Dolby SR 降噪系統簡介

Dolby SR 降噪系統

簡介

杜比頻譜錄音（Dolby SR）是一種專業錄音室母帶所使用處理系統，目的在產生具備純淨音質的錄音。這個系統中有些重要的技術特性，一種是對可用頂部空間的實質性擴充，使得在所有聲音頻率上都得以使用一樣高的最大記錄電平。另一個是實際消除在播放聲音時，雜訊和非線性的影響。

當最低訊號強度或沒有訊號的情況下，Dolby SR 會使用固定的增益/頻率特性，可將噪聲和其他低強度干擾降低 25 dB。 只有在部分訊號頻譜的強度有顯著增加時，電路才能自行調整其自身頻譜特性。 在這種狀況下，Dolby SR 只會在需要更動的頻率上改變其增益，並且只改變所需的量。

背景

當使用標準專業錄音機和15 ips的磁帶進行的類比聲音記錄時會如上圖所示。上下的灰色區域為訊號強度上限，與雜訊強度。這些強度都與頻率有關。而中間的白色區域便是可供記錄訊號的區域。當調整輸入訊號增益值時，即使盡可能減少被裁切的狀況下，對某些頻率而言，仍有相當大的頂部空間可供使用。

     

在早期的 Dolby 降噪系統中，會使用壓縮擴展器（compander, compressor and expander，壓縮器和擴展器）來提升記錄系統的可用動態範圍。例如最早期的 Dolby A，便將整個頻譜區分為四個頻帶。依每個頻帶中的訊號強度；如果此強度低於固定閾值，則在錄製時會將其進行強化，並在播放時中將其減弱；反之亦然。 (上圖：左上：Dolby A 頻帶分佈。右上：原始錄影訊號。左下：編碼錄製訊號。右下：解碼播放訊號) Dolby A型使用的強化增益基本上為10 dB，在高頻時能到15 dB，但事實上還有相當多的空間。

另一個重要的關鍵在於不同頻率的可用動態範圍會有相當大的差異。上圖為人耳聽力系統窗口 (上黑區為疼痛區，下黑區為無感區) 與錄音系統極限的組合。這張圖顯示，錄音系統中的低強度雜訊在聽覺最敏感的中頻範圍內才能被聽到。且當這些噪訊能降低 20-25 dB，就可以降到無感等級。而在很低和很高的頻率時，錄音系統中的可用的動態範圍是相對較少的。但是，可供錄音的動態範圍相較於聽覺有感的動態範圍要大。 因此，如果可以透過對應不同頻率時，使用不同的增益設置，則可以大大擴展錄音時的有效動態範圍。

效果

依不同狀況，Dolby SR 會有不同的效果：

1. 低訊號強度

抑制雜訊和其他低強度記錄缺陷的最簡單方法是在錄音時使用盡可能高的增益。 最好的狀況是，在頻譜的每個部分中都使用最佳的增益。因此，只要訊號強度保持在某個閾值以下，基本上相當於在記錄時套用某個特定的等化器。 反之，播放時再套用反相的等化器，而背景雜訊便會依反相的等化器的強度被縮減。下圖中，灰區為典型磁帶雜訊在頻譜上的分佈，而黑區為透過 Dolby SR 固定等化曲線處理後的雜訊分佈。

2. 中訊號強度

如果訊號在頻譜上的某部分超過一定強度，則必須調整其增益，以確保不會發生爆掉。Dolby SR 的主要機制是一組十個具有平緩斜率的固定和移動的帶狀濾波器。如同等化器一樣，固定頻率的濾波器會透過電子控制改變其增益值；而具備固定增益的移動濾波器，可以被調整以覆蓋不同的頻率範圍。透過這些組合，Dolby SR 的控制電路可以產生無限多種的等化曲線。訊號在記錄之前會通過這些濾波器，並在播放時，套用完全相反的濾波器。

透過對訊號頻譜的連續分析，和稱為動作替換的過程，來控制濾波器的選擇和調整。動作替換被用來確立兩種過濾器中何者做為主導，以及如何調整每種濾波器，以產生如下圖的最佳的等化曲線。且系統也被設計為盡可能少地偏離無訊號時的固定等化曲線，以盡可能降低對訊號進行處理。

 

3. 高訊號強度

當訊號頻譜中出現高強度訊號時，Dolby SR會出現類似下圖的特性。在這個例子中，Dolby SR 會在強音量出現的頻率及其周圍區域降低錄音時的增益，以防止爆掉。除此之外，Dolby SR 的等化曲線會回到低訊號強度時的固定特性。 如果聽到未解碼的 Dolby SR 錄音時，這種狀況會有點類似未經過任何動態處理的狀況。

3.1. 掩蔽效應

如同白天時，陽光會讓眼睛看不見星光。在同時有高低強度的音源出現時，人的耳朵和大腦也會忽略掉低強度的聲音，這樣的效應被稱為「掩蔽」。這種狀況不只在空間上，也會發生在頻譜上。

在掩蔽效應產生時，高強度的訊號會使得人耳的在這個頻率周圍的聽覺閾值被提高，如下圖，靠近強音周圍的無感區會增加。在這種狀況下，會產生心理聲學的“陰影”，接近這個頻率的低強度聲音就聽不到了。Dolby SR 的等化曲線會隨著訊號頻譜的改變而進行變化，盡可能在每個頻率都保持最高的增益。但在這個狀況下，掩蔽區域則不需要提高增益。因為人腦會自行進行降噪。

4. 減少系統錯誤

Dolby SR 的另一個特性是頻譜偏斜 (Spectral skewing)，可以降低極低和極高頻率下的輸入訊號強度。 當磁帶與磁頭的接觸和方位角未正確對齊，可能會造成高頻響應的不穩定。磁頭部裝或磁帶位置不準也會影響低頻。這些效應未必可被聽見，但它們可能會干擾其他訊號處理系統的運行。透過頻譜偏斜，可降低後續處理系統對這類效應的敏感，以減少系統失誤。

5. 過飽和保護 (anti-saturation)

Dolby SR 電路中包含專門設計用於在低頻和高頻下處理極高強度的功能。訊號處理路徑如下左圖，低強度訊號會進入動態處理。當訊號強度增加，則切換為過飽和保護路徑，不進行動態處理。但過飽和保護路徑中，有高頻和低頻衰減，如下右圖，以提供更多的頂部空間，以保持訊號後續處理空間。

類比, 數位與 Dolby SR 錄音比較

當將人類的聽覺極限與不同錄音系統極限的疊合後，能用來比較其靜態性能：

無特別輔助的類比磁帶錄音，在高、低頻的頂部空間受限，中頻則可以聽到相當大的雜訊。

數位錄音的特點是絕對的裁切強度和雜訊在頻譜的分佈不佳。數位系統的雜訊剛好在聽覺最敏感的頻段出現。 而且數位系統中產生的雜訊並非隨機，因此對耳朵特別敏感。在處理時可能會透過增加顫抖雜訊 (dither) 的方式來模糊這個效應，但缺點是會讓雜訊強度再上升。

使用標準磁帶和專業錄音機在使用 Dolby SR 時的理論數值。除非播放時使用極大的增益，否則最底部的雜音幾乎不明顯，但在這種情況下，音量峰值會接近或超過聽覺的疼痛極限。通常，使用 Dolby SR 的工作室所產生的錄音中，聽到的雜訊來源可能是麥克風或電子樂器放大器，及控制台電子設備。

參考資料

本文所有圖片與文字出自或編改自： "DD Dolby SR, Dolby Spectral Recording, What It Is and What It Does," Dolby Laboratories 1987.