Системы шумоподавления

Принцип NR-системы (системы шумоподавления)

Когда обращение с лентой становится у вас более умелым, начинает беспокоить тот самый шум ленты. И вот тут-то на помощь приходит NR-система (система шумоподавления). Она здорово уменьшает шум ленты, возникающий при записи и воспроизведении. Что ж, давайте разберёмся в её принципе и в том, как ею пользоваться.

Шум ленты заметнее всего на пианиссимо

Шум ленты возникает всегда в одном и том же постоянном количестве. Раз так, если записывать музыку с как можно большей громкостью, а при воспроизведении убавлять громкость регулятором, то шум ленты, по идее, должен уменьшиться ровно настолько, насколько мы убавили громкость.

Но при записи с широким динамическим диапазоном такой способ не годится - сигнал выйдет за MOL¹ ленты.

И всё же удачный способ нашёлся. Шум ленты беспокоит только на пианиссимо. На фортиссимо он маскируется музыкой, и о нём можно не беспокоиться. Раз так, если только на пианиссимо поднять уровень записи, а при воспроизведении автоматически на ту же величину его опустить, то можно, не переживая за MOL ленты, уменьшить только шум ленты. И это - одна из базовых техник NR-системы.

Принцип NR-системы с переменным эмфазисом (подпись к стр. 40 справочника): Шум ленты беспокоит только на пианиссимо. На фортиссимо он маскируется музыкой и не замечается. Значит, если только на пианиссимо поднять уровень записи, а при воспроизведении на ту же величину его опустить, шум ленты, по идее, должен уменьшиться. Эта идея и легла в основу системы Dolby.

Шум особенно заметен в средних и высоких частотах

Дело не только в том, что в средних и высоких частотах шума больше, - чувствительность человеческого уха тоже лучше всего около 3 kHz, поэтому шум там особенно сильно бросается в уши. Значит, эффективнее всего, по-видимому, будет уменьшать шум в первую очередь именно в этой области.

Давайте проведём простой эксперимент. Возьмём графический эквалайзер и сделаем запись, чуть приподняв уровень выше 1 kHz. Затем установим графический эквалайзер на обратную кривую, то есть опустим уровень выше 1 kHz на ту же величину, и попробуем воспроизвести ленту. По идее, тембр совсем не изменится, а шум ленты при этом уменьшится.

И это тоже важная техника NR-системы. Такой способ записи и воспроизведения с постоянно изменённой частотной характеристикой называют «фиксированным эмфазисом». А способ, при котором это изменение зависит от уровня музыки, - «переменным эмфазисом». Это и есть базовая техника, на которой построены такие системы, как Dolby.

NR-систем существует много разных, но почти все они, можно считать, представляют собой комбинацию этих техник. Однако комбинация и режим работы у каждой NR-системы свои, поэтому если при записи использовать одну систему, а при воспроизведении - другую, тембр изменится.

NR-система задумана так, чтобы программный источник - грампластинку, FM-радиовещание и тому подобное - сохранить как есть по тембру, а уменьшить только тот шум, который возникает на ленте при записи. Поэтому если на пластинке много шума, она будет точно записана со всем этим шумом. Значит, NR-систему эффективнее всего использовать с программными источниками с хорошим, по возможности чистым от шума звуком.

Принцип NR-системы с фиксированным эмфазисом (подпись к стр. 41 справочника): Шум беспокоит на средних и высоких частотах. Дело не только в том, что шума там больше, - это ещё и тот диапазон, где у человеческого уха хорошая чувствительность. Раз так, нельзя ли уменьшить шум именно в этом диапазоне? С помощью графического эквалайзера поднимем при записи уровень выше 1 kHz, а при воспроизведении выставим обратную кривую - и шум, по идее, должен снизиться.

Dolby B-type и C-type

Раз уж принцип NR-системы нам понятен, давайте теперь разберёмся с Dolby NR, которая применяется почти во всех деках.

У Dolby NR существует три типа, но A-type из них - профессиональная система для студий звукозаписи. К нам она прямого отношения не имеет. Так что давайте разберёмся с оставшимися двумя.

Стандартный B-type

Самый знакомый - B-type. Он не только применяется почти во всех кассетных деках; даже музыкальные кассеты крупных лейблов обычно записаны именно с B-type. Так что его, я думаю, вполне можно назвать стандартной NR-системой.

Работает он по принципу переменного эмфазиса. Идея в том, чтобы только на пианиссимо поднимать уровень средних и высоких частот при записи, а при воспроизведении, наоборот, опускать его - и таким образом уменьшать только шум ленты.

Его опорной точкой служит уровень Dolby². Метка □□ (Dolby) на шкале индикатора деки указывает именно его. Считается, что при громкости выше этого уровня шум ленты полностью маскируется музыкой и не беспокоит, поэтому никакой специальной обработки делать не нужно.

Однако на уровнях ниже уровня Dolby шум ленты начинает проглядывать между нотами музыки. И чем ниже уровень музыки, тем сильнее шум беспокоит, поэтому в Dolby NR при записи подъём высоких частот тем больше, чем ниже уровень.

В итоге на частотах выше 5 kHz шум уменьшается примерно на 10 dB (примерно в 1/3 раза), так что для прослушивания ленты в обычной комнате этого, можно сказать, более чем достаточно. То, что обработка по снижению шума ведётся только в средних и высоких частотах, объясняется так: с одной стороны - расчёт на то, чтобы убрать шум как раз в той области, где у уха лучше всего чувствительность; с другой - в низких частотах часто звучат относительно мощные сигналы вроде ритм-секции, и шум там, по идее, не должен особо беспокоить.

В Dolby NR-системе чувствительность ленты - ключевой момент

Dolby NR-система - это система, которая автоматически меняет уровень средних и высоких частот в зависимости от уровня музыки при записи и воспроизведении. Поэтому если уровни при записи и воспроизведении отличаются, состояние NR-обработки тоже изменится.

Если чувствительность ленты высокая и сигнал воспроизводится на более высоком уровне, чем при записи, NR-система со стороны воспроизведения примет это за изначально более громкий сигнал и обработает соответственно. В результате она вернёт его в исходное состояние с меньшим понижением, чем то, что было применено при записи, и на разницу частотная характеристика в высоких частотах окажется приподнятой. И наоборот: если чувствительность ленты низкая, высокие частоты окажутся приглушёнными.

Получается, что в Dolby NR-системе секрет - использовать хорошую ленту.

Характеристика encode/decode в Dolby NR-системе (подпись к стр. 43 справочника): Тип с переменным эмфазисом - только на пианиссимо при записи уровень средних и высоких частот поднимается, а при воспроизведении, наоборот, опускается. Опорной точкой служит уровень Dolby. При сигнале громче этого уровня никакая обработка не нужна, а при сигнале ниже него уровень при записи понемногу поднимается. При воспроизведении выполняется обратная операция. Однако если из-за разной чувствительности ленты сигнал воспроизводится на более высоком или более низком уровне, чем при записи, положение уровня Dolby перестаёт совпадать с тем, что было при записи, и плоской характеристики получить уже не удастся.

Легенда к графику: Кодирование (encode) - при записи уровень средних и высоких частот поднимается тем сильнее, чем тише сигнал. Декодирование (decode) - при воспроизведении ровно настолько же точно опускается.

Усиленный C-type

Когда характеристики лент и дек становятся лучше, хочется и от NR-системы чего-то более мощного. Самый яркий представитель такого подхода - C-type, о котором сейчас много говорят.

В нём дважды последовательно используется схема надёжного B-type, а помимо этого добавлены эффективные приёмы, поднимающие возможности ленты, - схема защиты от насыщения (anti-saturation³) и spectral skewing⁴, - и это позволяет вдвое сильнее подавлять шум по сравнению с B-type. И здесь тоже важным условием будет использование хорошей ленты.

Прочие NR-системы

В каталогах NR-систем почти наверняка встречаются термины «компрессия» и «экспандирование». Чтобы понимать NR-системы разных типов, давайте разберёмся, что они означают.

Компрессия

Представим себе, что мы делаем живую запись SL (паровоза) рядом с прямой как стрела железнодорожной линией. Как тут выбрать уровень записи?

Чтобы чётко записать далёкий звук, надо поднять уровень записи. Но тогда, когда паровоз пройдёт мимо нас, лента окажется в искажении. И наоборот: если выставить уровень записи под момент, когда паровоз идёт прямо перед нами, далёкий SL утонет в шуме ленты.

В таком случае поступаем так: сначала поднимаем уровень и хорошо ловим далёкий SL. По мере его приближения уровень записи постепенно опускаем, чтобы и в момент, когда он проходит прямо перед нами, лента не искажалась. Когда SL проедет мимо, снова понемногу поднимаем уровень записи.

Если воспроизвести запись, сделанную таким образом, и далёкий SL, и проходящий прямо перед нами SL, по идее, должны звучать с одинаковой громкостью. Вот это и есть идея «компрессии». И тихие, и громкие звуки оказались сжаты до одной и той же громкости.

Экспандирование

Теперь воспроизведение. Когда SL ещё далеко, регулятор громкости усилителя держим прикрученным; когда приближается - понемногу поднимаем. Это и есть «экспандирование». Сжатый звук возвращается в исходное состояние.

Я пояснил это на примере очень медленных изменений громкости, но в реальной NR-системе моментальные изменения громкости отлавливаются автоматически, и эта операция делается сама собой. При записи - компрессия, при воспроизведении - экспандирование; на разницу между ними и уменьшается шум ленты, - это, думаю, понятно.

Этот способ компрессии-экспандирования, помимо уменьшения шума ленты, ещё и как бы усиливает MOL ленты. Сигнал высокого уровня тоже оказывается сжат и становится тише, поэтому при записи можно не бояться, что лента уйдёт в искажение. Иначе говоря, теперь можно записывать даже такие громкие звуки, которые раньше записать было нельзя.

Идея NR компрессии-экспандирования. При записи (подпись к стр. 44 справочника): Допустим, рядом с прямой как стрела железнодорожной линией мы записываем SL. Чтобы чётко записать далёкий звук, нужно поднять уровень записи. И наоборот: когда поезд приближается, нужно опустить уровень, чтобы не было искажения, а когда снова отдаляется - поднять. Если это воспроизвести, то и далёкий SL, и близкий SL, по идее, должны звучать с одной и той же громкостью. Это и есть компрессия.

При воспроизведении (подпись к стр. 45 справочника): Чтобы воспроизвести всё это в исходном виде, надо сделать наоборот: когда SL ещё далеко - убавить громкость усилителя, когда приближается - понемногу её поднимать, а когда снова отдаляется - снова убавить. Это и есть экспандирование. Если так сделать, то и звук далёкого SL, по идее, можно записать и воспроизвести так, чтобы он не утонул в шуме.

Как пользоваться NR-системами компрессии-экспандирования

Главный представитель NR-систем на основе компрессии-экспандирования - dbx⁵. Кроме этого, в ней применён и фиксированный эмфазис, что даёт мощный эффект шумоподавления.

Adres⁶ - NR-система, где к компрессии-экспандированию добавлен переменный эмфазис на высоких частотах. Можно считать, что это что-то вроде совмещения Dolby и dbx.

В любой из этих систем важнейшее условие - использовать хорошую ленту и хорошую деку. Одновременно с этим хочется использовать и источник с возможно меньшим шумом и хорошим качеством записи.

Если в программном источнике много шума, то при резких изменениях громкости шум может начать меняться, словно дыша (это называется брийинг⁷).

Примечания

1. MOL - Maximum Output Level, максимальный выходной уровень кассетной ленты. Чем выше MOL, тем громче можно записать без насыщения и искажения. Зависит от типа ленты. ↩

2. Уровень Dolby - опорный уровень записи в системе Dolby NR, обычно 200 nWb/m. Маркер ▽ или □□ на индикаторе уровня деки указывает именно этот уровень. NR работает корректно только когда уровень записи и воспроизведения совпадает с этим эталоном. ↩

3. Anti-saturation circuit - схема защиты от насыщения в Dolby C, ограничивает уровень высоких частот при кодировании, чтобы избежать насыщения ленты на пиках. Источник: Dolby Laboratories whitepapers. ↩

4. Spectral skewing - спектральное смещение, дополнительный фильтр в Dolby C, ослабляющий самые высокие частоты при кодировании и восстанавливающий при декодировании. Снижает modulation noise. Источник: Dolby Laboratories whitepapers. ↩

5. dbx - американский производитель аудиотехники, система NR на основе чистой компрессии-экспандирования 2:1 без эмфазиса. Запатентована David E. Blackmer в 1971. ↩

6. Adres - Adaptive Range Expansion System, NR-система Toshiba, разработана в 1976. Комбинирует компрессию-экспандирование с переменным эмфазисом на высоких частотах. Аналог более позднего Dolby C. ↩

7. Брийинг (breathing) - артефакт компандерных NR-систем (dbx, Adres), когда уровень шума ленты «дышит» (становится слышимым) при резких изменениях громкости программы, потому что система пытается отслеживать огибающую сигнала. Заметнее всего на источниках с высоким уровнем фонового шума. ↩