Kostenlose technische Bibliothek ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Über die Funktionsprinzipien von Geräuschunterdrückern. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Audio Probleme der Rauschunterdrückung in magnetischen Aufnahmegeräten ziehen weiterhin die Aufmerksamkeit von Funkamateuren und Benutzern von Audiogeräten auf sich. Dies wird durch die weit verbreitete Verwendung importierter Tonbandgeräte erleichtert, die mit verschiedenen Rauschunterdrückungssystemen ausgestattet sind. Der Mangel an Informationen ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass in den Bedienungsanleitungen der Geräte keine Informationen über die konkrete Implementierung und Nutzung eingebetteter Systeme enthalten sind. Dadurch kursieren die unterschiedlichsten Spekulationen, Probleme mit der Tonwiedergabequalität bleiben jedoch bestehen. Zunächst ist anzumerken, dass sich das Wort „Geräuschunterdrücker“ auf zwei grundlegend unterschiedliche Arten von Systemen bezieht: Eines davon dient dazu, bereits im Tonträger vorhandene Geräusche zu entfernen (auf Englisch Denoiser), und das andere soll die Ansammlung von Geräuschen verhindern Rauschen bei der Übertragung oder Aufzeichnung von Signalen (Noise Reductor). Diese Mehrdeutigkeit führt häufig zu Verwirrung und Missverständnissen. Daher ist es im beruflichen Umfeld üblich, zur Bezeichnung von Systemen des ersten Typs das englische Wort „donizer“ zu verwenden, um sie von Systemen des zweiten Typs zu unterscheiden. Bekannte Entrauscher sind dynamische Filter (DNL, DNR, HUSH, „Mayak“), deren Prinzip auf der gleichzeitigen Reduzierung von Verstärkung und Signal und Rauschen in einem separaten Teil des Spektrums (normalerweise HF) basiert, wo die nützlichen Signal kann vernachlässigt werden. Ihr Vorteil ist ihre Eignung für die Arbeit mit jeder Signalquelle, ihr gravierender Nachteil ist jedoch der unvermeidliche Verlust einiger Informationen. Heutzutage werden Denoizer vor allem zur „Bereinigung“ alter (oder technisch nicht gelungener) Aufnahmen eingesetzt. In Haushaltsgeräten werden sie selten eingesetzt, meist nur als Hilfsmittel: Denn um ein optimales Ergebnis zu erzielen, ist eine manuelle oder automatische Anpassung an einen bestimmten Tonträger erforderlich. Ein professioneller Denoiser kann als separates Gerät (analog oder digital) oder als Programm für einen Computer implementiert werden. Nehmen wir als Beispiel das NoNoise-Softwarepaket von Sonic Solutions. Einen Eindruck von seiner Arbeit erhalten Sie beim Anhören der CDs „The Beatles Live at the BBC“. Der dem Autor bekannte analoge Rauschunterdrücker höchster Qualität wurde von Orban implementiert. Dieser Fünfband-Dynamikfilter verfügt über die einzigartige Fähigkeit, sowohl Signalpegel als auch -typ zu analysieren und so zu verhindern, dass Hall-Sounds und tiefe Hochfrequenz-Percussion aufgefressen werden. Systeme des zweiten Typs (Dolby, dbx, High-Corn. Super-D usw.) verarbeiten das Signal zweimal: das erste Mal vor der Aufnahme oder Übertragung und das zweite Mal während des Empfangs oder der Wiedergabe. Daher werden sie auch als komplementär bezeichnet, im Gegensatz zu Systemen der ersten Art, die üblicherweise als nichtkomplementär bezeichnet werden. Da der Betrieb komplementärer Systeme auf der Verwendung einer Kombination aus einem Kompressor und einem Dynamikbereichs-Expander basiert, werden sie oft Kompander oder einfach Kompander (COMpressor + exPANDER) genannt. Kompander bieten im Allgemeinen eine stärkere Rauschunterdrückung und weniger Verzerrung des Musiksignals als Denoiser. Sie stellen jedoch bestimmte Anforderungen an den Empfangs-Sende- (oder Aufnahme-Wiedergabe-)Kanal und sind daher „kapriziöser“ in der Verwendung. Die grundlegende, aber nicht umstrittene Idee, auf der alle Rauschunterdrückungssysteme (USB) und nicht nur die Kompandersysteme basieren. ist eine Annahme. dass Lärm die Wahrnehmung nur schwacher Signale beeinträchtigt und bei einem starken Signal (hohe Lautstärke) nicht gehört wird, da ein schwacher Ton durch einen stärkeren maskiert wird. Folgt man dieser Logik, ist es nicht erforderlich, dass der Rauschpegel sowohl bei Abwesenheit als auch bei Vorhandensein eines Nutzsignals unverändert bleibt. Das heißt, ein Anstieg des absoluten Geräuschpegels mit zunehmendem Signalpegel wird als akzeptabel und für das Ohr nicht wahrnehmbar angesehen. Diese Annahme eröffnet den Weg zum Aufbau von Kompandersystemen, bei denen sich die Übertragungskoeffizienten beider Hälften (Kompressor und Expander) je nach Signalpegel ändern. In der Praxis bedeutet dies, dass schwache Signale verstärkt werden, bevor sie an einen Übertragungskanal (z. B. ein Tonbandgerät) gesendet werden, während ein starkes Signal unverändert (oder sogar abgeschwächt) durchläuft. Dieser Vorgang wird als Dynamikbereichskomprimierung bezeichnet. Am anderen Ende des Kanals erfolgt eine Rückwandlung, wodurch das Signal auf den ursprünglichen Pegelbereich gebracht und das Rauschen eines schwachen Signals reduziert wird. Es ist offensichtlich, dass bei der Implementierung eines solchen Systems der Dynamikbereich, gemessen als Verhältnis des maximal übertragenen Signals zum Rauschen in Abwesenheit eines Signals, das gleiche Verhältnis, das für den Übertragungskanal selbst gemessen wird, deutlich übersteigen kann. Es ist klar, dass es die erste Ziffer (als große Ziffer) ist, die als Wert des Dynamikbereichs in den UWB-Eigenschaften erscheint. Es charakterisiert jedoch eher den Bereich akzeptabler Eingangssignalpegel, während das Signal-Rausch-Verhältnis bei Vorhandensein eines Signals (d. h. das momentane Signal-Rausch-Verhältnis) hauptsächlich durch die Eigenschaften des Übertragungskanals selbst bestimmt wird . Ohne zusätzliche Maßnahmen, zum Beispiel eine spezielle Frequenzkorrektur, den Einsatz von Mehrbandsystemen oder einen dynamischen Frequenzgang-Equalizer, kann der Signal-Rausch-Abstand bei vorhandenem Signal den eines Kanals ohne Rauschunterdrückung nicht überschreiten. Einfach ausgedrückt: Wenn Rauschen im Kanal selbst bei maximalem Signalpegel hörbar ist, bringt die Kompandierung keinen Nutzen. So unangenehm es auch sein mag, genau diese Situation kommt in den meisten Fällen vor. Dies hängt damit zusammen, dass die weit verbreitete Annahme, dass jedes laute Geräusch alle schwachen Geräusche, einschließlich Lärm, unhörbar macht (maskiert), im Allgemeinen falsch ist. Experten der Psychoakustik (der Wissenschaft von den Besonderheiten der menschlichen Wahrnehmung von Geräuschen) haben vor vielen Jahrzehnten festgestellt, dass das Maskierungsphänomen nur in einem begrenzten Frequenzbereich auftritt, hauptsächlich in der Nähe der Frequenz eines lauten (maskierenden) Signals. Dies spiegelt sich am deutlichsten in den sogenannten „Maskierungskurven“ (Abb. 1, 2) wider, aus denen sich insbesondere das Vorhandensein schmalbandiger Geräusche mit einer Lautstärke von bis zu 90...95 ergibt Hintergrund2: Das menschliche Gehör ist bei einer Reihe von Frequenzen immer noch in der Lage, Geräusche zu unterscheiden, die sich in der Nähe der Hörschwelle befinden, auch wenn kein Maskierungssignal vorhanden ist. Und erst eine Lautstärkeerhöhung über etwa 95 von führt zu einer reflektorischen Abnahme der Empfindlichkeit und schützt das Ohr vor Schäden.
Das menschliche Ohr verfügt also über eine Art Dynamikbereichskompressor, der es ermöglicht, mit Signalen in einem Dynamikbereich von etwa 130 dB zu arbeiten, bei gleichzeitigem wahrgenommenen (momentanen) Dynamikbereich von etwa 90 dB. Wenn also bei Vorhandensein eines Signals Rauschen und Verzerrungen die absolute Hörschwelle oder - 90 dB relativ zum maximalen Signalpegel (unter Berücksichtigung der ungleichmäßigen Hörempfindlichkeit) nicht überschreiten, sind unter keinem davon Rauschen oder Verzerrungen zu hören Bedingungen (und Signale). Diese Voraussetzungen bieten jedoch nicht einmal die meisten Verstärker, ganz zu schweigen von Tonbandgeräten. Daher ist ein anderer Ansatz realistischer: Es müssen Maßnahmen ergriffen werden, um sicherzustellen, dass bei der Wiedergabe verschiedener Signale die Spektren von Rausch- und Verzerrungsprodukten des Tonübertragungssystems möglichst niedrig unter den Maskierungskurven dieser Signale liegen. Dies bedeutet insbesondere für Intermodulationsverzerrungsprodukte, dass es höchst unerwünscht ist, bei der Verarbeitung hochfrequenter Signale Differenztöne sowie Summentöne niederfrequenter Signale zu erzeugen. Gleichzeitig können harmonische Verzerrungen der Grundtöne durchaus einen Pegel von -50 dB erreichen und unbemerkt bleiben. Die Wahrnehmung von Geräuschen unterscheidet sich von der Art „organisierter“ Geräusche. Die Fähigkeit des menschlichen Gehörs, Geräusche wahrzunehmen, hängt vom Spektrum und der Änderungsgeschwindigkeit des Nutzsignals sowie dem zulässigen Signal-Rausch-Verhältnis bei Vorhandensein eines Signals mit einem Pegel von 85...95 dB (bezogen auf) ab Die Hörschwelle reicht von 40...45 dB bei einem schnell wechselnden und breitbandigen Nutzsignal bis zu etwa 75...85 dB bei reinen Tönen, insbesondere an den Rändern des Audiofrequenzbandes. Im Durchschnitt liegt er bei 50...65 dB. Auf dieser Grundlage können wir sagen, dass Kompander-Rauschunterdrücker bei magnetischen Aufzeichnungen in den meisten Fällen „am Rande eines Fouls“ arbeiten. Selbst bei perfekter Abstimmung zwischen Kompressor und Expander kann es Situationen geben, in denen das Rauschen immer noch hörbar ist, wenn der Aufnahme-Wiedergabekanal bei Vorhandensein eines maximalen Signals ein Signal-Rausch-Verhältnis von weniger als 80 dB aufweist. Der relative Geräuschpegel in den Aufnahme- und Wiedergabekanälen analoger Tonbandgeräte erreicht auch ohne Signal in der Regel nicht -80 dB. Dieser Wert erscheint in den Beschreibungen einiger Haushalts-Tonbandgeräte (z. B. Tandberg SE-20) und wurde durch die Verwendung einer nicht standardmäßigen Frequenzkorrektur erreicht, jedoch mit einem Verlust der Überlastfähigkeit bei höheren Frequenzen. Darüber hinaus steigt bei Vorhandensein eines Signals der Geräuschpegel in einem analogen Tonbandgerät immer an und beträgt beim Nennsignalpegel einen Wert von -35 bis -60 dB. Dieses erhöhte Rauschen wird durch das Vorhandensein des Signals verursacht und ist ungefähr proportional zum Signalpegel. Deshalb wurde es Modulationsrauschen genannt. Bei der Aufnahme eines reinen Tons mit Nennpegel besteht das Spektrum des Modulationsrauschens auf einem hochwertigen Tonbandgerät aus zwei Komponenten: relativ schmalen Seitenbändern, die durch falsche Amplituden- und Frequenzmodulation des aufgezeichneten Signals verursacht werden, und breitbandigem Rauschen, das den Pausenrauschpegel um übersteigt 10...25 dB je nach Signalfrequenz und Bandqualität. Die Seitenbänder sind, sofern ihr Gesamtpegel nicht über -40...-46 dB liegt, mit ihrer geringen Breite (weniger als 5...8 % der Mittenfrequenz) fast nie hörbar, da sie unter der entsprechenden Maskierungskurve liegen (Abb. 3a und 3b).
Die Breitbandkomponente ist bei der Wiedergabe reiner Töne oft selbst auf einem Studio-Master-Tonbandgerät (in Form eines „schmutzigen“ Tons) zu hören, da ihr Gesamtpegel selten unter -50 dB relativ zum Signalpegel liegt. Leider gibt es nur zwei Möglichkeiten, den Pegel der Breitbandkomponente des Modulationsrauschens zu reduzieren: Verbesserung der Qualität der Bänder und Vergrößerung der Breite der Aufnahmespuren (jede Verdoppelung ergibt eine Verstärkung von nur 3 dB). Modulationsgeräusche verursachen viel Ärger: Jeder Anschlag auf die Klaviertasten wird von einem Knistern begleitet, als wären sie mit Papier ausgelegt, die Basspfeifen der Orgel pfeifen stark, Streichinstrumente ähneln Blasinstrumenten, Sand „fällt“. „aus“ von den Becken usw. Der Hauptgrund für die hörbaren Unterschiede bei der Verwendung verschiedener Arten von Magnetbändern ist übrigens genau der Unterschied in der Stärke der Intermodulationsverzerrung und im Pegel (sowie in der Frequenzabhängigkeit) von Modulationsrauschen. Die einzige Möglichkeit, die Wahrnehmung des Anstiegs des Breitbandrauschens bei Vorhandensein eines Signals – das sogenannte „Atmen“ oder „Pumpen“ – zu verringern, besteht darin, eine solche Frequenzkorrektur in das aufgezeichnete Signal einzuführen, sodass die inverse Frequenzkorrektur während des Signals erfolgt Bei der Wiedergabe werden die Teile des Rauschspektrums gedämpft, die nicht vom Nutzsignal maskiert werden (Abb. 4).
Diese Frequenzkorrektur kann auf verschiedene Arten erreicht werden. Die erste und offensichtlichste Methode ist die Aufteilung des Signalspektrums in separate Bänder, von denen jedes über einen eigenen Kompander verfügt. Dadurch führt das Vorhandensein eines starken Signals in einem der Bänder nicht zu Rauschen in den anderen. Es ist seit langem bekannt, dass zur Gewährleistung einer akzeptablen Betriebsqualität eines solchen Systems vier bis sieben Bänder erforderlich sind, was die Konstruktion des Rauschunterdrückers erheblich verkompliziert und seinen Betrieb entscheidend für die Genauigkeit des Frequenzgangs der Aufnahme-Wiedergabe macht Kanal. Daher erfordert ein auf diesem Prinzip aufgebautes Vier-Wege-Dolby-A eine Anpassung des Frequenzgangs des Tonbandgeräts mit einem Fehler von nicht mehr als ±0,3...0,5 dB. Die zweite, einfachere Methode besteht darin, eine Entzerrungsschaltung mit fester Frequenz zu verwenden, die so ausgewählt ist, dass für die meisten Signale ein nahezu optimaler Frequenzgang zur Unterdrückung von Breitbandrauschen bereitgestellt wird. Die Qualität des Betriebs eines solchen Systems hängt in hohem Maße von der kompetenten Auswahl der Korrekturkennlinien ab. Ein ähnlicher Ansatz wird bei den meisten Breitbandkompandern (High Com, ADRS, dbx usw.) verwendet. Leider sind die Korrektureigenschaften der dem Autor bekannten Breitbandkompander alles andere als optimal. Die dritte Methode besteht darin, Kompander mit adaptivem Frequenzgang zu verwenden, die sich automatisch an das Spektrum des Eingangssignals anpassen. Dieser Ansatz (in Kombination mit einer Kette mit festem Frequenzgang) wird im Dolby-S/SR-System implementiert. Die Art der Änderung der Frequenzcharakteristik des Kompressors ist in Abb. dargestellt. 5. Ein System mit adaptivem Frequenzgang verarbeitet in der Regel einzelne reine Töne und einstimmige Instrumente perfekt, bei einem realen Signal sind die Anpassungsmöglichkeiten jedoch leider begrenzt. Beim Dolby-S/SR-System hört also bei Breitbandsignalen das „Ziehen“ der mittleren Frequenzen während der Aufnahme auf. Dies führt bei der Wiedergabe zu „Durchbrüchen“ von Rauschen und Verzerrungen im Frequenzbereich von ca. 500...800 Hz bis 2...4 kHz („unnatürliche Mitten“).
Selbstverständlich sind auch Kombinationen dieser Verfahren möglich. Bei allen oben besprochenen Methoden wird davon ausgegangen, dass die Zeit- und Pegeleigenschaften von Kompressor und Expander gleich sind und der Aufnahme-Wiedergabekanal die Signalstruktur nicht verzerrt. In der Praxis kann man sich darauf nicht verlassen, so dass es bei Kompandersystemen zwangsläufig zu Spurfehlern kommt. Ihr Einfluss auf das Endsignal hängt stark vom Design des Systems ab, lässt sich jedoch hauptsächlich auf zwei Punkte zurückführen: Verzerrung der Anstiegs- und Abfallprozesse von Klängen, die deren Klangfarbe verändert, und das Auftreten von Betriebsstörungen (Klicks und Knackgeräusche). . Der Hauptgrund für das Auftreten von Klick- und Knallgeräuschen ist beispielsweise die folgende Tatsache. Wenn der Kompressor schnell auf einen Signalpegelsprung reagiert (z. B. wenn Sie in die Hände klatschen), werden alle vom Kompressor verarbeiteten Frequenzen im Band gleichzeitig gedämpft. Aufgrund von Phasenverschiebungen kommen Komponenten unterschiedlicher Frequenz mit einem Zeitunterschied am Expander an, werden aber gleichzeitig verarbeitet. Dadurch treten Impulsfehler im Ausgangssignal und dementsprechend Antwortklicks auf (siehe Abb. 6a und 6b).
Was Fehler im Signalpegel angeht, entstehen sie meist aufgrund von Fehlern im Frequenzgang oder Übertragungskoeffizienten des Aufnahme-Wiedergabekanals. Eine weitere Fehlerursache ist eine parasitäre Amplitudenmodulation des Signals im Aufnahme-Wiedergabekanal. Und schließlich besteht bei niedrigen Signalpegeln das Problem darin, dass verschiedene Geräusche in den Steuerkreis des Kompressors oder Expanders eindringen. Um das Eindringen von Hochfrequenz- (und Infra-Niederfrequenz-)Interferenzen zu reduzieren, müssen die Compander-Eingänge über Bandpassfilter verfügen, die Signale mit Frequenzen außerhalb des Audiofrequenzbands abschneiden. Das Fehlen eines solchen Filters führt häufig dazu, dass der Rauschunterdrücker unter realen Bedingungen nicht funktionsfähig ist. Gerade aufgrund der oben genannten Umstände ist der Klang eines Tonbandgeräts, das mit einem der bekannten Kompander ausgestattet ist, nicht frei von Problemen. Leider gibt es heute keinen perfekten (oder nahezu perfekten) Kompander-Rauschunterdrücker. Darüber hinaus liegt im Zusammenhang mit der Entwicklung digitaler Technologien das Hauptaugenmerk der UWB-Entwickler auf der Entwicklung von Denoizern. Allerdings wird noch an der Verbesserung der Kompander gearbeitet. Zu den erfolgreichen Entwicklungen gehört beispielsweise ein Kompander im Audiokanal eines VHS-HiFi-Videoaufzeichnungssystems. Dennoch nutzen serienmäßig hergestellte Kassettenrecorder immer noch Dolby-B/C und seltener Dolby-S oder dbx. Deshalb lohnt es sich, vor jedem Tastendruck darüber nachzudenken, ob es wirklich notwendig ist, diesen Kompander für diese Aufnahme zu verwenden? Und wenn die Originalaufnahme auf einer CD von durchschnittlicher Qualität ist, und das Tonbandgerät. Autor: S. Ageev, Moskau Siehe andere Artikel Abschnitt Audio. Lesen und Schreiben nützlich Kommentare zu diesem Artikel. Neueste Nachrichten aus Wissenschaft und Technik, neue Elektronik: Kunstleder zur Touch-Emulation
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