降噪器的基本原理与应用

五味子 · 发表于 2005-4-22 21:28:00

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降噪器的基本原理与应用

      降噪器（NOISEREDUCTION）作为模拟式磁带录凌晨中降低噪声、扩展动态范围的重要声处理设备，在各种录音室中了挥着重要的作用。
      模拟式磁带录音中，需要消除的噪声很多，如交流噪声、声轨间串音、磁带复印杂音、剪接感磁噪声、磁带本底咝声和系统调制噪声等。其中，调制噪声只在有信号时才会出现，当信号电平增加时，这种高频噪声也随之增加。这种噪声被称为“背景”噪声或“不平”噪声，它是信噪比的主要限制因素。由于以上这些噪声的影响和磁带物理特性的原因，使模拟式磁带录音的动态范围受限于70dB左右，从而影响了整个录音的质量。
      过去采用提高录音机走带速度的方法提高信噪比，带速提高一倍，信噪比只改善3dB，不但收效甚微且很不经济。为了提高信噪比，使用压缩器和扩展器进行处理可以达到降低部分噪声的目的，其结果使节目中声音较轻的部分和噪声一起被压低或被消除。遗憾的是，使用压缩、扩展技术（录音时压缩、放音时扩展）存在着两个难以解决的问题，首先，压缩系统和扩展系统在全频及整个音量范围内难以保证准确地跟踪；其次，跟随节目信号起伏的不平噪声难以防止，搞不好噪声会更加严重。
      降噪器正是利用了压缩（COMP）、扩展（EXTERIOR）技术的基本原理，并且从技术上对时间、频率、幅度等几个方面作了处理与重新结合，经过编码记录/解码重放的过程，实现了对降低噪声及扩展动态范围的突破，最大动态范围可在105dB，为提高模拟磁带录音质量做出了贡献。目前专业录音使用的降噪系统有英国的DOLBY-A系统、DOBLY-SR系统、美国的DBX系统和BURWEN系统等。由于各种降噪系统内部处理有明显差异，且编、解码不具备兼容性，所以无论经过哪种降噪系统处理过的录音磁带，都不能在其他降噪系统中完好地放音。以上几种降噪系统中，由于BURWEN系统价格昂贵，技术指标又与DBX系统相关无几，所以目前已停产。本文仅对广泛应用于专业录音的的DOLBY-A系统、性能优越的DOLBY-SR系统和别具特点的DBX系统的工作原理及特性进行介绍。
      一降噪系统
      降噪系统由于广泛应用于专业录音，在70年代，已成为国际间交换录音节目的磁带降噪标准。在A系统的内部有两条并联的通道，一条经过线性放大器，另一条经过差分网络，在录音时该网络的输出与“直通信号”相加，而放音时相减。差分网络将全频段分为四个频带分别进行处理，降噪作用只发生在所需要的频带上。这四个频带的作用分别为：
      （A）80Hz低通道滤波器用于处理交流声和低频隆隆声；
      （B）80Hz~3kHz带通滤波器用于处理中频噪声和磁带复印效应杂音；
      （C）3kHz高通滤波器用于抑制咝声和调制噪声；
      （D）9kHz高通滤波器用于抑制咝声和高频噪声。
      滤波器的频响特性。在每个频段的滤波处理后，分别进行线性限幅和非线性限幅处理。四个频段滤波、限制的输出配合方法是：在低电平输入时（-40dB以下）对20Hz~5kHz的频率逐渐增加增益；在5kHz至15kHz的频段逐渐增加增益；在15kHz时，增益为15dB。如果输入信号上升到+40dB以上，降噪就基本上不起作用了。扩展器对高电平没有影响，信号可以直通。如果其中一路信号电平上升，它的降噪作用就减小，但掩蔽效应相对增强，因而呈现出的噪声电平保持恒定。A系统正是利用了掩蔽效应，把降噪作用限制在一个窄频带内。每一频段的输入、输出跟踪误差为±1dB。
      在多轨录音中，各声道的输入、输出均专用一个降噪单元。每个降噪单元都保持灵活的处理状态。当磁带通道进入录音状态时，A系统就由它保持解码处理状态进入编码处理状态；当磁带通道进入放音状态时，A系统又会自动改为解码处理状态。
      在A系统放音中，对于未经过编码处理的节目磁带，或其他系统处理过的节目磁带，都可以用旁路（BYPASS）开关，使信号直接通过；对于其他系统编码压缩处理过的磁带记录信号来说，信号本身是不失真的，它的波形与原始信号相同，只是振幅改变了。所以，使用BYPASS功能，经过均衡和电平调整是可以进行缩混的。
      系统对录/放音误差是非常敏感的，因此无论使用一台录音机完成录、放音，还是利用两间录音室分别完成录、放音，都强调录、放音标准电平的校正。为适应录入与还出电平的调校，在录制节目前，首先应在磁带上记录不少与30s的测试电平信号，频率选在400Hz或700Hz，电平指示OVU记录。对于录音磁平无统一标准，只要测试电平与其后的节目电平适配既可。A系统只要在录入与还出电平一致时，就能消除跟踪误差，保证声音质量。

      二、DOLBY——SR降噪系统
      DOLBY——SR系统于1986年初研制成功，它在系统概念上与A系统有共同之处，即当输入信号低于某一额定电平时，将信号相加来提升，输入录音机；在放音时，再将先前被提升的信号相减来衰减，同时也衰减了磁带上的噪声，从而改善了信噪比，扩大了动态范围。
      SR系统与A系统的不同之处是，它在设计上有突破性的改进。该系统与以电平高、低进行抑噪的方法不同之处是，将时间、频率、幅度三结合处理，经编码记录/解码重放的过程，使模拟式录音机的动态范围扩展至105dB，且音质纯度极接近数码录音的高质量效果，弥补了模拟录音技术的缺陷，现实意义重大。
      SR的基本工作原理是通过时间和频率来改变音频信号的幅度的，它根据噪音非线性变化的频谱规律，将频率分为高频段及低频段，并加上滑动频段（SLIDINGBAND）。经过这种设计后，当输入200Hz信号时，SR系统编码器后，SR系统即提升200Hz低电平信号，同时对高频段与低频段也有所提升，而高频段比低频段的增益更高，如图2所示；当输入800Hz信号时，SR系统编码所产生的传送频响曲线除提升800Hz外，同时对高、低频段都有所提升，如图3所示；当输入3kHz信号时，低频段的提升较高频段的提升为高。除时间、频率两者之外，SR系统尚以电平相配合，编码器共有3级组成，每级分别处理-30dB、-48dB、-62dB的低电平信号。除-62dB级外，其他各级均分别设有由高、低频处理、滑动频段处理组成的副通道部分（-62dB级只有高频及滑动频率）。由于每一级都有独立频率处理以及滑动频段对高、低频的分析处理。因此，SR系统能对800Hz以上的低电平信号（-62dB以下），只有两级同时工作提升，共提升+16dB；尚输入信号是-35dB时，只有一级工作提升，提升+8dB，再经过SR译码器作同样原理衰减还原后，噪声被抑制，而动态范围大大地被扩展。
      SR系统在使用上有以下优点：
      音响技术超级论坛（1）它适合于任何厂家及型号的录音机和各种牌号的磁带，无论用何种录音机都不用调校录入与还出电平，不存在编、解码跟踪失误问题。
      （2）容易安装，全部外接无需特别调校。如已有DOLBY系统的360和361及M系列机架者，只需把主电路板更换一块即可变为SR系统。SR主电路板型号为CAT280。
      （3）SR瞬态响应特性极佳，没有对时质的夸张效果。动态范围扩展很大，声音纯度高。对我国已经引进的模拟录音系统技术改造有益。
      三、DBX降噪系统
      降噪系统和A系统一样，也是一个互补系统，它用一对互补的压缩/扩展器在全频带范围内工作。
      DOLBY系统是分几个频段对噪声分别抑制，而该系统是通过预加重（PREEMPHASIS）和去加重（DEEMPHASIS）来满足同样要求的。馈送给压缩器的信号经过深度的“预加重”，提高了录音节目的总功率；译码时，采用“去加重”就可使节目恢复原状，高频噪声也同样得到抑制。为了防止预加重的高频信号过载，对压缩器的边信道也要进行类似的预加重。因此，高频录音电平实际上是随着频率的增减而增减的。
      DBX系统在500Hz~2kHz的频率段预加重12dB，在12kHz以上稳定在12dB。DBX系统利用了这样一种规律，就是在一般节目中，声功率大多数集中在低频段，只有在音量很大时才会在高频段出现大的声功率。由于采用了预加重，高频逐步地增加。
      DBX系统以2：1的压缩比进行编码、解码，它在-90dB~+20dB区间工作，增益为1的工作点在0dB处，电平传感器是用有效值检波器来实现的，它根据输入信号的均方根值确定所需施加的压缩值与扩展值，即用信号的总功率控制压缩值与扩展值，与各分量的相位无关，这样即不会出现A系统对相位的敏感问题，同时又解决了压缩与扩展间的跟踪问题，因此不需要调校录音机录入与重入的基准电平。
      音响技术超级论坛DBX系统在设计时也注意到了人耳的掩蔽效应，即存在相近频率较响时，人耳对噪声（指高频调制噪声）不敏感，因而具备了较强的降噪能力。DBX降噪系统可将高频信噪比提高30dB。

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