Терминология

Входной и выходной сигнал устройства связывает передаточная функция. Передаточная функция — один из способов математического описания динамической системы. Зная входной сигнал системы и передаточную функцию, можно восстановить выходной сигнал.

Передаточная функция цепи (в нашем случае — звукового тракта) может зависеть от параметров сигнала. Именно такие устройства принято относить к группе «динамической обработки сигнала».

Под воздействием обрабатываемого сигнала могут изменяться разные параметры тракта: модуль коэффициента передачи, амплитудно-частотная характеристика или еще что-то.

Управление уровнем сигнала

Автоматический регулятор усиления (АРУ), — вероятно, одно из самых массовых устройств в секторе динамической обработки. По принципу действия АРУ можно разделить на две группы: с прямым и обратным управлением.

В авторегуляторе с прямым управлением (рис.1) управляющий сигнал формируется из входного.

Входной сигнал выпрямляется, полученное напряжение (или ток) управляет усилением. В аналоговой аудиотехнике такое решение используется нечасто, основная причина — трудность точного выпрямления переменного напряжения с широким спектром и динамическим диапазоном реального звукового сигнала, который превышает 60 дБ. Прямое управление вполне уместно, если активный участок регулирования имеет небольшой диапазон, в частности, так может быть реализован гейт.

В авторегуляторе с обратным управлением (рис.2) управляющий сигнал формируется из выходного.

Если аппарат представляет собой компрессор, то динамический диапазон выходного сигнала меньше, чем входного, и требования к детектору смягчаются.

На цепь управления может быть подан не только обрабатываемый, но и внешний сигнал (рис.3).

Так может быть реализован, например, автоматический микс, когда сигнал от микрофона «поджимает» музыку, и речь на ее фоне становится слышна отчетливо (т.н. дакинг). Когда ведущий замолкает, уровень музыкального сигнала восстанавливается.

Управляющий звуковым трактом сигнал — это изменяющееся постоянное напряжение (или ток), которое получается из переменного звукового сигнала в модуле, обозначенном знаком диода на приведенных выше схемах. Этот модуль может хранить в себе много тайн.

Науке известны пиковый детектор и детектор среднего значения. Принципиальной разницы между ними нет, различаются параметры цепей заряда и разряда. Зарядная цепь в пиковом детекторе «быстрая», он успевает отследить даже короткие всплески сигнала. В детекторе среднего значения цепь заряда инерционна, и на короткие импульсы такой детектор практически не реагирует.

Постоянные времени цепей разряда и заряда — это внутренние параметры устройства, а снаружи мы видим другие параметры: время установления и время восстановления. Типичный переходной процесс в автоматическом регуляторе уровня показан на рис.4.

Увеличение уровня сигнала на входе приводит в первый момент даже к ограничению амплитуды. Потом уменьшается коэффициент усиления и уровень сигнала на выходе уменьшается до установившегося значения. После уменьшения уровня входного сигнала начинает увеличиваться коэффициент передачи звукового тракта, уровень сигнала на выходе тоже увеличивается.

Цели и задачи управления

Характеристики приборов динамической обработки подчинены ее целям, из которых можно выделить типичные.

Гейт

Если уровень входного сигнала уменьшается до значения ниже порогового, то коэффициент передачи устройства уменьшается и отсекаются шумы и помехи — так работает пороговый шумоподавитель.

Естественно, коэффициент передачи уменьшается не мгновенно, время запирания составляет обычно десятки-сотни миллисекунд, в этом случае шум плавно исчезает. Если время выключения слишком мало, то гейт отрезает окончания полезного сигнала, что не вполне благозвучно. Если время запирания слишком велико, то становится слышен шум этого канала.

Включение гейта должно происходить быстро, время — единицы миллисекунд, при большей задержке будут отрезаны начальные слоги, если гейт стоит в речевом тракте.

Лимитер

Исключить перегрузку тракта или защитить его от повреждения позволяет лимитер. При превышении порогового значения уровня коэффициент передачи быстро (доли или единицы миллисекунд) уменьшается, восстановление происходит обычно настолько медленно, чтобы слух не замечал изменения. В этом случае динамический диапазон сигнала практически не изменяется, но максимальное значение уровня сигнала автоматически «привязывается» к верхней границе динамического диапазона тракта.

Левелер

Стабилизировать среднее значение уровня позволяет левелер. Изменения коэффициента передачи в этом случае осуществляются с малой скоростью: порядка 1 дБ/с или даже меньше. В итоге стабилизируется именно среднее значение уровня, а воспринимаемый на слух динамический диапазон остается практически неизменным.

Компрессор

Для того чтобы поднять среднее значение уровня сигнала, надо сжать динамический диапазон, регулирование в этом случае осуществляется довольно быстро. Но обеспечить достижение поставленной цели, то есть поднять среднее значение уровня сигнала, не ухудшая его звучание — весьма непростая задача.

Разработчики предлагают нам компрессоры с разнообразнейшими амплитудными и временными характеристиками. Ведутся дискуссии о преимуществах и недостатках «мягкого» изгиба амплитудной характеристики; интеллектуальные специальные решения адаптируют временные характеристики устройства к параметрам обрабатываемых сигналов. Но главный судья в этом споре слух, а не глаз.

Экспандер

Растяжение динамического диапазона используется как для решения технических задач (восстановление сигнала в компандерных системах или просто подавление шумов), так и для создания нового звучания. В соответствии с решаемыми задачами устанавливаются статические и динамические характеристики.

В компандерных системах эти характеристики определены требованиями совместимости. В творческих приложениях параметры экспандера могут изменяться в довольно широких пределах.

Реализация

В приборах с аналоговой обработкой сигналов для управления коэффициентом передачи используют разные решения: часто — управляемый током дифференциальный каскад, реже — полевой или обычный транзистор, иногда — фоторезистор, можно найти и регулятор на основе электронной лампы.

В основе широчайшей номенклатуры интегральных схем управляемых усилителей лежит управляемый дифференциальный каскад. Такая схемотехника позволяет получить более чем достаточное для аудиотехники качество. Диапазон регулирования коэффициента передачи превышает 100 дБ. Уровень собственных шумов тоже оказывается вполне приемлемым: удается обеспечить динамический диапазон около 100 дБ. И нелинейные искажения ничтожны — сотые доли процента. Но надо понимать, что хорошие параметры — это только необходимое, но еще не достаточное условие для получения хорошего звука.

Завершить короткую экскурсию в схемотехнику хотелось бы наглядным примером: THAT 2002. Судя по тому, что устройство имеет логарифмическую зависимость коэффициента передачи от управляющего напряжения, можно предположить, что в основе — именно дифференциальный усилитель. Что же там на самом деле? THAT 2002 представляет собой залитый компаундом модуль размерами с коробок спичек, в котором много чего можно упрятать.

Отдельная тема — цифровая обработка звуковых сигналов. Потенциальные возможности «цифры» почти безграничны, но их реализация требует довольно больших даже по сегодняшним меркам вычислительных ресурсов.

Приемлемое качество достигается за приемлемую цену, и в бюджетном секторе приборов динамической обработки сегодня «цифра» — явный лидер.

Дополнительное, но не второстепенное

Интерфейсы

Кроме собственно регулятора, в состав прибора динамической обработки входят входные и выходные каскады, которые тоже вносят свой вклад в звучание и влияют на возможности использования.

Для прямого подключения динамического микрофона прибор должен иметь достаточную чувствительность (около 1 мВ) и балансный вход с определенным входным сопротивлением. Для конденсаторного микрофона требуется, как правило, фантомное питание, но требования к шумам и чувствительности смягчаются. Инструментальный вход обычно небаласный, с чувствительностью около 100 мВ, сопротивление — около 100 кОм.

Управление автоматическим регулятором уровня

Настройка состоит в надлежащем выборе основных параметров обработки. В их числе статические параметры: порог срабатывания threshold, степень компрессии compression ratio, компенсирующее усиление makeup gain и параметры динамические: время срабатывания attack time и время восстановления release time.

В аналоговой технике возможностей для управления параметрами немного, остается только выбор между дискретной и плавной регулировкой. В приборах с аналоговым звуковым трактом и цифровым управлением можно создавать пресеты и сохранять их в памяти.

Цифровые технологии обработки звуковых сигналов открывают необычайно широкие перспективы для управления, возможности в этом случае оказываются шире самых смелых фантазий.

И все, что потребуется впредь

Естественно, авторегуляторами уровня не исчерпывается класс приборов динамической обработки. Встречаются здесь и экзотические устройства, но есть и довольно массовые, в частности — де-эссер. Назначение этого прибора — устранить избыток высоких частот из сигнала от микрофона. Эта операция требуется практически всегда при работе с речью, но и для вокала оказывается иногда полезной.

Работу де-эссера иллюстрируют его амплитудно-частотные характеристики (рис.5).

Если в спектре сигнала увеличивается уровень высокочастотных составляющих, то автоматически уменьшается коэффициент передачи на высоких частотах. Де-эссер позволяет решать и технические, и творческие задачи: он защищает последующий тракт от перегрузки высокочастотными составляющими сигнала и делает звук более приятным и естественным.

У прилавка

Благодаря развитию аналоговой схемотехники и цифровых технологий сегодня возможности обработки сигналов весьма широки. Обработать сигнал можно до неузнаваемости. Но нужно ли? Не забывайте, что обработка — это не цель, а средство, и не количеством приборов в стойке обеспечивается хороший звук, но их правильным использованием.