Системы шумоподавления, денойзер

В определении понятия "шумоподавитель", да и самого шумоподавления существует некоторая неясность. Этими терминами обозначаются два абсолютно разных понятия, одно из которых скорее относится к реставрационным работам, а второе — непосредственно к самой процедуре звукозаписи.

В первом случае речь идёт об улучшении звучания уже имеющегося материала, а во втором случае о более качественном процессе записи нового. И, хотя эти два различных процесса имеют идентичные названия, физическая их сущность абсолютно разная. Даже несмотря на то, что основаны они, в сущности, на использовании одного и того же свойства человеческого слуха — эффекта маскировки.

 

Денойзер

Итак, начнём с того процесса шумоподавления, который, собственно, и является именно шумоподавлением в его исходном смысле, то есть применяется для удаления шумов с уже готовых фонограмм.

Так как мы имеем депо с материалом, который мог быть записан давно и в неизвестных условиях, то очевидно, что скорее всего при производстве этих записей не было использовано какой-либо обработки для его последующего обесшумливания (маловероятно, чтобы при выпуске, скажем, пластинки, звукорежиссёр был столь любезен, что позаботился о её будущей реставрации...) Поэтому мы поневоле обрабатываем сигнал как бы "с одной стороны", а именно при его воспроизведении. По принятой терминологии такие шумоподавители именно так и называются – single-ended, "односторонние".

Самым первым был простейший noise-gate, блокировавший прохождение сигналов в паузах фонограммы. Он действовал как простой выключатель - либо полность пропускал входной сигнал на выход, либо полностью же его подавлял.

Однако, несмотря на свою полезность во многих случаях, реального подавления шумов он не осуществлял. А иногда даже наоборот, делал их субъективно более заметными - когда после достигнутой его усилиями абсолютной тишины начинало звучать тихое место фонограммы, на котором шумы как раз наиболее заметны. В настоящее время гейты для целей уменьшения шумов практически не применяются.

Чтобы избавиться от описанного эффекта и получить более приятное на слух уменьшение шумов, многими фирмами были разработаны самые различные системы шумоподавления, в основном для прослушивания записей с магнитофонов.

Однако, несмотря на различные названия, все они работали примерно одинаково —происходило ослабление ВЧ-составляющих обрабатываемого сигнала в том случае, если само устройство обработки (а не звукорежиссер!) решало, что их уровень в исходном сигнале достаточно мал, и ими можно пренебречь.

Реальный прорыв в этой области был достигнут после изобретения первого настоящего шумоподавитепя, в котором для уменьшения шумов применялся скользящий адаптивный фильтр, который изменял полосу своего пропускания в зависимости от спектра обрабатываемого сигнала.

Итак - как же работает современный шумоподавитель, имеющий также общепринятое название denoiser?

(Интересно, что компьютерные программы, основанные на аналогичном принципе, носят иное общее название — de-hisser, а программы, имеющие название denoiser, в отличие от своих ‘аналоговых тёзок, работают по совершенно иному принципу!).

Сердцем денойзера является особый фильтр, изменяющии полосу своего пропускания в зависимости от спектра обрабатываемого сигнала. Управляющая этим фильтром электронная схема постоянно анализирует входной сигнал, и на основе этого анализа перестраивает параметры фильтра таким образом, чтобы обеспечить максимально благоприятные условия для передачи полезных составляющих сигнала, и одновременно - максимально ослабить его мешающие, шумовые компоненты.

Практически все серийно выпускаемые денойзеры в качестве самого фильтра применяют только один фильтр - фильтр низких. Он обрезает все высокочастотные помехи, которыележат за пределами полосы частот, занимаемой полезным сигналом и не маскируются им.

Таким образом, АЧХ денойзера имеет вид НЧ-фильтра, частота среза которого изменяется от некоторого начального значения до полной полосы частот всего звукового диапазона.

Она тем шире, чем больше уровень входного сигнала, и чем выше наивысшая частота, присутствующая во входном сигнале.

Для обеспечения возможности успешно работать с самыми различными звуковыми сигналами в хороших приборах, помимо автоматики предусматриваются и некоторые регулировки. Обычно их три: начачальная частота среза фильтра при отсутствии сигнала Cut-off,‘ скорость закрывания Release, и регулятор чувствительности Threshold. Иногда ещё к ним добавляется возможность изменения  срабатывания — переключатель Soft/Hard. Однако частотная обработка сигналов, а тем более фильтрация, частным применением которой и является денойзер, крайне плохо поддаётся автоматизации, поэтому - будьте осторожны!

Если можно для ликвидации шумов применять фильтр с изменяемой полосой пропускания, то, очевидно, можно получить то же самое, если набором фиксированных фильтров сначала поделить сигнал на узкие полосы, а потом пропускать или блокировать его отдельные составляющие. Именно на таком принципе основана работа всех компьютерных программ-денойзеров. В них входной сигнал, прошедший сквозь очень большое число очень узкополосных фильтров, подаётся на такое же количество нойз-гейтов, т.е. сигнал каждой отдельной полосы подаётся на свой собственный индивидуальный геит. Затем выходы всех индивидуальных геитов суммируются — и очищенный сигнал готов!

Из самого принципа действия сразу же становится очевидном нереальность любой попытки изготовить такой денойзер в аналоговом виде. В самом деле, ведь число индивидуальных полосовых фильтров может составлять несколько десятков тысяч! А к ним надо ещё и столько же гейтов, да потом всю эту кучу отдельных полосок надо умудриться как-то сложить вместе...

Поэтому и не существует такого рода денойзеров в ином виде, нежели чем только в цифровом, воплощенных в "железе", или же чисто программных.

Перед началом работы программы-денойзера на подлежащем обработке материале выбирается маленький его кусочек, не содержащий полезного сигнала. Естественно, что в этом месте будут присутствовать только шумы. Этот образец шума и используется для настройки порогов гейтов.

Перед началом процесса программа анализирует спектр шума, пропуская его сквозь набор фильтров. После этого запоминается значение уровня шума в каждой полосе (его АЧХ), и эта величина становится эталонной при решении программой вопроса — яляется ли сигнал в данной полосе полезной информацией, или же просто шумом?

Если сигнал меньше значения, определённого на этапе анализа эталонного образца, он считается шумом, геит этой полосы закрывается, и сигнал на выход не проходит. Если же входной сигнал превышает эталонную величину, он считается полезным, и беспрепятственно проходит на выход.

Однако, несмотря на различные результаты работы программных денойзеров, единый принцип их работы обеспечивает и одинаковые же артефакты, то есть искажения исходного сигнала. Связано это с самой сущностью процесса — с разделением сигнала на большое количество очень узких полос.

При этом, вследствие поочередного исчезновения из звукового сигнала отдельных узких полос его составляющих, сигнал приобретает весьма характерный "фленджерный" призвук. К сожалению, это явление принципиально неустранимо, хотя тщательным подбором параметров работы программы- денойзера оно может быть сделано достаточно малозаметным.

 

Компандерные системы шумопонижения

Вторая большая группа устройств шумопонижения предназначена, главным образом, для расширения динамического диапазона трактов записи-воспроизведения, хотя иногда они применяются и в трактах приёма-передачи — например, радиомикрофонов.

В отличие от ранее рассмотренных, эти системы абсолютно ничего не изменяют в исходном сигнале. Они только улучшают условия передачи сигнала через тот тракт, в котором установлены. И уменьшить уровень шумов непосредственно в обрабатываемом ими сигнале нельзя.

Компандер — это общее название устройств, применяемых для расширения динамического диапазона путём компрессии сигнала на входе и последующего его экспандирования на выходе.

Компандерные системы могут быть как "просто компандерными“, так и частотнозависимыми. Было разработано огромное количество такого рода систем, из которого реально в настоящее время используются только две: dbx и Dolby.

Из всего их множества только две наиболее распространённы в настоящее время, — Dolby В и Dolby SR. Ранее имевшая большое распространение система Dolby А сейчас практически вытеснена из профессиональной области более качественной и более современной Dolby SR, а применяющаяся в кассетной аппаратуре Dolby С — это, по сути, два включённых последовательно компандера системы Dolby В.

Как и dbx, Dolby В тоже использует компрессирование сигнала, но с двумя отличиями. Во-первых, обрабатывается только высокочастотная составляющая входного сигнала. Во-вторых (и это гораздо важнее) — обрабатываются только те сигналы, которые лежат ниже определённого порога. Эти меры, вместе взятые, позволяют существенно уменьшить главные недостатки - наличие и заметность модупяционного шума, да и самои работы системы шумопонижения.

Так как НЧ-сигналы компандером Dolby В не обрабатываются вообще, то и модуляцинный шум, как таковой, попросту отсутствут.

В соответствии с  "окном слышимости" построена работа системы Dolby SR. При её разработке было учтено, что самые низкочастотные и самые высокочастотные звуки, которые находятся по краям звукового диапазона, даже при довольно значительных их абсолютных уровнях, тем не менее, не будут слышны, или, если и будут слышны, то крайне незначительно.

При обработке входного сигнала, помимо особого компрессирования, Dolby SR еще и изменяет его АЧХ - так, чтобы она в максимально возможной мере совпадала с соответствующей кривой равной громкости.

Конечно, в реальных системах АЧХ не столь точно соответствуют кривым равной громкости, и имеют более гладкий, упрощённый характер. Но это не изменяет самой сути процесса, а, точнее-того грустного “факта, что все системы компандерного шумопонижения несовместимы между собой. И если в стенах однои студии это обычно не является проблемой, то при необходимости передать фонограмму в другое место возможно возникновение различных сложностей.

Особенно это касается всех разновидностей систем Dolby, которые являются очень чувствительными к амплитуде сигнала, и при несоответствии опорных уровней Dolby в трактах записи и воспроизведения различных аппаратов может произойти непоправимое ухудшение звука. Поэтому, если потебуется передать куда-либо фонограмму, — подумайте как следует, стоит ли рисковать? Может, лучше в этом случае отключить все системы шумопонижения?

Читать далее