À propos des principes de fonctionnement des suppresseurs de bruit. Encyclopédie de la radioélectronique et de l'électrotechnique

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Les questions de réduction du bruit dans les appareils d'enregistrement magnétique continuent d'attirer l'attention des radioamateurs et des utilisateurs d'équipements audio. Ceci est facilité par l'utilisation généralisée de magnétophones importés équipés de divers systèmes de réduction du bruit.

Le manque d'informations est en partie dû au fait que les instructions d'utilisation des équipements ne contiennent pas d'informations sur la mise en œuvre et l'utilisation spécifiques des systèmes embarqués. En conséquence, de nombreuses spéculations se répandent, mais des problèmes de qualité de reproduction sonore subsistent.

Tout d'abord, il convient de noter que le mot « suppresseur de bruit » désigne deux types de systèmes fondamentalement différents : l'un d'eux est destiné à supprimer le bruit déjà présent dans le phonogramme (en anglais Denoiser), et l'autre est destiné à empêcher l'accumulation de bruit. bruit lors de la transmission ou de l'enregistrement de signaux (Noise Reductor) . Cette ambiguïté donne souvent lieu à confusion et à des malentendus, c'est pourquoi, pour désigner les systèmes du premier type dans le milieu professionnel, il est d'usage d'utiliser le mot anglais « donizer » afin de les distinguer des systèmes du second type. Les débruiteurs bien connus sont des filtres dynamiques (DNL, DNR, HUSH, "Mayak"), dont le principe repose sur la réduction simultanée du gain et du signal et du bruit dans une partie distincte du spectre (généralement HF), où l'utile le signal peut être négligé. Leur avantage est leur aptitude à travailler avec n'importe quelle source de signal, mais leur sérieux inconvénient est la perte inévitable de certaines informations.

De nos jours, les débruiteurs sont principalement utilisés pour « nettoyer » des enregistrements anciens (ou techniquement infructueux). Ils sont rarement utilisés dans les équipements ménagers, généralement uniquement comme outil auxiliaire : après tout, pour obtenir un résultat optimal, un ajustement manuel ou automatique à un phonogramme spécifique est nécessaire. Un débruiteur professionnel peut être implémenté en tant qu'appareil séparé (analogique ou numérique) ou en tant que programme pour un ordinateur. A titre d'exemple, prenons le progiciel NoNoise de Sonic Solutions. Vous vous ferez une idée de son travail en écoutant les disques « The Beatles Live at the BBC ».

Le débruiteur analogique de la plus haute qualité connu de l'auteur a été mis en œuvre par Orban. Ce filtre dynamique à cinq bandes a la capacité unique d'analyser à la fois le niveau et le type du signal, empêchant ainsi les sons de réverbération et les percussions graves et hautes fréquences d'être absorbés. Les systèmes du deuxième type (Dolby, dbx, High-Corn. Super-D, etc.) traitent le signal deux fois : la première fois avant l'enregistrement ou la transmission, et la deuxième fois pendant la réception ou la lecture. C'est pourquoi ils sont également appelés complémentaires, contrairement aux systèmes du premier type, classiquement appelés non complémentaires. Le fonctionnement des systèmes complémentaires étant basé sur l'utilisation d'une combinaison d'un compresseur et d'un extenseur de plage dynamique, ils sont souvent appelés companders ou simplement companders (COMpressor + exPANDER).

Les compandeurs offrent généralement une plus grande réduction du bruit et moins de distorsion du signal musical que les débruiteurs. Cependant, ils imposent certaines exigences sur le canal de réception-émission (ou d'enregistrement-lecture) et, de ce fait, sont d'utilisation plus « capricieuses ».

L'idée fondamentale, mais non controversée, sur laquelle reposent tous les systèmes de réduction de bruit (USB), et pas seulement ceux des companders. est une hypothèse. ce bruit altère la perception uniquement des signaux faibles, et avec un signal fort (volume élevé), il n'est pas entendu en raison de l'effet de masquage d'un son faible par un son plus fort.

Si l'on suit cette logique, il n'est pas nécessaire que le niveau de bruit soit inchangé aussi bien en l'absence qu'en présence d'un signal utile. Autrement dit, une augmentation du niveau de bruit absolu avec l'augmentation du niveau du signal est considérée comme acceptable et imperceptible à l'oreille. Cette hypothèse ouvre la voie à la construction de systèmes compandeurs, dans lesquels les coefficients de transmission des deux moitiés (compresseur et expanseur) changent en fonction du niveau du signal.

En pratique, cela signifie que les signaux faibles sont amplifiés avant d'être envoyés vers un canal de transmission (par exemple, un magnétophone), tandis qu'un signal fort passe inchangé (voire affaibli). Cette opération est appelée compression de plage dynamique. À l'autre extrémité du canal, une conversion inverse est effectuée, à la suite de laquelle le signal est ramené à la plage de niveaux d'origine et le bruit d'un signal faible est réduit.

Il est évident que lors de la mise en œuvre d'un tel système, la plage dynamique, mesurée comme le rapport entre le signal transmis maximum et le bruit en l'absence de signal, peut dépasser considérablement le même rapport mesuré pour le canal de transmission lui-même. Il est clair que c'est le premier chiffre (en grand) qui apparaît comme valeur de la plage dynamique dans les caractéristiques UWB.

Cependant, il caractérise plutôt la plage de niveaux de signal d'entrée acceptables, tandis que le rapport signal/bruit en présence d'un signal (c'est-à-dire le rapport signal/bruit instantané) est déterminé principalement par les caractéristiques du canal de transmission lui-même. . Sans prendre de mesures supplémentaires, par exemple une correction de fréquence spéciale, l'utilisation de systèmes multibandes ou un égaliseur dynamique de réponse en fréquence, le rapport signal/bruit en présence d'un signal ne peut pas dépasser celui d'un canal sans suppresseur de bruit. En termes simples, si le bruit dans le canal est audible même au niveau de signal maximum, l'utilisation du companding ne présente aucun avantage. Aussi désagréable que cela puisse paraître, c’est précisément la situation qui se produit dans la plupart des cas. Cela est dû au fait que l'hypothèse largement répandue selon laquelle tout son fort rend inaudible (masque) tout son faible, y compris le bruit, est généralement incorrecte.

Les experts en psychoacoustique (la science des particularités de la perception humaine des sons) ont établi il y a plusieurs décennies que le phénomène de masquage n'opérait que dans une gamme de fréquences limitée, principalement proche de la fréquence d'un signal fort (de masquage). Cela se reflète le plus clairement dans ce que l'on appelle les « courbes de masquage » (Fig. 1, 2), d'où il résulte notamment qu'en présence de sons à bande étroite avec une intensité allant jusqu'à 90...95 En arrière-plan2, l'audition humaine à un certain nombre de fréquences est toujours capable de distinguer les sons situés près du seuil d'audition en l'absence de signal de masquage. Et seule une augmentation du volume au-dessus d'environ 95 von entraîne une diminution réflexe de la sensibilité, protégeant l'oreille des dommages.

Riz. 1. Courbes de masquage d'un son pur avec un bruit à bande étroite avec des fréquences centrales de 0,25 ; 1 et 4 kHz

Riz. 2 Courbes de masquage d'un son de référence (en fonction de sa fréquence et de son niveau) par un autre son pur de fréquence 1,2 kHz et de niveau de pression acoustique de 80 dB. D'après les travaux de Licklider (1951), Fletcher (1929), Wagel et Lane. La fréquence d'interférence est représentée en rouge, la courbe de masquage est représentée en vert. Une tonalité en dessous de cette courbe n'est pas entendue. Une tonalité de test dont le niveau et la fréquence se situent dans les zones ombrées crée des battements ; si ce ton est à un niveau supérieur à celui délimité par la ligne pointillée bleue, alors un mélange de plusieurs tons (produits d'intermodulation dans les oreilles) sera entendu. Lorsque le niveau de la tonalité de test se situe entre les lignes jaune et bleue, des interférences, une tonalité de test et une tonalité de différence sont entendues, et si le niveau est entre la ligne verte et la ligne jaune, des interférences et une tonalité de différence sont entendues. À gauche de la ligne verte, l'interférence et la tonalité de la sonde sont entendues séparément.

Ainsi, l'oreille humaine dispose d'une sorte de compresseur de plage dynamique, qui lui permet de travailler avec des signaux dans une plage dynamique d'environ 130 dB, tout en ayant simultanément une plage dynamique perçue (instantanée) d'environ 90 dB. Par conséquent, si en présence d'un signal, le bruit et la distorsion ne dépassent pas le seuil absolu d'audibilité ou - 90 dB par rapport au niveau de signal maximum (en tenant compte de la sensibilité inégale de l'audition), alors ni le bruit ni la distorsion ne seront entendus sous aucun rapport. conditions (et signaux). Cependant, ces conditions ne sont pas assurées même par la plupart des amplificateurs, sans parler des magnétophones.

Par conséquent, une autre approche est plus réaliste : il est nécessaire de prendre des mesures pour garantir que lors de la reproduction de divers signaux, les spectres de produits de bruit et de distorsion du système de transmission sonore soient aussi bas que possible en dessous des courbes de masquage de ces signaux. En particulier, pour les produits de distorsion d'intermodulation, cela signifie qu'il est hautement indésirable de produire des tonalités de différence lors du traitement de signaux haute fréquence, ainsi que des tonalités de somme à partir de signaux basse fréquence. Dans le même temps, les distorsions harmoniques des tons fondamentaux peuvent atteindre un niveau de -50 dB et rester inaperçues.

Quant aux bruits, la nature de leur perception est différente de celle des sons « organisés ». La capacité de l'audition humaine à percevoir le bruit dépend du spectre et de la vitesse de variation du signal utile, ainsi que du rapport signal/bruit admissible en présence d'un signal d'un niveau de 85...95 dB (par rapport au seuil d'audition) varie de 40 à 45 dB avec un signal utile à large bande et à évolution rapide, jusqu'à environ 75 à 85 dB pour les sons purs, en particulier aux bords de la bande de fréquence audio. En moyenne, c'est 50...65 dB.

Sur cette base, nous pouvons dire que dans l'enregistrement magnétique, les suppresseurs de bruit compander fonctionnent dans la plupart des cas « au bord d'une faute ». Même avec une coordination parfaite entre le compresseur et l'expandeur, si le canal d'enregistrement-lecture présente un rapport signal/bruit en présence d'un signal maximum inférieur à 80 dB, il peut y avoir des situations où le bruit sera toujours audible.

Le niveau de bruit relatif dans les canaux d'enregistrement et de lecture des magnétophones analogiques, même en l'absence de signal, n'atteint généralement pas -80 dB. Apparaissant dans les descriptions de certains magnétophones domestiques (par exemple, Tandberg SE-20), cette valeur a été obtenue grâce à l'utilisation d'une correction de fréquence non standard, mais avec une perte de capacité de surcharge aux fréquences plus élevées.

De plus, en présence d'un signal, le niveau de bruit dans un magnétophone analogique augmente toujours, atteignant une valeur de -35 à -60 dB au niveau nominal du signal. Cette augmentation du bruit est provoquée par la présence du signal et est à peu près proportionnelle au niveau du signal. C'est pourquoi on l'appelle bruit de modulation.

Lors de l'enregistrement d'un son pur à un niveau nominal, le spectre de bruit de modulation sur un magnétophone de bonne qualité se compose de deux composants : des bandes latérales relativement étroites provoquées par une modulation parasite d'amplitude et de fréquence du signal enregistré, et un bruit à large bande dépassant le niveau de bruit de pause de 10...25 dB selon la fréquence du signal et la qualité de la bande.

Les bandes latérales, sauf si leur niveau total dépasse -40...-46 dB, avec leur faible largeur (moins de 5...8% de la fréquence centrale), ne sont presque jamais audibles, puisqu'elles se situent sous la courbe de masquage correspondante. (Fig. 3a et 3b).

Riz. 3a. Bruit de modulation dans un magnétophone à vitesse nominale et correction de 70 µs. La ligne noire est la dépendance en fréquence du seuil d'audibilité du bruit d'un tiers d'octave, la ligne bleue est la dépendance en fréquence du bruit de pause d'un tiers d'octave (*0 dB" sur le lento, soit 250 mWb/m correspond à un niveau de 60 dB de pression acoustique), la ligne rouge est le spectre du signal de 315 Hz avec un niveau de 0 dB et la ligne verte est la courbe de masquage. Comme on peut le constater, aux fréquences supérieures à 2 kHz, il n'y a pas de masquage et l'augmentation des hautes fréquences -le bruit de fréquence en présence d'un signal basse fréquence devient clairement audible.

Riz. 3b. Pareil, mais la fréquence du signal est de 3150 Hz. On constate que la partie la plus audible est la partie basse fréquence de la composante large bande du bruit de modulation, qui n'est pas masquée par le signal utile. C'est la principale raison du « trouble » et de la « saleté » du son des cymbales, des cloches et des notes aiguës des violons.

La composante large bande, lors de la reproduction de sons purs, est souvent entendue (sous forme de son « sale ») même sur un magnétophone master de studio, puisque son niveau global est rarement inférieur à -50 dB par rapport au niveau du signal. Malheureusement, il n'existe que deux manières de réduire le niveau de la composante large bande du bruit de modulation : améliorer la qualité des bandes et augmenter la largeur des pistes d'enregistrement (chaque doublement donne un gain de seulement 3 dB).

Le bruit de modulation cause beaucoup de problèmes : chaque frappe sur les touches du piano est accompagnée d'un crépitement, comme si elles étaient recouvertes de papier, les tuyaux de basse de l'orgue sifflent beaucoup, les instruments à cordes commencent à ressembler à des instruments à vent, le sable « tombe » "des cymbales, etc. À propos, la principale raison des différences audibles lors de l'utilisation de différents types de bandes magnétiques est précisément la différence dans l'ampleur de la distorsion d'intermodulation et dans le niveau (ainsi que la dépendance en fréquence) de bruit de modulation.

La seule façon de réduire la visibilité de l'augmentation du bruit à large bande en présence d'un signal - ce qu'on appelle la « respiration » ou le « pompage » - est d'introduire une telle correction de fréquence dans le signal enregistré afin que la correction de fréquence inverse pendant la lecture atténue les parties du spectre de bruit qui ne sont pas masquées par le signal utile (Fig. 4).

Riz. 4a. Le degré de dépendance du bruit de modulation peut être réduit si, pendant la lecture, les parties du spectre où il n'est pas masqué par le signal sont atténuées. Ainsi, pour les signaux basse fréquence (jusqu'à 400 Hz), le rôle d'un tel filtre adaptatif peut être joué par l'expandeur de suppression de bruit Dolby-B. Sa réponse en fréquence est représentée dans la partie supérieure de la figure et le spectre du signal résultant est représenté par la ligne orange.

Riz. 4b. Idem, mais la fréquence du signal utile est de 3150 Hz. On peut voir que la réponse en fréquence requise du filtre, qui réduit la visibilité du bruit de modulation, s'avère complètement différente - avec un "pas".

Cette correction de fréquence peut être réalisée de plusieurs manières. La première et la plus évidente consiste à diviser le spectre du signal en bandes distinctes, chacune possédant son propre compandeur. Grâce à cela, la présence d'un signal fort dans l'une des bandes n'entraîne pas de bruit dans les autres. Comme cela a été établi depuis longtemps, pour garantir une qualité de fonctionnement acceptable d'un tel système, quatre à sept bandes sont nécessaires, ce qui complique grandement la conception du suppresseur de bruit et rend son fonctionnement critique pour la précision de la réponse en fréquence de l'enregistrement-lecture. canal. Ainsi, un Dolby-A à quatre voies construit sur ce principe nécessite d'ajuster la réponse en fréquence du magnétophone avec une erreur ne dépassant pas ±0,3...0,5 dB.

La deuxième méthode, plus simple, consiste à utiliser un circuit d'égalisation à fréquence fixe, sélectionné de telle manière que pour la plupart des signaux, une réponse en fréquence proche de l'optimum pour supprimer le bruit à large bande soit fournie. La qualité de fonctionnement d'un tel système dépend en grande partie de la sélection compétente des caractéristiques de correction. Une approche similaire est utilisée dans la plupart des extenseurs haut débit (High Com, ADRS, dbx, etc.). Malheureusement, les caractéristiques de correction des extenseurs-extenseurs à large bande connus de l'auteur sont loin d'être optimales.

La troisième méthode consiste à utiliser des extenseurs avec réponse en fréquence adaptative, qui s'ajustent automatiquement au spectre du signal d'entrée. Cette approche (en combinaison avec une chaîne avec une réponse en fréquence fixe) est mise en œuvre dans le système Dolby-S/SR. La nature du changement dans les caractéristiques de fréquence du compresseur est illustrée à la Fig. 5. En règle générale, un système avec une réponse en fréquence adaptative traite parfaitement les sons purs et les instruments à voix unique, mais sur un signal réel, les capacités d'adaptation sont, hélas, limitées. Ainsi, dans le système Dolby-S/SR, en présence de signaux à large bande, le « tirage » des fréquences moyennes pendant l'enregistrement s'arrête. Pendant la lecture, cela entraîne des « percées » de bruit et de distorsion dans la plage de fréquences d'environ 500...800 Hz à 2...4 kHz (« milieu non naturel »).

Riz. 5. Famille de réponse en fréquence de l'encodeur Dolby-SR à différents niveaux de signal avec une fréquence de 200 Hz (lignes marron) et une fréquence de 3 kHz (lignes bleues). L'utilisation de caractéristiques de fréquence inverse pendant la lecture peut réduire considérablement la visibilité du bruit normal, actuel et de modulation.

Bien entendu, des combinaisons de ces méthodes sont également possibles.

Toutes les méthodes décrites ci-dessus supposent que les caractéristiques de temps et de niveau du compresseur et de l'expandeur sont les mêmes et que le canal d'enregistrement-lecture ne déforme pas la structure du signal. Dans la pratique, on ne peut pas compter sur cela, donc des erreurs de suivi se produisent inévitablement dans les systèmes compander. Leur influence sur le signal final dépend fortement de la conception du système, mais se résume principalement à deux points : la distorsion des processus de montée et de descente des sons, qui modifie leur timbre, et l'apparition d'interférences de fonctionnement (clics et pops) .

La principale raison de l’apparition de clics et de pops est, par exemple, le fait suivant. Lorsque le compresseur réagit rapidement à une augmentation du niveau du signal (par exemple, lorsque vous frappez dans vos mains), toutes les fréquences de la bande traitée par le compresseur sont simultanément atténuées. En raison des déphasages, des composants de fréquences différentes arrivent à l'expandeur avec un décalage horaire, mais sont traités simultanément. En conséquence, des erreurs d'impulsion apparaissent dans le signal de sortie et, par conséquent, des clics de réponse (voir Fig. 6a et 6b).

Riz. 6, une. L'influence des distorsions de phase dans le canal de transmission du signal compressé, De haut en bas : oscillogramme du signal d'entrée (oscillation moyenne fréquence amortie superposée à un signal basse fréquence plus faible), oscillogramme du signal de sortie du compresseur, oscillogramme du signal déformé en phase, oscillogramme du signal étendu. Une erreur importante et des interférences sont visibles.

Riz. 6b. « Manger » l'attaque d'un signal musical lors de l'expansion due aux distorsions de phase du signal compressé (séquence d'oscillogrammes, comme dans la figure précédente). Une surtension est également visible lorsque le compresseur est activé.

Quant aux erreurs de niveau de signal, elles surviennent le plus souvent en raison d'erreurs dans la réponse en fréquence ou le coefficient de transmission du canal d'enregistrement-lecture. Une autre cause d'erreurs est la modulation parasite de l'amplitude du signal dans la voie d'enregistrement-lecture.

Et enfin, à des niveaux de signal faibles, le problème est la pénétration de divers bruits dans le circuit de commande du compresseur ou de l'expandeur. Pour réduire la pénétration des interférences radio (et infra-basses fréquences), les entrées du compandeur doivent être équipées de filtres passe-bande qui coupent les signaux dont les fréquences sont en dehors de la bande de fréquence audio. L'absence d'un tel filtre conduit souvent à l'inopérabilité du suppresseur de bruit en conditions réelles.

C'est précisément à cause des circonstances ci-dessus que le son d'un magnétophone équipé de l'un quelconque des extenseurs connus ne sera pas exempt de problèmes. Malheureusement, il n’existe pas aujourd’hui de suppresseur de bruit de compander parfait (ou presque parfait). De plus, dans le cadre du développement des technologies numériques, l'attention principale des développeurs UWB est attirée sur la création de débruiteurs. Cependant, des travaux visant à améliorer les companders sont toujours en cours. Les développements réussis incluent, par exemple, un compandeur dans le canal audio d'un système d'enregistrement vidéo VHS-HiFi.

Néanmoins, les magnétophones produits en série utilisent encore le Dolby-B/C, et moins souvent le Dolby-S ou le dbx. Par conséquent, à chaque fois avant d'appuyer sur un bouton, il convient de se demander s'il est vraiment nécessaire d'utiliser ce compandeur pour cet enregistrement ? Et si l'enregistrement original sur CD est de qualité moyenne, et le magnétophone.

Auteur : S. Ageev, Moscou

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