关于噪声抑制器的工作原理。方案、说明

关于噪声抑制器的工作原理。无线电电子电气工程百科全书

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磁记录设备的降噪问题继续吸引无线电爱好者和音频设备用户的关注。配备各种降噪系统的进口录音机的广泛使用促进了这一点。

信息缺乏的部分原因是设备的操作说明不包含有关嵌入式系统的实现和使用功能的信息。因此，各种猜测不断流传，但音频质量问题依然存在。

首先，值得注意的是，“噪声抑制器”一词指的是两种根本不同类型的系统：其中一种旨在消除录音中已经存在的噪声（英文为 Denoiser），另一种旨在防止累积信号传输或记录期间的噪声（降噪器）。这种歧义经常引起混淆和误解，因此，为了在专业环境中指定第一类型的系统，习惯上使用英文单词“donozer”来将它们与第二类型的系统区分开。众所周知的降噪器是动态滤波器（DNL、DNR、HUSH、“Mayak”），其原理是基于在频谱的单独部分（通常是 HF）中同时降低增益以及信号和噪声，其中有用的信号可以忽略不计。它们的优点是适用于任何信号源，但其严重的缺点是不可避免地会丢失一些信息。

现在降噪器主要用于“清理”旧的（或技术上不成功的）记录。它们很少用于家用设备，通常仅作为辅助：毕竟，为了获得最佳结果，需要手动或自动调整特定的录音制品。专业降噪器可以作为独立设备（模拟或数字）或计算机程序来制作。我们以 Sonic Solutions 的 NoNoise 软件包为例。您可以通过聆听“The Beatles Live at the BBC”唱片来了解他的作品。

作者所知道的最高质量的模拟降噪器是由 Orban 制造的。这款五频段动态滤波器具有分析电平和信号类型的独特能力，可防止混响声音和低音高频打击乐被侵蚀。第二种类型的系统（Dolby、dbx、High-Corn、Super-D 等）对信号进行两次处理：第一次是在录制或传输之前，第二次是在接收或播放期间。因此，它们也被称为互补的，与第一类系统相反，第一类系统被称为非互补的有条件名称。由于互补系统的工作基于压缩器和动态范围扩展器的组合，因此它们通常称为压缩扩展器或简称为压缩扩展器（COMpressor + exPANDER）。

压缩扩展器通常比降噪器提供更大的噪声降低和更少的音乐信号失真。但它们对接收-发送（或录音-回放）通道有一定的要求，因此使用起来比较“反复无常”。

所有降噪系统（USB）（而不仅仅是压缩扩展器）所基于的基本但没有争议的想法。是一个假设。噪声仅会损害对微弱信号的感知，而对于强信号（高音量），由于用更强的声音掩盖微弱的声音的效果，人们听不到噪音。

遵循这一逻辑，无论存在或不存在有用信号，噪声水平都不需要保持恒定。也就是说，绝对噪声水平随着信号水平的增加而增加被认为是可接受的并且是耳朵不可察觉的。这一假设为压缩扩展器系统的构建开辟了道路，其中两半（压缩器和扩展器）的增益根据信号电平而变化。

实际上，这意味着弱信号在馈入传输通道（例如，磁带录音机）之前会被放大，而强信号则不会发生任何变化（甚至衰减）。此操作称为动态范围压缩。在通道的另一端，执行逆变换，结果使信号恢复到原始电平范围，并通过微弱信号减少噪声。

显然，在实现这样的系统时，动态范围（在没有信号的情况下测量为最大传输信号与噪声的比率）可能显着超过针对传输通道本身测量的相同比率。很明显，UWB 特性中的动态范围值是第一个数字（尽可能大）。

然而，它表征的是可接受的输入信号电平的范围，而存在信号时的信噪比（即瞬时信噪比）主要由传输通道本身的特性决定。在不采取额外措施的情况下，例如特殊频率校正、使用多频带系统或动态频率响应均衡器，有信号时的信噪比不能超过没有噪声抑制器的通道的信噪比。简而言之，如果即使在最大信号电平下也能听到通道中的噪声，则使用压扩没有任何好处。尽管这可能令人不快，但这正是大多数情况下发生的情况。与此相关的是，人们普遍认为任何响亮的声音都会掩盖（掩盖）任何微弱的声音（包括噪音），这种假设通常是错误的。

心理声学（人类对声音的感知的科学）专家在几十年前就确定了这样一个事实：掩蔽现象仅在有限的频率范围内起作用，主要是在响亮（掩蔽）信号的频率附近。所谓的“掩蔽曲线”（图 1、2）最清楚地反映了这一点，特别是在存在响度高达 90 ... 95 的窄带声音的情况下，可以得出以下结论： phon2，在没有掩蔽信号的情况下，人类在许多频率下的听力仍然能够区分位于听力阈值附近的声音。只有将音量增加到约 95 方以上，才会导致灵敏度反射性降低，从而保护耳朵免受损伤。

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米。 1.中心频率0,25的窄带噪声纯音掩蔽曲线； 1 和 4 kHz

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米。 2 用频率为 1,2 kHz、声压级为 80 dB 的另一个纯音来控制音调掩蔽曲线（取决于其频率和电平）。摘自 Licklider (1951)、Fletcher (1929)、Wgel 和 Lane 的作品。干扰频率以红色显示，掩蔽曲线以绿色显示。听不到低于此曲线的音调。电平和频率落在阴影区域内的测试音会产生节拍；如果该音调的电平高于蓝色虚线所描绘的电平，则将听到多种音调的混合（耳朵中的互调产物）。当测试音的电平在黄线到蓝线的范围内时，会听到噪声、测试音和差频音，如果电平在绿线到黄线的范围内，则会听到噪声和差频音。在绿线左侧，可以分别听到干扰音和探测音。

因此，人耳具有一种动态范围压缩器，使其能够处理约 130 dB 动态范围内的信号，同时具有约 90 dB 的感知（瞬时）动态范围。因此，如果在存在信号的情况下，噪声和失真不超过可听度的绝对阈值或相对于最大信号电平的 - 90 dB（考虑到听力不均匀的灵敏度），则在任何情况下都不会听到噪声或失真。条件（和信号）。然而，即使大多数放大器都无法提供这些条件，更不用说磁带录音机了。

因此，另一种做法更为现实：需要采取措施，保证在播放各种信号时，声音传输系统的噪声和失真产物的频谱尽可能地低于这些信号的掩蔽曲线。特别地，对于互调失真产物，这意味着在处理高频信号期间形成差音以及来自低频信号的和音是非常不希望的。同时，基音的谐波失真很可能为 -50 dB 并且不会被注意到。

至于噪音，它们的感知本质与“有组织”的声音不同。人类听觉感知噪声的能力取决于有用信号的频谱和变化率，以及存在 85 ... 95 dB 电平信号时允许的信噪比（相对于对于纯音，听觉阈值从 40 ... 信号到大约 45...75 dB，尤其是在音频频带的边缘。平均为 85...50 dB。

基于此，我们可以说，在磁记录压缩扩展器中，噪声抑制器在大多数情况下工作在“犯规的边缘”。即使压缩器和扩展器完美匹配，如果录音回放通道在最大信号存在时的信噪比小于80dB，则可能会出现噪音的情况。

即使在没有信号的情况下，模拟磁带录音机的录音-播放通道中的相对噪声水平通常也不会达到-80 dB。出现在一些家用录音机（例如Tandberg SE-20）的描述中，该值是通过使用非标准频率校正来实现的，但会损失较高频率下的过载能力。

此外，在存在信号的情况下，模拟磁带录音机中的噪声水平总是增加，在标称信号水平下达到-35至-60 dB的值。这种增加的噪声是由信号的存在引起的，并且大致与信号电平成正比。这就是为什么它被称为调制噪声。

当以标称电平记录纯音时，优质磁带录音机上的调制噪声频谱由两个组成部分组成：由记录信号的杂散幅度和频率调制引起的相对较窄的边带，以及超过暂停噪声电平的宽带噪声10...25 dB 取决于信号频率和磁带质量。

边带，除非其总电平不超过 -40...-46 dB，且宽度较小（小于中心频率的 5...8%），否则几乎听不到，因为它们位于相应的掩蔽之下曲线（图3a和3b）。

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米。 3a. 盒式录音机在额定速度和 70 µs 校正下的调制噪声。黑线是三分之一倍频程噪声的可听阈值的频率依赖性，蓝线是三分之一倍频程停顿噪声的频率依赖性（慢速上的*0dB，即250mWb/m对应于一个电平） 60 dB 声压），红线是 315 Hz、电平 0 dB 的信号频谱，绿线是掩蔽曲线。可以看出，频率高于 2 kHz 时没有掩蔽，并且高-存在低频信号时的频率噪声变得清晰可闻。

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米。 3b. 相同，但信号频率为 3150 Hz。可以看出，未被有用信号掩盖的调制噪声的宽带分量的低频部分是最容易听到的。这是造成钹、钟、小提琴高音声音“浑”、“脏”的主要原因。

在播放纯音时，即使在录音室母带录音机上也经常可以听到宽带分量（以“脏”声音的形式），因为其总体电平相对于信号电平很少低于 -50 dB。不幸的是，只有两种方法可以降低宽带调制噪声分量的水平：提高磁带的质量和增加记录磁道的宽度（每次加倍只能获得 3 dB 的增益）。

调制噪音带来很多麻烦：钢琴琴键的每一次敲击都伴随着噼啪声，就像铺了纸一样，管风琴的低音管发出嘶嘶声，弦乐器开始像管乐器，“沙子是顺便说一句，当使用不同类型的磁带时，声音差异的主要原因正是互调失真量和电平（以及频率依赖性）的差异。的调制噪声。

减少存在信号时宽带噪声增加的明显性（即所谓的“呼吸”或“泵浦”）的唯一方法是在记录的信号中引入这种频率校正，以便在回放会衰减未被有用信号掩盖的噪声频谱部分（图 4）。

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米。 4a. 如果在播放期间，频谱中未被信号掩盖的那些部分被衰减，则可以降低调制噪声的相关程度。因此，对于低频信号（高达 400 Hz），这种自适应滤波器的作用可以由 Dolby-B 噪声抑制器扩展器来执行。其频率响应如图上半部分所示，所得信号频谱由橙色线描绘。

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米。 4b. 相同，但有用信号的频率为 3150 Hz。可以看出，滤波器所需的频率响应降低了调制噪声的可见度，结果是完全不同的 - 有一个“阶跃”。

这种频率校正可以通过多种方式来完成。第一个也是最明显的是将信号频谱划分为单独的频带，每个频带都有自己的压缩扩展器。因此，一个频段中存在强信号不会导致其他频段中出现噪声。长期以来，人们已经确定，为了确保此类系统具有可接受的运行质量，需要四到七个频带，这使得噪声抑制器的设计变得非常复杂，并且使其运行对于记录频率响应的准确性至关重要。播放频道。因此，根据这一原理构建的四频段杜比-A 要求对磁带录音机的频率响应进行调谐，误差不超过±0,3 ... 0,5 dB。

第二种更简单的方法是使用固定频率均衡电路，其选择方式应为大多数信号提供接近最佳抑制宽带噪声的频率响应。这种系统的运行质量很大程度上取决于校正特性的正确选择。大多数宽带压缩扩展器（High Com、ADRS、dbx 等）都使用类似的方法。不幸的是，作者所知的宽带压缩扩展器的校正特性远非最佳。

第三种方法是使用具有自适应频率响应的压缩扩展器，它可以自动适应输入信号的频谱。这种方法（与具有固定频率响应的链相结合）在杜比-S/SR系统中实现，压缩器频率特性变化的本质如图5所示。 500. 通常，具有自适应频率响应的系统可以完美地处理单个纯音和单声道乐器，但是，遗憾的是，自适应的可能性在实际信号上受到限制。因此，在杜比-S / SR 系统中，在存在宽带信号的情况下，录音期间中频的“拉伸”会停止。在播放过程中，这会导致大约 800 ... 2 Hz 到 4 ... XNUMX kHz（“不自然的中间”）频率范围内的噪声和失真“突破”。

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米。 5. 杜比 SR 编码器在各种信号电平下的频率响应系列，频率为 200 Hz（棕线）和 3 kHz（蓝线）。在播放过程中使用反频率特性可以显着降低正常噪声、电流噪声和调制噪声的明显程度。

当然，这些方法的组合也是可能的。

上面讨论的所有方法都假设压缩器和扩展器的时间和电平特性相同，并且记录-回放通道不会扭曲信号的结构。在实践中，你不能指望这一点，因此压缩扩展器系统中不可避免地会出现跟踪错误。它们对最终信号的影响很大程度上取决于系统的设计，但主要归结为两点：声音上升和下降过程的失真，从而改变其音色，以及操作干扰的出现（咔嗒声和爆裂声）。

出现咔嗒声和爆裂声的主要原因例如有以下事实。当压缩器对信号电平跳跃做出快速反应时（例如，拍手时），压缩器处理的频段中的所有频率都会同时衰减。由于相移，不同频率的分量到达扩展器时存在时间差，但同时被处理。结果，输出信号中出现脉冲误差，相应地，响应出现喀哒声（见图 6a 和 6b）。

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米。 6、a. 压缩信号传输通道中相位失真的影响，从上到下：输入信号波形（阻尼中频振荡叠加在较弱的低频信号上）、压缩器输出信号波形、相位失真信号波形、扩展信号波形。可见较大的误差和干扰。

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米。 6b. 由于压缩信号的相位失真，在扩展过程中“吃掉”了音乐信号的攻击（波形图序列，如上图所示）。当压缩机启动时，也可以看到喘振。

至于信号电平的误差，最常见的原因是录音-播放通道的频率响应或传输系数的误差。误差的另一个原因是记录-回放通道中信号的寄生幅度调制。

最后，在低信号电平下，问题是各种噪声渗透到压缩器或扩展器的控制电路中。为了减少射频（和次低频）干扰的渗透，压缩扩展器输入必须具有带通滤波器，用于切断音频频带以外频率的信号。缺少这样的滤波器通常会导致噪声抑制器在实际条件下无法工作。

正是由于上述情况，配备任何一种众所周知的压缩扩展器的录音机的声音都不会没有问题。不幸的是，完美的（或几乎完美的）压缩扩展降噪器目前还不存在。此外，随着数字技术的发展，UWB开发人员的主要注意力转向了降噪器的创建。然而，改进压缩扩展器的工作目前正在进行中。例如，成功的开发包括 VHS-HiFi 视频录制系统音频通道中的压缩扩展器。

尽管如此，大规模生产的盒式录音机仍然使用 Dolby-B/C，较少使用 Dolby-S 或 dbx。因此，每次按下按钮之前，都值得思考一下是否真的有必要使用这个压缩扩展器来进行这次录音？如果 CD 上的原始录音质量一般，那么磁带录音机也是如此。

作者：S. Ageev，莫斯科

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