УСТРОЙСТВО ШУМОПОДАВЛЕНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ СВЯЗИ

Устройство относится к звукоподводной и радио связи и является обязательным элементом станций связи, повышающим удобство, безопасность и эффективность работы водолаза, устраняя постоянное воздействие на водолаза различных шумов.
Известно «Устройство шумопонижения звуковых сигналов», патент РФ №2474956 публ. 10.02.2013 г. на изобретение «Способ и устройство шумопонижения звуковых сигналов», которое содержит генератор несущей частоты, амплитудный детектор, однополосный модулятор, вход модулирующего сигнала которого является входом устройства, вход несущей частоты соединен с выходом генератора несущей частоты, а выход соединен с входом амплитудного ограничителя, совмещенного с фильтром низких частот, двухпороговый компаратор, частотный детектор и перемножитель сигналов, выход которого является выходом устройства, дополнительно снабженным полосовым фильтром, фильтром нижних частот и линией задержки, причем амплитудный ограничитель, частотный детектор, полосовой фильтр, амплитудный детектор, фильтр низких частот, двухпороговый компаратор и перемножитель сигналов соединены последовательно, а второй вход перемножителя через линию задержки соединен со входом устройства.
Устройство реализует способ шумопонижения, базирующийся на анализе уровня шума в диапазоне частот выше звукового диапазона, сравнении его с порогом и разрешении прохождения сигнала на выход (например, на телефон) при уменьшении величины сигнала высоких частот ниже заданного порога и запрете прохождения сигнала на выход в остальных случаях.
Недостатком устройства является неэффективность его использования в связных станциях с однополосной модуляцией из-за отсутствия частотного интервала, в котором возможно выделение «чистого шума», так как спектр речи и шума полностью перекрываются.
Известен ряд устройств - динамических шумоподавителей, базирующихся на различных алгоритмах, например, спектрального вычитания [патент США US7209567 ((Communication system with adaptive noise suppression)) - Система связи с адаптивным подавлением шума-публикация 24.04.2007 г.], винеровской адаптивной фильтрации шума [патент США US5706395 «Adaptive weiner filtering using a dynamic suppression factor» - Адаптивная винеровская фильтрация с использованием динамического коэффициента подавления - публикация 01.06.1998 г.], однако такие устройства не обеспечивают основной функции шумоподавления в связных станциях, а именно полного отключения шума от телефонов при отсутствии речи.
Устройством наиболее близким по принципу действия к заявляемому устройству является «Шумоподавитель» по а.с. №758532 опубл. 23.09.80, который содержит заграждающий фильтр, между входом и выходом которого включен аттенюатор, а ко входу подключено n, где (n>2) каналов подавления, каждый из которых состоит из последовательно соединенных полосового фильтра и детектора, а для повышения помехоустойчивости между выходами всех каналов подавления и управляющим входом аттенюатора включены последовательно соединенные сумматор, усилитель постоянного тока, пороговый элемент, селектор максимального уровня, другие входы которого подключены к выходам каналов подавления, и элемент сравнения, другой вход которого соединен с выходом сумматора.
В устройстве осуществляется анализ напряжения входного сигнала в нескольких частотных полосах (исходно коэффициенты передачи полосовых фильтров настроены так, чтобы выходные напряжения в каждой полосе при подаче шумового сигнала были одинаковыми). При одинаковых сигналах в каждой частотной полосе аттенюатор пропускает входной сигнал на выход (например, на телефоны); при определенном превышении напряжения в одних полосах, относительно других полос (сравнение с порогом) аттенюатор отключает входной сигнал.
Недостатком устройства является его зависимость от уровня входного сигнала из-за отсутствия элементов нормирования сигнала при его изменении, а также необходимость предварительной настройки коэффициентов передачи полосовых фильтров, применительно к ожидаемому спектру шума на входе устройства.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели «Устройство шумоподавления гидроакустической станции связи» является:
- повышение надежности работы устройства при изменениях уровня сигнала и шума;
- отсутствие настроечных операций;
- оптимизация схемотехнической реализации.
Для достижения этого результата предлагаемое устройство содержит полосовой фильтр, выход которого соединен со входом усилителя-ограничителя, выход усилителя ограничителя соединен со входами N идентичных каналов состоящих, каждый, из линии задержки, выход которой соединен с первым входом схемы совпадения, выход которой соединен со входом фильтра нижних частот, выход фильтра нижних частот соединен со входом схемы вычисления модуля, выход которой соединен со входом порогового устройства, выходы N пороговых устройств подключены к соответствующим N входам элемента ИЛИ, выход которого подключен ко входу формирователя гистерезиса, выход которого подключен к первому входу схемы умножения, второй вход которой подключен к выходу буфера, вход буфера подключен ко входу полосового фильтра, выход полосового фильтра подключен ко вторым входам схем совпадения.
Схемотехническая реализация устройства основана на применении корреляционного анализа сигнала с целью выделения речевых огласованных сообщений на фоне шума. Автокорреляционная функция R(τ) сигнала x(t) имеет вид:
где: τ - временной сдвиг, Т - время усреднения.
Для исключения влияния вариации уровня входного сигнала целесообразно перейти к знаковой (полярной) корреляционной функции Р(τ).
где sgnx=-1 при x<0; sgnx=+1 при x>0.
Полярная автокорреляционная функция (ПАКФ) связана с автокорреляционной соотношением:
Вычисление ПАКФ существенно проще вычисления и спектра и корреляционной функции R(τ) за счет применения двоичной логики.
Операция задержки реализуется, например, на сдвиговом регистре, операция умножения заменяется операцией логического умножения (элементы И, Исключающее ИЛИ-НЕ) и т.д.
Реализация технического решения устройства шумоподавления представлена на:
фиг. 1 - диаграммы представления ПАКФ слова и шума дыхания водолаза;
фиг. 2 - схема устройства шумоподавления;
фиг. 3 - работа корреляционного выделителя устройства;
фиг. 4 - осциллограмма работы устройства на реальных сигналах.
На фиг. 1 представлены усредненные за время около 500 мс ПАКФ слова «РАЗ» (справа) и шума дыхания водолаза (слева). На ПАКФ дыхания водолаза наложена линия усредненной ПАКФ шума его дыхания (пунктир). На фиг. 2 видно также, что максимумы и минимумы ПАКФ речи больше, чем величина ПАКФ шума, что позволяет сформулировать алгоритм обнаружения речи: определяется модуль ПАКФ в нескольких точках на оси временной задержки, число которых достаточно для перекрытия частотного диапазона речевого сигнала (а точнее - огласованных участков речи), сравнивается ПАКФ с порогом в каждой точке измерений на оси временной задержки, при превышении ПАКФ заданного порога, входной сигнал подключается на выход устройства (к телефону).
Структура устройства шумоподавления гидроакустической станции представлена на фиг.2 и состоит из полосового фильтра 1, усилителя-ограничителя 2, N идентичных каналов состав каждого из каналов включает линию задержки 3, схем совпадения 4, фильтр нижних частот 5, вычислитель модуля 6, пороговое устройство 7; умножителя 8, схемы «ИЛИ» 9, буфера 10, формирователя гистерезиса 11.
Устройство работает следующим образом: входной сигнал поступает на вход полосового усилителя 1, согласованного с полосой канала связи и на вход буфера 10, где производится его задержка на время, необходимое для принятия решения устройством. С выхода полосового усилителя сигнал поступает на вход усилителя-ограничителя 2, с выхода усилителя-ограничителя сигнал поступает на вход линии задержки 3 каждого из N каналов. С выхода линии задержки сигнал поступает на первый вход схемы совпадения 4, на второй вход схемы совпадения подается незадержанный сигнал с выхода усилителя-ограничителя 2. С выхода схемы совпадения сигнал поступает на фильтр нижних частот 5, на выходе которого формируется сигнал пропорциональный коэффициенту полярной автокорреляции в точке на оси временного сдвига, соответствующей временной задержке блока 3, разной для всех каналов. С выхода фильтра нижних частот 5 сигнал поступает на вычислитель модуля 6, а с его выхода на пороговое устройство 7. Порог в устройстве 7 установлен таким, чтобы не вызвать срабатывания от шума дыхания водолаза. В общем случае, водолаз (оператор) может его регулировать (на фиг.2 не показано). Сигналы с выходов пороговых устройств всех каналов через элемент «ИЛИ» 9 поступают на второй вход умножителя 8, к первому входу которого подключен выход буфера 10. При срабатывании порогового устройства любого из каналов, на входе умножителя появляется уровень 1, что приводит к появлению входного сигнала на выходе умножителя. В случае, если пороговые устройства заперты, на входе умножителя уровень равен 0 и входной сигнал на выход умножителя (и далее на телефоны) не проходит, обеспечивая тем самым шумоподавление. Формирователь гистерезиса 11 обеспечивает задержку заднего фронта управляющего сигнала для обеспечения прохождения слова на выход умножителя, в случае, когда гласный звук был не последним звуком в слове.
Работа корреляционного выделителя согласованного речевого сигнала устройства поясняется фиг. 3, на которой представлены результаты проверки работы выделителя при подаче на вход устройства шумоподавления имитационного сигнала со ступенчато изменяющейся частотой в заданном частотном диапазоне (в данном случае 300-900 Гц). Число каналов в устройстве шумоподавления в данном случае равно 4. Нужно отметить, что увеличение числа каналов с разными временами задержки позволяет повысить помехоустойчивость устройства за счет увеличения вероятности того, что ПАКФ одного из каналов имеет максимум при величине задержки, обратной из формантных частот входного речевого сигнала. С другой стороны увеличение числа каналов приводит к усложнению схемной реализации. На практике выбирают разумный компромисс, обеспечивающий заданную величину ложной тревоги (вероятности того, что схема включит трансляцию звука на телефоны при шумоподобном сигнале дыхания водолаза).
Время задержки в линиях задержки выбирается так, чтобы обеспечить в совокупности перекрытие заданного диапазона формантных частот речевого сигнала. Порог срабатывания порогового устройства 7 при испытаниях, результаты которых представлены на фиг. 3, выбран равным 0,5 от максимальной амплитуды ПАКФ.
Осциллограмма работы устройства на реальных сигналах нескольких операторов представлена на фиг. 4.
На треке 1 осциллограммы представлен входной сигнал, состоящий из слов, произносимых разными операторами. В промежутке между речью вставлены шумы дыхания водолазов. Слева - до шумов дыхания водолазов записаны мужские голоса разной высоты и тембра, справа - после шумов дыхания водолазов - женские голоса. На треке 11 представлен выходной сигнал устройства. На треках 111 - V1 представлены модули ПАКФ в каналах 1-4. Пороги срабатывания пороговых устройств 7 (фиг. 2) составляют величину 0.1 В, при величине напряжения клипирования входного сигнала 1 В. Отношение сигнал/помеха (ОСП) корреляционного выделителя речи при использовании N=4 каналов составляет величину от 1,5 до 4 при помехе типа «дыхание водолаза», при помехе типа «розовый шум» ОСП вырастает до величины 10 и более раз. Динамический диапазон работы устройства составляет не менее 60 дБ, без применения автоматической регулировки усиления.
Устройство используется с 2010 года в серийно выпускаемой СПбГМТУ станции гидроакустической связи СГС ДЛМК.365130.123-03 и показало надежную работу.
Таким образом, достигнут заявленный технический эффект, заключающийся в повышении надежности работы при изменениях уровня сигнала и шума; исключении настроечных операций; оптимизирована схемотехническая реализация устройства.