Что такое динамический диапазон, и какие бывают его разновидности?
Односигнальный динамический диапазон по блокированию, Динамический
диапазон по перекрёстным помехам, Динамический диапазон по интермоду-
ляции.
А поскольку в последнюю фразу без пол-литра не въедешь, приведу рисунок.
Рис.1
Описанная динамическая характеристика устройства в первую очередь характеризует его односигнальный динамический диапазон, который определяется методом подачи на вход изучаемого объекта сигнала одной частоты. Иногда этот параметр в радиотехнике именуется динамическим диапазоном по блокированию и обозначается DD1 или DB1.
В высокочастотной электронике это свойство может быть использовано для преобразования частот в устройствах, называемых «смеситель».
Ну вот мы медленно, но верно подобрались к определению понятия «динамический диапазон по интермодуляции«.
Рис.2
Процесс измерения этого параметра подобен предыдущему описанию и сводится к определению величины продуктов 2-го порядка с частотами (f1 ± f2) и нахождению точки интермодуляции (IP2) посредством построения такого же графика.
Кривая интермодуляционных продуктов 2-го порядка растёт медленнее, чем 3-го (всего лишь в 2 раза быстрее идеальной передаточной характеристики), а потому и точка пересечения, обозначающая значение IP2, находится дальше от начала координат.
Динамический диапазон rtl-sdr
Ниже я сделал перевод одной замечательной заметки Mile Kokotov о динамическом диапазоне rtl-sdr. Это очень важный показатель, которым я заинтересовался и решил разобраться. Возможно кому-нибудь это тоже будет полезно.
Большинство людей думает, что наиболее важной характеристикой радиоприёмника является чувствительность, но это не совсем так. Вообще, спроектировать и произвести приёмник с высокой чувствительностью не проблема. Гораздо сложнее для инженеров спроектировать приёмник с большим динамическим диапазоном, который смог бы принимать как очень слабые сигналы, так и очень сильные одновременно.
Перегрузка приёмника означает то, что он больше не является линейным и сам по себе начинает генерировать сигналы, добавляя шум. Очень сильные сигналы на входе приёмника делают его менее чувствительным, таким образом он больше не может принимать слабые сигналы до тех пор, пока существует сильный сигнал рядом. Не стоит забывать, что на вход приёмнику приходят все сигналы, несмотря на то, что нам нужен только один конкретный. Соответственно, чем шире полоса приёма, тем больше нужен динамический диапазон для того, чтобы избержать перегрузки.
Качество sdr приёмника зависит от множества факторов. И одним из наиболее важных параметров, которые напрямую влияют на качество sdr приёмника, является его динамический диапозон.
Что же такое “динамический диапазон”?
В sdr уровень аналогового сигнала, поступающего в АЦП, может быть отрегулирован (вручную или с помощью АРУ) для того, чтобы максимально эффективно использовать доступный динамический диапазон.
Если аналоговый сигнал слишком сильный, то его нельзя представить соответствующими значениями битов. В таком случае АЦП подставляет максимальное или минимальное значение. Это называется отсечение и с точки зрения обработки сигналов представляет собой форму нелинейного сигнала. При этом появляются фантомные сигналы, которые копируют оригинальный на различных частотах.
Если аналоговый сигнал слишком слабый, то его присутствие не сможет дать даже одного бита выходного цифрового сигнала. На практике же, более грубое представление цифрового сигнала приводит к потере информации. Эту ситуацию называют шумом квантования.
Динамический диапазон SDR зависит от количества бит согласно формуле:
Согласно формуле динамический диапазон АЦП 8 бит равен
50dB, 12 бит 74dB и 16 бит 98dB.
Почему же динамический диапазон важен для SDR?
Кто-то может подумать, что достаточно иметь АРУ (автоматическая регулировка усиления), которая поддерживает входной сигнал на необоходимом уровне и, поэтому не нужен большой динамический диапазон. Это может сработать, но не стоит забывать что sdr приёмник получает сигнал на АЦП гораздо большей ширины, нежели необходимо. Дополнительная ширина сигнала позволяет получить спектограмму всей доступной полосы частот, но это так же значит, что на АЦП попадает множество энергии в том числе и от нежелательных частот. Эти частоты могут быть достаточно сильными по сравнению с сигналом, который необходимо получить.
В таком случае, уровень усиления должен быть равен суммарной мощности всего радио сигнала поступающего на АЦП. Это решит проблему “слишком сильного” сигнала, при этом самый слабый сигнал будет определяться динамическим диапазоном. Тем не менее, при большом динамическом диапазоне шум квантирования уменьшается, позволяя принимать слабые узкополосные сигналы.
В крайнем случае можно использовать фильтр, равный полосе принимаемого сигнала. Недостатком этого метода является то, что нельзя будет увидеть полный спектр.
Ограничения динамического диапазона
Помимо количества бит АЦП, динамический диапазон может зависеть от шума и фантомных сигналов.
Если в приёмнике нет предусилителя, то его динамический диапазон ограничен динамическим диапазоном АЦП. Но если он есть, то динамический диапазон ограничен либо АЦП, либо предусилителем. При этом шум усилителя задаёт минимальный сигнал, который может быть оцифрован.
Динамический диапазон системы должен быть больше соотношения сигнал/шум. Если же он меньше, то входящий сигнал будет искажён приёмником и узким местом такой системы будет мощность усилителя.
Фантомные сигналы намного более опасны, чем шум. Они имеют гораздо большую амплитуду нежели шум и она не зависит от выбранной полосы пропускания. Эти сигналы появляются в результате нелинейности АЦП. SFDR для АЦП определяется как отношение RMS амлитуды сигнала к RMS амлитуды самого большего фантомного сигнала. SFDR представлен на картинке ниже:
Использование децимации
На самом деле в некоторых sdr приёмниках используется децимация. Процесс децимации заключается в том, что цифровой сигнал, полученный с гораздо большей частотой дискретизации, уменьшается до интересующей частоты дискретизации. В результате динамический диапазон увеличивается за счёт “усиления обработки”. Усиление достигается за счёт того, что удаляется шум вне интересующей полосы частот, тем самым увеличивая соотношение сигнал/шум.
Например, Если взять 12-битный АЦП, работающий с частотой дискретизации 10МГц, то с помощью децимации можно увеличивать динамический диапазон на 3dB при каждом увеличении децимации в 2 раза:
Термин: Диапазон динамический
В измерительных системах под динамическим диапазоном (Dynamic Range) обычно понимают величину отношения наибольшего измеряемого сигнала к наименьшему в рассматриваемом канале измерения. Традиционно динамический диапазон выражают в децибелах.
Если прибор измеряет величину среднеквадратического значения (СКЗ) переменного сигнала (например, как вольтметр переменного тока), то динамический диапазон этого измерительного прибора равен отношению (в децибелах) величины СКЗ диапазона измерения к величине СКЗ минимального сигнала, который сможет почувствовать этот прибор. Особо подчеркнём, что именно «сможет почувствовать», а не «сможет измерить» с нормированной точностью.
Если прибор измеряет среднее значение постоянного сигнала (например, как вольтметр постоянного тока), то динамический диапазон этого измерительного прибора равен отношению (в децибелах) величины диапазона измерения прибора к величине минимального изменения сигнала, который сможет почувствовать этот прибор.
Данные о динамическом диапазоне сигнала крайне важны при выборе оборудования системы сбора данных, поскольку они влияют на выбор необходимой эффективной разрядности АЦП. Величина динамического диапазона сигнала сильно связана с физикой измеряемого процесса и с характеристиками датчика. Снизу динамический диапазон измеряемого полезного сигнала обычно ограничен шумом физического процесса, собственным шумом датчика, шумом (помехами по пути передачи сигнала). Сверху динамический диапазон ограничен максимально возможной энергией физического процесса, диапазоном измерения датчика, нелинейными цепями защиты от превышения сигнала.
Очевидно, что, если динамический диапазон сигнала больше динамического диапазона измерительного прибора (канала измерения), то это вызовет частичную потерю функции измерения прибора либо по причине зашкала, либо нечувствительности к малому сигналу (малому изменению сигнала, несущему полезную информацию).
В конкретных областях применения оценки динамического диапазона сигнала важны не только в широкой полосе частот, но и в рабочей полосе частот. Например, в звуковых измерительных трактах, главным образом, важны оценки динамического диапазона сигнала в полосе частот пропускания этих трактов, и частоты входного сигнала, не попадающие в полосу частот тракта, не должны учитываться при оценке динамического диапазона сигнала, прошедшего через тракт измерения (при условии того, что не попавшие частоты, при наличии в тракте нелинейных эффектов, не породили интермодуляционных частот в полосе пропускания тракта).
В технике известны устройства сжатия и расширения динамического диапазона сигнала, основанные на разных принципах, в зависимости от задачи и области применения.
Термин динамический диапазон используют также при анализе спектра сигнала. Например, динамический диапазон, свободный от паразитных спектральных составляющих SFDR (Spurious-Free Dynamic Range ), определяют как отношение уровня полезного узкополосного сигнала (несущей) к уровню наибольшей паразитной частотной составляющей (гармоники), выраженное в децибелах. Для линейных преобразователей, каналов измерения и AЦП, ЦАП характеристику SFDR снимают для синусоидального входного сигнала.
Часто задаваемые вопросы по динамической обработке аудио сигнала
Что такое динамический диапазон?
Для чего нам компрессия?
Допустим, вы работаете над сведением роковой записи, средний динамический диапазон у нее 20 дБ. И вы хотите добавить в микс необработанный компрессором вокал. Средний динамический диапазон у вокала равен примерно 40 дБ. Чем это чревато для микса? Слишком тихие вокальные куски будут просто не слышны, а слишком громкие будут выпирать из общей картины. В данной ситуации компрессор необходим для уменьшения (компрессии) динамического диапазона вокала в пределах 10 дБ.
Тот же самый принцип работает для любого инструмента в миксе. У каждого инструмента есть свое место в миксе, а хороший компрессор помогает звукорежиссеру правильно их смешать.
Разве компрессор нужен для всего?
Зачем нам нойз-гейты?
Если вы когда-либо пробовали сводить живую запись, вы знаете сколько проблем возникает с ударной установкой, а именно с железом, которое проникает в микрофоны, установленные на томах. Как только вы добавляете верхов на эквалайзере, чтобы сделать томы более яркими, начинают лезть наверх тарелки. И это особенно хорошо слышно через ВЧ громкоговорители в мониторах. Если же мы используем гейты на микрофонах, записывающих томы, так что железо больше не будет звучать через них в паузах, мы очень сильно прочистим общий микс и сделаем его в разы разборчивее.
Типы динамической обработки
Компрессор и лимитер
В сущности, компрессия – это процесс ослабления входного сигнала в заданной пропорции. Используется для сужения динамического диапазона голоса или музыкального инструмента, позволяет производить запись без искажений. Также применяется при создании микса, уменьшая разницу частот каждой дорожки.
Вокалист, допустим, постоянно перемещается перед микрофоном и сигнал на выходе колеблется вверх-вниз, что звучит странно. В данном случае компрессор решит проблему, ослабив громкость отдельных фраз так, что в результате будет ровный вокал.
Степень ослабления сигнала зависит от соотношения компрессии и порогового уровня. Соотношение 2:1 или меньше считается слабой компрессией, при которой сигнал на выходе, превышающий пороговый уровень, уменьшается в два раза. Соотношения выше 10:1 можно называть сильным лимитированием.
Чем ниже пороговый уровень, тем большая часть сигнала подвергается компрессии (при определённом уровне входного сигнала). Важно знать меру, так как слишком сильная компрессия убивает динамику записи (при этом некоторые звукорежиссёры убивают её специально в качестве эффекта)!
Лимитирование – вид обработки сигнала, при котором подавляются всплески громкости (скачки амплитуды).
Компрессор/лимитер используется при выполнении многих задач при обработке звука, например:
Звук бочки ударной установки может затеряться среди электрогитар. И не важно, как громко звучит дорожка, бочка звучит “грязно”. Компрессия выправит звук бочки на фоне гитар.
Диапазон голоса на записи достаточно широк. Пики громкости могут сильно выпирать из общего звучания. Таких пиков может быть много, и они все разные, так что почти невозможно их выровнять через микшер. Компрессор/лимитер автоматически контролирует громкость, не искажая тонкостей вокала.
Соло гитара глушится ритмом. Не выкручивайте фейдер до предела, компрессия поставит ведущую гитару на своё место в миксе.
Экспандер
Существует два основных вида экспансии: динамическая и нисходящая. Экспансия расширяет динамический диапазон сигнала, когда он выше порогового значения. Динамическая экспансия – это, по сути, компрессия наоборот.Динамическая экспансия применяется на ТВ и радио, чтобы отменить компрессию непосредственно до передачи аудио сигнала. Компрессию с последующей экспансией называют компандированием.На данный момент чаще всего применяют нисходящую экспансию. В отличие от компрессии, которая понижает сигнал выше порогового значения, экспансия понижает сигнал ниже порога экспансии. Степень понижения определяется соотношением экспансии. Например, соотношение 2:1 понижает сигнал вдвое (это значит, что если сигнал ниже порогового значения на 5дБ, экспандер понизит его до 10дБ).Экспансию часто используют для уменьшения шумов, это очень мощный и простой нойз-гейт. Главное различие между экспандером и нойз-гейтом в том, что экспансия зависит от того, насколько сильно сигнал ушёл “под порог”, тогда как при работе нойз-гейта это не имеет значения.
Шумоподавление
Шумоподавление – процесс устранения нежелательного шума из записи посредством ограничения сигнала ниже заданного порогового значения. Как было написано выше, работа нойз-гейта не зависит от уровня сигнала ниже порога. Выход устройства открыт, пока сигнал находится выше порога.
Длительность открытия выхода определяется скоростью атаки. Длительность работы устройства, когда сигнал ниже порогового называется временем удержания. Скорость закрывания выхода определяется временем возврата. Уровень подавления нежелательного сигнала в закрытом положении определяется диапазоном.
Краткий словарь терминов
Научно доказано, что если вы хотите быстро изучить какой-то предмет, вы должны для начала разобраться с основными понятиями. Тот же принцип действует и в звукозаписи и в дальнейшей работе со звуком. Большинство инструкций и учебников предполагают наличие базовых знаний, без которых читать их затруднительно. Надеюсь, что следующий раздел поможет вам навести порядок в голове и окончательно разобраться с основами.
Компрессоры
Атака (Attack).
Атака определяет скорость действия компрессора на входной сигнал. Долгая атака (регулятор по часовой стрелке до упора) вначале позволяет сигналу (т.н. начальный переходный процесс) проходить необработанным через компрессор, тогда как короткая атака (против часовой стрелки до упора) сразу же обрабатывает сигнал согласно соотношению компрессии и установленному пороговому уровню.
Авто (Auto).
Компрессор работает в режиме автоматической атаки и возврата. Регуляторы в этом случае не влияют на процесс, а используются запрограммированные значения параметров.
Боковой канал компрессора (Compressor Sidechain).
Жёсткая и мягкая компрессия (Hard/Soft Knee)
При жёсткой компрессии ослабление сигнала происходит максимально быстро в момент превышения пороговой величины. При мягкой, сигнал ослабляется более плавно, после того, как он превысил заданный порог, что обеспечивает более естественное для музыки звучание.
Лимитеры.
Лимитер – это компрессор, не допускающий увеличения сигнала выше уровня порога. Например, если порог установить на 0 дБ, параметр “Ratio” выкрутить полностью по часовой стрелке, то компрессор начнёт работу в режиме лимитера при 0 дБ, и выходной сигнал никогда не превысит этого значения.
Компенсирующее усиление (Makeup Gain).
При компрессии, сжатие сигнала обычно влияет на общий уровень громкости. Регулятор усиления позволяет восстановить утерянный при компрессии уровень.
Соотношение (Ratio).
Соотношение – это зависимость между выходным и входным сигналами, этот параметр устанавливает крутизну компрессии. Например, установив соотношение 2:1, любой сигнал выше порогового подвергнется компрессии в соотношении 2:1. На каждый децибел на входе компрессора приходится 0.5 дБ на выходе, таким образом образуется компрессия, сжимающая сигнал в два раза. При увеличении соотношения, компрессор постепенно переходит в режим работы лимитера.
Время возврата (Release).
Threshold.
Пороговый уровень компрессии (порог компрессии) определяет значение, выше которого начинается ослабление сигнала. Обычно поворот регулятора порога влево увеличивает сигнал, который подвергается компрессии (при соотношении выше, чем 1:1).
Экспандеры
Нисходящая экспансия (Downward Expansion).
Нисходящая экспансия чаще всего применяется в профессиональной звукозаписи. Сигнал ослабляется ниже порогового значения. Это стандартный способ подавления шумов.
Соотношение (Ratio).
Соотношение экспансии определяет уровень ослабления сигнала, когда он опустился ниже порога. К примеру, при соотношении экспансии 2:1 каждый децибел ниже порогового значения ослабляется в два раза. При соотношении 4:1 и выше экспандер работает почти как нойз-гейт, только без возможности регулирования времени атаки, задержки и возврата.
Нойз гейты (Noise Gate)
Атака (Attack).
Параметр «время атаки» устанавливает величину, при которой открывается гейт. Быстрая атака подходит для перкуссивных инструментов, в то время как вокал и бас-гитара требуют плавного открытия. Применение к ним слишком быстрой атаки приведёт к появлению ощутимого “шёлкания” при сведении. Щелчок при открытии присущ любому гейту, но при правильной настройке его не слышно.
Время удержания (Hold).
Время удержания – фиксированный период времени, при котором гейт находится в открытом состоянии при уровне сигнала ниже порогового. Значение этого параметра играет роль при гейтировании, например, малого барабана – после удара по нему проходит определённое время, после которого гейт резко закрывается.
Диапазон (Range).
Время возврата (Release).
Время возврата гейта определяет скорость, с которой гейт переходит из открытого в полностью закрытое состояние. Время возврата обычно настраивают так, чтобы сохранить естественное затухание звука инструмента или вокала. Высокая скорость возврата убирает шумы, но может вызвать “заикание” ударных инструментов, которое устраняется низкой скоростью возврата. Внимательно настраивайте этот параметр для наиболее естественного эффекта.
Пороговый уровень (Threshold).
Общие рекомендации по компрессии аудио сигнала
Ниже приведены пресеты компрессии, используемые в PreSonus BlueMax. Данные пресеты – стандартные установки, своего рода отправные точки для работы со звуком.
Вокал
Тёплый вокал. Это параметры для лёгкой компрессии с низким соотношением и расширенным диапазоном, в основном для лирических песен в живом исполнении. Вокал “на своём месте”.
| Threshold (порог) | Ratio (соотношение) | Attack (атака) | Release (возврат) |
|---|---|---|---|
| -8.2 дБ | 1.8:1 | 0.002 ms | 38 ms |
| Threshold (порог) | Ratio (соотношение) | Attack (атака) | Release (возврат) |
|---|---|---|---|
| -3.3 dB | 2.8:1 | 0.002 мс | 38 мс |
Кричащий. Параметры для громкого вокала. Довольно жёсткая компрессия для вокалистов, которые не следят за расстоянием до микрофона. Голос сильно выступает из микса, создавая эффект присутствия.
| Threshold (порог) | Ratio (соотношение) | Attack (атака) | Release (возврат) |
|---|---|---|---|
| -1.1 дБ | 3.8:1 | 0.002 мс | 38 мс |
Перкуссия
Малый барабан/бас-барабан. Данный пресет пропускает пики и сжимает остальную часть сигнала, при этом слышим чёткий звук с затуханием.
| Threshold (порог) | Ratio (соотношение) | Attack (атака) | Release (возврат) |
|---|---|---|---|
| -2.1 дБ | 3.5:1 | 78 мс | 300 мс |
Левый/правый (стерео) оверхэды. Параметры «соотношение» и «порог» здесь низкие, что даёт широкий диапазон, в который помещаются даже тарелки. Глубокие низы, общее звучание живое с невысокой реверберацией. Более пробивной звук, меньше эффекта комнаты.
| Threshold (порог) | Ratio (соотношение) | Attack (атака) | Release (возврат) |
|---|---|---|---|
| -13.7 дБ | 1.3:1 | 27 мс | 128 мс |
Струнные инструменты
Бас-гитара. Быстрая атака и медленный возврат пресета “сожмут” бас так, чтобы он хорошо сидел в миксе.
| Threshold (порог) | Ratio (соотношение) | Attack (атака) | Release (возврат) |
|---|---|---|---|
| -4.4 dB | 2.6:1 | 45.7 мс | 189 мс |
Акустическая гитара. Пресет подчёркивает атаку акустической гитары и обеспечивает ровность звучания, что позволят гитаре оставаться слышимой.
| Threshold (порог) | Ratio (соотношение) | Attack (атака) | Release (возврат) |
|---|---|---|---|
| -6.3 дБ | 3.4:1 | 188 мс | 400 мс |
Электрогитара. Настройки для плотного ритма. Небольшое время атаки придаёт ритм-партии напор и живость
| Threshold (порог) | Ratio (соотношение) | Attack (атака) | Release (возврат) |
|---|---|---|---|
| -0.1 дБ | 2.4:1 | 26 мс | 193 мс |
Клавишные инструменты
Фортепиано. Особый пресет для выравнивания всего диапазона фортепиано – от нижнего звука до пятой октавы. Чётко слышны партии обеих рук.
| Threshold (порог) | Ratio (соотношение) | Attack (атака) | Release (возврат) |
|---|---|---|---|
| -10.8 дБ | 1.9:1 | 108 мс | 112 мс |
Синтезатор. Быстрая атака и возврат подходят как для духовых, так и басовых партий на синтезаторе.
| Threshold (порог) | Ratio (соотношение) | Attack (атака) | Release (возврат) |
|---|---|---|---|
| -11.9 дБ | 1.8:1 | 0.002 мс | 85 мс |
Оркестр. Настройки подходят как для струнных, так и других оркестровых “наборов” синтезатора. Общий динамический диапазон снижен для удобного добавления в микс.
| Threshold (порог) | Ratio (соотношение) | Attack (атака) | Release (возврат) |
|---|---|---|---|
| 3.3 дБ | 2.5:1 | 1.8 мс | 50 мс |
Стерео микс
Стерео лимитер. Исходя из названия, у этого пресета жёсткое лимитирование, что делает его идеальным для сведения двух дорожек или двух моно-каналов в один стерео.
| Threshold (порог) | Ratio (соотношение) | Attack (атака) | Release (возврат) |
|---|---|---|---|
| 5.5 дБ | 7.1:1 | 0.001 мс | 98 мс |
Контур. Настройки расширяют диапазон основного микса.
