ЗВУКОВОЙ ПРОЦЕССОР

Полезная модель относится к звуковоспроизводящей аппаратуре, а более конкретно, к звуковым процессорам используемым для коррекции частотных и фазовых искажений, возникающих при записи и при воспроизведении аудиопродукции с носителей, использующих цифровую запись, в том числе, цифровую запись с применением алгоритмов сжатия с частичной потерей информации. К таким аудионосителям относятся, в частности, CD и DVD носители с аудиозаписями в различных цифровых форматах.
Звуковые процессоры представляют собой класс радиотехнических устройств, которые используются, преимущественно, для обработки сигналов, поступающих с различных звуковоспроизводящих устройств. Как правило, каждый такой прибор осуществляет какой-либо один вид обработки. Например, компрессор и гейт - осуществляют динамическую обработку входного сигнала, эквалайзер - частотную и т.д.
Таким образом, создаются условия для прослушивания, при которых звучание фонограммы (воспроизводимой, например, с компакт-диска) приближается к естественному звучанию фонограммы, первоначально записанной в студии. Такую первичную фонограмму обычно называют «мастер-пленка», реже «мастерлента» (mastertape) и используют при дальнейшем тиражировании записи.
Многие из звуковых процессоров в своей работе используют такие особенности человеческого слуха, связанные, например, с бинауральным восприятием звуковых сигналов или с интегрирующими свойствами слуха и др.
Одни звуковые процессоры осуществляет обработку сигналов без изменения их пространственных характеристик. То есть они сохраняют исходную монофоничность или стереофоничность входного сигнала. Другие звуковые процессоры предназначены, именно, для изменения "стереофоничности" сигналов: для расширения стереообраза, создания различного рода "псевдостереоэффектов" и т.д. Такие эффекты получаются при совместной обработке обоих сигналов стереопары.
Большинство из звуковых процессоров, осуществляющих столь сложную и разноплановую обработку сигналов, представляют собой цифровые устройства. Среди наиболее известных звуковых процессоров такого типа можно назвать, например, двухканальный процессор мультиэффектов Alesis Microverb 4 (см. статью  - опубл. 01.03.2007 г.), реализующий большое количество различных программ обработки, включая реверберацию, хорус, задержку, имитацию вращающихся динамиков, MIDI-модуляцию и т.п. Звуковые процессоры Shure DFR-22 (см. статью http://www.audiohouse.ru/cash/info/6201.html - опубл. 25.06.2007 г.) и Digisynthetic DSP 9000 (см. статью http://www.audiohouse.ru/cash/info/6203.html - опубл. 19.06.2006 г.), выполняют эквализацию АЧХ системы, коррекцию задержки сигнала и многие другие функции.
К общим недостаткам цифровых звуковых процессоров можно отнести внесение дополнительных искажений звукового сигнала, связанных с его цифровой обработкой в таком процессоре и проявляющихся в форме так называемых «цифровых шумов» - шумовых помех, которые засоряют полезный сигнал, значительно увеличивая гармонические искажения (см. статью «Аналог и цифра - pro и contra звуковой техники» по адресу: http://www.show-master.ru/articles/master/29-150.shtml - опубл. 27 мая 2003 г.).
Известен звуковой процессор предназначенный для коррекции амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) тракта звуковоспроизведения, содержащий несколько параллельных усилительных каналов и микрофонный блок, состоящий из микрофонного усилителя и полосовых фильтров; каждый усилительный канал состоит из полосового фильтра, идентичного соответствующему фильтру микрофонного блока, усилителя с регулируемым коэффициентом усилителя и схемы управления; для автоматической коррекции АЧХ тракта звуковоспроизведения используется эталонный сигнал с заранее известным спектром, записанный в паузах между фонограммами, в результате анализа реального спектра которого устраняются линейные частотные искажения фонограммы, обусловленные технологией ее записи, звуковым трактом и субъективной ошибкой пользователя, возникающей при ручной регулировке тембра; таким образом создаются условия для прослушивания, при которых звучание фонограммы приближается к естественному звучанию первоисточника звука, записанного на фонограмму. (см. патент РФ №2022370, кл. G11B 27/36, оп. 30.10.94).
Известный звуковой процессор автоматически компенсирует линейные искажения, вносимые в спектр фонограммы трактом звуковоспроизведения, и линейные искажения, возникающие в процессе эксплуатации носителя фонограммы. Его преимущество состоит в том, что его применение освобождает пользователя от необходимости сложной регулировки АЧХ тракта звуковоспроизведения, как это требуется в многополосных эквалайзерах.
Недостатком данного устройства является сложность схемной реализации, а также необходимость формирования эталонного сигнала, который должен быть различным для разных записей, выполненных на различном звукозаписывающем оборудовании и подвергшихся оцифровыванию с использованием различных как по типу сжатия, так и по степени сжатия алгоритмов. Таким образом, известный звуковой процессор требует специальной технологии записи фонограмм и не может
использоваться для воспроизведения большинства звукозаписей, выполненных по стандартной технологии.
Известен также звуковой процессор (адаптивный эквалайзер), содержащий управляемый темброблок и блок управления, управляемый темброблок выполнен n-полосным, блок управления выполнен n-канальным, каждый канал которого служит для управления темброблоком только в одной полосе частот, к n-полосному информационному входу блока управления подключены n полосовых выходов темброблока, служащих для раздельного вывода информации в каждой полосе частот, а n-полосный эталонный вход блока управления является эталонным входом процессора, служащим для задания формы спектра выходного сигнала (патент РФ №2237964, кл. H03G 5/16, оп. 10.10.2004 г.). Сигналы, снимаемые с выходов усилителей и несущие информацию о распределении энергии в анализируемом диапазоне сравниваются с эталонными сигналами либо по средней мощности, либо по среднеквадратическим или по средневыпрямленным значениям. В любом случае, на выполнение операции осреднения сигналов требуется определенное и вполне ощутимое время. Поэтому корректирующее воздействие в известном устройстве всегда запаздывает при изменении спектра воспроизводимого сигнала и это запаздывание будет тем больше, чем более динамично будут изменяться частотные составляющие в воспроизводимой звукозаписи. В конечном счете, это негативно сказывается как на соотношении уровней высокочастотных и низкочастотных составляющих в воспроизведенном звуковом сигнале, так и на ширине диапазона воспроизводимых частот.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому устройству является звуковой процессор (максимайзер), содержащий управляемый темброблок, фильтр высоких частот (ФВЧ), полосовой фильтр (ПФ) и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом темброблока, выход которого является выходом процессора, входом
которого служат объединенные входы ФВЧ, ПФ и темброблока, выходы ФВЧ и ПФ подключены к информационным входам блока управления (Чернецкий М. Психоакустические процессоры. - Звукорежиссер, 2002, №4, стр.4).
Звуковой процессор-прототип анализирует спектр входного сигнала и в зависимости от соотношения энергий в высокочастотной и среднечастотной областях спектра усиливает либо ослабляет высокочастотные составляющие. Таким образом, удается в автоматическом режиме поддерживать в определенном соотношении баланс между среднечастотной и высокочастотной частями диапазона выходного сигнала, независимо от спектральных свойств входного сигнала.
Известный звуковой процессор обладает ограниченными возможностями корректирования воспроизводимого сигнала, поскольку корректирование осуществляется лишь в высокочастотной части спектра выходного сигнала, не затрагивая его низкочастотной части. Поскольку параметры коррекции в низкочастотной части спектра воспроизводимого сигнала задаются слушателем произвольно, в результирующем сигнале заведомо искажается исходное соотношение низкочастотных и высокочастотных составляющих, присущих записываемому источнику звука. Таким образом, недостатком известного звукового процессора является суженный частотный диапазон коррекции входного сигнала, а также сниженная достоверность воспроизведения исходной звукозаписи.
При создании полезной модели авторами решалась задача создания звукового процессора, лишенного недостатков вышеописанных цифровых моделей и, одновременно, обеспечивающего такую амплитудно-частотную и фазо-частотную обработку одного сигнала стереопары, которая носила бы универсальный характер для звукозаписей, воспроизводящихся с различных по типу носителей цифровой звукозаписи. При этом, подразумевается, что для обработки второго сигнала стереопары используется другой аналогичный
звуковой процессор. Причем, для обеспечения высокого качества воспроизведения звукозаписей, характеристики звуковых процессоров, установленных в каналах стереопары, должны быть практически идентичны или могут различаться крайне незначительно.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает технический результат, заключающийся в расширении частотного диапазона коррекции входного сигнала, сопровождающейся повышением достоверности воспроизведения исходной звукозаписи для широкого набора носителей цифровой звукозаписи.
Под достоверностью воспроизведения исходной звукозаписи, в данном случае, понимается максимальное соответствие амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик сигнала на выходе данного процессора аналогичным параметрам исходного оригинала, т.е. сигнала, который первоначально был записан в студии на мастер-ленту, а затем подвергнут аналого-цифровому преобразованию с последующей записью на носитель цифровой записи.
Указанный технический результат достигается тем, что в звуковой процессор, содержащий фильтр верхних частот, введены фильтр нижних частот, буферный каскад, первый, второй и третий аттенюаторы, а также сумматор, выход которого связан с выходом звукового процессора, первый вход сумматора связан с выходом первого аттенюатора, второй вход сумматора связан с выходом второго аттенюатора, вход которого связан с выходом фильтра нижних частот, третий вход сумматора связан с выходом третьего аттенюатора, вход которого связан с выходом фильтра верхних частот, входы первого аттенюатора, фильтра нижних частот и фильтра верхних частот связаны с выходом буферного каскада, вход которого является входом звукового процессора, при этом, частотные настройки фильтра нижних частот, фильтра верхних частот, а также значения коэффициентов передачи первого, второго и третьего аттенюаторов
выбраны такими, что амплитудно-частотная характеристика звукового процессора, приведенная к значению 0 дБ на частоте 1 кГц, в диапазоне частот 80 Гц - 25 кГц вписывается в коридор, верхней границей которого является ломаная, соединяющая точки указанной амплитудно-частотной характеристики с координатами (80 Гц; +9 дБ), (170 Гц; +9 дБ), (600 Гц; +2 дБ), (3,5 кГц; +2 дБ), (25 кГц; +7 дБ), а нижней границей коридора - ломаная, соединяющая точки с координатами (80 Гц; +2 дБ), (170 Гц; -3 дБ), (6 кГц; -3 дБ), (25 кГц; +0,5 дБ), при этом указанная амплитудно-частотная характеристика имеет устойчивый подъем 1-6 дБ на октаву в сторону низких частот вплоть до частоты 80 Гц с началом указанного устойчивого подъема в диапазоне частот от 1 кГц до 100 Гц, а также устойчивый подъем 1,5-2 дБ на октаву в сторону высоких частот вплоть до частоты 25 кГц с началом указанного устойчивого подъема в диапазоне частот от 2,5 кГц до 6 кГц.
Выполнение сумматора на операционном усилителе по схеме инвертирующего сумматора, а также использование в качестве аттенюаторов частотно-независимых резисторов, последовательно установленных в каждой из входных цепей сумматора, сумматора, и резистора, установленного в цепи отрицательной обратной связи операционного усилителя, позволяет упростить схему звукового процессора, что дополнительно способствует уменьшению взаимного влияния настроек фильтра нижних частот и фильтра верхних частот, а также взаимного влияния настроек аттенюаторов.
Выполнение сумматора и буферного каскада инвертирующими позволяет дополнительно уменьшить нелинейные и интермодуляционные искажения, а также исключить влияние конечного входного сопротивления операционного усилителя на точность операции суммирования.
На чертежах представлен предлагаемый звуковой процессор. На фиг.1 показана структурная схема звукового процессора. На фиг.2 показана схема сумматора, выполненного на операционном усилителе. На фиг.3 показана
амплитудно-частотная характеристика звукового процессора, выполненного в соответствии с полезной моделью.
Звуковой процессор содержит буферный каскад 1 с высоким входным сопротивлением (порядка нескольких десятков кОм) и низким выходным сопротивлением (порядка нескольких десятков Ом). Вход буферного каскада 1 является входом звукового процессора и предназначен для подключения, например, к выходу каскада предварительного усиления звуковоспроизводящего устройства, следующему за блоками декодирования цифрового формата аудиозаписи и цифро-аналогового преобразования. В роли звуковоспроизводящего устройства может выступать, в частности, проигрыватель компакт-дисков или DVD проигрыватель, а также МР-3 плеер. Выход буферного каскада 1 связан со входами фильтра 2 нижних частот, фильтра 3 верхних частот и первого аттенюатора 4. Выход фильтра 2 нижних частот связан со входом второго аттенюатора 5, а выход фильтра 3 верхних частот связан с выходом третьего аттенюатора 6. Выходы первого, второго и третьего аттенюаторов 4, 5 и 6 связаны, соответственно, с первым, вторым и третьим входами сумматора 7, выход которого связан с выходом звукового процессора, который предназначен для подключения к последующим каскадам звуковоспроизводящей аппаратуры, например, ко входу усилителя мощности звукоусилительной аппаратуры.
Буферный каскад 1, фильтры 2 и 3, аттенюаторы 4, 5 и 6 (предпочтительно, частотно-независимые), а также сумматор 7 выполнены аналоговыми, т.е. без дополнительной процедуры преобразования входного сигнала в цифровую форму и обратно с неизбежными дополнительными потерями.
В частном случае выполнения, сумматор 7 (см. фиг.2) выполнен на операционном усилителе 8 по схеме инвертирующего сумматора, а в качестве аттенюаторов использованы частотно-независимые резисторы 9, 10 и 11, последовательно установленные в каждой из входных цепей сумматора и резистор 12, установленный в цепи отрицательной обратной связи
операционного усилителя. В этом случае, коэффициент передачи, например, аттенюатора 4 определяется выбором отношения сопротивлений резистора 12 и резистора 9. Соответственно, для аттенюатора 5 - выбором отношения сопротивлений резисторов 12 и 10, а для аттенюатора 6 - выбором отношения сопротивлений резисторов 12 и 11.
При выполнении сумматора по схеме с инвертированием входных сигналов и буферный каскад должен быть выполнен инвертирующим, при условии, что фильтры 2 и 3 не осуществляют инвертирования сигнала. Это означает, что в результате прохождения сигнала через весь тракт звукового процессора, на выходе процессора этот сигнал не должен стать инвертированным.
Аттенюаторы 4, 5 и 6, независимо от их схемного решения, выполнены с возможностью изменения коэффициентов передачи, в частности, за счет использования регулировочных или дискретно подбираемых элементов. Аналогично, фильтры 2 нижних частот и 3 верхних частот, выполнены с возможностью изменения их частотных настроек.
Частотные настройки фильтра нижних частот, фильтра верхних частот, а также значения коэффициентов передачи первого, второго и третьего аттенюаторов выбраны такими, что результирующая амплитудно-частотная характеристика 13 звукового процессора (см. фиг.3, где оси абсцисс отложены значения частот f преобразуемого сигнала в Гц, а по оси ординат - значения коэффициентов передачи К звукового процессора в децибелах - дБ), приведенная к значению 0 дБ на частоте 1 кГц, в диапазоне частот 80 Гц - 25 кГц вписывается в коридор, верхней границей которого является ломаная 14, соединяющая между собой точки с координатами (80 Гц; +9 дБ), (170 Гц; +9 дБ), (600 Гц; +2 дБ), (3,5 кГц; +2 дБ), (25 кГц; +7 дБ), а нижней границей коридора - ломаная 15, соединяющая между собой точки с координатами (80 Гц; +2 дБ), (170 Гц; -3 дБ), (6 кГц; -3 дБ), (25 кГц; +0,5 дБ), при этом указанная амплитудно-частотная характеристика 13 имеет устойчивый подъем 1-6 дБ на октаву в сторону низких частот вплоть до частоты 80 Гц с
началом указанного устойчивого подъема в диапазоне частот от 1 кГц до 100 Гц, а также устойчивый подъем 1,5-2 дБ на октаву в сторону высоких частот вплоть до частоты 25 кГц с началом указанного устойчивого подъема в диапазоне частот от 2,5 кГц до 6 кГц.
Амплитудно-частотная характеристика 13 считается вписанной в указанный коридор, если все ее точки в рамках частотного диапазона, охватываемого коридором, лежат ниже верхней границы коридора и выше его нижней границы.
Предложенный звуковой процессор работает следующим образом.
Входной сигнал поступает на вход буферного каскада 1, в котором он не подвергается каким-либо изменениям. Буферный каскад 1 обладает высоким входным сопротивлением, благодаря чему минимально нагружает предшествующие звуковому процессору каскады звуковоспроизводящего устройства, и низким выходным сопротивлением, чем обеспечивается минимизация взаимного влияния регулировок следующих за буферным каскадом цепей звукового процессора. С выхода буферного каскада 1 сигнал поступает на первый аттенюатор 4, где он подвергается линейному преобразованию амплитуды. Одновременно, сигнал с выхода буферного каскада 1 поступает на входы фильтров 2 НЧ и 3 ВЧ. Фильтр 2 НЧ осуществляет отделение низкочастотной части спектра входного сигнала. Фильтр 3 ВЧ осуществляет отделение высокочастотной части спектра входного сигнала. Сигналы с фильтров 2 НЧ и 3 ВЧ через второй и третий аттенюаторы 5 и 6 (функции которых аналогичны функции первого аттенюатора 4) поступают, соответственно, на второй и третий входы сумматора 7, который осуществляет сложение сигналов.
Первый, второй и третий аттенюаторы 4, 5 и 6, предпочтительно, выполняются частотно-независимыми и, поэтому, при прохождении через них, соответственно, сигнала с выхода буферного каскада 1, а также сигналов с выходов фильтров 2 НЧ и 3 ВЧ, с последующим суммированием всех трех сигналов на сумматоре 7, изменения частотного состава выходного сигнала
по сравнению с частотным составом входного сигнала определяются только воздействием фильтров 2 НЧ и 3 ВЧ.
При выполнении сумматора по схеме, показанной на фиг.2 выполнение резисторов 9, 10, 11 и 12 частотно-независимыми обеспечивает необходимую точность операции суммирования вне зависимости от спектрального состава входного сигнала.
С выхода сумматора 7 снимается откорректированный сигнал со спектром, более близким к спектру сигнала, поступающего на устройство записи на цифровой носитель с использованием процедур аналого-цифрового преобразования и последующего оцифровывания (шифрования) со сжатием, чем спектр сигнала, снимаемого с цифрового носителя и подвергнутого дополнительным процедурам дешифрования и обратного цифро-аналогового преобразования.
При первоначальной настройке звукового процессора используют генератор звуковых сигналов (с постоянной амплитудой сигнала, например, 1 В) фиксированных частот, значения которых охватывают рабочий диапазон частот настоящей полезной модели, т.е., по меньшей мере, диапазон от 80 Гц до 25 КГц, где регламентируется положение амплитудно-частотной характеристики звукового процессора. В указанном диапазоне частот производят частотную настройку фильтров 2 и 3, а также подстройку коэффициентов передачи аттенюаторов 4, 5 и 6, таким образом, чтобы полученная амплитудно-частотная характеристика 13 звукового процессора вписывалась в коридор, верхней границей которого является ломаная 14, соединяющая точки с координатами (80 Гц; +9 дБ), (170 Гц; +9 дБ), (600 Гц; +2 дБ), (3,5 кГц; +2 дБ), (25 кГц; +7 дБ), а нижней границей коридора - ломаная 15, соединяющая точки с координатами (80 Гц; +2 дБ), (170 Гц; -3 дБ), (6 кГц; -3 дБ), (25 кГц; +0,5 дБ), проходя через значение 0 дБ на частоте 1 кГц (т.е. она должна быть приведена к указанному значению на этой частоте). При этом указанная амплитудно-частотная характеристика 13 имеет устойчивый подъем 1-6 дБ на октаву в сторону низких частот вплоть до
частоты 80 Гц с началом указанного устойчивого подъема в диапазоне частот от 1 кГц до 100 Гц, а также устойчивый подъем 1,5-2 дБ на октаву в сторону высоких частот вплоть до частоты 25 кГц с началом указанного устойчивого подъема в диапазоне частот от 2,5 кГц до 6 кГц.
Поскольку на положение результирующей АЧХ 13 в средней части звукового диапазона влияют и настройки фильтра 2 нижних и настройки фильтра 3 верхних частот (как и регулировки аттенюаторов 4, 5 и 6), указанного положения АЧХ звукового процессора добиваются методом последовательных приближений.
Конструктивно акустический процессор может быть выполнен как самостоятельное изделие (т.е. в виде отдельного блока), так и как модуль или плата, интегральная микросхема, встраиваемые в звуковоспроизводящие устройства (на выходе из цифро-аналогового преобразователя звуковоспроизводящей аппаратуры, предварительный усилитель, интегральный усилитель, «активную акустику» и т.п.).
Причинно-следственная связь между признаками заявленного устройства и достигаемым техническим результатом основана на том, что, как показал опыт авторов, параллельная обработка сигнала независимыми аналоговыми фильтрами низкой и высокой частот, в отличие от обработки только фильтром высокой частоты в прототипе, обеспечивает повышение достоверности воспроизведения исходной звукозаписи в более широком звуковом диапазоне. Это функционально эквивалентно восстановлению в выходном сигнале звукового процессора частотных и фазовых соотношений между его составляющими, наиболее полно соответствующих таким соотношениям в исходной звукозаписи (например, на так называемой мастер-ленте) до ее преобразования в цифровой формат, записи на носитель и последующего обратного цифроаналогового преобразования. Авторами было установлено, что такое восстановление частотных и фазовых
характеристик сигнала в широком диапазоне частот без внесения дополнительных искажений возможно только в том случае, если амплитудно-частотная характеристика звукового процессора, приведенная к значению 0 дБ на частоте 1 кГц, будет вписываться в определенный авторами опытным путем коридор значений с верхней и нижней границами, оговоренными авторами в формуле полезной модели. Еще одним необходимым условием получения заявленного результата является требование, чтобы указанная амплитудно-частотная характеристика имела устойчивый подъем 1-6 дБ на октаву в сторону низких частот вплоть до частоты 80 Гц с началом указанного устойчивого подъема в диапазоне частот от 1 кГц до 100 Гц, а также второе требование, чтобы она имела также устойчивый подъем 1,5-2 дБ на октаву в сторону высоких частот вплоть до частоты 25 кГц с началом указанного устойчивого подъема в диапазоне частот от 2,5 кГц до 6 кГц.
При выходе амплитудно-частотной характеристики звукового процессора за рамки этого коридора, а также при невыполнении требований, нормирующих устойчивый подъем характеристики в области низких и в области высоких частот, достоверность воспроизведения исходной звукозаписи в диапазоне воспроизводимых частот либо снижается, либо не увеличивается. Более того, за пределами указанного коридора возможно возникновение искажений (нелинейных, частотных и фазовых) результирующего аудиосигнала, не присущих исходной звукозаписи. Все изложенное выше подтверждает, что в формуле полезной модели содержатся признаки, необходимые для достижения заявленного технического результата, а всей совокупности признаков вполне достаточно для этого. Указанный коридор был получен экспериментально путем сравнения звуковых характеристик первоначальной аудиозаписи, полученной в студии, со звуковыми характеристиками аудиосигнала, полученного после оцифровывания (в частности, по алгоритмам со сжатием, приводящим к частичной потере информации, например, путем
преобразования записи в формат МР 3) первоначальной аудиозаписи, переноса ее в этом формате на носитель аудиозаписи с последующим воспроизведением (сопровождающимся декодированием записи из цифрового формата в аналоговый) на высококачественной аудиоаппаратуре, в звукоусилительный тракт которой был включен предлагаемый звуковой процессор. Проведенное при этом сопоставление спектра сигнала на выходе звукового процессора со спектром сигнала, полученного после моделирования обработки, используемой в прототипе, показало значительное расширение частотного диапазона коррекции входного сигнала, сопровождающейся повышением достоверности воспроизведения исходной звукозаписи. Описанные эксперименты дали устойчивое повторение технического результата для широкого набора носителей цифровой звукозаписи.