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  • Mercoledì 30 Settembre 2009 14:27
  • Ultimo aggiornamento Giovedì 17 Dicembre 2009 10:47
  • Scritto da David Guanciarossa

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DOLBY


 


Il sistema di riduzione del rumore

 

Fra i componenti di un impianto hi-fi, il registratore a cassette è stato la rivelazione di questi ultimi due anni. Si prevede che il mercato 1974 vedrà il « cassette deck » definitivamente vittorioso sui registratori a bobine. Tutti gli appassionati sanno che l'ingresso delle cassette nell'alta fedeltà è stato permesso, fondamentalmente, da due fattori: evoluzione straordinaria della qualità del nastro (vedi Cr02) e sistemi di riduzione del fruscio (Dolby e simili). Il Dolby-B è il sistema che ha avuto maggior popolarità. Non si può acquistare una piastra stereo senza Dolby se si desidera una resa paragonabile a quella delle sorgenti disco e sintonizzatore FM/ Stereo. In questo articolo approfondiamo un po' il discorso sul funzionamento del Dolby; alla fine avremo una certa pratica con i problemi di rumore e di rapporto segnale/ disturbo (SIN = Signal/Noise).

Analisi del rumore nella registrazione magnetica.

Una registrazione su nastro magnetico è soggetta ad una varietà di disturbi:
(1) Sibilo (hiss) (soffio, composto principalmente di componenti di media frequenza).
Le cause principali del sibillo sono:

  • Distribuzione irregolare delle caratteristiche magnetiche dello strato sensibile o irregolare distribuzione del materiale stesso.
  • Cancellazione imperfetta.

  • Asimmetria nella forma della tensione della corrente alternata.
  • Testine magnetizzate in corrente continua.

Il sibilo aumenta alle minori velocità del nastro e con ridotte larghezze della traccia. In confronto con la piastra di registrazione a bobina a due tracce ,(9,5 - 19 - 38 cm/sec), la velocità del nastro nelle cassette è 4,75 cm/sec, e la larghezza della traccia è ridotta a 1/3. Questi fattori fanno salire il livello del disturbo nelle cassette oltre limiti accettabili.
(2) Rumore indotto negli amplificatori
Le cause principali sono:
  • Rumore dei transistor.
  • Rumore microfonico.
  • Ronzio.
(3) Rumori (magnetici) indotti nelle testine e nei relativi collegamenti.

 

Sistemi di riduzione del disturbo

Sono stati realizzati diversi metodi per ridurre il rumore nel nastro con i seguenti procedimenti tecnici:
(1) Uso di nastro a basso rumore

  • Nastro LH, nastro SLH ecc.
(2) Modificazione delle caratteristiche di compensazione di frequenza
  • Ampex ... Equalizzazione principale.
  • staima Dyna-track
  • Philips ... Limitatore dinamico di rumore (DNL).
(3) Compressione ed espansione elettrica dei livelli del segnale
  • EMT, Germania ... Sistema Noisex
  • Nivico, Giappone ... Sistema ANRS
  • Dolby, G. Bretagna ... Sistema Dolby.

 

Il sistema Dolby

Il laboratorio Dolby (dal nome del popolare Ing. Ray Dolby) ha messo a punto due tipi di sistemi di riduzione del disturbo, Tipo A ed il Tipo B.

  • Tipo A: Il sistema Dolby tipo A è impiegato principalmente nelle registrazioni professionali negli studi. Questo sistema riduce uniformemente di 10 dB il rumore su tutta la gamma delle frequenze.
  • Sistema Dolby tipo B: è stato creato per l'uso non professionale iper amatori. Il livello del rumore è ridotto in modo selettivo, così da ridurre le componenti del rumore di frequenza media e alta; freqenze alle quali l'orecchio umano è particolarmente sensibile. Il sistema Dolby cha riesnriveremo è il tino B.

La Fig. 1


mostra la differenza nella distribuzione del rumore prodotta dai sistemi Dolby A e B.

Il rumore dell'amplificatore comprendente il ronzio e i disturbi indotti, può essere ridotto migliorando il progetto dell'apparecchio di registrazione; comunque, le riduzioni del soffio mediante miglioramenti delle tecniche dei circuiti vengono coperte dai problemi propri del nastro magnetico. Quindi, il soffio deve essere ridotto, non solo nelle apparecchiature, ma usando particolari accorgimenti applicati in registrazione e in riproduzione.

Il sistema Dolby agisce proprio in questo senso.

Principi della riduzione del rumore del Dolby Tipo B

Le Fig. 2 e 3



sono rappresentazioni schematiche della riduzione del rumore per mezzo del sistema Dolby che sfrutta in modo sofisticato una caratteristica dell'orecchio umano: l'effetto mascheramento. Questo effetto consiste nel fatto che, qando si hanno due suoni di frequenza quasi uguale, il suono forte viene sentito chiaramente, mentre quello più debole è molto difficile da percepire, dato che è mascherato dal suono più forte.

Applicando questo effetto ai suoni di più basso livello fra quelli in registrazione, il rumore può essere reso inaudibile facendolo mascherare dal suono del programma, al punto che il rapporto S/N del sistema sia superiore ad un certo valore.

Per esempio, se il segnale d'ingresso è 0 dB e il rumore di fondo del nastro è di —50 dB, il segnale riprodotto avrà un rapporto S/N abbastanza alto perché il segnale registrato mascheri il disturbo e quindi il rumore del nastro è inaudibile.

Se invece, un segnale di —30 dB viene registrato all'ingresso , il rapporto S/N sarà di solo —20 dB (con un rumore di fondo di —50 dB) e non si avrà l'effetto di mascheramento.

Ancora: un segnale pianissimo di circa lo stesso livello del rumore di fondo verrà distinto con difficoltà dal rumore e, nella peggiore ipotesi, potrebbe perfino essere mascherato dal rumore di fondo.

Il rumore del nastro viene indotto, per la precisione, al momento della registrazione (quando il nastro passa davanti alle testine di cancellazione e di registrazione); quindi il rapporto segnale-disturbo verrà migliorato esaltando il segnale d'ingresso prima che arrivi alle testine di registrazione. Il rumore indotto è caratteristico all'apparecchio di registrazione, ed è indipendente dal livello del segnale da registrare).

Il rapporto S/N del nastro registrato, può infine essere migliorato nella riproduzione attenuando la componente del segnale esaltata al momento della registrazione. Risultato: anche il disturbo viene attenuato nella stessa misura, cioè al disotto del livello che aveva quando il segnale principale era stato esaltato e il livello assoluto di uscita del rumore viene ridotto dello stesso valore.

(Il sistema Dolby deve essere impiegato in registrazione e in riproduzione, altrimenti la linearità del suono riprodotto verrebbe alterata).

La Fig. 4


mostra le caratteristiche di registrazione e di riproduzione del sistema Dolby Tipo B.

La curva R (registrazione) è realizzata in modo che devii dalla caratteristica lineare (indicata dalla linea tratteggiata) del livello 0 dB. La deviazione, al livello —40 dB, sarà di 10 dB (il segnale di —40 dB verrà registrato a —30 dB). Il livello 0 dB è quello di riferimento, pari al livello normale di registrazione di un registratore a nastro ordinario (questo livello viene anche chiamato « livello Dolby »).

I segnali d'ingresso maggiori di 0 dB sono registrati in proporzione al loro valore assoluto, ma i segnali inferiori allo 0 dB vengono registrati con un certo valore di rinforzo come indicato dalla curva R (10 dB a —40 dB).

Le caratteristiche Dolby di riproduzione sono simmetriche alla curva di registrazione, perciò la linearità del segnale viene reintegrata sommando le caratteristiche di registrazione e di riproduzione col sistema Dolby (curve P e R in Fig. 4).

Per esempio, posto che il livello del segnale d'ingresso al circuito di registrazione è —40 dB (punto A), questo segnale verrà registrato —40 dB in una registrazione normale (B'), ma è registrato a —30 dB dal sistema Dolby (B). Notare che in questo esempio il nastro registrato avrà un rumore di livello —50 dB. Il segnale registrato a —30 dB verrà poi riprodotto a —40 dB passando attraverso il circuito di riproduzione (D) come un segnale di —40 dB lo sarebbe in una registrazione ordinaria (D').

Il segnale rumore di —50 dB viene attenuato col sistema Dolby a —60 dB. Da cui è possibile ottenere segnali che hanno un rapporto S/N con N diminuito di 10 dB (il miglioramento in S/N è 10 dB).


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Principio del circuito di registrazione Dolby

La Fig. 5


è un diagramma a blocchi del circuito Dolby in registrazione. Un segnale d'ingresso è presentato al terminale INPUT e passa al terminale di uscita OUT dopo aver attraversato l'amplificatore-1 (questo segnale d'uscita è El). Nello stesso tempo, una parte del segnale E1 attraversa il filtro passa alto (HPF), viene amplificata dall'amplificatore-2 (segnale d'uscita E2) e aggiunta al segnale E1rendendo il voltaggio totale d'uscita uguale a E0 (E0= E1 +E2). Il segnale E2 (i componenti di media e di alta frequenza del segnale d'ingresso) viene anche immesso nell'amplificatore di controllo della tensione nel quale il segnale è rettificato (dal diodo D) nella tensione continua E3 (questa tensione continua è proporzionale all'ampiezza dei componenti medi e alti). La tensione continua E3 è riportata all'elettrodo di controllo dell'elemento di impedenza variabile FET (Transistor ad effetto di campo), che regola secondo il valore di E3 il livello del segnale di ingresso dell'amplificatore AMP-2.

Ipotizzando nessun segnale di ingresso, o un segnale d'ingresso di minimo valore E1(-40 dB o meno), il FET avrà una data impedenza elettrica e farà da attenuatore controllato elettronicamente. L'amplificatore AMP-2 riceverà un segnale d'ingresso E1 / K (K: coefficiente di attenuazione di FET).

Ponendo il fattore di amplificazione di AMP-2 pari ad A, il valore del segnale d'uscita E2 dell'AMP-2 (nel punto C' sarà):

E2 = (E1 / K) * A
Ponendo A/K = m ; E2 = m * E1

Poiché il voltaggio E2 viene aggiunto ad E1

E0=E1 + E2 = E1 + m * E1 =E1(1 + m).

Nel sistema Dolby, fra E0 ed El esiste la seguente relazione:
Ad un segnale d'ingresso inferiore a —40 dB, rispetto al livello Dolby, dovrà corrispondere un segnale d'uscita E0 di valore 10 dB più alto di E1.

Quindi m nell'equazione deve essere tale da soddisfare la seguente condizione: E0 deve essere approssimativamente uguale a 3,3 E1 per un segnale d'ingresso inferiore a —40 dB. Aumentando il livello del segnale d'ingresso, il voltaggio continuo d'uscita E3 (dell'amplificatore di controllo tensione) aumenterebbe in proporzione alla tensione d'ingresso se il circuito non avesse l'attenuatore variabile FET. Nella realizzazione pratica del circuito, il FET è polarizzato (biased) in modo tale che la sua impedenza si approssimi allo zero coll'aumentare della tensione continua di controllo E3.

Quindi, la tensione d'ingresso all'AMP-2 viene ridotta coll'aumentare di E1.

Per i segnali d'ingresso (E1) superiori al livello Dolby (0 dB), il coefficiente di attenuazione del FET diventa molto grande (il segnale d'ingresso all'AMP-2 diventa piccolissimo).

E1 >> m * E1.

Perciò l'uscita E0 per segnali d'ingresso maggiori di 0 dB sarà:

E0=E1 + m * E1 circa uguale a E1

Conseguentemente per tali segnali le caratteristiche ingresso/uscita saranno praticamente lineari.

La Fig. 6


mostra una parte del circuito di registrazione

Il circuito di ingresso Q1 è con emettitore a massa (emitter follower) il cui segnale d'uscita avrà ampiezza 1 circa e fase concordante col segnale d'ingresso. La polarità del segnale d'uscita di Q1 viene invertita da Q2 che è un normale amplificatore (Q3 è con emettitore a massa).

Quindi il segnale d'uscita di Q3 è sfasato di 180° rispetto al segnale d'ingresso, ma l'amplificatore è progettato in modo che il segnale d'uscita abbia la stessa ampiezza del segnale d'entrata (Guadagno dell'amplificatore = 0 dB). Il segnale d'uscita di Q1 è presentato anche alla base di Q5. Questo segnale è amplificato dall'amplificatore a due stadi (Q5 e Q6) il cui guadagno è calcolato a 10 dB.

La fase di questo segnale è invertita due volte, perciò è in fase col segnale d'ingresso. Il segnale amplificato viene riportato all'emettitore di Q1, aggiunto al segnale d'ingresso ed esce dal terminale OUT. L'effetto Dolby può essere ottenuto sommando i segnali in fase e stabilendo i guadagni degli amplificatori, 0 dB per A1 e 10 dB per A2.

Principio del circuito di riproduzione Dolby

Una parte del circuito Dolby è illustrata nella fig. 7.


In questo circuito la polarità del segnale d'uscita di Q6 è sfasata di 180° rispetto al segnale d'ingresso, perciò la differenza dei segnali si ottiene prima che il segnale esca da OUT.

Note supplementari sui registratori a cassette

La fig. 8


mostra le caratteristiche del rapporto Registraz./ Riproduz. di una tipica cassetta. Il livello di saturazione dipende dal nastro.

I segnali debbono essere registrati al disotto del livello di saturazione. Comunque un segnale eccessivamente piccolo ridurrà il rapporto S/N sebbene assicuri una registrazione esente da distorsioni.

Perciò un ottimo livello di registrazione deve essere determinato considerando vari fattori, quali lo spettro della sorgente del programma, le caratteristiche di compensazione delle frequenze e le caratteristiche dinamiche dell'indicatore di livello.

Il livello di riferimento della registrazione viene indicato con 0 dB (0 VU) nello strumento indicatore.

Gamma dinamica

La gamma dinamica di un registratore a nastro è limitata dai livelli della massima uscita ottenibile e del rumore. La massima gamma dinamica del nostro udito è di circa 130 dB (limite superiore il decollo di un aereo a reazione, livello minimo il rumore d'ambiente a mezza notte).

La dinamica di musica normale è di circa 70-80 dB mentre una nostra conversazione richiede circa 40 dB (il massimo livello della voce umana rispetto al rumore ambiente al chiuso).

Come mostrato in fig. 9


la dinamica di un registratore a nastro è determinata dalla somma del livello disponibile oltre 0 VU e fino al livello di saturazione del nastro, più il valore in dB del rapporto S/N. La gamma è di 55-60 dB per un registratore a bobina normale (19 cm/sec, 4 tracce) o 60-65 dB (2 tracce). La dinamica di un registratore a cassette è fra 50 dB e 55 dB.

Registrazione con limitatore

Sebbene ci siano stati progressi tecnici nei registratori a cassetta, essi ancora possiedono una dinamica minore dei registratori a bobina.

Perciò, il livello di riferimento delle cassette viene scelto entro il campo di 160 pwb/mm - 250 pwb/mm tenendo conto della linearità e del S/N.

Anche stabilendo il livello di riferimento entro questo campo, il margine disponibile sopra a 0 dB è solo da 6 a 10 dB. Per aumentare la gamma di registrazione senza scrificare il S/N e la linearità, la gamma dinamica deve essere estesa in qualche modo. Una delle soluzioni di questo problema è la registrazione con limitatore (fig. 10).


I segnali d'ingresso al disopra di un certo livello sono soppressi da un compressore in modo da proteggere i segnali registrati dalla distorsione. Questo sistema è un'elaborazione dei controlli automatici AGC o ALC che sono molto diffusi nei registratori a cassetta portatili.

Dalla fig. 11


si osserva come il controllo automatico di guadagno (AGC) dà linearità scarsa. L'AGC non è troppo adatto alle registrazioni in un sistema hi-fi.

La registrazione con limitatore fornisce una linearità più ampia in confronto alla tecnica AGC. Inoltre, l'azione del limitatore, anche se questo è inserito, non esiste fino a che il picco all'ingresso non superi VU di +3.

La registrazione col limitatore può non essere sempre necessaria copiando il contenuto di un disco o di un nastro, essendo queste fonti già limitate. Però la tecnica di registrazione col limitatore è utile per copiare musica classica (i dischi hanno una dinamica più estesa delle cassette) e, in particolare, per le registrazioni dal vivo.

Indicatore di picco

La velocità di risposta di un normale indicatore di livello è di circa 300 m sec e l'indicatore non indicherà il valore esatto del livello del segnale di ingresso per impulsi più brevi di 300 m sec. Registrando musica ordinaria, i picchi possono raggiungere valori di circa 10-15 dB sopra 0, anche se lo strumento indica 0 VU (sebbene sia molto difficile misurare i picchi e il livello dei picchi possa variare con i diversi tipi di musica anche se lo strumento indichi sempre VU 0).

Questo problema potrebbe essere risolto accorciando il tempo di reazione degli strumenti indicatori, ma l'occhio umano non sarebbe in grado di cogliere le variazioni. I moderni studi di registrazione usano associati un rapido indicatore di picco e lo strumento standard.

Il livello di funzionamento dell'indicatore luminoso di picco è fissato a +2 VU, con un margine dinamico di 6 dB fra il livello di funzionamento dell'indicatore e il livello di picco che lampeggia, ma non in modo continuo, non vi sono in pratica problemi per una registrazione senza distorsione. Se l'indicatore rimane acceso si deve abbassare il livello di registrazione (fig. 12).


Registrando un programma con il limitatore inserito, l'indicatore di picco dà un'idea degli interventi del limitatore.


SUONO STEREO HI-FI novembre/dicembre 1973 - G. B.

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