УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИМИТАЦИИ СИСТЕМЫ ШУМОПОДАВЛЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМИ ПРЕДЫСКАЖЕНИЯМИ
SIMULATION DEVICE OF NOISE SUPPRESSION SYSTEM WITH FREQUENCY PREDISTORTIONS

Область техники
Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для имитации системы шумоподавления статического типа с частотными предыскажениями в научных и учебных целях.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства.
Поставленная цель достигается введением таких возможностей, как имитация двухканальной системы шумоподавления, регулирование ее параметров и оценка воздействия изменения этих параметров на качество звукопередачи сигналов различного характера, для чего предыскажающий контур представляет собой совокупность последовательно соединенных регулируемых первого усилителя и фильтра верхних частот, подключенных выходом фильтра верхних частот к одному из входов второго сумматора, к другому входу которого подключен вход первого усилителя, являющийся входом всего предыскажающего контура, выходом этого контура является выход второго сумматора, также в состав тракта вещания введен третий сумматор, к одному из входов которого подключен вход предыскажающего контура, а к другому - источник помехи, к тому же восстанавливающий контур представляет собой совокупность параллельно соединенных входами регулируемых второго усилителя и фильтра нижних частот, выходы которых подключены к разным входам четвертого сумматора, выход сумматора образует выход всего восстанавливающего контура, кроме того, предыскажающий контур, тракт вещания и восстанавливающий контур образуют первый канал обработки и вещания, входом которого является вход предыскажающего контура, а два его выхода образуют выходы восстанавливающего контура и третьего сумматора, также в состав устройства введен идентичный первому второй канал обработки и вещания, при этом каждый из двух выходов обоих каналов обработки и вещания подключен к отдельному входу введенного мультиплексора, коммутацией которых управляет введенный источник сигнала управления, подключенный к отдельному входу управления мультиплексором, два выхода мультиплексора образуют два выхода всего устройства, а входы обоих каналов обработки и вещания образуют два его входа.
Описание аналогов
Системы шумоподавления широко применяются в трактах радиовещания, в аппаратуре записи-воспроизведения сигналов звуковой частоты, в том числе с использованием цифровой формы представления сигналов, с целью улучшения отношения сигнал/помеха.
Примером построения системы шумоподавления может послужить финальный процессор с динамическими предыскажениями, используемый в стереофоническом ЧМ-вещании [1, с. 84-85, рис. 5.21]. Устройство содержит последовательно соединенные фильтр верхних частот и усилитель, управление коэффициентом передачи которого осуществляет его выходной сигнал, прошедший выпрямление и сравнение с опорным напряжением, выход усилителя подключен к одному из входов сумматора, к другому входу сумматора подключен входной сигнал устройства, выход сумматора является выходом устройства. Устройство способно автоматически изменять степень подъема своей амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в области высоких частот, чем вносить частотные предыскажения, зависящие от динамического диапазона сигнала.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата, относится то, что, несмотря на присутствие способности изменения коэффициента передачи усилителя в зависимости от уровня входного сигнала, оно происходит автоматически, к тому же в основе формирования АЧХ фильтра верхних частот лежат результаты исследований частотной зависимости спектральной плотности сигналов акустических музыкальных инструментов, проведенные в прежние годы, что при значении постоянной времени цепи коррекции, принятом равным 50 мкс, обеспечивало эффективное подавление шумов, не сопровождающееся перегрузкой тракта. В настоящее время при формировании аудиопрограмм для передачи по тракту звукового вещания или звукозаписи широко применяются электронные музыкальные инструменты и цифровые фонограммы, имеющие большой динамический диапазон, что приводит к перегрузкам тракта даже на «тихих» участках фонограммы при введении предыскажений. Устранение указанной проблемы требует проведения исследований по оптимизации параметров цепей коррекции для качественной передачи сигналов фонограмм, полученных с помощью современных электронных технологий записи и мастеринга, в том числе синтезированных сигналов, чьи статистические характеристики весьма разнообразны. Однако известное устройство, принятое за аналог [1, с. 84-85, рис. 5.21], не предоставляет возможности для проведения таких исследований.
Описание прототипа
Наиболее близким решением того же назначения по совокупности признаков является устройство, представляющее собой систему шумоподавления статического типа с частотными предыскажениями [2, 380-383, рис. 11.30]. Система такого типа вводит подъем уровня высокочастотных составляющих сигнала при передаче или записи с помощью предыскажающего контура с последующей коррекцией при приеме или воспроизведении с использованием восстанавливающего контура. В результате совместного действия указанных контуров частотных искажений не возникает, но уменьшается влияние шумовых спектральный составляющий на выходной сигнал устройства.
Устройство содержит источник помехи и последовательно соединенные предыскажающий контур, тракт вещания и восстанавливающий контур, при этом тракт вещания представляет собой первый сумматор, к одному из входов которого подключен выход предыскажающего контура, к другому - источник помехи, а к выходу - вход восстанавливающего контура. Частотные предыскажения как средство уменьшения влияния помех, имеющих равномерно распределенный спектр, заключается в том, что в тракт вещания или записи-воспроизведения сигналов звуковой частоты, имеющий значительную неравномерность АЧХ, особенно в области высоких частот, вносятся частотные искажения с целью такого изменения спектра сигнала на входе тракта, чтобы повысить помехозащищенность сигнала на выходе тракта.
Критика прототипа
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что устройство не позволяет проводить исследования, направленные на определение влияния значений параметров цепей коррекции системы шумоподавления на качество передачи сигналов фонограмм, полученных с помощью современных электронных технологий, к тому же устройство является одноканальным, что препятствует его применению при имитации системы стереофонического вещания.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей устройства.
Указанная задача решается за счет достижения при осуществлении изобретения технического результата, который заключается в введении таких возможностей, как имитация двухканальной системы шумоподавления, регулирование ее параметров и оценка воздействия изменения этих параметров на качество звукопередачи сигналов различного характера.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предыскажающий контур представляет собой совокупность последовательно соединенных регулируемых первого усилителя и фильтра верхних частот, подключенных выходом фильтра верхних частот к одному из входов второго сумматора, к другому входу которого подключен вход первого усилителя, являющийся входом всего предыскажающего контура, выходом этого контура является выход второго сумматора, также в состав тракта вещания введен третий сумматор, к одному из входов которого подключен вход предыскажающего контура, а к другому - источник помехи, к тому же восстанавливающий контур представляет собой совокупность параллельно соединенных входами регулируемых второго усилителя и фильтра нижних частот, выходы которых подключены к разным входам четвертого сумматора, выход сумматора образует выход всего восстанавливающего контура, кроме того, предыскажающий контур, тракт вещания и восстанавливающий контур образуют первый канал обработки и вещания, входом которого является вход предыскажающего контура, а два его выхода образуют выходы восстанавливающего контура и третьего сумматора, также в состав устройства введен идентичный первому второй канал обработки и вещания, при этом каждый из двух выходов обоих каналов обработки и вещания подключен к отдельному входу введенного мультиплексора, коммутацией которых управляет введенный источник сигнала управления, подключенный к отдельному входу управления мультиплексором, два выхода мультиплексора образуют два выхода всего устройства, а входы обоих каналов обработки и вещания образуют два его входа.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из числа выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков, позволило определить совокупность существенных по отношению к техническому результату признаков в заявленном устройстве, изложенном в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» действующего законодательства.
Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявителем проведен дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с признаками, отличительными от прототипа, результаты которого показали, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» действующего законодательства.
На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемое изобретение, где 1 - первый канал обработки и вещания; 2 - предыскажающий контур, 3 - первый усилитель; 4 - фильтр верхних частот; 5 - второй сумматор; 6 - тракт вещания, 7 - первый сумматор; 8 - третий сумматор; 9 - источник помехи; 10 - восстанавливающий контур; 11 - фильтр нижних частот; 12 - второй усилитель; 13 - четвертый сумматор; 14 - второй канал обработки и вещания; 15 - мультиплексор; 16 - источник сигнала управления. Блоки 3, 4, 11 и 12 выполнены перестраиваемыми.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением указанного технического результата, заключаются в следующем.
Известно применение систем шумоподавления в трактах звукового вещания или в устройствах записи-воспроизведения сигналов, вводящих подъем уровня высокочастотных составляющих сигнала при передаче с последующей коррекцией при приеме.
Возможность введения частотных предыскажений основывается на предпосылках, что огибающая спектра исходного сигнала не горизонтальна, а имеет спады в области нижних и верхних частот, и что формы огибающих спектров сигнала и помехи различны и не совпадают по частотам. Это справедливо, например, при детектировании ЧМ-сигналов, когда уровень помехи нарастает по мере отклонения частоты от среднего значения. Это также относится и к спектру шумов магнитной ленты, и к спектру шумов при переходе помехи из одной пары кабеля в другую. Отношение С/П оказывается наименьшим в области верхних частот. Для улучшения отношения С/П в этой области частот на входе тракта, на который воздействует помеха или в котором она возникает, включается предыскажающий контур, коэффициент передачи которого увеличивается с ростом частоты, а для коррекции введенных частотных искажений на выходе тракта включается восстанавливающий контур, коэффициент передачи которого уменьшается с ростом частоты. АЧХ контуров сопряжены и их суммарная характеристика горизонтальна. При этом помеха проходит только восстанавливающий контур и ее высокочастотные составляющие оказываются подавленными, в то время как составляющие звукового сигнала проходят через обе цепи внесения и коррекции предыскажений. В результате отношение С/П по спектру выравнивается, субъективно выравнивается передача высокочастотных звуков и количественно возрастает отношение С/П. После введения предыскажений уровни сигнала на верхних частотах не должны превышать уровни сигнала на средних частотах во избежание возникновения нелинейных искажений или перемодуляции передатчика.
Появление цифрового стереофонического вещания позволило существенно повысить качество звукопередачи. Однако проблема шумоподавления усугубилась присутствием шумов квантования в преобразованном в цифровую форму сигнале. При малом шаге квантования, характерном для систем импульсно-кодовой модуляции, корреляция между отсчетами шума квантования практически отсутствует. Поэтому спектр шума квантования оказывается равномерным в полосе частот от нуля до половины частоты дискретизации, и при передаче музыкальных пассажей инструментов, звучание которых имеет преимущественно высокочастотный характер (например, скрипки, фортепьяно), отношение С/П заметно уменьшается по сравнению с максимальным значением.
В процессе эксплуатации систем шумоподавления стали отмечать возрастание нелинейных искажений, особенно при передаче шипящих и свистящих звуков речи и шумоподобных сигналов таких инструментов, как сибилянты, ударные. Выяснилось, что известные графики распределения уровней в спектрах речевых и музыкальных сигналов являются лишь среднестатистическим результатом многочисленных измерений, а уровни натуральных и синтезированных звучаний имеют значительный разброс, достигающий в области нижних и верхних частот 30 дБ. Большие уровни на нижних и верхних частотах встречаются редко в классической музыке, а для современных эстрадных ансамблей с мощной ритмической группой и электронными музыкальными инструментами это характерно. При этом в настоящее время в России используются параметры цепей коррекции 50 мкс, отвечающие результатам исследований, проведенных ранее.
Предлагаемое устройство призвано помочь исправить сложившуюся ситуацию предоставлением возможности имитировать двухканальную систему шумоподавления с регулируемыми параметрами цепей предыскажений на стороне передачи и коррекции на стороне приема с целью проведения слуховых экспертиз, направленных на определение оптимальных частотных зависимостей цепей системы при передаче сигналов различного характера.
Структура предлагаемого устройства может быть разбита на несколько звеньев. Первый канал 1 обработки и вещания содержит последовательно соединенные предыскажающий контур 2, тракт вещания 6 и восстанавливающий контур 10. В предыскажающий контур входят последовательно соединенные первый усилитель 3, фильтр 4 верхних частот, выходы которых подключены к разным входам второго сумматора 5, выход которого образует выход всего предыскажающего контура. Тракт вещания представляет собой два сумматора: первый сумматор 7 и третий сумматор 8. Один из входов первого сумматора 7 подключен к выходу второго сумматора 5, к его другому входу подключен источник 9 помехи, а выход первого сумматора 7 подключен к входу восстанавливающего контура 10, состоящего из параллельно соединенных своими входами фильтра 11 нижних частот и второго усилителя 12, выходы которых подключены к разным входам четвертого сумматора 13. Один из входов третьего сумматора 8 подключен к входу предыскажающего контура 2, второй его вход соединен с источником 9 помехи. Выход третьего сумматора 8 образует один из двух выходов первого канала 1 обработки и вещания, второй выход которого образует выход восстанавливающего контура, т.е выход четвертого сумматора 13. Первый 3 и второй 12 усилители, а также фильтр 4 верхних частот и фильтр 11 нижних частот выполнены регулируемыми.
Второй канал 14 обработки и вещания имеет точно такую же структуру, что и первый канал 1. Источник 9 помехи, не входящий в каналы обработки и вещания, подключен также к входам первого 7 и третьего 8 сумматоров второго канала 14 обработки и вещания.
При имитировании системы шумоподавления одноканального вещания используется один из каналов обработки, на вход которого подключается источник монофонического сигнала. При имитировании системы шумоподавления стереофонического вещания используются оба канала обработки и вещания, входы которых подключаются к левому и правому каналам источника сигнала.
Введенный мультиплексор 15 имеет четыре основных входа, к которым подключены все выходы обоих каналов 1 и 14. При этом выходы каналов вещания и обработки, образованные выходами третьих сумматоров 8, обеспечивают получение сигналов, не проходящих частотную обработку, а содержащих только добавленную помеху. Выходы четвертых сумматоров 13 обеспечивают сигнал, прошедший частотную обработку, влияющую на добавленную помеху. На пятый вход мультиплексора 15 от источника 16 сигнала управления подается сигнал, коммутирующий выходные сигналы каналов попарно друг с другом. Два выхода мультиплексора 15 образуют два выхода устройства при имитации стереофонического вещания, и используется один из выходов при имитации монофонического звучания.
Устройство работает следующим образом. Сигнал с выхода источника звукового сигнала подается на вход предыскажающего контура 2. Неизменный сигнал источника попадает также на один из входов второго сумматора 5, а на другой вход которого подается высокочастотная часть сигнала, выделенная фильтром 4 верхних частот из предварительно усиленного первым усилителем 3 входного сигнала. Усилитель 3 и фильтр 4 выполнены регулируемыми, что позволяет в ходе проведения экспериментов изменять начало, крутизну (параметры фильтра 4) и величину подъема (коэффициент передачи усилителя 3) АЧХ предыскажающего контура. Далее предыскаженный сигнал с выхода второго сумматора 5 вместе с сигналом помехи от источника 9 поступает на первый сумматор 7, выход которого подключен к входу восстанавливающего контура 10, где с помощью фильтра 11 нижних частот обеспечивается спад АЧХ в области верхних частот. Фильтр 11 и усилитель 12 выполнены регулируемыми. Этим обеспечивается регулирование начала, крутизны и величины спада АЧХ восстанавливающего контура. Одновременно с подачей сигнала на вход предыскажающего контура 2 входной сигнал вместе с сигналом помехи от источника 9 помехи подается на третий сумматор 8, на выходе которого формируется зашумленный сигнал, не прошедший обработку. Обработанный системой шумоподавления и необработанный звуковые сигналы с выходов третьего 8 и четвертого 13 сумматоров подаются на два разных входа мультиплексора 15, где поочередно с помощью управляющего сигнала от источника 16 коммутируются в выходной сигнал мультиплексора, а значит всего устройства. При использовании двухканального источника звукового сигнала и обоих каналов обработки и вещания на два других входа мультиплексора 15 подаются выходные сигналы второго канала 14 обработки и вещания, которые коммутируются в другой выходной сигнал устройства, чем обеспечивается двухканальное звучание.
Устройство может быть реализовано аппаратно-программными средствами, например с помощью пакета системотехнического моделирования SystemView (в настоящее время пакет переименован в «SystemVue»), разработанного компанией Elanix. Пакет осуществляет имитационное моделирование систем на уровне функциональных блоков. Важно то, что в системе имеется возможность записи временной реализации в файл, что позволяет выполнять обработку данных с помощью других программных средств, в том числе с помощью звуковой карты ПК, а это предоставляет возможность прослушивания аудиофайла. При этом источником и приемником звукового сигнала могут выступать звуковые двухканальные WAV-файлы. В качестве наиболее характерного источника 9 помехи можно использовать генератор белого шума. В качестве источника 16 сигнала управления можно применить генератор сигнала прямоугольной формы (меандра) частотой 0,1 Гц. Такое решение позволит получить на выходе мультиплексора 15 звуковой файл, в котором будет происходить чередование звучания обработанного системой шумоподавления и необработанного сигналов с заданным интервалом времени, что повышает удобство выполнения слуховой оценки результатов работы системы в зависимости от установленных параметров регулируемых блоков.
Заявляемое устройство предоставляет возможность перехода к имитации двухканальной системы шумоподавления, применяемой в стереовещании, при этом возможен возврат к одноканальной системе. Устройство может быть использовано для выполнения слуховых экспертиз качества шумоподавления сигналов современной электронной музыки в зависимости от значений параметров системы, поскольку наличие регулируемых блоков усиления и фильтрации в предыскажающем контуре на стороне передачи и в восстанавливающем контуре на стороне приема обеспечивает возможность их изменения.
Изложенное свидетельствует о том, что конкретизация структуры отдельных функциональных блоков известного устройства и введение дополнительных блоков позволит расширить его функциональные возможности.
Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующих условий:
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в области контрольно-измерительной техники и предназначено для имитации системы шумоподавления с частотными предыскажениями в научных и учебных целях.
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств;
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
Литература
1. Сергеев М.А. Теория и практика стереофонического радиовещания. - М.: ООО «Изд-во 625», 2003. - 120 с. (с. 84-85, рис. 5.21 - аналог).
2. Электроакустика и звуковое вещание: Учебное пособие для вузов / И.А. Алдошина, Э.И. Вологдин, А.П. Ефимов и др.; Под ред. Ю.А. Ковалгина. - М.: Горячая линия - Телеком, Радио и связь, 2007. - 872 с. (с. 380-383, рис. 11.30 - прототип).