Пристрої шумозаглушення призначені для поліпшення відношення сигнал-шум на виході каналу передачі або пристрою запису-відтворення сигналів і можуть бути двох видів — статичні і динамічні (адаптивні). До статичних відносять такі шумоглушники, параметри яких не залежать від вхідного сигналу і в процесі роботи залишаються незмінними. Адаптивні шумоглушники змінюють свої параметри під впливом сигналу, що проходить через них, а їх коефіцієнт передачі є функцією часу.

Розглянемо спочатку статичні пристрої шумозаглушення, дія яких заснована на кращій, ніж при їх відсутності, узгодженості сигналу з каналом.

Передспотворюючі контура. Спектр сигналів ЗВ має значну нерівномірність, причому спад особливо помітний в області високих частот звукового діапазону (рис. 1.18, а). З іншого боку, зазвичай шум розподілений по спектру рівномірно (рис. 1.18, 6). Це дозволяє поліпшити відношення сигнал-шум на виході приймачів за рахунок використання передспотворюючих (ПК) і поновлюючих (ВК) контурів. Перші включаються на вході каналу, другі — на його виході.

Коефіцієнт передачі ПК K_пк(ω) вибирається так, щоб забезпечити підйом тих спектральних складових сигналу, рівень яких відносно малий. На виході ПК спектр сигналу . При цьому передспотворення не повинні збільшувати загальної потужності сигналу, тобто

На виході каналу включається ВК з коефіцієнтом передачі, зворотним K_пк(ω) (рис. 1.18, в):

.

Тому на виході каналу спектр сигналу залишиться незмінним:

.

Шум проходить тільки через ВК. Тому на виході каналу  (рис. 1.18, г). Оскільки , загальна потужність шуму на виході каналу зменшується.

Отриманий виграш можна оцінити по зміні відношення сигнал-шум за наявності ПК і ВК і їх відсутності:

Рис. 1.18 - Діаграми, що пояснюють використання передспотворень

для зниження рівня шуму

Рис. 1.19 - Амплітудні характеристики стискача і розширювача

компандерного шумоглушника (а) і його діаграма рівнів (б)

,    (1.1)

де  — нижня і верхня частоти спектру сигналу.

Компандерна система. Компандерна система складається з стискача С (компресора), каналу передачі, що включається на вході, і розширювача Р (експандера), що включається на його виході. Оскільки С і Р — інерційні пристрої, їх амплітудні характеристики (рис. 1.19, а) відносяться до сталого режиму їх роботи.

Зв'язок між напругою на вході і виході С і Р можна описати ступінчатими функціями:

                                            (1.2)

де  і  — коефіцієнти стиснення і розширення.

Перейшовши в (1.1) від напруги до електричних рівнів отримаємо:

.                                     (1.3)

Максимальні і мінімальні значення сигналу на вході і виході стискача:

.                      (1.4)

розширювача:

.                      (1.5)

Поділивши в (1.4) і (1.5) першу рівність на другу і виразив відношення в децибелах, отримаємо:

.                                     (1.6)

Тут  і  і  — динамічні діапазони сигналу на вході і виході стискача і розширювача.

З (1.6) видно, що коефіцієнти стиснення і розширення показують, в скільки разів відповідним автоматичним регулятором змінюється динамічний діапазон сигналу. Використовуючи (1.3) і знаючи рівень вхідного сигналу, можна визначити його вихідний рівень.

В процесі роботи стискач вносить до сигналу спотворення, які розширювач повинен компенсувати. Оскільки в стаціонарному режимі за відсутності спотворень , можна записати:

 .                                                      (1.7)

Оскільки при послідовному включенні С і Р , з (6.7) отримуємо умову відсутності спотворень в компандерній системі:

.                                                                            (1.8)

Зазвичай в звуковому віщанні приймають  і .

Розглянемо, як компандування дозволяє поліпшити відношення сигнал-шум на виході каналу передачі. Скористаємося для цього діаграмою рівнів (рис. 1.19, а). Хай, наприклад, динамічний діапазон сигналу 60 дб, а рівень шуму  в каналі передачі нижче максимально допустимого на 40 дб. На діаграмі максимально допустимий рівень умовно прийнятий за 0 дб. Щоб уникнути значних спотворень рівень передачі не повинен перевищувати максимально допустимого значення, тобто 0 дб, і тому рівень передачі найслабкіших сигналів складе -60 дб. Отже, рівень шуму в каналі на 20 дб перевищує рівень слабких сигналів і в процесі передачі вони будуть приховані в шумах.

Хай в процесі передачі динамічний діапазон сигналу стискається. При , як видно з (1.6), динамічний діапазон сигналу на виході стискача стане рівним  = 30 дб, а кожен з вхідних рівнів також зміниться в 2 рази (див. (1.3)). У каналі передачі сигнал на шкалі рівнів займе діапазон 0...-30 дб і мінімальний його рівень опиниться на 10 дб вище за рівень шуму. У пункті прийому розширювач відновить початковий динамічний діапазон, а рівень шуму на виході розширювача при проходженні слабких сигналів опиниться на 20 дб нижче за рівень цих сигналів.

Таким чином, застосування компандера дозволяє передати сигнал віщання по каналу, динамічний діапазон якого менше динамічного діапазону самого сигналу. При цьому виграш у відношенні сигнал-шум складає 10...13 дб.

Недоліком описаного компандера є поява на його виході ефекту модуляції сигналу шумом. Зв'язано це з наступним. У компандері ступінь придушення шуму визначається рівнем корисного сигналу. Максимальне шумозаглушення має місце в паузі і при слабких сигналах. При максимальних рівнях сигналу відношення сигнал-шум не міняється. Отже, рівень шуму на виході змінюється в такт з сигналом.

При збігу спектрів сигналу і шуму ця обставина не позначається на сприйнятті, оскільки шум маскується сигналом. Якщо ж спектри не співпадають, то шум не маскується сигналом і стає, як то кажуть, програмно-модульованим. Зокрема, при передачі низькочастотних сигналів (наприклад, при грі басових інструментів) високочастотний шум починає змінюватися по рівню в такт з цим низькочастотним сигналом і тому виявляється особливо помітним.

Іншим недоліком описаного компандера є поява нелінійних спотворень в перехідних режимах (при спрацьовуваннях і відновленнях С і Р), викликаних неспівпадінням їх частотних і фазових характеристик, а також неоптимальним вибором постійних часу ланцюгів регулювання. Зв'язано це з тим, що, з одного боку, перехідний процес повинен бути настільки коротким, щоб при стрибкоподібному збільшенні рівня вхідного сигналу не виникало викидів, що приводять до перевантаження системи. Для виконання цієї вимоги постійна часу ланцюга управління не повинна перевищувати однієї чверті періоду максимальної частоти сигналу, що при частоті 20 кГц складає всього 12,5 мкс.

З іншого боку, щоб уникнути значних нелінійних спотворень низькочастотних складових сигналу швидкість зміни коефіцієнта посилення повинна бути достатньо малою і при допустимому коефіцієнті нелінійних спотворень 0,2 % на частоті 20 Гц не повинна бути більше б дБ/с. При діапазоні регулювання в 30 дб це означає, що необхідний час відновлення складає близько 5 с. Відношення часу відновлення до часу спрацьовування 400 000 : 1. Очевидно, що при такому великому відношенні вибір постійних часу повинен підкорятися компромісним міркуванням, відмінним від оптимальних.

Смугові шумоглушники. У шумоглушниках цього типу (“Долбі-А”, “Телефункен”) в значній мірі усунені недоліки розглянутого компандера.

Пристрій “Долбі-А” (рис. 20) складається з чотирьох компандерів, кожен з яких працює в певній смузі частот. Розділення загального спектру на чотири частини здійснюють фільтри, включені на вході компресорів. У системі «Долбі-А» фільтри мають смуги пропускання 30 ... 80 Гц, 80 ... 3000 Гц, 3000 ... 20 000 і 9000 ... 20 000 Гц. У системі “Телефункен” прийнято інше ділення спектру, без перекриття смуг пропускання фільтрів. У обох випадках при виборі смуг пропускання фільтрів враховувалися психофізіологічні умови сприйняття шумів, зокрема та обставина, що високочастотні шуми добре сприймаються на тлі низькочастотних сигналів, але маскуються високочастотними. Наприклад, високочастотний шум магнітної стрічки добре помітний на тлі контрабаса, але практично не прослуховується при записі скрипки.

У схемі шумоглушника кожен компандер працює як окремий шумоглушник. Якщо спектр вхідного сигналу зосереджений в межах смуги пропускання одного з фільтрів, то тільки в одному з компандерів відношення сигнал-шум залишиться незмінним. У трьох інших відбуватиметься шумозаглушення, і сигнал, зосереджений в межах смуги пропускання одного з компандерів, не управлятиме рівнем шуму в інших. При цьому не створюється умови для появи програмно-модульованого шуму.

В межах смуги пропускання кожного з компандерів відношення максимальної і мінімальної частот значно менше, ніж в. Тому може бути практично реалізоване відношення оптимальних значень часу відновлення і спрацьовування, приблизно в 100 разів менше, ніж в односмуговому компандері. Мінімальними виявляються і динамічні нелінійні спотворення.

Ділення спектру сигналу на чотири, а не на більше число смуг визначається тим, що і в цьому випадку шумозаглушення виявляється достатньо ефективним (приблизно на 10 дб) при прийнятній вартості.

Рис. 1.20 - Структурна схема шумоглушника “Долбі-А”

Рис. 1.21 - Структурна схема (а) шумоглушника і його

амплітудні характеристики (б, в, г)

У шумоглушнику “Долбі-Б” для простоти ділення на смуги не використовується, а шумозаглушення здійснюється тільки на частотах вище 1 кГц. Проте саме ці складові найбільш помітні на слух. Шумоглушник «Долбі-Б» застосовується в побутових пристроях звукозапису.

Особливістю всіх розглянутих шумоглушників є те, що вони складаються з двох блоків. Один включається на стороні (у каналі запису магнітофона), що передає, і вносить до сигналу передспотворення, інший — на приймальній стороні (у каналі відтворення магнітофона) і компенсує внесені до сигналу спотворення. У багатьох випадках, наприклад при відтворенні старих записів, бажано мати пристрої шумозаглушення, що не вимагають попередньої обробки сигналу. Такі шумоглушники динамічного типу використовують особливості слухового сприйняття і засновані на управлінні смугою пропускання каналу залежно від спектрального складу або рівня вхідного сигналу. Принцип дії шумоглушника DNL (Dynamic Noise Limiter) (рис. 1.21, а) заснований на використанні тієї обставини, що спектр музичних сигналів залежить від їх гучності, причому так, що із зменшенням гучності відносний вміст високочастотних складових в сигналі зменшується. Крім того, спектральна характеристика чутливості слуху також залежить від рівня гучності: на слабких сигналах смуга пропускання слухового аналізатора зменшується. Тому, якщо обмежити смугу пропускання з боку високих частот під час тихих пасажів, то якість відтворення звуку практично не погіршає, а високочастотні складові шуму будуть пригнічені. При передачі гучних звуків смуга пропускання розширюється, але шум при цьому маскується сигналом і шумозаглушення не є необхідним.

Вхідний сигнал поступає на фазообертач, на виході якого утворюються сигнали, зрушені по фазі на 180°. Один з сигналів подається в канал обробки, де складові високих частот виділяються, піддаються автоматичному регулюванню і потім підсумовуються з сигналом іншого каналу. Оскільки складові сигналу в смузі до 4,5 кГц через канал обробки не проходять, коефіцієнт передачі пристрою для них рівний одиниці.