.

Системы шумоподавления Dolby A, B и C

Даже самые высококачественные ленты все же значительно уступают компакт-дискам по динамическому диапазону и уровню шумов при воспроизведении магнитных записей. Поэтому магнитофоны нередко снабжаются спе­циальными электронными схемами подавления шумов. Ведущую роль в их разработке сыграла фирма DolbyIaboratories.

В системе подавления шумов DolbyВ сигнал усилителя записи имеет подъем АЧХ выше частоты 500 Гц, висящий от уровня сигнала. При большом уровне сигнала подъема нет, а при малых он максимален. Такой подъем при записи улучшает отношение сигнал/шум при малых сигналах. При воспроизведении АЧХ также зависит от уровня сигнала — при малых сигналах она имеет спад на высоких частотах. Таким образом, в процессе записи-воспроизведения используется частотно-зависимая комп­рессия-декомпрессия звуковых сигналов. Система шумоподавления DolbyВ позволяет повысить отношение сигнал/ шум примерно на 10 дБ, причем в основном на высоких частотах, где расположен спектр шумов, хорошо слыши­мых на слух.

Более сложные системы шумоподавления DolbyС и Sимеют не два частотных канала, а больше, что позволяет более эффективно давить шум в более широкой полосе частот. Выигрыш по показателю сигнал/шум, достигаемый в различных системах Dolbyв зависимости от частоты записываемого сигнала. Нетрудно заметить, что система DolbyС дает повышение соотноше­ния сигнал/шум еще примерно на 20 дБ, по сравнению с системой DolbyВ. Система DolbySдает выигрыш еще примерно на 10 дБ, но что особенно важно — на эти 10 дБ увеличивается динамический диапазон воспроизведения низких частот.

Поскольку системы Dolbyбазируются на зависимой от уровня сигнала частотной коррекции, то важно обеспе­чить достаточно точное поддержание уровня сигналов при записи. Кроме того, для воспроизведения записей, сделанных по системам DolbyB/C/S, магнитофон должен иметь в тракте воспроизведения соответствующую схему преобразования. Это ведет к искажениям (и довольно заметным) при воспроизведении записей, сделанных на магнитофоне с такими системами, на другом магнитофоне, не имеющем таких систем.
 
Поподробней
 
Система шумоподавления «Dolby-A»
 
Система «Dolby-A» — это СШП коммерческого назначения, разработанная для профессионального использования. Обобщенная структурная схема системы показана на рис. 

Упрощенная структурная схема СШП «Dolby-A»
Регулирование производится не во всем диапазоне входных уровней, а лишь при сравнительно небольших уровнях, что уменьшает заметность переходных процессов. При больших уровнях помехи маскируются сигналом и их подавление становится необязательным. 

Рисунок— Амплитудная характеристика
сжимателя (1), расширителя (2) и сквозного
тракта (3) системы «Dolby-A»
Входной аудиосигнал распределяется по двум путям, причем в основном тракте он не регулируется, а в дополнительном подвергается регулированию с помощью сжимателя, после чего обе составляющие складываются. Коэффициент передачи дополнительного тракта при больших входных сигналах мал, в результате чего сигналы большого уровня не претерпевают изменений. При малых входных уровнях коэффициент передачи дополнительного тракта увеличивается, доля сигнала этого тракта относительно основного становится больше и уровень сигнала на выходе первого сумматора возрастает. Сигнал с выхода системы поступает на сумматор через расширитель уже инвертированным и вычитается из общего сигнала, вследствие чего восстанавливаются исходные соотношения уровней.
Особенностью дополнительных трактов является разделение в них спектра сигнала на четыре части с помощью фильтров, пропускающих полосы частот 30–80; 80–3000; 3000–20000 и 9000–20000 Гц (рис. 3.42). Выбор полос пропускания определен спектром наиболее характерных шумов и помех и особенностей их восприятия слухом: в полосах пропускания ФНЧ лежит частота фона переменного тока 50 Гц; в полосе пропускания ПФ — переходные помехи и помехи копирэффекта; ФВЧ — структурные помехи, обусловленные неоднородностью ферромагнитного слоя ленты (см. рис. 3.28) и высокочастотные модуляционные помехи.

Рисунок— Частотные характеристики фильтров
системы «Dolby-A»
В каждой из полос динамический диапазон сжимается и соответственно затем расширяется путем изменения коэффициента передачи только при уровнях, лежащих ниже определенного порогового уровня Nнорм. Сигналы с выхода компрессоров добавляются к сигналу основного тракта, а в приемной части системы соответственно вычитаются при уровнях менее Nнорм. Сигналы более высокого уровня проходят через систему без изменений. Разделение спектра сигнала до регулируемых звеньев значительно повышает эффективность регулирования, особенно если энергия сигнала сосредоточена в какой-либо одной полосе. Ввиду большого уровня сигнала в этой полосе не происходит регулирования, зато в других полосах ввиду небольшого уровня попадающего в них сигнала регулирование происходит более эффективно и отношение «сигнал/шум» увеличивается в большей степени.
Дополнительный тракт системы «Dolby-A» универсален и используется дважды — при записи и воспроизведении. Поэтому искажения АЧХ и ФЧХ фильтрами при записи компенсируются искажениями обратного знака при воспроизведении.

Система ШП «Dolby-A» обеспечивает улучшение отношения «сигнал/шум» в диапазоне частот 30–15000 Гц примерно на 10 дБ, а на более высоких частотах — на 15 дБ. 

 

Система шумоподавления «Dolby-B»  

Система ШП «Dolby-B» (рис. 3.43) появилась в 1970 году и предназначена, в первую очередь, для борьбы с высокочастотными шумами, возникающими в бытовых магнитофонах с небольшой скоростью движения ленты 

Рисунок— Структурная схема СШП «Dolby-B»

Система содержит два тракта прохождения аудиосигнала: основной (выше пунктирной линии на рис. 3.43) и вспомогательный (ниже пунктирной линии), выходы которых объединены с помощью сумматора. В основном тракте никаких преобразований сигнала не происходит. В состав дополнительного тракта входят ФВЧ с управляемой частотой среза (от 1,5 кГц и выше в зависимости от EУ), детектор уровня (ДУ), усилитель (коэффициент усиления K=2,3), инвертор и ограничитель. Последний срезает выбросы напряжения длительностью до 1 мс, возникающие из-за задержки срабатывания ДУ в моменты резкого повышения входного сигнала.

При записи (переключатель S1 на рис. 3.43 в верхнем положении) схема работает как компрессор. В зависимости от напряжения записываемого аудиосигнала параметры дополнительного тракта меняются автоматически таким образом, чтобы уровень сигнала на его выходе поддерживался постоянным. Причем этот уровень поддерживается постоянным не за счет изменения коэффициента передачи дополнительного тракта (как, например, в СШП «Dolby-A»), а путем сдвига граничной частоты ФВЧ. Управляющее напряжение для изменения АЧХ ФВЧ формируется детектором уровня. Чем выше уровень входного сигнала, тем дальше в область ВЧ сдвигается граничная частота ФВЧ. В результате малые уровни записываемого сигнала усиливаются за счет добавления напряжения из вспомогательного тракта. При возрастании уровня записываемого сигнала относительное приращение уменьшается. Таким образом, при записи происходит частотно-зависимое сжатие динамического диапазона сигнала 

Рисунок— Зависимость динамического диапазона
 
записываемого сигнала от частоты в СШП «Dolby-B»
при разных входных уровнях
При воспроизведении (переключатель S1 на рис. 3.43 в нижнем положении) устройство работает как экспандер, уменьшающий усиление в местах с низким уровнем фонограммы. Сигнал после инвертора с выхода системы через вспомогательный тракт подводится к сумматору и вычитается из основного сигнала. Использование в экспандере того же самого вспомогательного тракта позволяет автоматически обеспечить обратный вид характеристик по отношению к компрессору (рис. 3.45) и устранить искажения, возникающие из-за некомплементарности амплитудных и фазовых характеристик компрессора и экспандера.

Система «Dolby-B» обеспечивает следующее предельное улучшение отношения «сигнал/шум» на различных частотах: 600 Гц — 3 дБ, 1200 Гц — 6 дБ, 2400Гц — 8 дБ, 5000Гц — 8 дБ, 5000…10000Гц — 10 дБ. 

Рисунок— Амплитудные характеристики СШП
«Dolby-B»: сжимателя (1), расширителя (2), общая (3)
 
Система шумоподавления «Dolby-C» 
 
Система ШП «Dolby-С» (разработана в 1983 году) позволяет улучшить отношение «сигнал/шум» на 15 дБ для частот 400…1000 Гц и на 20 дБ для частот выше 1 кГц. Это достигнуто путем последовательного включения двух каскадов «Dolby-B» (рис. 3.46), работающих в одинаковых полосах частот, но с разными порогами срабатывания. Первый каскад системы работает при уровнях сигнала, сравнимых с уровнями в «Dolby-B». Второй каскад работает при пороговом уровне сигнала, пониженном на 20 дБ. Такое разделение позволяет уменьшить выбросы уровня.
Рисунок — Структурные схемы компрессора (а)
и экспандера (б) системы шумоподавления «Dolby-C»
Для уменьшения шумов в области СЧ частота среза ФВЧ в каскаде обработки сигнала по сравнению с «Dolby-B» уменьшена с 1,5 кГц до 375 Гц. Дополнительно введены ограничение спектра обрабатываемого сигнала и схема «антинасыщения», включенная в цепь обработки аудиосигналов с малым уровнем.

Устройство ограничения спектра сигнала, установленное перед компрессором, обеспечивает спад АЧХ на частотах выше 10 кГц (рис. 3.47). Это позволяет улучшить модуляционную способность на ВЧ канала «записи-воспроизведения» и уменьшить ошибки вследствие колебаний уровня, вызываемых выпадением сигнала. Спектр сигнала восстанавливается после экспандера в устройстве восстановления спектра

Рисунок— АЧХ компрессора СШП «Dolby-С»
Схема «антинасыщения» служит для предотвращения перегрузки магнитной ленты на ВЧ и уменьшения интермодуляционных искажений.

Запись, сделанную на аппаратуре, оборудованной «Dolby-С», можно воспроизводить на магнитофонах с системой «Dolby-B» без потери качества, так как эти системы являются совместимыми.