Принцип действия динамических шумоподавителей

Использование шумоподавления в магнитной записи

Современная техника записи аудиоинформации достигла высокого уровня. Тем не менее, улучшение ее качественных показателей остается актуальной задачей. С одной стороны, это вызвано дальнейшим ростом требований к верности воспроизведения аудиоинформации в условиях постоянного усложнения технологии записи и передачи (многократная перезапись, использование каналов радиовещания и связи и т.п.). Сигнал подвергается многократной обработке и для снижения суммарных искажений и помех влияние каждого звена должно быть достаточно малым. С другой стороны на это оказывают влияние экономические соображения, в частности, стремление к повышению плотности записи (применительно к магнитной записи – уменьшение скорости ленты и ширины дорожки записи).

Следует отметить, что такой важный параметр, как отношение сигнал/шум при повышении плотности записи ухудшается в большей степени, чем другие параметры (нелинейные искажения, детонация и т.д.). Компенсировать это ухудшение традиционными методами (такими, как применение малошумящих усилителей и носителей аудиоинформации) полностью не удается, тем более, что для таких носителей, как магнитная лента, в настоящее время почти достигнут теоретически возможный предел снижения уровня шума. Решению этой задачи в большой степени способствует применение шумоподавителей.

Все известные устройства шумоподавления можно отнести к двум группам. К первой относятся устройства однократного воздействия, работающие лишь при воспроизведении. Ко второй – основанные на двукратной обработке сигнала (соответственно при записи и воспроизведении). Шумоподавители первой группы, как правило, проще, но их работа принципиально связана с подавлением части информации, содержащейся в сигнале. Шумоподавители второй группы, наиболее известными представителями которых являются шумоподавители Dolby, дают возможность полностью восстановить исходный сигнал, но они значительно сложнее по структуре и схемотехнике.

Шумоподавитель DNL (от англ. – Dynamic Noise Limiter – динамический ограничитель шума), предложенный голландской фирмой «Philips», основан на принципе так называемой динамической фильтрации сигнала.

В результате исследований было установлено, что спектр музыкальных сигналов зависит от громкости исполнения таким образом, что с уменьшением громкости относительное содержание высокочастотных составляющих в сигнале уменьшается. Это объясняется особенностями звукообразования в музыкальных инструментах: при изменении громкости изменяется соотношение между уровнями основного тона и гармонических составляющих (обертонов). При игре тихой (пианиссимо) излучается преимущественно основные тона, которые для большинства инструментов лежат в диапазоне частот, не превышающем 4,5 кГц. Поэтому ограничение полосы пропускания канала во времени воспроизведения таких пассажей (а также паузах звучания) лишь не значительно ухудшит качество звучания, но заметно ослабит характерные для звукозаписи высокочастотные шумы, которые проявляются особенно сильно именно при малом сигнале и в паузах. При увеличении уровня сигнала полоса пропускания расширяется, но одновременно увеличивается маскировка шумов полезным сигналом, и подавление шумов становится не столь необходимым.

Рассмотрим некоторые функциональные схемы динамических шумоподавителей.

3.5.1. Функциональная схема и принцип работы шумоподавителя фирмы «Philips». В шумоподавителе фирмы “Philips”, изображенном на рис.1.14, входной сигнал поступает на фазорасщепитель, представляющий собой каскад с разделенной нагрузкой.

На его выходе образуются сигналы, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 180° и равные по амплитуде между собой. Один из сигналов поступает в канал обработки, где с помощью ФВЧ выделяются ВЧ – составляющие (выше 4,5 кГц). Эти ВЧ-составляющие дополнительно усиливаются и подаются на каскад АРУ, коэффициент передачи которого определяется уровнем входного сигнала. После ослабления в делителе выходные сигналы схемы АРУ по величине делаются равными сигналам основного (нижнего) канала и подаются на выходной сумматор.

Сигналы основной части спектра (НЧ и СЧ) не проходят через ФВЧ канала обработки. Поэтому для них U ₂ = 0, на выходной сумматор поступает только один основной сигнал U ₁, модуль которого равен | U _вх|. Соответственно | U _вых| = | U _вх|, и схема не оказывает влияния на проходящие сигналы НЧ и СЧ.

Для ВЧ ФВЧ канала обработки прозрачен и коэффициент передачи всей схемы зависит от уровня U _вх. Эта зависимость определяется амплитудными характеристиками управляющего звена АРУ (рис.1.15).

Так как напряжение U ₂ складывается в сумматоре с напряжением U ₁ в противофазе, то результирующая амплитудная характеристика на ВЧ имеет вид, представленный на рис.1.15, в.

Из рис.1.15 видно, что для ВЧ сигналов малого уровня коэффициент уменьшается, что и вызывает эффект подавления шумов. В начальном участке характеристики (до установленного порога срабатывания U ₀) можно достичь полной компенсации противофазных составляющих U ₁ и U ₂, т.е. получить U _ВЫХ = 0. Канал прохождения ВЧ сигналов малого уровня запирается. Напряжение U ₀, соответствующее входному сигналу, при котором начинает эффективно действовать шумоподавление, обычно выбирается на 38 – 40 дБ ниже номинального значения, что примерно соответствует нижней границе динамического диапазона записываемых сигналов.

Недостатком схемы является то, что сигналы основного канала и канала обработки проходят на сумматор существенно различными путями, благодаря чему исходный сдвиг фаз между ними на 180°, введенный фазорасщепителем, нарушается, поэтому не удается достичь эффекта полного подавления шумов в сумматоре.

3.5.2. Функциональная схема и принцип работы шумоподавителя АМФ «Весна». На рис.1.16 показана функциональная схема динамического шумоподавителя, использованного в АМФ «Весна-М205». Это схема свободна от недостатков описанной ранее схемы.

Входные сигналы U _ВХ= U ₁, подаются на фазорасщепитель ФР, на выходах которого образуются два сдвинутых по фазе на 180° сигнала U ₂= U ₁ и U ₃= - U ₁. Сигнал U ₂ (сигнал основного канала) сразу поступает на выходной сумматор S, а сигнал дополнительного канала U ₃ идет на S через ФВЧ₂, на выходе которого мы имеем сигнал U ₄.

Одновременно сигнал U ₃ подается через ФВЧ₁ на блок регулирования, состоящий из ключевого каскада КК, усилителя УС и детектора Д.

На НЧ и СЧ ФВЧ₁ и ФВЧ₂ непрозрачны, т.е. U ₄ и U ₅ равны 0. Поэтому независимо от величины U _ВХ= U ₁ имеем U _ВЫХ= U ₂= U ₁. Коэффициент передачи схемы во всем динамическом диапазоне входных сигналов равен единице, канал регулирования не работает, шумы не подавляются.

На рис.1.17 представлены зависимости характерных сигналов шумоподавителя, использованного в магнитофоне «Весна» для ВЧ.

На ВЧ (f > 4,5 кГц) прохождение сигнала на выход зависит от уровня сигнала. При малых и стремящихся к нулю значениях ВЧ U ₁ ФВЧ₁ и ФВЧ₂ прозрачны. Можно считать, что U ₄= U ₃ и U ₅= U ₃. Сигнал U ₅ усиливается УС, детектируется Д и преобразуется в сигнал постоянного тока U _УПР. Этот сигнал подается на ключевой каскад КК, выполняющий функцию управляемого сопротивления: R _КК»¥ при U _УПР<< U _ВКЛ, R _КК»0 при U _УПР>> U _ВКЛ, R _КК» R _РАБ при U _УПР» U _ВКЛ.

Поскольку, как уже было указано U ₁®0, то U _УПР<< U _ВКЛ. Соответственно R _КК»¥ и КК не оказывает влияние на сигнал U ₅ и, соответственно, на сигнал U ₃.

Связь между сигналами U ₃ и U ₅ осуществляется через ФВЧ₁, который на ВЧ имеет коэффициент передачи 1, т.е. U ₃= U ₅.

Соответственно полученный из U ₃ сигнал U ₄, противофазный U ₂, поступает на S. Здесь U ₄ и U ₂ компенсируют друг друга.

ВЧ сигналы низкого уровня, которые с высокой степенью вероятности представляют из себя шумы, на выход схемы не проходят. Происходит процесс шумоподавления.

При увеличении уровня входных ВЧ сигналов и достижении ими некоторого значения U ₁* включается в действие канал регулирования; U ₁* проходит ФР и дает U ₃*. На выходе ФВЧ₁ получается U ₅*.

Усиленное и продетектированное значение U ₅* дает U _УПР» U _ВКЛ. Соответственно КК выходит из разомкнутого состояния и его сопротивление становится равным R _РАБ; R _РАБ ¹ const, при изменениях U _УПР вблизи U _ВКЛ, R _РАБ= f (U _УПР). Появляется делитель сигнала U ₃, образованный выходным сопротивлением ФР R и подключенным к нему через ФВЧ₁ сопротивлением R _КК= R _РАБ. При дальнейшем увеличении U ₁ U ₃ практически перестает расти, т.к. попытка увеличения U ₃ приводит к росту U ₅, соответственно росту U _УПР, уменьшению R _КК.

Коэффициент передачи делителя R _КК/(R + R _КК) уменьшается и фактически U ₃ остается неизменным и равным U ₃*. В случае, если коэффициент передачи усилителя УС К _УС® ¥, U ₃= U ₃*=const при U ₁> U ₁*. Реально, К _УС ¹ ¥, и поэтому с ростом U ₁, U ₃ незначительно увеличивается.

На выходе ФВЧ₂ U ₄= U ₃= U ₃*=const, соответственно U _ВЫХ= U ₂– U ₄= U ₁– U ₃* = U ₁ – const. На выходе сумматора появляется сигнал, линейно связанный с входным. Шумоподавление для высокого уровня ВЧ сигналов U _ВХ не производится.

Дата добавления: 2014-01-06