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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Sistema de reducción de ruido dbx: pasado y presente. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Audio En este artículo, el autor examina las características del diseño, funcionamiento y aplicación de uno de los sistemas de reducción de ruido más eficaces: el sistema dbx compander, que en un momento compitió con el conocido sistema Dolby-A. Además, basándose en un análisis exhaustivo de las deficiencias de dichos sistemas, creó un compander UWB, que prácticamente carece de su principal inconveniente: una notable distorsión de los frentes de las señales musicales. Mucha gente conoce bien el nombre de Ray Milton Dolby, al menos por los nombres de los sistemas de reducción de ruido más comunes: Dolby-B, Dolby-C y Dolby-S, desarrollados para su uso en electrodomésticos. También creó el Dolby-A (el primer sistema comercial de reducción de ruido) y los compresores Dolby-SR para uso profesional. Baste decir que la palabra “dolby” a veces se utiliza en el sentido más general para designar sistemas de reducción de ruido en general, y no a un tipo específico. Hasta la fecha, en la grabación de sonido profesional, debido a la transición a la tecnología digital para la grabación multicanal y el desplazamiento de las grabadoras de cinta analógicas, los sistemas de reducción de ruido han perdido su importancia anterior. El único sistema de reducción de ruido que se utiliza actualmente en la tecnología analógica de alta calidad es Dolby-S/SR. Sin embargo, hace un cuarto de siglo la situación era diferente. La compañía de Ray Dolby recién se estaba poniendo de pie con su sistema de cuatro vías1, que redujo el ruido en sólo 10 dB. Dolby era bastante complejo, caro (300 dólares por canal) y, lo más importante, requería un ajuste de precisión de las grabadoras (±0,2...0,3 dB). Sólo los estudios de primera clase podían permitírselo (Londres-Decca, Deutsche Grammofon Gesellschaft, etc.)2. No es casualidad que el funcionamiento experimental del sistema Dolby comenzara precisamente en el estudio Decca en Inglaterra, y no en Estados Unidos. Al mismo tiempo, había muchos lugares donde, además de ser menos importante para la precisión de la configuración del equipo, se requería una reducción de ruido de más de 10 dB. El primer éxito en la solución de este problema recayó en el estadounidense David Blackmore. El sistema compander de reducción de ruido dbx que creó en 1971 (patente estadounidense n.º 3,789,143)3 era fácil de usar, económico y proporcionaba una reducción de ruido de hasta 30 dB. Pero su principal ventaja resultó ser su falta de importancia para la distribución de los coeficientes de transmisión y la respuesta de frecuencia de los canales de grabación y reproducción.
Vale la pena recordar que la mayoría de los sistemas de reducción de ruido propuestos en ese momento (e incluso posteriores) resultaron ser de poca utilidad en la práctica. Sus principales desventajas eran la excesiva sensibilidad a los defectos del medio de grabación (cintas magnéticas o de película) o la introducción de distorsiones inaceptables en el sonido. Dolby logró destacarse en este contexto a costa de utilizar un dispositivo multibanda complejo; la notabilidad de la distorsión se redujo limitando su regulación (0... 10 dB en el rango de niveles de señal de entrada de -40 a -20 dB). Naturalmente, la supresión de ruido resultó ser pequeña. Blackmer pensó de otra manera. Dado que la criticidad de la desigualdad en la respuesta de frecuencia en el sistema Dolby se debe a la división del espectro de la señal en bandas, el compander debe hacerse de banda ancha para que procese toda la banda de frecuencia a la vez.4. Y dado que la importancia crítica de la coincidencia de niveles en el sistema Dolby se debe al procesamiento desigual de señales con diferentes niveles, el compresor debe diseñarse de tal manera que su algoritmo operativo no dependa del nivel de la señal.5. Sobre esta base, se diseñó un sistema de reducción de ruido, que sentó las bases para la empresa dbx (escrito en minúsculas), de David Blacmer Excellence (según otras fuentes, Experience). Ahora esta empresa es una de las "grandes" en el mercado de equipos de estudio. Además, el exitoso diseño VCA (amplificador controlado por voltaje) de Blackmer todavía se utiliza en la mayoría de los equipos de procesamiento de audio de estudio en la actualidad. En la figura se muestra el diagrama de bloques de la versión principal del sistema de reducción de ruido dbx, tomado de materiales patentados. El supresor de ruido consta de dos partes: el canal principal por el que pasa la señal procesada y el canal de control. La señal de entrada durante la grabación, después de pasar por el filtro de paso de entrada, el generador de preénfasis de frecuencia del canal principal (corrector 1) y el amplificador controlado por voltaje (VCA), llega simultáneamente a la salida del dispositivo en su conjunto ( es decir, en la entrada del amplificador de grabación) y en la entrada del administrador de canales. El canal de control consta de un corrector de frecuencia de entrada (corrector 2), un divisor de fase, dos rectificadores rms que funcionan con un condensador de suavizado común y un canal de control que no se muestra en el diagrama del buffer (repetidor), desde el cual se suministra el voltaje de control a la unidad de control. Así, con un aumento en el nivel de salida y, en consecuencia, de la señal de entrada, el coeficiente de transmisión de la unidad de control disminuye. Esto da como resultado la compresión de la señal. Durante la reproducción se recibe la misma señal en la entrada del canal de control que en la entrada del canal principal, se invierte la polaridad del voltaje que controla la UNA (para obtener expansión, no compresión), etc. Finalmente, la respuesta de frecuencia del preénfasis en el canal principal cambia para reflejar la de la grabación. Al grabar, el corrector de frecuencia en el canal principal se ubica frente a la UNA y reduce el nivel de las señales de baja frecuencia en 12 dB (puntos de inflexión 370 y 1590 Hz). Durante la reproducción, se enciende después de la UNU y restaura el nivel de las señales de baja frecuencia. En el canal de control, la señal pasa a través de un segundo ecualizador de frecuencia, que eleva el nivel de las señales de alta frecuencia en 20 dB (puntos de inflexión 1600 Hz y 16 kHz). Un divisor de fase de segundo orden (Phase Splitter) está conectado a la salida del corrector de frecuencia. De sus salidas se toman dos señales, cuyo desplazamiento de fase en el rango de frecuencia 20...200 fluctuará aproximadamente 90° (señales en cuadratura). A continuación, este par de señales se suministra a dos rectificadores cuadráticos que funcionan con un condensador de suavizado común. El voltaje suavizado se utiliza para controlar la ganancia del VNA. La pendiente de las características del rectificador se elige de modo que la relación de compresión de grabación sea 2:1. En otras palabras, el nivel de salida cambia en 5 dB cuando el nivel de entrada cambia en 10 dB. El propósito de utilizar un divisor de fase es eliminar la principal desventaja de un compresor de banda ancha: debido a la necesidad de una respuesta rápida a señales de alta frecuencia, el tiempo de respuesta del rectificador debe ser lo más corto posible (decenas de microsegundos). Pero luego resulta ser menor que el período de la señal de frecuencia más baja y, por lo tanto, la señal de baja frecuencia se modulará a sí misma, lo que conducirá a una distorsión armónica de alrededor del 20...40%. Para evitar ondulaciones en la señal de control, Blackmer aprovechó el hecho de que sinzx+cos2x=1. Es decir, cuando se utilizan dos detectores cuadráticos y se desplazan las fases de las señales de entrada 90°, sus ondulaciones de salida se compensan entre sí. Vale la pena señalar que los rectificadores funcionan con el logaritmo del valor absoluto de la señal de entrada, ya que la unidad de control tiene una característica de control exponencial. Además, la constante de tiempo de carga del condensador integrador se hace inversamente proporcional a la velocidad de respuesta de la señal de entrada. Gracias a esto, cuando la señal de entrada cambia lentamente, el suavizado es bueno (la constante de tiempo es grande), y cuando la señal aumenta rápidamente, el rectificador responde rápidamente (¡la velocidad de "reinicio" de ganancia puede alcanzar 90 dB en un milisegundo!) . La tasa de recuperación de ganancia cuando desaparece la señal de entrada es de 140 dB por segundo. Este valor es aproximadamente una vez y media mayor que la tasa de recuperación de la sensibilidad del oído después del final de una señal fuerte, como resultado de lo cual el ruido al inicio de una pausa se debilita más rápido de lo que una persona puede escucharlo. Gracias al uso de rectificadores rms, las distorsiones de fase en el canal de transmisión prácticamente no tienen ningún efecto sobre el funcionamiento del compander en estado estacionario. El propósito de la corrección de frecuencia no es trivial. El primer corrector de frecuencia (en el canal principal) está destinado a un aumento relativo de las altas frecuencias durante la grabación (durante la reproducción, se reflejan atenuadas junto con el ruido). Además, la atenuación de las señales de baja frecuencia, donde se concentra la mayor parte de la potencia de la señal, le permite "descargar" parcialmente el canal de grabación, reduciendo así la distorsión y el ruido de modulación. Es curioso que Dolby haya aplicado una corrección similar (“Spectral-seswing”) sólo quince años después, cuando desarrolló Dolby-SR. El segundo corrector de frecuencia (en el canal de control) realiza tres funciones a la vez. En primer lugar, protege hasta cierto punto el canal de control de interferencias inaudibles de baja frecuencia, que en su ausencia provocarían una modulación caótica de la señal. En segundo lugar, el cambio de fase en este corrector desplaza la fase de las ondulaciones de la tensión de control de tal manera que sus bordes se producen aproximadamente en el momento en que la señal útil pasa por cero. Gracias a esto, la influencia de las ondulaciones de la tensión de control se reduce en aquellas frecuencias en las que el divisor de fase ya no proporciona cuadratura (por encima de 500...800 Hz). Finalmente, el refuerzo de alta frecuencia en el canal de control reduce el nivel de señales de alta frecuencia en estado estable a la salida del compresor (a partir de aproximadamente 5 kHz), lo que evita la sobrecarga de las cintas magnéticas y los canales de grabación. Así funciona el clásico supresor de ruido dbx o dbx-l. Además de la estructura descrita anteriormente, otras empresas también produjeron bajo licencia sus variantes, con características similares. Hay que decir que a pesar de toda la elegancia de este diseño, de él sobresalen las orejas de burro de un enfoque tecnocrático del desarrollo. El hecho es que cuando se trabaja con señales sinusoidales de nivel constante o que varían suavemente, todo estaba en perfecto orden, pero el procesamiento de señales pulsadas iba acompañado de grandes distorsiones en los procesos de subida y bajada. Esto cambia significativamente el timbre de muchos instrumentos.6. Por lo tanto, los ingenieros de sonido que grababan música clásica y jazz evitaban utilizar el dbx compander, especialmente al grabar baterías. Además, los aumentos de nivel cuando se activa el compresor (que surgen debido a un retraso en la reducción de la ganancia a medida que aumenta la señal), alcanzando 12... 18 dB, obligaron a reducir el nivel medio de grabación en la misma cantidad. Como resultado, la eficiencia de reducción de ruido disminuyó.7. En otras palabras, la relación señal-ruido con una señal grande resultó ser menor que en ausencia de un supresor de ruido, como máximo 12... 18 dB. En las grabadoras profesionales de bobina a bobina esto pasaba desapercibido. En las cintas de casete, con una señal fuerte, se puede escuchar la “respiración” del ruido, el sonido es “turbio”, ¡mientras durante una pausa hay un silencio sepulcral! Entonces, si el nivel de grabación en la cinta se establece en -15...-20 dB (para que las emisiones no estén distorsionadas), entonces la relación señal-ruido en la grabadora de casetes no excederá los 30...40 dB, y el valor mínimo de la relación señal/ruido en En señales fuertes, el requisito para que el ruido no se escuche debido a su enmascaramiento por la señal, según Blesser, oscila entre 50 y 65 dB. En una buena grabadora de carrete a carrete, que trabaja con alta velocidad de cinta y pistas anchas, el primero de estos números se puede obtener a un nivel de grabación de -10...-15 dB, pero en una grabadora de casete normal es Difícilmente posible. Además, el uso de divisores de fase y un par de rectificadores cuadráticos hizo posible reducir drásticamente la ondulación al rectificar oscilaciones armónicas ("seno"), pero resultó ser casi inútil al detectar señales reales. En consecuencia, la distorsión de intermodulación de las frecuencias más bajas durante la compresión resultó ser significativa (2...10%). Otro problema fue causado por el hecho de que la respuesta de frecuencia del canal de control en el sistema dbx tiene una forma que está lejos de ser similar a un espejo en relación con la densidad de ruido espectral de las grabadoras. Por lo tanto, cuando se reproducen señales débiles, se altera la correspondencia mutua entre el funcionamiento del compresor y el expansor. Esto ocurre porque el circuito de control es demasiado sensible al ruido de frecuencia más alta (y de baja frecuencia), que, aunque no se escucha, provoca una modulación parásita de la señal debido a la detección en el canal de control. Como resultado, la reducción de ruido real resulta ser menor que la teórica y en condiciones reales el ruido de pausa es de sólo 18...25 dB (si tenemos en cuenta el margen de sobrecarga con emisiones), y no de 40. ..60 dB. Por cierto, la modulación espuria es un problema en casi todos los supresores de ruido, por lo que se necesita un filtro de paso de banda en la entrada del supresor de ruido para atenuar las señales con frecuencias fuera de la banda de frecuencia de audio (especialmente en el lado de HF). Para reducir la modulación de señal espuria, Blackmer introdujo más tarde en el canal de control un filtro de paso bajo de cuarto orden con una caída pronunciada y una frecuencia de corte de 10 kHz (además de un filtro de paso alto con una frecuencia de corte de 35 Hz). para suprimir las interferencias de baja frecuencia). Además, se cambiaron las características del corrector de frecuencia en el canal de control. Su respuesta de frecuencia tiene una pendiente de +6 dB por octava por debajo de 440 Hz y por encima de 4,8 kHz (hasta 10 kHz), con una sección plana en el medio. El procesamiento de señales de pulso después de la modificación empeoró aún más (debido al retraso introducido por los filtros)8, y el riesgo de sobrecarga de la cinta en frecuencias más altas (y más bajas) ha aumentado considerablemente. Esta versión del dispositivo se llamó dbx-ll. Y finalmente, a principios de los años ochenta, se lanzó una versión para el consumidor del dbx-ll, en el que se utilizó un rectificador de onda completa convencional, se simplificó el filtro en el canal de control y se eliminó el divisor de fase.9. Es esta versión truncada la que se implementa en el conocido chip AN6291. A pesar de las deficiencias notadas, su sencillez y buena supresión de ruido le han valido al dbx compander buena fama en los estudios de nivel medio, especialmente después del lanzamiento de varias grabadoras multicanal (Tascam, Otari, Fostex) con dbx incorporado. (El sistema de la competencia, Dolby-A, era complicado de implementar y, por lo tanto, siempre se diseñó como un dispositivo separado y, además, Dolby no tenía prisa por agotar las licencias para su producción). Sin embargo, hay que decir que dbx, intentando superar a Dolby Laboratories, en un momento vendió licencias para sus supresores de ruido sin restricciones. Esto llevó a la aparición en el mercado de versiones simplificadas hasta el punto de no funcionar (la mayoría de las veces se guardaban en el filtro de entrada), y las malas lenguas bromeaban diciendo que dbx es "Dolby para los pobres". La razón principal de la aparición de aumentos repentinos de nivel durante la operación y la aparición de errores dinámicos fue un error sutil en la construcción del canal de control. El hecho es que el divisor de fase retrasa la señal en ambas salidas, en otras palabras, la señal de control inevitablemente va por detrás de la señal de entrada. Por eso, a pesar de todos los trucos para aumentar la velocidad del detector (tiempo de respuesta variable constante), se formaban emisiones cuando se suministraban señales que aumentaban rápidamente.10. Aquí conviene hacer una comparación con el sistema de reducción de ruido High-Corn, propuesto por los especialistas de Telefunken a mediados de los años setenta. High-Corn es similar en muchos aspectos a dbx: la relación de compresión es la misma (2:1), ambos sistemas son de banda ancha y ambos usan corrección de frecuencia con un refuerzo de alta frecuencia al grabar y atenuación durante la reproducción. Pero también hay diferencias. En primer lugar, la ley de compresión en el sistema High-Corn se obtiene de otra forma, utilizando la conexión secuencial de dos amplificadores controlados (CAA) idénticos con control común. El funcionamiento del compresor se basa en que si el nivel de la señal a la salida del segundo UNU se mantiene constante ajustando la ganancia de ambos al mismo tiempo, entonces la señal a la salida del primer UNU se comprimirá en una proporción de 2:1. Como ya se mencionó, al construir un compander de banda ancha, existe un problema asociado con el aumento de la distorsión en bajas frecuencias debido a una inercia insuficiente del detector. Por lo tanto, el detector de nivel de señal en el sistema High-Corn está diseñado de tal manera que, después de un funcionamiento muy rápido, tiene un cierto tiempo de "mantenimiento", durante el cual el voltaje de control permanece sin cambios, y luego puede caer rápidamente. En cuanto a las características dinámicas, debido al corto tiempo de respuesta (alrededor de 200 μs), las emisiones durante la compresión fueron pequeñas. La distorsión en frecuencias más bajas se redujo significativamente debido al hecho de que el tiempo de permanencia (25 ms) se eligió igual a la mitad del período de las señales de frecuencia más baja (20 Hz). Estos son sus puntos buenos. Lo malo es que debido a la recuperación bastante rápida de la ganancia del compresor después del tiempo de permanencia, a veces se formaban “silenciamientos” audibles. Se volvieron más frecuentes si la señal que ingresaba al expansor tenía una modulación de amplitud parásita notable (más del 5...10%). Para las grabadoras domésticas, este valor PAM es más una regla que un defecto y, como resultado, los clics se sucedieron. Otro inconveniente del sistema HighCorn fue que la respuesta de frecuencia del detector, como edbx, resultó estar lejos de reflejarse en relación con el espectro de ruido del canal de reproducción. Al operar el compresor y el expansor en todo el rango de señales de entrada (como en dbx), esto conduciría a una gran modulación parásita de la señal por ruido. Los desarrolladores del sistema High-Corn resolvieron este problema, como dicen, "de frente": abandonaron el uso de una relación de compresión (y expansión) constante en todos los niveles de señal, introduciendo un umbral por debajo del cual el compresor no funcionaba. . Como resultado, apareció el problema de la adaptación de nivel, como en los sistemas Dolby. Posteriormente, gracias al esfuerzo conjunto de especialistas de Telefunken y Nakamichi, se desarrolló una versión bidireccional, denominada High-Corn II. La frecuencia de cruce fue de unos 5 kHz. No funcionó mucho mejor y fue rápidamente olvidado. Pronto la misma suerte corrió la versión original: High-Corn. Esto probablemente se debió al hecho de que debido al aumento excesivo de las altas frecuencias durante la compresión (hasta 17 dB) y la falta de medidas para reducir el nivel de la señal grabada en las altas frecuencias, surgieron problemas con la sobrecarga de las cintas. , el ruido aparece durante la exposición después del paso de los frentes de señal de pulso. Pero volvamos al compander dbx. Desafortunadamente, Blackmer no tuvo tiempo de descubrir cuál era el motivo de las grandes emisiones y reducirlas. Como resultado, el mercado de productos profesionales de reducción de ruido quedó en manos de Dolby.11. Por ello, dbx (sin Blackmer) intentó introducir su sistema en los electrodomésticos. Hay que decir que lo consiguió: desde principios hasta mediados de los años ochenta, la mayoría de los reproductores de casetes de alta gama (Technics, Akai, Aiwa) estaban armados con una u otra versión del dbx compander, y los fabricantes de discos lanzaron varios discos en con el que se comprimió la pista de audio, dbx para discos de gramófono se distingue por la ausencia de corrección de frecuencia en el canal principal. Sin embargo, en nuestro tiempo, dbx prácticamente ha desaparecido de las grabadoras domésticas. Probablemente, junto con las desventajas comentadas anteriormente, el hecho es que una grabación realizada con Dolby-B, con cierto bloqueo de frecuencias más altas, se reproduce bien incluso sin Dolby, pero una grabación comprimida por el sistema dbx suena terrible sin decodificar. Además, el expansor Dolby-B, a diferencia del expansor dbx, también puede desempeñar el papel de filtro dinámico al reproducir grabaciones ruidosas. Sin embargo, como ha demostrado la investigación del autor, las desventajas del dbx compander se pueden minimizar con relativa facilidad. El único inconveniente sigue siendo la incompatibilidad de las grabaciones con Dolby UWB normal y comprimido. Las ventajas persisten: buena reducción de ruido, sencillez, complejidad aceptable y buena repetibilidad. Lo más importante es que el grado de "daño del sonido", es decir, la perceptibilidad de la distorsión, en la versión desarrollada por el autor del compander tipo dbx resultó ser menor que el de cualquier Dolby doméstico, sin excluir el Dolby-S. , especialmente con una grabadora mal sintonizada. El "talón de Aquiles" del prototipo, las emisiones de compresión, está prácticamente "curado". Para lograr este resultado, fue necesario realizar cuatro modificaciones significativas a la versión original del compander (dbx-l). En primer lugar, el divisor de fase se reemplazó por un desfasador, a cuya salida está conectado uno de los canales del rectificador (el otro canal está conectado sin pasar por el desfasador). En segundo lugar, se cambiaron las características de frecuencia de los circuitos de preénfasis tanto en el canal principal como en el canal de control para alinearlos con las características del formato de casete compacto. En tercer lugar, para reducir la distorsión de la dinámica de la señal y debilitar la influencia de la modulación de amplitud espuria y la modulación de ruido (“respiración”), la relación de compresión se redujo a 1,5:1 (como en el sistema Telcom). En cuarto lugar, se introdujo un circuito forzador en el detector, que aceleraba su respuesta ante un fuerte aumento de señales de alta frecuencia (como golpear un platillo, un metalófono o un triángulo). Finalmente, la constante de tiempo del detector se compuso para que coincida mejor con las propiedades de la audición humana. Estas medidas permitieron eliminar prácticamente tanto las sobretensiones durante el funcionamiento como la modulación parásita de la señal. Como resultado, el grado de reducción de ruido percibido subjetivamente en comparación con el prototipo ha aumentado significativamente a pesar de la reducción de la relación de compresión. Esto es especialmente notable cuando se graban señales “en vivo” sin procesar. El rango dinámico real de una buena grabadora de casetes alcanza los 85...90 dB, que es más que suficiente en la mayoría de aplicaciones. Rango dinámico, medido utilizando un método más estricto como la relación entre la señal máxima con una frecuencia de 1000 Hz (¡con una distorsión del 1%!) y el ruido de pausa ponderado según IEC-A, en el diseño de la grabadora del autor12 superó los 90 dB cuando se utilizó la cinta BASF Chrom Super y su velocidad de 4,76 cm/s. En cuanto a la capacidad de sobrecarga, la respuesta de frecuencia del canal directo a un nivel de señal de +6 dB es uniforme en el rango de 20 Hz a 20 kHz (según el criterio +0...-1,5 dB), y “0 dB” del supresor de ruido se ajusta al nivel de magnetización de la cinta de 185 nWb/m. Notas
Autor: S. Ageev, Moscú
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