dbx — компандерная система шумопонижения (СШП), разработанная в начале 1970-х годов . В отличие от конкурировавших СШП Dolby, dbx сжимает и экспандирует сигнал во всём диапазоне звуковых частот и на всех уровнях сигнала, что снижает чувствительность СШП к частотным и фазовым искажениям тракта записи-воспроизведения и к точности его настройки. Подавление шума магнитной ленты достигает 30 дБ, динамический диапазон записываемого и воспроизводимого сигнала достигает 100 дБ. В отличие от СШП Dolby, dbx эффективно подавляет и низкочастотные шумы ленты, и низкочастотные помехи и шумы тракта воспроизведения. Высокие показатели достигаются ценой полной несовместимости лент, записанных с применением dbx, с обычной аппаратурой, не оснащённой декодером dbx.
Два основных варианта СШП dbx — профессиональный dbx Type I и бытовой dbx Type II — различаются амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ) фильтров, оптимизированными либо для студийных катушечных, либо для бытовых кассетных магнитофонов. На рынке профессиональной аппаратуры, особенно в его нижнем сегменте, dbx Type I на равных конкурировала с СШП Dolby A. На потребительском рынке dbx проиграла системам Dolby B и Dolby C.
Модификация Type II, названная dbx disc, применялась для декодирования грампластинок, записанных с применением кодера dbx. Другой, упрощённый, вариант Type II с 1984 года применялся в по североамериканскому стандарту MTS. СШП dbx 321 («три к одному», 1981) применялась в спутниковой ретрансляции частотно-модулированного радиосигнала в сетях УКВ-радиостанций. В отличие от всех других вариантов, сжимавших динамический диапазон в пропорции 2:1, в 321 применялось сжатие 3:1. Технологии, продвигавшиеся под торговыми марками dbx Type III и dbx Type IV, не являлись компандерными СШП, и широкого применения не нашли.
Принцип действия
Компандерные системы шумопонижения, к которым относится dbx, обрабатывают звуковой сигнал дважды — при записи и при воспроизведении. При записи электронный компрессор сжимает динамический диапазон полезного сигнала, чтобы приподнять тихие фрагменты исходной записи над уровнем шума магнитной ленты. При воспроизведении проводится обратное преобразование (экспандирование), восстанавливающее исходный динамический диапазон. Точность восстановления исходного сигнала зависит от уровня частотных и фазовых искажений тракта записи-воспроизведения, а в СШП с ломаной (билинейной) характеристикой сжатия — и от согласования коэффициента усиления тракта воспроизведения со стандартным опорным уровнем СШП. Снижение чувствительности системы к неизбежным в любом магнитофоне искажениям — одна из двух сложнейших задач проектирования СШП. Другая характерная проблема этих устройств — выбор скорости срабатывания детектора, управляющего компрессором и экспандером. Для своевременного отслеживания быстро нарастающих фронтов реального звукового сигнала постоянная времени детектора не должна превышать несколько десятков микросекунд; запаздывание реакции приводит к перегрузкам тракта записи. Однако на низких частотах быстродействующий детектор традиционной конструкции не выпрямляет входной сигнал, а пропускает его на управляющий вход компрессора, что порождает неприемлемо высокие нелинейные искажения.
Рэй Долби, конструктор первой серийной компандерной СШП для высококачественной звукозаписи Dolby A, решил проблему детектирования, разбив звуковой диапазон на четыре частотных канала. В каждом из каналов компрессии подвергались только сигналы средних и слабых уровней; предельное значение подъёма слабого сигнала равнялось 10 дБ. Каждый компрессор, выполненный на полевом транзисторе в режиме управляемого сопротивления, управлялся простым пиковым детектором, а тот, в свою очередь, - напряжением несжатого сигнала на выходе полосового фильтра. При воспроизведении исходный сигнал восстанавливался четырьмя экспандерами с обратной характеристикой. Несовершенная элементная база и прямое управление компрессором в режиме записи обусловили скромное (10 дБ на нижних и средних, до 15 дБ на высоких частотах) подавление шума ленты и высокую чувствительность СШП к частотным и фазовым искажениям. Ломаная (билинейная) характеристика управления требовала точного согласования трактов записи и воспроизведения: точки перегиба характеристик компрессора и экспандера должны были совпадать c погрешностью не более 0,3 дБ. Последнее, в свою очередь, ограничивало сферу применения СШП Dolby A первоклассными студиями звукозаписи. В бытовой версии Dolby B, выпускавшейся серийно с 1968 года, использовался единственный средне-высокочастотный канал компрессии, а прохождение низкочастотного сигнала на вход детектора блокировалось фирменной схемой «скользящей полосы».
Конструктор системы dbx Дэвид Блэкмер, стремясь преодолеть зависимость от точности настроек, выбрал альтернативный подход — широкополосную одноканальную СШП, алгоритм действия и амплитудно-частотные характеристики которой не зависели ни от уровня, ни от спектра обрабатываемого сигнала. Решение Блэкмера опиралось на два его изобретения начала 1970-х годов — детектор среднеквадратического значения, оперировавший в логарифмической области, и управляемый напряжением усилитель (УНУ) с экспоненциальной характеристикой управления. УНУ на основе ячейки Блэкмера, выполнявший функции компрессора и экспандера, обрабатывал весь спектр звукового сигнала. Коэффициенты компрессии (2:1) и экспандирования (1:2) УНУ были постоянны во всём динамическом диапазоне сигнала (такая характеристика компрессии называется децилинейной). Благодаря этому постоянству СШП dbx теоретически не зависела от рассогласования абсолютных коэффициентов усиления и уровней сигнала.
Для решения проблемы быстродействия детектора Блэкмер использовал фазорасщепитель, формировавший два сдвинутых по фазе на 90° сигнала («синус» и «косинус»). Квадратурные сигналы поступали на два выпрямителя, выпрямленные напряжения подвергались логарифмированию, а затем их прологарифмированные значения суммировались на общем сглаживающем конденсатореСтруктурная и принципиальная схемы детектора и особенности настройки его фильтров раскрываются в патенте Блэкмера 1974 года ().. Таким образом, при обработке гармонического сигнала детектор Блэкмера исчислял в логарифмическом пространстве тригонометрическое тождество
где — фаза входного (переменного) сигнала. По идее изобретателя, напряжение на выходе его детектора содержало только логарифм огибающей входного сигнала, очищенный от гармонических тонов, что позволяло увеличить скорость срабатывания детектора без сопутствующего роста искажений на низких частотах (однако фазорасщепитель вносил в обрабатываемый сигнал собственную задержку, не зависевшую от скорости заряда сглаживающей ёмкости, и порождавшую характерные выбросы при обработке быстро нарастающих сигналов).
Схема Блэкмера имела много недостатков, но тем не менее была достаточно качественной для использования в студийной аппаратуре, и при этом компактной по сравнению с Dolby A. Благодаря применению среднеквадратического, а не пикового, детектора СШП dbx почти не зависит от фазовых искажений канала записи-воспроизведения; по утверждению Блэкмера, среднеквадратическое выпрямление практически устраняет и чувствительность СШП к нелинейным искажениям при перегрузке ленты (так называемую ошибку компандирования). Благодаря применению обратного, а не прямого регулирования (вход детектора подключался не ко входу, а к выходу УНУ) динамический диапазон СШП dbx достигает 100 дБ. В отличие от систем Dolby B и С, которые избирательно обрабатывают лишь средне- и высокочастотные составляющие сигнала, dbx эффективно подавляет и низкочастотные шумы и помехи: шум паузы ленты, фликкер-шум усилителей записи и воспроизведения, сетевой фон, копирэффект и помехи от смежных дорожек.
Устройство
Структурная схема
Кодер канала записи и декодер канала воспроизведения СШП dbx состоят из идентичных, взаимозаменяемых узлов. Один и тот же набор узлов (фильтры, детектор и УНУ), в зависимости от коммутации, может служить и кодером канала записи, и декодером канала воспроизведения. Единственный узел, работающий только при записи, но не при воспроизведении — входной фильтр (ПФ1), блокирующий прохождение инфразвуковых и ультразвуковых помех. Основная задача этого фильтра — снижение интермодуляционных искажений в тракте записи; непосредственно в кодировании сигнала он не участвует.
Ядром СШП dbx служит связка УНУ с экспоненциальной характеристикой управления и детектора среднеквадратического напряжения, оперирующего в логарифмической области. При записи динамический диапазон сигнала сжимается в два раза (компрессия 2:1), при воспроизведении расширяется в два раза (экспандирование 1:2). Быстродействие детектора настроено таким образом, что при резком нарастании амплитуды детектируемого сигнала коэффициент передачи УНУ уменьшается со скоростью 90 дБ/мс. При спаде детектируемого сигнала коэффициент усиления восстанавливается со скоростью 140 дБ/с, что примерно в полтора раза быстрее скорости реакции человека на резкое снижение громкости. Так как корректное детектирование сигнала во всём динамическом диапазоне музыкального сигнала (100 дБ) технически невозможно, то при записи на детектор подаётся не входной сигнал, а уже сжатый сигнал с выхода УНУ — его динамический диапазон составляет всего 50 дБ. При воспроизведении на вход детектора подаётся записанный на ленту сжатый сигнал.
Фильтры предыскажений каналов записи (ФПР1) и воспроизведения (ФПР2) имеют взаимно-обратные амплитудно-частотные характеристики. При записи ФПР1 приподнимает средние и верхние частоты на +12 дБ, при воспроизведении ФПР2 зеркально уменьшает их уровень, что эквивалентно снижению высокочастотных шумов ленты на те же 12 дБ. Назначение этих фильтров — не в понижении уровня шума паузы, но в подавлении «эффекта дыхания» — пульсаций модуляционного шума фонограммы в такт с пульсациями низкочастотных составляющих сигнала. Модуляционный шум — сложный набор призвуков, порождённых паразитной амплитудной и частотной модуляцией записываемого сигнала — обычно маскируется самим этим сигналом и шумом паузы. Он может быть заметен на слух лишь тогда, когда вся энергия сигнала сосредоточена на низких частотах, а уровень сигнала превосходит шум паузы на 65 дБ и более. В этом случае высокочастотный модуляционный шум («шип»), отстоящий от основного тона сигнала на несколько октав, не маскируется ни записанным сигналом, ни шумом паузы. В магнитофонах с СШП Dolby A, B и ANRS динамический диапазон в 65 дБ был практически недостижим, поэтому особых мер к подавлению модуляционного шума не требовалось. В магнитофонах с динамическим диапазоном 80 дБ и выше они стало обязательным; средством маскировки высокочастотных модуляционных шумов и стал подъём высоких и средних частот при записи.
Полосовой фильтр управляющего канала (ПФ2) блокирует прохождение на вход детектора частот, которые не могут быть записаны на ленту, или не могут быть воспроизведены с приемлемой неравномерностью АЧХ. СШП dbx, так же как и СШП Dolby, чувствительна к присутствию в канале записи инфразвуковых и ультразвуковых частот — например, пилот-тона ЧМ-радио или частоты дискретизации проигрывателя компакт-дисков и её гармоник. Прохождение таких помех на вход детектора абсолютно недопустимо. В бытовых вариантах СШП Dolby эту функцию выполняет , в dbx — полосовой фильтр ПФ2. В бытовом варианте dbx Type II ПФ2 блокирует прохождение частот выше 10 кГц, что практически устраняет чувствительность СШП к неравномерности и завалу АЧХ кассетного магнитофона на высоких частотах. Теоретический недостаток этого решения — вероятность перегрузки ленты сигналом, энергия которого сосредоточена в диапазоне 10…20 кГц. В реальном музыкальном сигнале такой спектральный состав не встречается. В декодере dbx disc полоса пропускания ПФ2 снизу сужена дополнительным фильтром верхних частот, который блокирует прохождение инфразвуковых помех и низкочастотного рокота (в остальном же dbx disc — обычный декодер Type II).