Několik slov o šumu

Několik slov o šumu

46850-3-46850c

Autor: Tomáš Vilím

Největším problémem při záznamu analogového zvukového signálu na magnetickou pásku je dynamika, zkreslení a především vlastní šum mag. pásky. Zjednodušeně řečeno, čím je posuv pásky pomalejší, tím je možnost vybuzení, a tedy dynamika nižší a úroveň vlastního šumu i zkreslení rapidně vzrůstá. Proto se mnoho světových výrobců, především se zavedením kazetových magnetofonů, kde je rychlost posuvu pouze 4,75cm/s, pokoušelo vynalézt a především prosadit systém pro potlačení šumu a zvýšení dynamiky záznamu. Průměrná dynamika záznamu u cívkových decků se pohybuje kolem 60-63dB, při rychlosti 19cm/s. U kazetových decků to bývá kolem 50 až max.58dB / Metal. Mimochodem u standardních CD-ček to je až 94dB.

SYSTÉM DBX

dbx je americká firma, která poprvé v roce 1971 představila tehdy velmi progresivní a jeden z nejúčinnějších systémů pro potlačení vlastního šumu u magnetického záznamu. Základem byl kompresní a expanzní systém s logaritmickým průběhem, který při záznamu zvukový signál komprimuje a naopak při přehrávání expanduje. Tento systém zlepšoval odstup sig./šum až o 30dB a dynamiku o dalších 10dB. Ve skutečnosti existovaly dva systémy; dbx Type I. a dbx Type II. Oba systémy používají stejnou lineární logaritmickou kompresi v poměru 2:1 a jsou v podstatě stejné účinné. Typ II. ještě mírně vylepšuje odstup o dalších 1 až 3dB. Avšak nejsou vzájemně kompatibilní. To znamená, že signál kódovaný v dbx Type I. nemůže být přehráván s dekodérem dbx Type II. a opačně. Tedy, on byl později ještě vyvinut dbx Type III., ale ten se prakticky nerozšířil.

Dynamický rozsah potom i u kazetových decků dosahoval až neuvěřitelných 110dB. Pro řádnou funkci však musel být přístroj vždy správně nastaven, tj. především vstupní í výstupní úrovně před vstupem do kodéru/dekodéru dbx by měly být téměř totožné, jinak byl výsledný zvuk zkreslený (signál dýchal).

Proto je důležité při používání dbx u kazetových strojů, mít řádně zkalibrované a nastavené záznamové i přehrávací obvody a používat pokud možno právě tento jeden druh kazet (toto platí především pro dvouhlavé stroje). Pokud máte tříhlavý deck, je samozřejmě možno přístroj zkalibrovat také na jiné druhy kazet.

dbx_graf_3

Níže můžete vidět graf, kde je znázorněno. jak systém dbx zlepšuje a rozšiřuje frekvenční rozsah především na vysokých kmitočtech také pro signály s úrovněmi nad 0dB. Na druhém grafu vpravo je znázorněn rozdíl v účinnosti mezi systémy Dolby B a dbx. Je zřejmé, že dbx poskytuje podstatně vyšší dynamický rozsah a vlastní šum pásky "odsune" níže.

dbx_graf_1

dbx - zlepšení frekvenční charakteristiky na vysokých frekvencích pro úrovně nad 0dB

dbx_graf_2

dbx - výrazné zlepšení dynamického rozsahu

Pokud se podíváme na obrázek, je zřejmé, že při záznamu kodér dbx zesiluje signály s úrovní nižší než 0dB dvojnásobně (v poměru 1:2). A naopak signály větší než 0dB zeslabuje v poměru 2:1. Uveďme si příklad; signál o původní úrovni -30dB je expandován do -60dB a úroveň -45dB je expandována do -90dB. A to je ukrutný odstup. Na druhé straně výstup při přehrávání je z úrovně +10dB expandován dekodérem na +20dB, úroveň saturace je také odpovídajícím způsobem zvětšena.

Zkrátka je velmi důležité, aby úroveň odpovídající 0dB byla pokud možno dodržena také při přehrávání. Potom bude vše řádně fungovat.

dbx128

dbx II. model 128; Dynamic Range Enhancer a Noise Reduction System

Obvody dbx a jejich licence byly využívány v mnoha kazetových přístrojích stejně jako u cívkových Akai GX-747dbx, Teac X-1000/1000R nebo X-2000/2000R a pod. Systém dbx byl v roce 1982 také poprvé představen u přenosného kazetového rekordéru Panasonic RQ-J20X. Pro zajímavost bych uvedl, že systém dbx byl využíván také pro záznam a reprodukci hifi zvuku u videorekordérů formátu VHS Hi-fi a v letech 1973 až 1982 byl dbx užíván také na vinylových deskách.

Sum_01

Technics RS-B965, systémy Dolby B,C i dbx

Sum_02

Technics RS-B405, systémy Dolby B,C i dbx

V osmdesátých letech hodně používala systém a obvody „dbx“ ve svých přístrojích především značka Technics (Matsushita Industrial Co.). Toto obvykle znamenalo zakoupit a používat jeden druh CC kazet (tehdy např. Maxell UD-90 nebo TDK AD-90) a na tento druh přístroj precizně nastavit. Výsledný zvuk byl ale skvělý. Díky obrovské dynamice a naprosto neslyšitelnému šumu přátelé potom nepoznali, zda hraji z CD přehrávače, vinylové desky nebo z CC kazety.

Základní předností systému dbx je to, že je stejně účinný pro celý frekvenční rozsah. Základní nevýhodou je, že nahrávky kódované v dbx nelze přehrávat v přístrojích bez dbx. Signál je potom velmi plochý, naprosto bez dynamiky. Prostě, nedá se to vůbec poslouchat.

Mimochodem, v současné době je firma dbx součástí koncernu Harman, je stále úspěšná a vyrábí mnoho různých přístrojů a zařízení pro oblast profesionální zvukové techniky.

Tabulka_1 (1)

Technics RS-M270X, srovnání účinnosti Dolby B a dbx

SYSTÉMY DOLBY

Více se prosadili schopní obchodníci z americké společnosti Dolby (zakladatel Ray Dolby) se svým systémem Dolby B (1968). Jak to tak v životě bývá, tento méně účinný systém byl nakonec komerčně úspěšnější. Formát Dolby B byl primárně určen pro použití u kazetových rekordérů a pracuje jak při záznamu, tak i při přehrávání. Byl odvozen jako levný a o dost jednodušší systém od ryze profesionální, vícepásmové verze Dolby A (1966), která byla standardně používána u vícestopých studiových cívkových přístrojů (např. Studer) po mnoho let.

Vývojáři Vycházeli především ze skutečnosti, že vlastní šum kazet působí nejrušivěji v oblasti vyšších kmitočtů. A v podstatě vyvinuli systém, který slabé signály vyšších frekvencí před záznamem zesiluje a při přehrávání s opačnou charakteristikou zeslabuje. Dolby B je jednopásmový systém, který přináší zlepšení o přibl. -5dB v oblasti kolem 5kHz a až -9dB pro frekvence v oblasti nad 10kHz. Pro frekvence kolem 1kHz byla jeho účinnost nižší, přibližně -2 až -3dB a pro nízké kmitočty nebylo zlepšení téměř žádné. Tato relativně nízká účinnost Dolby B má ovšem také výhodu, která spočívalal v tom, že nahrávky mohou být přehrávány v přístrojích bez Dolby B a pořád to poznáte, tj. nic tak strašného se nestane... Doufám, že mě za tuto poznámku nebude nikdo chtít ukamenovat.

Sum_05

Sony TC-KA6ES, zabudovány systémy Dolby B, C & S

Sum_06

Aiwa AD-F990, zabudovány systémy Dolby B a C, automatická identifikace, zda záznam je v Dolby B nebo C

V roce 1980 společnost Dolby dokončila vývoj systému Dolby C, což je, velmi zjednodušeně řečeno, dvakrát za sebou použitý systém Dolby B. Toto přineslo další zlepšení odstupu sig./šum o přibl. -8dB. Celkem tedy byla účinnost zvýšena na přibližně -15dB, tentokrát také na středních kmitočtech. Systém Dolby C byl také využit ve videorekordérech Sony Betacam a U-matic SP.

Kolem roku 1990 byl společností Dolby na trh uveden zcela nový systém Dolby S ("S" od slova Spectral), který byl odvozen od ryze profesionální verze Dolby SR (Spectral Recording, 1986). Tady je již signál rozdělen do určitých zvukových pásem a ty jsou zpracovávány zcela odděleně. Proto je systém Dolby S nejdokonalejší a také nejúčinnější. Přináší zlepšení odstupu až -24dB v širokém pásmu frekvencí, a to je už poměrně hodně.

Určitou pofidérní výhodou bylo, že pokud byl záznam pořízen s Dolby S, bylo možno jej eventuálně přehrát s Dolby B (pokud přístroj neměl Dolby S). Samozřejmě, nebylo to úplně ono, ale tak nějak Vás to neurazilo. Formát Dolby SR byl užíván především v profesionální analogové zvukové technice, a také například u filmů 35mm kde byl společně s Dolby Digital v doprovodných zvukových stopách.

Dolby BCS_1

Srovnání účinnosti Dolby B, C & S, čím je křivka níže, tím je systém účinnější

Dolby HX-Pro_1

Princip fungování systému HX-Pro, okamžitá změna bias ovlivňuje zkreslení signálu

SYSTÉM HX-PRO

Pro zvýšení účinnosti a zlepšení kvality záznamu zvuku při použití Dolby B a C byl u kazetových decků v roce 1981 ještě firmou Bang & Olufsen uveden na trh a patentován tzv. systém HX-Pro (Headroom eXtension). HX-Pro při záznamu neustále sleduje a vyhodnocuje úroveň signálu a v závislosti na okamžitém vybuzení a obsahu vysokých kmitočtů průběžně reguluje bias (předmagnetizaci). Tím vlastně zajisťuje nižší zkreslení signálu, především v oblasti vysokých kmitočtů. Poté, kdy byla ověřena jeho reálná účinnost, byl systém HX-Pro masivně zaveden mnoha výrobci kvalitních kazetových decků (Sony, Technics, Onkyo, Pioneer, Nakamichi, Teac, Yamaha, atd.), protože umožnil záznam s nižším zkreslením i pro vyšší dynamiku signálu.

Jak je zřejmé z popisu, HX-Pro není systém, který by jakkoliv zlepšoval odstup sig./šum a pracuje pouze při záznamu, proto sem vlastně nepatří. Ale byl natolik rozšířený, že jsem považoval za užitečné o něm uvést pár slov.

Sum_03

Technics RS-B58, Dolby B, C i dbx

Sum_04

Technics RS-B50, Dolby B, C i dbx

SYSTÉMY HIGH()COM

Jako další a především účinnější systém pro potlačení šumu byl firmou Telefunken v sedmdesátých letech vyvinut dvoupásmový systém „High-Com“ (od slov High Compression), ale bohužel se tolik neujal..., patrně nedostatečný marketing. Jak všichni víme, to lepší se nemusí vždy prosadit. Jde o velký byznys a velké peníze. Podobný osud potkal Sony Betamax, přestože nabízel vyšší rozlišovací schopnost a kvalitu obrazu než konkurenční formát VHS. Podobně dopadnul formát Elcaset, který ale vzniknul příliš pozdě, atd...

Formát High-Com byl dokončen v letech 1978/9, kdy bylo prodáno více než 20 licencí různým světovým výrobcům. Později společnost Nakamichi úzce spolupracovala s firmou Telefunken na dalším vývoji, a proto byl vyvinut systém High-Com II. Tento High-Com II. byl schopen zlepšit odstup sig./šum až o -25dB, ale pro správnou funkci již také vyžadoval kalibraci úrovně na kmitočtu 400Hz. Proto byl v přístrojích zabudován také kalibrační generátor 400Hz.

Ve stejné době byly také vyráběny samostatné externí kodéry/dekodéry High-Com. Kdybyste o ně někde zavadili, jedná se např. o Nakamichi "High-Com II." nebo Telefunken CN-752, dále také Aiwa HR-7, HR-50 nebo Rotel RN-500 a RN-1000. Ale externí High-Com aparáty byly na počátku osmdesátých let relativně drahé, a proto se mezi uživateli nakonec příliš neprosadily. Ikdyž já bych takovu věc přivítal..., můžete jej totiž využít pro více kazetových decků.

S High-Com se můžeme setkat u kazetových decků Nakamichi nebo Akai i u mnoha dalších. Dle mých informací byly poslední přístroje s High-Com uvedeny na trh v roce 1986, a to je škoda, protože nabízely lepší specifiakce než tehdy běžný Dolby C.

Sum_07

Akai GX-F37, High()Com i Dolby B

Sum_08

Sestava Akai (1980)

SYSTÉMY ANRS, SUPER ANRS

Předposledním příkladem, který zde uvádím, je systém ANRS (Automatic Noise Reduction System) společně vyvinutý firmami JVC a Toshiba. Systém byl později ještě zdokonalen a nesl označení Super ANRS. V těchto případech se ale nejednalo o systém kompatibilní s Dolby B, ikdyž jejich účinnost byla velmi podobná, tj. přibl. -6dB pro ANRS /10kHz/0dB VU a až -12dB pro Super ANRS. V principu ANRS při záznamu u signálu mírně zdůrazňuje vysoké kmitočty (pre-emphase) a při přehrávání je naopak zatlumí (de-emphase). Vzhledem k tomu, že kazetové stroje byly citlivé na přebuzení a zkreslení především na vysokých frekvencích, měl tento systém poněkud omezené možnosti.

Společnosti užívající tento systém nakonec podlehly obrovskému tlaku a celosvětovému úspěchu Dolby a z důvodů kompatibility museli na svých přístrojích představit také Dolby B. Na čelním panelu tedy nakonec byly dva samostatné přepínače, jeden pro Dolby B a druhý pro vlastní systém Super ANRS.

SYSTÉMY DNL A DNR

Mimo tyto hlavní představitele existovaly další systémy pro potlačení šumu, které byly vyvinuty jednotlivými výrobci, pravděpodobně proto, že nechtěli platit liceční poplatky za Dolby a pod. Jedná se například o systém DNL (Dynamic Noise Limiter, 1971) společnosti Philips, který používali u svých kazetových i cívkových rekordérů v sedmdesátých letech (např. Philips N4420). Dalším podobným systémem byl DNR od společnosti National Semiconductors. Základním rozdílem od výše uvedených systémů Dolby, dbx nebo High-Com bylo to, že pracují pouze při přehrávání. Účinnost obou systémů dosahovala max. 6 až 10dB.

V principu se jednalo o dynamicky řízený pásmový filtr, který v závislosti na úrovni signálu a obsahu vysokých kmitočtů v reálném čase posouval hrany filtru tak, aby byl odfiltrován především šum (tedy vyskoké kmitočty) nebo hluk (nízké kmitočty) u tichých pasáží. Tam šum nejvíce vnímáme. Pokud ale užitečný signál (tedy zvuk) dosáhnul určité úrovně, byl filtrem propuštěn dále a šum, který tam stále byl přítomen, byl nyní přemaskován právě silnějšími zvukovými signály. Proto jej již nevnímáme a tolik neruší. Pokud jste někdy měli možnost slyšet akustické ukázky maskování silnějším signálem (využito např. u kompresního formátu ATRAC), ihned budete vědět, o co jde. Toto bylo velmi elegantní řešení. Avšak základní předností bylo, že mohl být použít při přehrávání, a to na všechny vaše nahrávky. A vždy dojde k nějakému zlepšení odstupu sig./šum. To je prima...