Potlačení šumu

Z PanWiki

Protišumová zařízení

Analogový zvukový signál je znehodnocován celou řadou útlumových, fázových a nelineárních zkreslení. Tato zkreslení se snažíme minimalizovat použitím kvalitních zařízení s co nejlepšími parametry. Dalším znehodnocením analogového signálu je to, že kromě užitečného signálu obsahuje ještě jistou úroveň rušivých napětí. Mezi ně patří síťový brum z napájení, indukované brumové a impulsní rušení a především šum. Zatímco úroveň jmenovaných rušivých napětí můžeme omezit užitím kvalitních zařízení a vhodnou kabeláží mezi zařízeními. u šumu je situace poněkud složitější. Šumové napětí vzniká prvotně jako tepelný šum způsobený neuspořádaným pohybem elektronů ve všech použitých součástech. Tento šum je principiálně neodstranitelný a jeho vliv je v řetězci patrný především v místech, kde je úroveň signálu nejmenší. Jsou to tedy vstupní obvody mikrofonních zesilovačů, snímacích zesilovačů magnetofonů a vstupní obvody rozhlasových přijímačů. Zde je možné šum pouze minimalizovat použitím kvalitních zařízení se speciálními nízko šumovými vstupními obvody. Kvalitu signálu s ohledem na šum vyjadřujeme poměrem signálu k šumu S/N (signal to noise ratio) udávaným v dB. Ve zvukové technice se jedná o poměr efektivní hodnoty napětí signálu k efektivní hodnotě napětí šumu.

Již signál na vstupu zesilovače má jistý obsah šumu vyjádřený příslušným poměrem S/N. Naším cílem je tento poměr dalším zpracováním signálu nezmenšovat. To se poměrně dobře daří tehdy, když úroveň signálu je řádové mnohonásobně větší než je úroveň šumu vznikajícího v obvodech zpracování. Tato situace je běžná v obvodech pracujících se signálem v linkové úrovni. Jinak je tomu v případů magnetického záznamu analogového zvukového signálu, kdy signál ze snímací hlavy je malý a šum snímacího zesilovače se již projeví zhoršením poměru S/N ve výstupním signálu oproti signálu vstupnímu. Hlavní příčinou zhoršení tohoto poměru je však šum pásku způsobený nehomogenitou jeho feromagnetické vrstvy. Aby při použití magnetického záznamu nedocházelo k degradaci signálu nové získaným šumem, jsou kvalitní záznamové systémy vybaveny některým protišumovým zařízením. Některá jednodušší zařízení pro omezení šumu pracují pouze při snímání, kdy zaznamenávaný signál neprochází žádnou úpravou. Moderní kompanderová zařízení upravují signál jak při záznamu, tak i při jeho snímání.

Zařízení pracující pouze při snímání

Funkce uvedených zařízení je založena na skutečnosti. že v přirozeném užitečném signálu nejsou všechny frekvenční složky zastoupeny stejnou měrou. Podstatné výraznější je obsah složek s nižšími frekvencemi. zatímco složky s vyššími frekvencemi obsahují především šum. Nejjednodušším zařízením pro omezení šumu je tedy neřízená dolní propust. Toto řešení má však podstatnou nevýhodu v případech, kdy užitečný signál obsahuje nikoli bezvýznamné složky s vyššími frekvencemi. Ty jsou pak potlačeny podobné jako šum a ve výsledném signálu chybí. Uvedený nedostatek částečně odstraňují dynamické adaptivní šumové filtry "dynamic noise filter". Tyto filtry analyzují vstupní signál a výsledku analýzy přizpůsobují svoji činnost. Obsahuje-li vstupní signál významnější složky s vyššími frekvencemi je horní část pásma omezována méně a šum je maskován užitečným signálem. V opačném případě, kdy v horní části frekvenčního spektra je prakticky pouze šum, je horní část pásma omezována více. Výsledky dosahované pomocí dynamických filtru jsou poměrně dobré, i když principielně i zde dochází ke ztrátám na užitečném signálu. Hraniční frekvence analyzátoru spektra a míra omezení horní části pásma jsou u jednodušších modelu nastaveny fixně nebo manuální obsluhou. Dokonalejší modely mají i tyto funkce automatické, kdy podle spektrálního složení signálu nastavují hraniční frekvenci a omezení tak, aby ztráty na užitečném signálu byly co nejmenší. Uvedené protišumové filtry lze v zásadě použít nejen pro omezení šumu reprodukovaných zvukových záznamu. ale obecně i pro potlačení šumu v jakýmkoliv zvukovém signálu.

Kompanderová zařízení

Původní myšlenka použití kompresoru a expanderu (kompanderu) pro omezení úrovně šumu v oblasti magnetického záznamu analogového zvukového signálu znamenala kompresi hlasitých pasáží snímku před záznamem, která umožnila záznam s vyšší úrovní bez přebuzení pásku. Následnou jejich expanzí po snímání byla získána původní dynamika signálu a nastavením vhodné hlasitosti byly šumy přidané záznamovým a snímacím procesem zatlačeny na nižší úroveň. Ke zhoršení poměru S/N ve výstupním signálu pak prakticky nedocházelo. Při větších dynamických změnách úrovně signálu, kdy kompresor a expander nestačily tyto změny sledovat, však docházelo k nežádoucím jevům, tzv. dýchání. Projevovalo se především zvýšeným šumem po skončení hlasité pasáže. V roce l966 přišel Ray Dolby s novou myšlenkou využití komprese a expanze signálu pro odstranění přídavného šumu z magnetického záznamu analogového zvukového signálu.

Redukce šumu spočívá ve zvýšení hladiny slabých signálů o 10 dB (komprese nahoru). Tím se jejich úroveň dostane nad úroveň přídavného šumu pásku asi o 10 dB. Takto zkomprimovaný signál se zaznamenává na pásek. Při reprodukci je snímán tento signál i s přídavným šumem, který pak leží asi o 10 dB níže než nejslabší pasáže zaznamenaného signálu. Následnou expanzí slabých signálů o 10 dB (expanze dolů) se získá původní dynamika, ale přídavný šum pásku klesne rovněž o 10 dB. Zde stejně jako u jiných kompanderových systémech nedochází k odstranění či potlačení šumu. který již vstupní signál obsahuje. Nedochází však k významnějšímu zhoršení poměru S/N výstupního signálu oproti signálu vstupního. Některé kompandery provádějí i částečnou kompresi a expanzi nejsilnějších signálů. To umožňuje zvýšit úroveň signálu při záznamu bez přebuzení pásku a při expanzi pak ještě více potlačit úroveň přídavného šumu. Původní řešení reduktoru šumu, které navrhl Dolby, bylo určeno pro profesionální použití a je dnes označováno jako Dolby A. Systém Dolby A má plné zvukové pásmo před kompresí rozděleno pomocí filtrů na čtyři části:

dolní propust méně než 80 Hz

pásmová propust 80 až 3150 Hz

pásmová propust 3150 až 9000 Hz

horní propust více než 9000 Hz

Komprimované signály z jednotlivých částí pásma jsou pak sečteny a zaznamenány na pásek. Před expanzí je v každém kanálu zařazen stejný filtr jako před kompresí. Přídavný šum pásku je tedy rovněž frekvenčně rozdělen na čtyři části. Protože šumový výkon je přímo závislý na šířce pásma, je ve všech čtyřech kanálech menší než při plném pásmu. Každý z kanálů je tedy samostatně zpracován vlastním kompanderem, jehož vlastnosti mohou být nastaveny podle úrovňových poměrů dané části pásma. Zlepšení poměru S/N oproti klasickému záznamu je u systému Dolby A v pásmu do 5 kHz asi l0 dB, pak stoupá k hornímu okraji zvukového pásma až na 15 dB.

Úspěch systému Dolby podnítil další vývoj v oblasti kompanderových reduktorů šumu pro magnetický záznam. Kromě všeobecně užívané metody komprese signálu před jeho záznamem a tomu odpovídající expanze při jeho reprodukci jsou často využívány i jiné způsoby omezení vliv přídavného šumu ve výsledném signálu.

Mezi tyto způsoby patří například úrovňové nadzvednuti vyšších frekvencí v zaznamenávaném signálu, které je nazýváno preemfáze. Při reprodukci musí být pro dosažení vyrovnané frekvenční charakteristiky záznamu odpovídajícím způsobem vyšší frekvence opět potlačeny obvodem deemfáze. Přídavný šum má výraznější frekvenční složky v oblasti vyšších frekvencí, proto je obvodem deemfáze rovněž potlačen. Dalším užívaným způsobem je použití úrovňových charakteristik lineámě - logaritmických, kdy se s úspěchem využívá maskovacího efektu silnějších signálu. I v tomto případě je nutné při reprodukci záznamu výsledný signál linearizovat, aby nedošlo k jeho tvarovému zkreslení.

Moderní systémy využívají i spektrální analýzy vstupního signálu. Jeho složení pak přizpůsobují úrovňové a frekvenční parametry komprese a odpovídající expanze. Mezi tyto adaptivní systémy patří například systém Dolby SR (Spectral Recording) navržený v roce 1988. Dnes je hojně využíván pro záznam a reprodukci zvuku v kinematografii v analogové (SR) i digitální (SR*D) variantě.

Některé kompanderové systémy pro redukci šumu jsou pro svoji složitost užívány pouze v profesionální praxi, jiné jsou naopak užívány především v komerční oblasti.

Dolby B

komerční zařízení, jednopásmový systém s horní propustí 800 Hz, frekvenčně závislý kompresní poměr, redukce šumu asi 8 dB

Dolby C

dvojitý systém Dolby B, jeden systém zpracovává vyšší úrovně signálu, druhý nižší úrovně, dosahované zlepšení šumu až 20 dB

Dolby SR

profesionální zařízení, čtyřpásmový spektrálně adaptivní systém, kompresní poměry jsou závislé na spektrálním složení signálu

Dolby S

komerční varianta Dolby SR

Dolby HX-Pro

komerční zařízení, řízení korekcí a předmagnetizace při záznamu podle obsahu vyšších frekvencí v signálu (zlepšení frekvenčního rozsahu magnetofonu

DBX I

profesionální zařízení, jednopásmový systém s preemfází a deemfází při záznamu a reprodukci, lineárné-logaritmické pracovní charakteristiky, redukce šumu až 30 dB

DBX II

komerční varianta DBX I

Telcom C 4

profesionální zařízení, čtyřpásmový systém, lineárně-logaritmické pracovní charakteristiky, redukce šumu až 25 dB

Highcom

komerční zařízení, jednopásmový systém, lineárně-logaritmické pracovní charakteristiky

Highcom II

komerční zařízení, dvoupásmový systém, lineárně-logaritmické pracovní charakteristiky

Pří použití jakéhokoliv kompanderového reduktoru šumu je zcela nevhodné takto pořízenou nahrávku s příslušnou úrovňovou kompresí reprodukovat na zařízení bez odpovídající expanze. Tato nahrávka má záměrně zkreslenou dynamiku a výsledný signál je tedy nepoužitelný. Při použití systému s preemfází navíc dochází ke změně spektrálmího složení signálu (nadzvednutí výšek), což je rovněž bez příslušné deemfáze zcela nevyhovující. Podobně je zcela nemožné nahrávku pořízenou jedním kompanderovým systémem reprodukovat na zařízení, které používá kompanderový systém odlišný. I v tomto případě by výsledný zvukový signál byl úrovňově i frekvenčně silně zkreslený.