Компандерные системы шумопонижения

Вторая большая группа устройств шумопонижения предназначена, главным образом, для расширения динамического диапазона трактов записи-воспроизведения, хотя иногда они применяются и в трактах приёма-передачи – например, радиомикрофонов [5].

В отличие от ранее рассмотренных, эти системы абсолютно ничего не изменяют в исходном сигнале. Они только улучшают условия передачи сигнала через тот тракт, в котором установлены. И уменьшить уровень шумов непосредственно в обрабатываемом ими сигнале нельзя.

Так как любой тракт передачи сигналов имеет две стороны – приёмную и передающую, или, иначе говоря, вход и выход – то, очевидно, что для его улучшения необходимо обрабатывать (кодировать) сигнал, как на входе, так и на выходе. Именно так это и производится в реальности.

От объединения частей слов КОМПрессор и экспАНДЕР и родилось общее название таких систем – компандерные системы шумопонижения.

Компандер – это общее название устройств, применяемых для расширения динамического диапазона путём компрессии сигнала на входе и последующего его экспандирования на выходе.

Элементарная система шумоподавления

И грампластинка на 78 оборотов в минуту с плохим отношением «сигнал/шум», и наиболее высококачественные аудиосистемы производят шум, который не зависит от сигнала. Но когда уровень шума в результате внешнего воздействия начинает меняться в пределах одной фонограммы, появляется модуляция шума.

Это явление проще понять, представив себе магнитофон, осуществляющий запись на магнитной ленте и имеющий регулировки уровня записи и уровня воспроизведения.

При записи на подобный аппарат уровень входного сигнала настраивают таким образом, чтобы во время наиболее громких фрагментов фонограммы измеритель уровня находился «в красной зоне». Во время воспроизведения уровень громкости устанавливают так, чтобы эти же наиболее громкие фрагменты проигрывались с оптимальной громкостью. В результате, во время звучания громких частей записи шум пленки, даже когда он слышен, не мешает восприятию музыку. Зато во время звучания наиболее тихих пассажей он становится хорошо заметным и в какой-то момент может полностью перекрыть музыку. Дело в том, что уровень шума все еще остается постоянным на протяжении всей фонограммы.

Компрессия

Чтобы избежать ситуации, когда на фоне шума тихая музыка почти не слышна, следует поднять уровень записи. Однако просто зафиксировать его в таком положении нельзя, т. к. при этом любой громкий музыкальный фрагмент вызовет слишком сильный скачок громкости и, следовательно, значительные искажения сигнала. Конечно, во время воспроизведения можно постоянно повышать уровень записи на тихих фрагментах и уменьшать на громких. Но это приведет к тому, что динамический диапазон музыкального произведения будет сильно сжат. Другими словами, разница между тихими и громкими фрагментами будет минимальной, а это в большинстве случаев противоречит замыслу композитора и исполнителя.

Экспандирование

После компрессированной записи на магнитной ленте имеется возможность восстановления первоначального динамического диапазона во время воспроизведения. Чтобы выполнить расширение динамического диапазона, нужно лишь уменьшить уровень громкости на тихих фрагментах записи (до соответствующего замыслам композитора и исполнителя) и затем поднять его при воспроизведении громких пассажей. При этом понижение уровня громкости на тихих фрагментах создаст эффект снижения шумов от магнитной ленты (ведь тихие фрагменты были записаны при повышенном уровне записи). В то же время при воспроизведении громких музыкальных фрагментов шум по-прежнему не будет мешать прослушиванию – он будет плохо слышен на фоне громкой музыки.

Таким образом, если проделать последовательно описанные операции компрессирования и экспандирования сигнала (т. е. постоянно проводить регулировку уровня во время записи и воспроизведения), получится грубая ручная система шумоподавления. Фактически, она устраняет шум во время звучания тихих фрагментов произведения и оставляет исходный уровень шума, когда звучат громкие пассажи.

Электронное устройство, которое способно проводить такую работу, является наиболее простой системой шумоподавления. Его называют широкополосным компандером (компрессором/экспандером). Схемы работы такого устройства при записи и воспроизведении громких и тихих отрывков фонограммы соответственно показаны на рис. 8.3 и 8.4.

Широкополосный компандер имеет одну важную особенность: при его применении уровень шума начинает зависеть от входного сигнала. Использование этой системы шумоподавления приводит к тому, что уровень шума остается относительно высоким во время звучания громких фрагментов (хотя при этом он значительно тише, чем полезный сигнал) и снижается при воспроизведении тихих частей записи. Именно это явление и называют модуляцией шума.

Рис. 8.3. Работа широкополосного компандера на громких сигналах

Рис. 8.4. Работа широкополосного компандера на тихих сигналах

Модуляция шума

Важно понимать, что модуляции шума не происходит в природе. К примеру, шум водопада постоянен. Человек вскоре привыкает к присутствию звука бурлящей воды и замечает его только в случае, когда он значительно изменяется или вообще пропадает. Другими словами, человек чувствителен к переменам в тех случаях, когда их не ожидает.

Поэтому шум с изменяющимся уровнем при прослушивании аудиозаписи больше заметен и сильнее раздражает, чем шум постоянный. Любые слышимые изменения в присутствующем шуме, даже совсем незначительные, моментально воспринимаются человеческим ухом как что-то чужеродное.

В этом как раз и заключается основной недостаток элементарного широкополосного компандера. Когда изначальный уровень шума (постоянного для всей фонограммы) велик и появляется необходимость его понизить, применение широкополосного компандера непременно влечет за собой модуляцию шума, которая, в свою очередь, неприятна для слуха.

Если ограничиться только компандерами, основанными на простом управлении уровнем записи и громкостью при воспроизведении, решения этой проблемы найти не удастся, т. к. все подобные устройства рождают слышимую модуляцию шума. Однако существуют и другие конструкции систем шумоподавления, которые не вызывают это неприятное явление.