Procesory dynamiki dzwieku

W artykule tym podano podstawowe wiado-
mości o działaniu kompresora, ekspandora,
limitera, bramki szumu i układu ARW oraz
omówiono elementy o regulowanym wzmoc-
nieniu oraz wymagane właściwości układu
sterującego.

Wielu elektroników miałoby duże kłopoty

z wyjaśnieniem komuś, co to jest limiter,
kompresor, ekspandor i bramka szumu.
Zacznijmy od zasady działania tych urządzeń.

Najprostsze do zrozumienia jest działanie

bramki szumu. Jak wskazuje nazwa jest to
bramka, a bramka może być otwarta (przepu-
szcza sygnał z wejścia na wyjście) albo za-
mknięta (nie przepuszcza sygnału).

Jeśli na wejściu występują sygnały o ma-

łych amplitudach, bramka jest zamknięta.
Gdy na wejściu pojawią się większe sygnały
- bramka zostaje otwarta. Przy takim działa-
niu, jeśli na wejściu występują tylko szumy
(małe sygnały), bramka jest zamknięta i na
wyjściu nie ma denerwującego szumu.
W głośnikach panuje cisza.

Gdy pojawią się sygnały użyteczne (więk-

sze niż poziom szumów), bramka się otwiera
i cały sygnał wejściowy beż żadnych modyfi-
kacji przechodzi na wyjście i do głośników.
Układ bramki szumów musi być wyposażony
w jakiś układ progowy, który będzie sterował
pracą bramki w zależności od poziomu sygna-
łu. Układ taki powinien mieć regulowany próg
zadziałania, by dostosować się do aktualnego
poziomu szumów i wyciąć rzeczywiście tylko
szumy, a nie słabsze sygnały użyteczne.

Schemat blokowy bramki szumu pokaza-

ny jest na rysunku 1. Pokazano tu jeden ka-
nał, ale w praktyce zwykle bramka jest stere-
ofoniczna i obwód sterujący jest wspólny dla
obu kanałów. Ponadto sam układ bramki
zwykle nie jest prostym dwustanowym ele-
mentem o działaniu „przepuszcza /nie prze-
puszcza”, tylko obwodem o płynnie regulo-
wanym wzmocnieniu.

Krótko mówiąc bramka szumów to układ,

który wycina szumy w przerwach między sy-
gnałami użytecznymi. Jest to urządzenie czę-
sto używane w studiach radiowych i syste-
mach nagłośnienia do wycięcia nieprzyjemne-
go szumu w audycjach słownych, szumu po-
chodzącego ze wzmacniaczy mikrofonowych.

Limiter

Dość proste jest także działanie limitera,
czyli ogranicznika. Limiter jest przez cały
czas „otwarty” i ma wzmocnienie, powiedz-
my równe 1. Sygnał wejściowy przechodzi
na wyjście bez zmian. Ale jeśli poziom sy-
gnału wejściowego będzie za duży, większy
niż maksymalny poziom użyteczny dalszych
urządzeń (magnetofonu, wzmacniacza, itp.),
to układ ogranicznika zmniejszy swoje
wzmocnienie i tym samym poziom takich sil-
nych sygnałów na wyjściu. Krótko mówiąc
limiter zapobiega przesterowaniu dalszych
urządzeń w torze wzmocnienia. Sygnały
cichsze są przenoszone bez zmian, natomiast
sygnały zbyt głośne są zmniejszane do zało-
żonego poziomu. Sygnał wyjściowy w żad-
nym wypadku nie przekroczy ustalonego po-
ziomu.

Limitery są bardzo często używane w stu-

diach radiowych w audycjach na żywo, gdzie
zapobiegają przesterowaniu toru nadawcze-
go. Jest to swego rodzaju „kaganiec” dla
wrzeszczących mówców. Choćby zapalony
dyskutant krzyczał wprost do mikrofonu, li-
miter skutecznie zmniejszy sygnał wyjścio-
wy do założonej wartości.

W tym miejscu należy wyjaśnić pewne

nieporozumienie. W elektronice używa się
także innych limiterów, czyli ograniczników.
Przykładowo popularny układ gitarowy -
fuzz też jest limiterem - ogranicznikiem, ale
jego działanie jest zupełnie inne. W układzie
typu fuzz jeśli sygnał wejściowy jest większy
od założonego, następuje po prostu obcinanie
wierzchołków i przebieg na wyjściu ma
wprawdzie ograniczoną amplitudę, ale jest
potwornie zniekształcony - z wyglądu przy-
pomina prostokąt. Natomiast opisywany wła-

śnie układ ogranicznika
nie obcina wierzchołków
i nie wprowadza znie-
kształceń nieliniowych -
przy zbyt dużych sygna-
łach zmniejsza wzmocnie-
nie i sygnał wyjściowy za-
chowuje swój kształt, ma
tylko mniejszą amplitudę.
Różnice w działaniu na-

szego „liniowego” limitera i „twardego”
ogranicznika typu fuzz zilustrowano na ry-
sunku 2.

Rysunek 3 pokazuje uproszczony schemat

blokowy „liniowego” ogranicznika, który jest
tematem artykułu. Natomiast rysunek 4
pokazuje jak prosto realizuje się „twardy”

Elektronika Plus - UK Ł ADY A UDIO

Rys. 2 Działanie różnych typów ogra-

niczników

Rys. 3 Schemat blokowy ogranicznika

liniowego

Rys. 4 Schemat „twardego” ogranicz-

nika diodowego

Artykuł z serii autorskich lekcji.

Rys. 1 Schemat blokowy bramki szumu

ogranicznik obcinający wierzchołki sygna-
łów o amplitudzie większej niż 0,6V.

Z rysunku 3 wynika, że układ bramki szu-

mu jest nieco podobny do limitera. W obu
układach występuje blok regulacji wzmoc-
nienia oraz blok sterujący. Różnica polega
przede wszystkim na sposobie działania
układu sterującego. Na rysunku 3 wejście
bloku sterującego połączone jest z wejściem
układu.

Wielu elektroników zaprotestuje w tym

miejscu, że przecież omawiany właśnie limi-
ter to nic innego jak znany wszystkim elek-
tronikom układ Automatycznej Regulacji
Wzmocnienia (w skrócie ARW) i w takim
układzie wejście bloku sterującego podłącza-
ne jest do wyjścia układu, by utrzymać stały
poziom sygnału na wyjściu. Rzeczywiście,
działanie limitera przypomina trochę działa-
nie układu ARW, ale sposób realizacji ukła-
dowej zwykle jest inny i nie jest pomyłką do-
łączenie na rysunku 3 wejścia bloku sterują-
cego do wejścia całego urządzenia.

Wspólną cechą limitera i układu ARW

jest utrzymywanie stałego poziomu sygnału
na wyjściu. Ale w układzie ARW przy bar-
dzo małych sygnałach wejściowych układ
ma bardzo duże wzmocnienie, żeby nawet
przy tak małych sygnałach uzyskać na wyj-
ściu sygnał o ustalonym poziomie. Natomiast
w układzie klasycznego limitera, przy mniej-
szych sygnałach układ ma stałe wzmocnienie
(często równe 1), i wzmocnienie to zmniej-
sza się dopiero przy dużych sygnałach wej-
ściowych - porównaj rysunek 2b.

Kompresor

Kolejny układ do obróbki dźwięku - kom-
presor - działa trochę podobnie jak limiter.
O ile jednak limiter nie wpływa na poziom
mniejszych sygnałów (wzmocnienie jest sta-
łe), a jedynie redukuje poziom sygnałów
większych od ustalonego progu, o tyle kom-
presor wpływa w pewien sposób na wzmoc-
nienie wszystkich sygnałów. Dla kompreso-
ra również istnieje pewien poziom odniesie-
nia. Tylko sygnały o tej jednej jedynej wiel-
kości (amplitudzie) są przepuszczane przez
układ bez zmiany poziomu (czyli wzmocnie-
nie układu jest równe 1 (0dB). Sygnały
większe są zmniejszane: czym większy sy-
gnał, tym bardziej redukowany jest jego po-
ziom. W limiterze również występuje taka
redukcja, ale limiter pilnuje, by wszystkie ta-
kie sygnały miały na wyjściu jednakowy po-
ziom. Kompresor nie jest aż tak „stanow-
czy”. Zmniejsza wprawdzie wzmocnienie
dużych sygnałów, ale nie do ustalonego po-
ziomu, tylko w pewnym stopniu. Przykłado-
wo jeśli sygnał wejściowy wzrośnie i stanie
się czterokrotnie większy niż poziom odnie-
sienia, to na wyjściu sygnał też wzrośnie, ale
tylko dwukrotnie. Jeśli na wejściu wzrośnie
stukrotnie, na wyjściu wzrośnie tylko dzie-
sięciokrotnie. Już w tym miejscu można po-

wiedzieć, że kompresor zgodnie ze swą na-
zwą kompresuje (zmniejsza, ściska) dynami-
kę sygnału.

Łatwo się domyślić, jak działa kompresor

przy małych sygnałach. W odróżnieniu od
limitera, który nie wpływa na poziom ma-
łych sygnałów, kompresor wzmacnia sygna-
ły mniejsze niż ustalony poziom odniesienia.
Współczynnik wzmocnienia nie jest stały:
czym mniejszy sygnał, tym bardziej jest
wzmacniany. A gdy poziom sygnału wej-
ściowego zbliża się do wspomnianego po-
ziomu odniesienia, wzmocnienie zbliża się
do jedności.

Działanie kompresora można podsumo-

wać następująco: sygnały najmniejsze są
znacznie wzmacniane, przy wzroście wielko-
ści sygnału wejściowego wzmocnienie male-
je. Gdy sygnał wyjściowy osiąga wielkość
równą poziomowi odniesienia kompresora,
wzmocnienie wynosi 1 (0dB). Przy dalszym
wzroście poziomu sygnału wejściowego
kompresor w pewnym stopniu tłumi sygnał,
i wzrost na wyjściu jest mniejszy niż wzrost
na wejściu. Ilustruje to rysunek 5.

Wspomniany poziom odniesienia nie jest

tu najważniejszy. Równie dobrze można po-

wiedzieć, że kompresor ma duże wzmocnie-
nie dla bardzo małych sygnałów, i ze wzro-
stem sygnału wzmocnienie to stopniowo spa-
da: najpierw do wartości 1 czyli 0dB (i wła-
śnie tu leży wspomniany poziom odniesie-
nia), a potem do wartości jeszcze mniej-
szych. W efekcie kompresor rzeczywiście
zmniejsza dynamikę sygnału podawanego na
wejście.

Można powiedzieć, że do działania ukła-

du ARW bardziej zbliżone jest działanie
kompresora, niż limitera.

Obrazowo mówiąc, kompresor to taki ma-

ło skuteczny układ ARW: „podciąga”
wzmocnienie słabych sygnałów (ale nie do
ustalonego poziomu, tylko trochę), a tłumi
sygnały zbyt duże (znów nie do ustalonego
poziomu, tylko w pewnym stopniu).

W ten sposób przykładowo podczas dys-

kusji kilku osób w studiu radiowym kompre-
sor pozwoli w znacznym stopniu wyrównać
poziomy poszczególnych sygnałów. Wiado-
mo, że niektórzy mówią ciszej, inni głośniej.
Niektóre kwestie będą wypowiadane cicho,
inne z naciskiem, głośniej, może nawet pod-
niesionym głosem. Zastosowanie układu
ARW, który zapewniłby jednakową głośność
wszystkich rozmówców na pewno odebrało-
by dyskusji atmosferę i zdecydowanie utru-
dniło przekazanie emocji. Natomiast zastoso-
wanie kompresora, który tylko w pewnym
stopniu ingeruje w wielkość sygnałów, czę-
ściowo wyrówna poziomy, ale jednocześnie
pozwoli zachować zauważalne różnice gło-
śności poszczególnych dyskutantów i zacho-
wa atmosferę bliską naturalnej.

Inny przykład. Z pewnych względów

przy odbiorze audycji radiowych subiek-
tywnie odczuwana głośność podczas nada-
wania muzyki jest znacznie większa, niż
głośność towarzyszących im wypowiedzi
słownych. Przy odsłuchu w warunkach do-
mowych zazwyczaj nie jest to żadnym utru-
dnieniem. Ale każdy, kto ma w samocho-
dzie radio i chciał podczas jazdy słuchać ko-
mentarza, przeplatanego muzyką może po-
paść w irytację: jeśli ustawi odpowiednią
głośność słownych komentarzy, to głośność
muzyki będzie zdecydowanie zbyt duża. Je-
śli nastawi muzykę, by głośność nie była
irytująco duża, komentarze okażą się zdecy-
dowanie za ciche, bo będą zagłuszane przez
warkot silnika i szumy towarzyszące rucho-
wi samochodu.

Rozwiązaniem byłoby zastosowanie albo

układu ARW, albo jeszcze lepiej odpowie-
dniego szybkiego kompresora, który wzmoc-
niłby słabsze sygnały powyżej poziomu szu-
mów we wnętrzu auta, a częściowo ściszyłby
najsilniejsze sygnały nadawanej muzyki.

Schemat blokowy kompresora pokazany

jest na rysunku 6. Ze schematu tego niewie-
le wynika, widać tylko, że znów potrzebny
jest element o regulowanym wzmocnieniu
i blok sterujący.

Elektronika Plus - UK Ł ADY A UDIO

Rys. 5 Przebiegi w układzie kompresora

Rys. 6 Schemat blokowy kompresora

Ekspandor

Ekspandor również składa się z takich sa-
mych bloków - zobacz rysunek 7. Dzięki in-
nej konfiguracji jego działanie jest niejako
przeciwne do działania kompresora - nie
zmniejsza dynamiki, tylko ją zwiększa (roz-
ciąga). Podobnie jak w kompresorze, istnieje
tu pewien poziom odniesienia - sygnały
o tym poziomie (wielkości) są przepuszczane
przez ekspandor bez zmian, czyli układ ma
wtedy wzmocnienie równe 1 (0dB). Odwrot-
nie niż w kompresorze, sygnały większe od
tego poziomu odniesienia są jakby dodatko-
wo wzmacniane. Przykładowo jeśli sygnał na
wejściu wzrośnie dwukrotnie ponad poziom
odniesienia, to na wyjściu wzrośnie cztero-
krotnie. Dla sygnałów mniejszych od pozio-
mu odniesienia działanie jest analogiczne.
Czym mniejszy sygnał tym mniej jest
wzmacniany. Ilustruje to rysunek 8.

Inaczej mówiąc, klasyczny ekspandor ma

dla bardzo małych sygnałów bardzo małe
wzmocnienie (prawie ich nie przepuszcza).
Wraz ze wzrostem poziomu sygnału wejścio-
wego wzmocnienie układu rośnie.

Działanie ekspandora trochę przypomina

działanie bramki szumu, która również dla
najmniejszych sygnałów jest zamknięta.
Różnica polega na tym, że w ekspandorze
wzmocnienie zwiększa się stopniowo wraz

ze wzrostem sygnału, natomiast w bramce
szumu dla większych sygnałów bramka
otwiera się i ma stałe wzmocnienie.

Podobieństwa

Wcześniej zasygnalizowane były podobień-
stwa między działaniem limitera i kompreso-
ra oraz ekspandora i bramki szumu. Porów-
nanie rysunków 1b, 3, 6 i 7 udowadnia, że nie
jest to przypadkowa zbieżność. W zasadzie
każdy układ zmiany dynamiki zawiera ele-
ment czy blok o wzmocnieniu regulowanym
napięciem stałym oraz układ wytwarzający
sygnał sterujący na podstawie sygnału wej-
ściowego czy wyjściowego. Różnią się one
sposobem włączenia oraz właściwościami
bloku sterującego.

Dla pełnego zrozumienia działania

omówionych urządzeń nie jest w tej chwili
konieczna znajomość wszystkich szcze-
gółów, niezbędne jest natomiast przeanalizo-
wanie i dokładne zrozumienie sensu ich cha-
rakterystyk.

Rysunki 2a i b, 5 oraz 8 pokazują istotę

sprawy, ale nie są to ścisłe charakterystyki,
tylko rysunki poglądowe. W praktyce spoty-
ka się inne sposoby charakteryzowania pro-
cesorów dynamiki.

Mniej zaawansowani Czytelnicy mogą

mieć trudności ze zrozumieniem sensu takich
charakterystyk. Początkujących takie wykre-
sy często wprowadzają w błąd, bo szukają
oni tam zależności znanych ze szkoły czy
książek - w szkolnych książkach często
przedstawia się charakterystykę np. wzmac-
niacza w postaci prostej lub krzywej prze-
chodzącej przez środek wykresu i rysuje sy-
gnały wchodzące i wychodzące. Przykład ta-
kiej charakterystyki można znaleźć na ry-
sunku 9a i 9b i 9c. Czy charakterystyki z ry-
sunku 9 mają jakiś związek z procesorami
dynamiki? To właśnie jest problem, na
którym początkujący całkowicie tracą orien-
tację i uznają temat kompresorów, ekspando-
rów, itd. za niesamowicie trudny.

Wyjaśnijmy go, bo nie jest to wcale skom-

plikowane. Przede wszystkim działanie po-
cesorów dynamiki nie ma praktycznie nic
wspólnego z krzywą charakterystyką przej-
ściową pokazaną na rysunku 9b i 9c. Krzywa
czyli nieliniowa charakterystyka przejściowa

układu oznacza pojawienie się ogromnych
zniekształceń (właśnie nieliniowych) przy
większych sygnałach. Przykładowo krzywa
z rysunku 9b jest charakterystyką „twardego”
ogranicznika diodowego z rysunku 4, który
obcina sygnał według rysunku 2c. Natomiast
w procesorach dynamiki zniekształcenia ma-
ją być jak najmniejsze, czyli charakterystyką
ma być linia prosta, jak na rysunku 9a. Ale
przecież w układzie zmiany dynamiki
wzmocnienie musi się zmieniać, zależnie od
poziomu sygnału. Jak to możliwe? Wyjaśnia
to rysunek 10. Na rysunku 9a oraz 10
wzmocnienie reprezentowane jest przez na-
chylenie charakterystyki przejściowej.

Przykładowo w układzie kompresora wzmoc-
nienie dla małych sygnałów jest duże,
i wzmocnienie to zmniejsza się wraz ze wzro-
stem sygnału wejściowego. Bazując na rysun-
ku 9a można narysować charakterystykę kom-
presora mniej więcej tak, jak pokazano na ry-
sunku 10. Sam chyba przyznasz, Czytelniku,
że nie jest to najlepszy sposób określenia tej
charakterystyki, bo nie bardzo wiadomo, jak to
rozgryźć i rozumieć. Tę samą charakterystykę
w inny, trochę lepszy sposób można zaznaczyć
tak jak na rysunku 11. Tym razem na osi pio-
nowej masz zaznaczoną liczbową wartość
wzmocnienia. Na osi poziomej masz poziom
napięcia wejściowego. Dla tego przykładowe-
go kompresora, poziom odniesienia ma war-
tość 1V i dla takich sygnałów wzmocnienie
jest równe 1. Ponieważ w praktyce mamy do
czynienia z sygnałami o bardzo dużych różni-
cach amplitudy (czyli dużej dynamice), dlate-
go najlepiej zastosować skalę logarytmiczną.

Elektronika Plus - UK Ł ADY A UDIO

Rys. 10 Charakterystyki przejściowe

wzmacniaczy o różnym wzmoc-

nieniu

Rys. 9 Charakterystyki przejściowe

różnych układów

Rys. 7 Schemat blokowy ekspandora

Rys. 8 Przebiegi w układzie ekspandora

Widzisz wyraźnie, że wzmocnienie zmniej-
sza się ze wzrostem poziomu sygnału. Przy-
znasz, że rysunek 11 jest znacznie bardziej
strawny do ewentualnej analizy, bo widać ja-
sno jak wzmocnienie zmienia się w zależno-
ści od wielkości sygnału wejściowego.

W praktyce najczęściej charakterystyki

układów zmiany dynamiki przedstawia się
w jeszcze innej postaci - takiej, jak na rysun-
ku 12. Pokazuje ona nie wzmocnienie, tylko
zależność poziomu wyjściowego od poziomu
wejściowego. Na osiach znów podane jest
napięcie wejściowe Uwe i Uwy. Czym więc
różnią się rysunki 9a i 10 od rysunku 12?

I właśnie to jest problem, który uniemoż-

liwia początkującym pełne zrozumienie dzia-
łania procesorów dynamiki.

Rysunek 13 pomoże zrozumieć sens cha-

rakterystyk z rysunku 9, 10 oraz 12. Rysunki
9 i 10 pokazują charakterystyki przejściowe:
sygnał wejściowy trafia na charakterystykę,
ulega jakimś zmianom i pojawia się na wyj-
ściu. Na rysunku 13a pokazano, jak to wy-
gląda w układzie twardego ogranicznika z ry-
sunków 2b, 4 i 9b

Rysunek 13b pokazuje, jak zmienia się

sygnał wyjściowy przy różnym wzmocnieniu
wzmacniacza o liniowej charakterystyce. Na-
tomiast rysunek 13c pokazuje, jak należy ro-
zumieć sens charakterystyki z rysunku 12.

Na rysunkach 13a i 13b uwzględnia się ksz-

tałt charakterystyki przejściowej, która może być

nieliniowa jak na rysunku 13a.
Natomiast wykresy z rysunków
12 i 13c dotyczą sytuacji, gdy
charakterystyka jest liniowa,
a zmienia się tylko wzmocnie-
nie. Stąd pewne podobieństwo
rysunków 13b i 13c.

Po takim tłumaczeniu nie

powinieneś już mieć kłopo-
tów ze zrozumieniem sensu
podanych charakterystyk,
zwłaszcza tej z rysunku 12.

Przeanalizuj więc bardzo

uważnie wszystkie rysunki
i zastanów się, czy twoje
wnioski zgadzają się z infor-
macjami podanymi przy oka-
zji omawiania poszczegól-
nych urządzeń i czy dobrze
rozumiesz całe zagadnienie.
Jeśli nie, przeczytaj artykuł je-
szcze raz, a może przedysku-
tuj z kimś swoje wnioski.

W każdym razie niezbędne

jest, byś rozumiał sens poda-
nych charakterystyk.

Wcześniej przy okazji opisu

kompresora i ekspandora użyto
zupełnie nieprecyzyjnych okre-
śleń typu: częściowo, w pew-
nym stopniu, itp. Po wnikliwej
analizie najprawdopodobniej
zapytasz, czy charakterystyka

Elektronika Plus - UK Ł ADY A UDIO

Rys. 11 Inny sposób rysowania

charakterystyki kompresora

Rys. 12 Typowy sposób rysowania

charakterystyki kompresora

Rys. 13 Sens różnych charakterystyk

kompresora z rysunku 11, 12 i 13c może prze-
biegać bardziej łagodnie lub stromo? Czy
kompresor i ekspandor mają ściśle określone
„nachylenie charakterystyki”, czy też można
uzyskać charakterystyki pośrednie między ja-
kimś „wzorcowym” ekspandorem a kompre-
sorem? Inaczej mówiąc: czy można płynnie re-
gulować stopień kompresji czy ekspansji?

Tak! Jak się okazuje, w praktyce, w pod-

stawowej konfiguracji najprościej osiągnąć
taką charakterystykę, jak na rysunku 11, 12.
Ale stosując pewne proste sposoby, można
zbudować układ, którym można płynnie
zmieniać stopień kompresji sygnału, czyli
uzyskać uniwersalny procesor dynamiki,
który może być kompresorem, zwykłym
wzmacniaczem lub ekspandorem.

Po ogólnym omówieniu charakterystyk

należy poświęcić trochę uwagi sposobom re-
alizacji opisanych układów.

We wszystkich omówionych wcześniej

urządzeniach występuje element płynnie re-
gulujący wzmocnienie (a tym samym poziom
sygnału) pod wpływem napięcia lub prądu
stałego.

Znane są różne ro-

dzaje elementów czy
układów o wzmocnie-
niu regulowanym na-
pięciem czy prądem
stałym kilka przykła-
dów pokazano na ry-
sunku 16.

O ile każdy z tych

elementów nadaje się do
realizacji układu bramki
szumu lub prostego ob-
wodu automatycznej re-
gulacji wzmocnienia,
o tyle nie każdy element
o wzmocnieniu regulo-
wanym napięciem lub
prądem nadaje się do re-
alizacji kompresora
i ekspandora. W grę
wchodzi tu bowiem cha-
rakterystyka regulacji.

Problem w tym, jaka jest charaktery-

styka zmian wzmocnienia w funkcji na-
pięcia (lub prądu) sterującego?

Przykładowo w przypadku

tranzystora JFET charaktery-
styka sterowania jest bardzo
nieliniowa - co to znaczy nieli-
niowa - nie chodzi o to, że
tranzystor wprowadza znie-
kształcenia (przy małych sy-
gnałach zniekształcenia są sto-
sunkowo małe) - chodzi tu o li-
niowość charakterystyki re-
gulacji. Inaczej mówiąc, jakie
zmiany wzmocnienia wywo-
łuje zmiana napięcia na bram-
ce tranzystora? W najwięk-
szym uproszczeniu, przykła-
dowo, dla zmiany napięcia ste-
rującego z 0,1 do 0,6V (czyli
o 0,5V) wzmocnienie zmieni się,
powiedzmy 100 razy, a dla zmiany
napięcia sterującego z 2,5V na
3,0V (czyli też o 0,5V), wzmocnie-
nie zmieni się, powiedzmy tylko 3
razy. Na dodatek w przypadku
tranzystorów JFET występuje duży
rozrzut parametrów i trzeba indy-
widualnie dobierać egzemplarze
tranzystorów. Rysunek 17 pokazu-
je zależność wzmocnienia (właści-
wie tłumienia) od napięcia na
bramce pewnego egzemplarza
tranzystora polowego dla układu
z rysunku 16a. Właśnie ze względu
na brak powtarzalności i nielinio-
wość charakterystyki regulacji,
tranzystor JFET nadaje się co naj-
wyżej do realizacji bramki szumu
albo prostego układu automatycz-
nej regulacji wzmocnienia. Nato-
miast do kompresora i ekspandora
potrzebne są elementy sterujące

o ściśle określonych charakterystykach, ma-
jące stałe i powtarzalne parametry. Nie za-
pewniają tego proste elementy w rodzaju
tranzystor JFET czy transoptor z fotorezysto-
rem (rysunek 16b), tylko układy zbudowane
z (wielu) tranzystorów na ogólnej zasadzie
pokazanej na rysunku 16c. W ramach tego
artykułu nie będziemy zajmować się szcze-
gółową analizą stosowanych rozwiązań - wy-
starczy podać, że produkuje się szereg ukła-
dów scalonych o odpowiednich charaktery-
stykach regulacji.

Dla użytkownika ważne jest, że charaktery-

styki regulacji takich specjalizowanych ukła-
dów doskonale nadają się do realizacji kom-
presorów i ekspandorów, bo wzmocnienie
zmienia się tam - powiedzmy - liniowo wraz ze
zmianami napięcia czy prądu sterującego.

Ale to nie koniec problemów.

Prostownik i filtry

Zostawiamy na razie na boku kwestię, czym
w rzeczywistości różnią się od siebie kom-
presor, ekspandor, bramka szumu i limiter.

Elektronika Plus - UK Ł ADY A UDIO

Rys. 14 Charakterystyki wzmacniaczy o róż-

nym wzmocnieniu

Rys. 15 Charakterystyki bramki szumu,

ekspandora, limitera i układu ARW

Rys. 16 Sposoby elektronicznej regulacji

wzmocnienia

Rys. 17 Zależność wzmocnienia od napię-

cia sterującego

Omówimy ważną kwestię, wspólną dla
wszystkich tych urządzeń.

Koniecznie trzeba tu przypomnieć podsta-

wową sprawę - na wejście bloku sterującego
zawsze podawane są sygnały zmienne, nato-
miast element regulacji wzmocnienia jest ste-
rowany napięciem (lub prądem) stałym, więc
na wyjściu układu sterującego musi występo-
wać napięcie lub prąd stały.

Napięcie stałe podawane z bloku sterują-

cego, zmieniające potem wzmocnienie ob-

wodu regulacji, musi być proporcjonalne do
poziomu sygnału zmiennego, ale nie do
chwilowej amplitudy.

Okazuje się, że przebieg sterujący

wzmocnieniem nie będzie wcale przebie-
giem stałym w ścisłym tego słowa znaczeniu.
Owszem, będzie to napięcie jednokierunko-
we, ale jego wartość będzie się zmieniać. Po-
kazuje to z grubsza rysunek 18. Troszkę
upraszczając, można powiedzieć, iż kształt
sygnału sterującego musi być dokładnie taki

jak obwiednia przetwarzanego zmienne-
go sygnału akustycznego. Jak to uzyskać?

Blok sterujący na pewno musi zawie-

rać prostownik. Ale nie tylko prostownik!
Jeśli byłby to tylko prostownik, bez ob-
wodów uśrednienia (filtracji), to w sygna-
le wyjściowym pojawiłyby się ogromne
zniekształcenia. Przecież przebieg steru-
jący moduluje w pewien sposób przebieg
akustyczny.

I tu dopiero zaczyna się poważny pro-

blem. I właśnie tu leży klucz lepszego lub
gorszego działania układów korekcji dy-
namiki i redukcji szumów. Sprawie tej na-
leży się przyjrzeć z bliska.

Rysunek 19a pokazuje uproszczony

schemat prostownika pełnookresowego wraz
z obwodem filtracji czyli uśredniania. Na ry-
sunku 19b i 19c przedstawiono przebieg na
wejściu i na wyjściu prostownika. Na rysun-
ku 19d przebieg na wyjściu filtru, gdy filtr
uśredniający prostownika ma małą stałą cza-
sową RC, a 19e - gdy filtr ma dużą stałą cza-
sową RC.

Na pierwszy rzut oka wygląda, że dla uzy-

skania jak najbardziej „gładkiego” przebiegu
sterującego, stała czasowa uśredniania RC
powinna mieć dużą wartość. Wtedy przebieg
sterujący nie będzie zawierał „ząbków”, które
wprowadzałyby zniekształcenia. Wszystkie
takie „ząbki”, czyli zmiany napięcia (prądu)
sterującego wprowadzają zniekształcenia,
które będą potem słyszalne w głośnikach.

Nie można przy tym zapomnieć, że mamy

tu do czynienia z przebiegami akustycznymi.
Przebiegi akustyczne mają częstotliwości
w zakresie 20Hz...20kHz i żeby uzyskać nie-
wielkie zniekształcenia składowych o małej
częstotliwości, stała czasowa uśredniania
musi być znacznie większa od okresu naj-
wolniejszego przebiegu (20Hz), czyli od

50ms. W przeciwnym wypadku składo-
we o niskich częstotliwościach zostaną
znacznie zniekształcone. Czy wobec te-
go zastosowanie filtru o stałej czasowej
uśredniania równej 1 czy 5 sekund roz-
wiąże problem?

Rozwiąże jeden, ale wywoła drugi.

Przebiegi akustyczne zmieniają się bar-
dzo szybko. Składowe pojawiają się

i zanikają w czasie rzędu setnych części
sekundy - częściowo pokazuje to rysu-
nek 18. Napięcie sterujące powinno
więc zmieniać się bardzo szybko - do-
kładnie według obwiedni sygnału. Tym-
czasem zastosowanie dużej stałej czaso-
wej uśredniania uniemożliwi szybkie

zmiany i na wyjściu bloku
sterującego zamiast prze-
biegu z rysunku 18b, wy-
stąpi przebieg jak na ry-
sunku 20.

Efekty można zaobser-

wować na rysunku 21,
gdzie pokazano przykłado-
we przebiegu w układzie
kompresora.

Gwałtowne pojawienie

się dużego sygnału powin-
no spowodować szybką re-
akcję w postaci zmniejsze-
nia wzmocnienia układu
(zgodnie z obwiednią), ale
duża stała czasowa filtru
spowoduje opóźnione dzia-
łanie i pojawienie się „wy-
skoków” w obwiedni prze-
biegu wyjściowego, co
oznacza niepożądaną de-
formację dźwięku.

Elektronika Plus - UK Ł ADY A UDIO

Rys. 18 Przebiegi w bloku sterujacym

Rys. 19 Przykładowa realizacja bloku

sterującego

Rys. 20 Wpływ dużej stałej czasowej uśre-

dniania

Rys. 21 Deformacje sygnału kompresowa-

nego wywołane niedoskonałością fil-

tru uśredniającego

Jak z tego widać, nie ma tu idealnego wyj-

ścia: dla zmniejszenia zniekształceń składo-
wych o niskich częstotliwościach wymagana
jest duża stała czasowa, a dla zmniejszenia
szkodliwych „wyskoków” przy szybkich
zmianach poziomu, stałą czasową należałoby
skracać.

Prostsze kompresory i ekspandory przezna-

czone dla telekomunikacji (zakres częstotliwo-
ści 300Hz...3,4kHz) zawierają obwód uśre-
dniający RC o dobranej kompromisowo stałej
czasowej około 20 milisekund. Takie najprost-
sze kompromisowe rozwiązanie nie jest jednak
możliwe w układach lepszej klasy, gdzie prze-
twarzane mają być sygnały całego pasma aku-
stycznego, począwszy od 20 czy 40Hz.

Dlatego w praktyce stosuje się najczęściej

prostownik z filtrem o niezależnie regulowa-
nych czasach narastania (ang attack time)
i opadania (ang. decay time). Czas narastania
sygnału sterującego powinien być możliwie
krótki (by zmniejszyć „wyskoki” przy nara-
staniu sygnału), a czas opadania - długi (by
uzyskać małe zniekształcenia niskich często-
tliwosci). Przykład prostownika z takim fil-
trem pokazano na rysunku 22. Układ jest
dokładnie taki sam, jak na rysunku 19a, ale
inne są wartości rezystorów. W układzie z ry-
sunku 22 rezystor R2 ma wartość dużo więk-
szą niż R1. W efekcie, gdy pojawia się sy-
gnał wejściowy, kondensator C jest szybko
ładowany przez niewielką rezystancję R1 (ze
stałą czasową R1C), natomiast gdy sygnał
wejściowy zaniknie, kondensator jest rozła-
dowywany przez sumę rezystancji R1+R2,
czyli z dużą stałą czasową (R1+R2)C.

Wydawałoby się, że teraz wszystko jest

idealnie: czas opadania może powinien być
jak najdłuższy, by uzyskać minimalne znie-
kształcenia. Jest to po-
gląd błędny, ponieważ
długi czas opadania da-
je o sobie niekorzystnie
znać w

momencie

zmniejszenia się pozio-
mu sygnału. Krótki czas
ataku likwiduje „wy-
skoki” tylko przy szyb-
kim narastaniu poziomu
sygnału. Jak widać na
rysunku 23, duży czas
opadania nadal powo-
duje opóźnioną reakcję
po zaniku sygnału, co
daje nienaturalne od-
czucia słuchowe.

Wiadomości te prze-

konują, że nie ma tu
rozwiązania idealnego,
i zawsze trzeba pójść na
pewien kompromis. Na
szczęście w pewnym
zakresie omawianych
czasów narastania
i opadania, nasz zmysł

słuchu nie wychwytuje wspomnianych nie-
korzystnych zjawisk i w efekcie korzyść ze
stosowania prezentowanych procesorów dy-
namiki jest nieporównanie większa, niż wady
związane ze nieznacznym zniekształceniem
obwiedni oryginalnego sygnału.

Dociekliwi konstruktorzy prawdopodob-

nie będą się zastanawiać, czy nie ma sposo-
bu, żeby dopracować prostownik, obwody
czasowe i jeszcze bardziej zbliżyć się do ide-
ału. W przedstawionych przykładach, żeby
nie komplikować zagadnienia, pokazano pro-
sty jednopołówkowy prostownik diodowy.
W praktyce oczywiście nie używa się takich
niedoskonałych obwodów, tylko powszech-
nie stosuje dwupołówkowo prostowniki li-
niowe, które doskonale pracują zarówno przy
dużych, jak i bardzo małych sygnałach.
W niektórych, najbardziej precyzyjnych pro-
cesorach dynamiki wykorzystuje się szcze-
gólnego rodzaju prostowniki - przetworniki
wartości skutecznej (tzw. true RMS). Chodzi
o to, by układ reagował nie na wartość śre-
dnią czy szczytową sygnału, tylko na jego
wartość skuteczną.

Można też rozpatrywać celowość zastoso-

wania filtrów uśredniających wyposażonych

w rodzaj pamięci analogowej czy układy
próbkujące z pamięcią (ang. sample&hold).
Eksperymenty takie są jak najbardziej możli-
we, ale niepomiernie skomplikują układ.
W praktyce czegoś takiego się raczej nie spo-
tyka. Takie wyrafinowane sposoby można
i warto realizować jedynie w układach cyfro-
wego przetwarzania sygnałów (DSP). Wtedy
nie jest to jednak kwestia rozwiązania ukła-
dowego, tylko oprogramowania. Temat ukła-
dów DSP i cyfrowej obróbki dźwięku wykra-
cza jednak daleko poza ramy tego artykułu.

A omawiane analogowe kompresory

i ekspandory od lat pracują nie tylko w pro-
fesjonalnych studiach nagraniowych. Każdy
magnetofon z układem redukcji szumów Do-
lby B, Dolby C czy dbx także zawiera kom-
presory i ekspandory. Każdy może się prze-
konać, że dzięki optymalnemu dobraniu
wspomnianych stałych czasowych ataku
i opadania zniekształcenia są niezauważalne.

Zrozumienie działania wymienionych sy-

stemów redukcji szumów nie powinno spra-
wić żadnych trudności. Przed nagraniem na
taśmę sygnał jest poddawany kompresji, czy-
li zmniejsza się jego dynamika. Najważniej-
sze jest w tym, że najsłabsze sygnały uży-
teczne po kompresji są znacznie wzmocnio-
ne i są na pewno większe, niż szumy własne
układu i szumy wnoszone przez taśmę. Po-
tem przy odczycie, ten „ściśnięty” sygnał jest
„rozciągany” przez ekspandor do pierwotnej
postaci. Idea jest doskonała, a jej ogranicze-
niem są jedynie wspomniane wcześniej kło-
poty ze stałymi czasowymi obu bloków ste-
rujących, które powodują jednak pewne nie-
wielkie deformacje sygnału. Rysunek 24 po-
kazuje uproszczony układ redukcji szumów.
W systemie dbx kompresji i ekspansji podle-
ga cały sygnał, natomiast w systemach Dolby
B i C, tylko składowe o wyższych częstotli-
wościach.

Elektronika Plus - UK Ł ADY A UDIO

Rys. 22 Prostownik z filtrem o dwóch

stałych czasowych

Rys. 23 Przebiegi w układzie kompre-

sora z filtrem o dwóch stałych

czasowych

Rys. 24 Zasada działania komplemen-

tarnych systemów redukcji szu-

mów

W tym miejscu wnikliwi Czytelnicy za-

pewne zaproponują podzielenie pasma aku-
stycznego (20Hz...20kHz) na kilka części za
pomocą filtrów i osobną obróbkę poszcze-
gólnych pasm. Wtedy dla każdego pasma

można dobrać optymalne stałe czasowe ataku
i opadania. Pomysł wręcz doskonały! Dokła-
dnie tak działał profesjonalny system reduk-
cji szumów Dolby A. Nie upowszechnił się
on w sprzęcie domowym ze względu na cenę

związaną z dużą ilością filtrów,
kompresorów i ekspandorów.

Jednak idea podziału pasma

akustycznego na kilka części
i ich oddzielna obróbka nie
umarła. Do dziś jest stosowana
w profesjonalnych procesorach
dynamiki. Oczywiście cena ta-
kiego kilkupasmowego proce-
sora może ściąć z nóg chętnych
dysponujących średnią krajową
pensją. Na fotografii 1 pokaza-
no taki czteropasmowy profe-
sjonalny procesor dynamiki
Combinator Behrenger.

Choć fabryczne układy są

drogie, niewielkim kosztem

można wykonać praktyczne układy proceso-
rów dźwięku, zamieszczone w niniejszym
czasopismie oraz na dołączonej płycie CD.

Piotr Górecki

Elektronika Plus - UK Ł ADY A UDIO

Fot. 1 Profesjonalny procesor dynamiki

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:

więcej podobnych podstron