«Секретное оружие» третьего рейха ныне доступно каждому (часть вторая — сугубо научная)

В предыдущей статье речь шла об устройствах динамической обработки и их авторской классификации. Настало время рассмотреть отдельные классы устройств более подробно. Однако для облегчения этой задачи необходимо сказать несколько слов о так называемой амплитудной характеристике прибора, которая является главным средством для описания и изображения действия приборов динамической обработки.

Амплитудной характеристикой некоего устройства называется зависимость уровня сигнала на выходе этого устройства от уровня сигнала, приходящего на его вход.

Удобнее всего эта зависимость отображается в виде графика, по горизонтальной оси которого откладывается уровень входного сигнала, а по вертикальной – уровень выходного сигнала. Масштаб по обеим осям, как правило, логарифмический, то есть с линейной в децибелах шкалой. Примером может служить рис. 7а, на котором изображено семейство характеристик некоего предварительного усилителя при усилении в 20, 30 и 40 дБ.

Рис. 7а. Семейство амплитудных характеристик микрофонного усилителя. Виден «загиб» из-за перегрузки.

Из рисунка видно, что у линейного усилителя, пока он не перегружен, выходной уровень увеличивается или уменьшается на то же число децибел, на которое изменяется уровень входного сигнала (т. е. соотношение приростов выходного и входного сигналов составляет 1:1).

Усилитель так и должен себя вести. Но при уровне выходного сигнала в +22 дБм¹ начинается перегрузка – выходной сигнал перестает расти вместе с увеличением входного (кривые "загибаются"). При этом перегруженный усилитель сильно искажает форму волны  сигнала,  "срезая" ("клиппируя") верхние и нижние части волны (см. рис. 6 в первой части статьи). Ясно, что чем больше усиление, тем меньший входной сигнал вызовет перегрузку. Для данного усилителя при усилении в 20, 30 и 40 децибел порогами перегрузки по входу будут соответственно +2, -8 и -18 дБм. "Резкость" клиппирования (клиппирование еще называют безинерционным ограничением², в противоположность инерционному, или лимитированию - см. ниже) может быть различной - "срезанные" верхушки могут быть как совершенно плоскими, так и сохранять ту или иную выпуклость (что лучше). Звук будет искажен в любом случае, несколько меняется лишь степень неприятности этих искажений.

Приведенные выше рассуждения относятся к подаче на вход усилителя простейшего сигнала - синусоидальной волны, но они справедливы и для любого другого сигнала с той оговоркой, что при определении порога перегрузки нужно брать пиковое, а не усредненное значение уровня сигнала³.

Так вот, лимитером (или инерционным ограничителем) называется устройство, на амплитудной характеристике которого (рис. 7б) есть участок, внешне напоминающий участок перегрузки рассмотренного выше усилителя с той лишь "маленькой разницей", что форма сигнала при этом остается в целости и сохранности (см. рис. 6 в первой части статьи, нижнюю кривую) по крайней мере до тех пор, пока не начнется клиппирование во входных цепях. (В левом нижнем углу амплитудных характеристик тоже можно увидеть горизонтальную часть кривой. Это уровень собственного шума на выходе прибора, и очевидно, что выходной сигнал не может уменьшиться ниже этого предела, как бы ни был мал сигнал на входе).

— Как же такое возможно? — спросит читатель.

Все очень просто: в лимитере есть некоторый компонент, который чисто электронным путем (т.е. без движущихся частей) изменяет свой коэффициент усиления (или ослабления)⁴, и схема управления (см. рис. 8 а, б), которая при достижении сигналом определенного порогового уровня (на рис. 7б это 0 дБм) начинает подавать управляющее напряжение на управляемый элемент, уменьшая его коэффициент усиления и тем самым ослабляя сигнал на его выходе. Можно сказать, что это автоматический фейдер, который управляется самим сигналом, и работает в тысячи раз быстрее, чем ваши руки.

Рис. 7б. Амплитудная характеристика лимитера с порогом лимитирования, установленным на 0 дБм: выше этого уровня выходной сигнал увеличится не может.

Схема управления (иногда ее называют "боковой ветвью" - англ. Side Chain) может измерять уровень сигнала как на входе (рис. 8а), так и на выходе управляемого элемента (рис. 8б). Первая структура называется "схема с прямой регулировкой", вторая - "схема с обратной регулировкой". Эти две структуры являются сердцем почти всех устройств динамической обработки.

Рис. 8а. Устройство прибора динамической обработки (лимитера, компрессора, и т.д.) использующего принцип прямого регулирования. Обратите внимание на линию задержки, нарисованную штриховыми линиями – она позволяет избежать выбросов при срабатывании. Треугольники слева и справа – это входной и выходной усилители, которые принципиальной роли не играют. Обработка производится средней частью схемы – управляемым усилителем (VCA), который в свою очередь, управляется от схемы управления (боковой ветви).

Рис. 8б. Устройство прибора динамической обработки (лимитера, компрессора, и т.д.) использующего принцип обратного регулирования. Все то же самое, но линии задержки нет (здесь она бесполезна), а сигнал для схемы управления берется с выхода управляемого усилителя.

¹ Это типичный порог перегрузки полупроводниковой электроники как по входам/выходам, так и для сигналов "внутри" прибора. Поэтому не удивляйтесь, что если вы выкрутите ручку входного усиления до +15 дБ", то перегрузка по входу начнется уже при сигнале с пиковым уровнем всего лишь + 7 дБм (а не + 20...24 дБм, как написано в описании).

² Этим ученым термином именуется обычная перегрузка, с той лишь разницей, что устройство, в котором она возникает, имеет стабильные и симметричные пороги этой самой перегрузки.

³ Как уже говорилось, "среднепотолочная" разница между пиковым и средним уровнями сигнала (пик-фактор) составляет примерно 12 дБ.

⁴ Такая штука называется усилителем с коэффициентом усиления, управляемым напряжением. УНУ или по-английски VCA - Voltage-Controlled Amplifier. Подавая управляющее напряжение на это устройство, можно менять его коэффициент усиления (или ослабления). Способов построить такой элемент много, начиная от применения резисторов, сопротивление которых зависит от яркости света, которым они освещаются, до использования вакуумных ламп с переменной крутизной. Идеального или хотя бы хорошего во всех отношениях VCA не существует, самой большой проблемой является недостаточный динамический диапазон, или отношение максимального неискаженного входного сигнала к шуму. Если динамический диапазон лучших микрофонов составляет 140 - 150 дБ, и даже больше, то лучшие VCA с трудом дотягивают до 120 децибел. Стандартные VCA, применяющиеся в большинстве приборов, имеют динамический диапазон по входу около 100 децибел. Следовательно, при обеспечении запаса по перегрузке на 20 дБ, уровень шума составит примерно - 80 дБ, что не слишком-то хорошо, учитывая последующее сжатие динамического диапазона, сопровождающееся уменьшением уровня сильных сигналов, а следовательно, ростом заметности шумов. Мало того, у многих VCA есть такой недостаток, как возрастание уровня шума в присутствии сигнала (как в аналоговом магнитофоне). Это возрастание и без того заметного шума может достигать 10...15 дБ, приводя к своеобразной "замыленности" звука. Наиболее неприятно при этом то, что шум пульсирует с каждой полуволной сигнала, то есть очень быстро, что резко увеличивает его неприятность - лучше уж иметь больший шум, но зато постоянный по величине. Естественно, в паспортах и описаниях приборов это малоприятное явление зачастую обходится молчанием и обнаруживается, как всегда, в самый неподходящий момент.