсаторов фильтров С1— С3, обеспечивает снижение усиления в определенной полосе частот. При малом уровне сигнала и в паузе передачи диоды Д1 н Д2 открыты и через них протекает ток от источника питания, шунтирующий сигнал, поступающий на оконечный усилитель У2 через цепь R1C1. В результате ослабляются высокочастотные составляющие основного сигнала, воспроизводимого громкоговорителем Гр1.

При увеличении уровня входного сигнала, поступающего от вспомогательного усилителя У1, постоянное напряжение, образующееся на конденсаторе С4, компенсирует начальное смещение диодов Д1, Д2, они закрываются, высокочастотные составляющие, сигнала полностью поступают на оконечный усилитель У2 и полоса пропускания расширяется. Аналогично работают две другие цепочки. Подбирая порог срабатывания щумоподавляющих цепочек, можно достичь их последовательного подключения по мере снижения уровня сигнала, а также в зависимости от ширины его спектра. Это дает возможность уменьшить искажения тембра и одновременно улучшить шумоподавление.