dbx 降噪系统 - 过去和现在。方案、说明

dbx 降噪系统 - 过去和现在。无线电电子电气工程百科全书

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在所提出的文章中，作者考虑了最有效的降噪系统之一——dbx压扩器系统的设备特点、操作和应用，该系统一度与著名的杜比-A系统竞争。此外，基于对此类系统缺点的彻底分析，他创建了压扩器 UWB，几乎没有它们的主要缺点 - 音乐信号前端的明显失真。

许多人都非常熟悉雷·米尔顿·杜比 (Ray Milton Dolby) 的名字，至少是最常见的降噪系统的名称——杜比 B、杜比 C 和杜比 S，这些系统是为家用电器而开发的。他还创建了 Dolby-A（第一个商用降噪系统）和供专业用途的 Dolby-SR 压缩扩展器。可以说，“杜比”一词有时以最一般的含义使用，以表示一般的降噪系统，而不是特定类型。

迄今为止，在专业录音中，由于多通道录音向数字技术的过渡以及模拟磁带录音机的取代，降噪系统已经失去了昔日的重要性。目前高品质模拟技术中唯一使用的降噪系统是Dolby-S/SR。

然而，四分之一个世纪前，情况有所不同。 Ray Dolby 的公司刚刚凭借其四路系统“站稳脚跟”。¹，这使得噪音仅降低了 10 dB。杜比相当复杂、昂贵（每个通道 300 美元），最重要的是，它需要对录音机进行精确调整（±0,2...0,3 dB）。只有一流的工作室才能负担得起（London-Decca、Deutsche Grammofon Gesellschaft 等）²。杜比系统的试运行恰恰是在英国的 Decca 工作室开始的，而不是在美国，这并非巧合。

同时，在许多地方，除了对设备设置的准确性不太重要之外，还需要降低 10 dB 以上的噪音。

第一个成功解决这个问题的人是美国人大卫·布莱克莫尔。他于1971年创建的dbx压缩扩展器降噪系统（美国专利号3,789,143）³ 易于使用、价格低廉，并且可降低高达 30 分贝的噪音。但事实证明，它的主要优点对于记录和回放通道的传输系数和频率响应的扩展并不重要。

dbx 降噪系统 - 过去和现在

值得回顾的是，当时（甚至后来的）提出的大多数降噪系统在实际应用中几乎没有什么用处。它们的主要缺点是对记录介质（磁带或胶片磁带）的缺陷过于敏感，或者在声音中引入不可接受的失真。

杜比设法在这种背景下脱颖而出，但代价是使用复杂的多频段设备，通过限制其调节（在 -0 至 -10 的输入信号电平范围内为 40 ... 20 dB），降低了失真的可见度。 D b）。当然，这种情况下的噪声抑制效果很小。

布莱克默不这么认为。由于杜比系统中频率响应不均匀的严重性是由信号频谱划分为频带引起的，因此，压缩扩展器必须是宽带的，以便它可以一次处理整个频带⁴。并且由于杜比系统中电平匹配的关键性是由不同电平的信号的不平等处理引起的，因此压缩扩展器的设计必须使其操作算法不依赖于信号电平⁵.

在此基础上设计了降噪系统，这为公司dbx（小写字母书写）奠定了基础——来自David Blacmer Excellence（根据其他来源，经验）。现在这家公司是演播室设备市场上的“巨头”之一。此外，百马公司开发的成功的VCA（压控放大器）设计至今仍在大多数录音室声音处理设备中使用。

图中所示为 dbx 降噪系统主要版本的框图，借自专有材料。噪声抑制器由两部分组成：处理信号通过的主通道和控制通道。

录音时的输入信号经过PF的输入带通滤波器、主通道的频率预失真发生器（校正器1）和压控放大器（VCA）后，同时到达设备作为一个整体（即录音放大器的输入端）和通道管理的输入端。

控制通道由输入频率校正器（校正器 2）、分相器、两个均方根组成。因此，随着输出电平的增加以及输入信号的增加，UNU 的传输系数会减小。因此信号被压缩。

播放时，控制通道的输入接收与主通道输入相同的信号，控制UNA的电压极性反转（以获得扩展，而不是压缩）。最后，改变主通道中预失真的频率响应以反映录音期间的频率响应。

录音时主通道中的频率校正器位于 UNA 前面，可将低频信号电平降低 12 dB（拐点 370 和 1590 Hz）。播放时，UNU后开启，恢复低频信号电平。

在控制通道中，信号通过第二个频率均衡器，将高频信号的电平提高20 dB（拐点1600 Hz和16 kHz）。二阶分相器（Phase Splitter）连接到频率校正器的输出。从其输出中获取两个信号，其间的相移在 20 ... 200 的频率范围内将波动约 90°（正交信号）。

此外，这对信号被馈送到在公共平滑电容器上运行的两个二次整流器。平滑电压用于控制 VNA 的增益。选择整流器特性的斜率，使得记录压缩比为2:1。换句话说，当输入电平改变5dB时，输出电平改变10dB。

使用分相器的目的是消除宽带压缩扩展器的主要缺点：由于需要对高频信号快速响应，因此整流器的响应时间应尽可能短（数十微秒）。但事实证明它小于低频信号本身的周期，因此低频信号将进行自身调制，这将导致谐波系数约为 20 ... 40%。为了避免控制信号中的脉动，Blackmer 利用了 sinzx+cos2x=1 的事实。也就是说，当使用两个二次检波器并且输入信号相移90°时，它们的输出纹波相互抵消。应该注意的是，整流器以输入信号绝对值的对数工作，因为 UNU 具有指数调节特性。

此外，积分电容器的充电时间常数与输入信号的转换速率成反比。这对于输入信号的缓慢变化（高时间常数）产生良好的平滑效果，而对于快速信号上升，整流器响应更快（增益“重置”速率可高达每毫秒 90dB！）。

输入信号丢失时的增益恢复率为每秒 140 dB。该值大约比强信号结束后耳朵灵敏度的恢复速度高一倍半，因此暂停开始时的噪声衰减速度比人能够听到的速度要快。

由于使用了 RMS 整流器，传输通道中的相位失真实际上不会影响压缩扩展器在稳态下的运行。

频率校正的分配并非易事。第一个频率均衡器（在主通道中）用于在录音期间相对提高高频（在播放期间，它们与噪声一起镜像衰减）。此外，大部分信号功率集中在低频信号上的衰减使您可以从其中部分“卸载”录音通道，从而减少失真和调制噪声。奇怪的是，仅仅十五年后，杜比在开发杜比 SR 时就应用了类似的校正（“频谱偏斜”）。

第二个频率校正器（在控制小菜中）同时执行三个功能。首先，它在一定程度上保护控制信道免受听不见的低频噪声的影响，如果没有低频噪声，就会导致混沌信号调制。其次，该校正器中的相移以这样的方式移动控制电压纹波的相位，使得它们的前沿大约在有用信号通过零的时刻下降。因此，在分相器不再提供正交的频率（500...800 Hz 以上）处，控制电压纹波的影响会降低。最后，提升控制通道中的高频会降低压缩器输出端的稳态高频信号水平（从大约 5 kHz 开始），从而防止磁带和录音通道过载。

这就是经典 dbx 或 dbx-l 降噪器的工作原理。除了上述结构外，其他获得许可的公司也生产了其特征相似的变体。

我必须说，尽管这个设计非常优雅，但技术官僚开发方法的驴耳朵却很突出。事实是，当处理电平恒定或平滑变化的正弦信号时，一切都井然有序，但脉冲信号的处理在其上升和下降过程中伴随着巨大的失真。这显着改变了许多乐器的音色。⁶。因此，录制古典音乐和爵士音乐的音响工程师避免使用 dbx 压缩扩展器，尤其是在录制鼓时。此外，压缩器操作期间的电平尖峰（由于信号增长时降低增益的延迟而产生）达到 12 ... 18 dB，被迫将平均录音电平降低相同的量。结果，降噪效果下降。⁷。换句话说，大信号时的信噪比比没有噪声抑制器时的信噪比低 12 ... 18 dB。在专业卷轴录音机中，这一点没有被注意到。在盒式录音带中，信号响亮时，您可以听到噪音的“呼吸”声，而声音则“浑浊”，而停顿时 - 死一般的寂静！因此，如果磁带上的录音电平设置为 -15 ... -20 dB（以便发射不失真地通过），那么盒式录音机中的信噪比将不会超过 30 ... 40 dB ，以及信噪比的最小值在大声信号中，根据 Blesser 的说法，防止噪声因信号掩蔽而被听到所需的量范围为 50 至 65 dB。在以高磁带速度和宽磁道运行的良好卷盘式磁带录音机中，这些数字中的第一个可以在 -10 ... -15 dB 的记录电平下获得，但在传统的盒式录音机中很难获得。

此外，使用分相器和一对二次整流器确实可以在整流谐波振荡（“正弦”）时大幅减少纹波，但事实证明在检测真实信号时几乎毫无用处。因此，压缩期间低频的互调失真结果是公平的（2 ... 10%）。

另一个问题是由于 dbx 系统中控制通道的频率响应的形式与磁带录音机的频谱噪声密度相差甚远。因此，当播放弱信号时，压缩器和扩展器的操作之间的相互对应关系被破坏。这是因为控制电路对最高频率（和低频）噪声过于敏感，如果听不到这些噪声，则会由于控制通道中的检测而导致信号的寄生调制。结果，实际降噪结果小于理论降噪，并且在实际情况下，就暂停噪声而言，仅为 18...25 dB（如果我们考虑到发射造成的过载裕度）），而不是 40...60 dB。顺便说一句，寄生调制会在几乎所有噪声抑制器中引起麻烦，这就是为什么在噪声抑制器的输入端需要一个带通滤波器，它会衰减频率超出音频频段的信号（特别是来自射频侧的信号）。

为了减少信号的杂散调制，Blackmer 后来在信号中引入了一个具有陡峭滚降和截止频率为 10 kHz 的 35 阶低通滤波器（除了用于抑制低频噪声的 6 Hz 高通滤波器之外）。控制通道。此外，控制通道中的频率校正器的特性也发生了变化。其频率响应在低于 440 Hz 和高于 4,8 kHz（最高 10 kHz）时呈半片式倾斜，每倍频程 +XNUMX dB，其间有平坦部分。细化后脉冲信号的处理变得更糟（由于滤波器引入的延迟）⁸，并且在最高（和最低）频率下磁带过载的风险大大增加，该版本的设备被称为 dbx-ll。最后，在八十年代初，发布了 dbx-ll 的消费版本，其中使用了传统的全波整流器，简化了控制通道中的滤波器并取消了分相器⁹。著名的 AN6291 芯片中实现的正是这个截短版本。

尽管存在上述缺点，但朴实无华和良好的噪声抑制能力为 dbx 压缩扩展器在中级录音室中赢得了良好的声誉，特别是在发布了许多内置 dbx 的多通道磁带录音机（Tascam、Otari、Fostex）之后。（竞争系统 - 杜比 A 实施起来很麻烦，因此总是作为单独的设备发布，此外，杜比并不急于出售其生产许可证）。尽管如此，必须指出的是，dbx 为了超越杜比实验室，一度无限制地出售其噪声抑制器的许可证。这导致市场上出现了简化为无法操作的版本（通常它们保存在输入滤波器上），并且邪恶的舌头开玩笑说 dbx 是“穷人的杜比”。

运行过程中出现液位浪涌和出现动态误差的主要原因是控制通道施工中的细微误差。事实上，分相器在其两个输出端都会延迟信号，换句话说，控制信号不可避免地滞后于输入信号。这就是为什么，尽管采取了所有提高检测器速度（可变响应时间常数）的技巧，但在提供快速增加的信号时仍会形成发射¹⁰.

与德律风根专家在七十年代中期提出的 High-Corn 降噪系统进行比较是合适的。

High-Corn 在很多方面与 dbx 相似：压缩比相同 (2:1)，两个系统都是宽带，都使用频率均衡，在录音期间进行高频提升，在播放期间进行衰减。但也存在差异。首先，以不同的方式获得 High-Corn 系统中的压缩定律，即串联两个具有公共控制的相同的可控放大器 (UCA)。在这种情况下，压缩器的操作基于以下事实：如果通过同时调整两者的增益来使第二个UNA输出处的信号电平保持恒定，则第一个UNA输出处的信号将被压缩比例为2：1。

如前所述，在构建宽带压缩扩展器时，由于检测器惯性不足，存在与低频失真增加相关的问题。因此，High-Corn系统中的信号电平检测器的构建方式是，在非常快的响应之后，它有一定的“保持”时间，在此期间控制电压保持不变，之后可以快速下降。动态特性方面，由于响应时间短（约200μs），压缩波动较小。通过选择等于最低频率信号 (25 Hz) 周期一半的驻留时间 (20 ms)，可以显着减少较低频率下的失真。

这些都是他的优点。坏消息是，由于压缩器增益恢复相对较快，驻留时间后有时会产生可听见的“挤压声”。如果到达扩展器的信号具有明显的寄生幅度调制（超过 5...10%），则它们会变得更加频繁。对于家用录音机来说，这样的PAM值与其说是缺陷，不如说是一种规则，结果，咔嗒声接连不断。

HighCorn 系统的另一个缺点是探测器的频率响应（如 edbx）相对于播放通道的噪声频谱来说与镜面反射相去甚远。由于压缩器和扩展器在整个输入信号范围内运行（如 dbx），这将导致噪声产生大量寄生信号调制。 High-Corn 系统的开发人员解决了这个问题，正如他们所说，“在前额”：他们拒绝在所有信号级别使用恒定的压缩比（和扩展），引入一个阈值，低于该阈值压缩器将无法工作。结果，出现了匹配电平的问题，如杜比系统中那样。

后来，德律风根和 Nakamichi 专家共同开发了双车道版本，称为 High-Corn II。交叉频率约为 5 kHz。它的效果并没有好多少，很快就被遗忘了。

很快，同样的命运也降临到了最初的版本——高玉米。这可能是由于压缩过程中高频过度上升（高达17 dB）以及缺乏降低高频录制信号电平的措施，导致磁带出现过载问题。此外，在脉冲信号前沿通过后的曝光过程中，噪声会令人烦恼。

回到 dbx 压缩扩展器。不幸的是，布莱克默没有时间找出大量排放的原因并减少排放。结果，专业降噪产品的市场仍然掌握在杜比手中。¹¹。因此，dbx（已经没有百马）试图将其系统引入家用电器中。我必须说她成功了：在八十年代初期到中期，大多数高端盒式录音机（Technics、Akai、Aiwa）都“装备”了一个或另一个版本的 dbx 压缩扩展器，唱片制造商发行了许多光盘留声机唱片的dbx在其上压缩音轨，其特点是主通道中没有频率校正。

然而，到了我们这个时代，dbx 实际上已经从家用录音机中消失了。或许，除了上面讨论的缺点之外，使用杜比 B 制作的录音（具有一定的高频阻塞）在没有杜比的情况下播放还算可以，但通过 dbx 系统压缩而不解码的录音听起来很糟糕。另外，Dolby-B扩展器与dbx扩展器不同，在播放嘈杂的录音时还可以起到动态滤波器的作用。

然而，正如作者的研究所示，dbx 压缩扩展器的缺点可以相对容易地最小化。唯一的缺点仍然存在 - 录音与常规和压缩的 UWB 杜比不兼容。其优点——良好的降噪效果、朴实无华、可接受的复杂性和良好的可重复性——仍然存在。

最重要的是，作者开发的类dbx压扩器版本的“声音损伤”程度，即失真的可见度，竟然比包括杜比在内的任何国产杜比都要低。 -S，特别是对于调音不完美的录音机。原型机的“致命弱点”——压缩过程中的排放——实际上已被“治愈”。

为了实现这一结果，有必要对压缩扩展器 (dbx-l) 的原始版本进行四项重大改进。首先，分相器被移相器取代，其中一个整流器通道连接到移相器的输出（另一个通道绕过移相器连接）。其次，主通道和控制通道中预加重电路的频率响应都已更改，以匹配紧凑盒式磁带格式的特性。第三，为了减少信号动态的失真，削弱寄生调幅和噪声调制（“呼吸”）的影响，压缩比降低到1,5:1（如电信系统）。第四，检测器中引入了强制电路，随着高频信号（例如敲击铙钹、金属琴或三角铁）的急剧增加，加速其反应。最后，探测器的时间常数被制成复合的，以更好地匹配人类听觉的特性。

这些措施实际上可以消除运行期间的浪涌和寄生信号调制。结果，尽管压缩比降低了，但与原型相比，主观感知的降噪程度仍显着增加。当录制“实时”、未处理的信号时，这一点尤其明显。好的盒式录音机的实际动态范围达到 85...90 dB，这对于大多数应用来说已经足够了。根据作者的录音机布局中的强化技术测量的动态范围，即频率为 1000 Hz（失真率为 1%！）的最大信号与 IEC-A 加权暂停噪声的比率¹² 使用 BASF Chrom Super 胶带以 90 cm/s 的速度超过 4,76 dB。至于过载能力，+6 dB 信号电平直通通道的频率响应在 20 Hz 至 20 kHz 范围内是均匀的（根据标准 +0 ... -1,5 dB），并且“0噪声抑制器的 dB" 降低至磁带磁化强度 185 nWb/m 的水平。

笔记

Dotby-A 这个名称是在 Dolby-B 发展之后才出现的。到目前为止，专业降噪简称为杜比。
杜比系统的操作错误，尤其是从一台磁带录音机切换到另一台磁带录音机时的错误，早已成为盒式录音机所有者的座右铭。
该版本的降噪系统随后被指定为 dbx-l，以便与后来（但更糟糕）版本的 dbx-ll 区分开来。有时 dbx-l 也称为 dbx-Pro，此外，还有用于消费类磁带录音机的 dbx-ll 的简化版本。
这个解决方案也并不理想；使用多频带压缩扩展器可以显着减少仅在存在信号时出现的互调失真和调制噪声。宽带压缩扩展器的能力在这方面相当有限。
但这几乎总是合理的。本文作者认为，最成功的降噪系统以及 Dolby-SR 是电信多频带压缩扩展器，这并非巧合。其中实施了这一原则。难怪德国唱片公司更喜欢电信杜比，尽管相应的设备早已停产。
人们普遍认为音色完全由信号的平均频谱组成决定，与此相反，音色形成的主要作用是由信号电平和频谱的快速变化发挥的。一个典型的例子：尽管频谱成分相同，但倒着弹奏三角钢琴时的音色与正常情况截然不同。
相比之下，没有一个杜比系统产生超过 3 dB 的发射。然而，这是通过一种非常原始的方式实现的：通过限制器简单地切断排放。这引入了非线性失真。然而，它们实际上是听不见的，因为它们持续时间短，而且只在信号电平低至 -15 dB 时出现。杜比 A 级的高电平信号未经处理就通过，因此实际上没有失真。
尽管将平滑电容器的时间常数降低了30%，并将增益恢复率提高到180 dB/s。
结果，最低频率处的非线性失真增加到 5...10%，互调失真也达到同样的 5...10%，这高得令人无法接受。
相位差电路两个输出上的延迟时间随频率而减小，因此 dbx-l 中的控制电路在中频时的表现略好于在低频时的表现。在高频下，探测器的性能开始出现不足。
稍后，在七十年代后半叶，出现了德国电信降噪系统，它结合了杜比（工作隐形，对调制噪声抑制良好）和dbx（降噪能力强，调整时朴实无华）的优点，但它事实证明，它比杜比 A 更复杂（也更昂贵），因此不幸的是，它没有得到广泛分发。此外，Telcoma 的电路一开始相当粗糙（非最佳交叉频率，实际上是半波检波器等）。
该磁带录音机具有许多特点，特别是极低噪声的 GW 和 SW。

作者：S. Ageev，莫斯科

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