Способ и устройство одновременного точного деления мгновенной частоты и точного возведения в степень огибающей звуковых сигналов

 

Способ и устройство одновременного точного деления мгновенной частоты и точного возведения в степень огибающей звуковых сигналов относятся к области приборостроения и могут быть использованы при передаче записи и воспроизведении звуковых сигналов. Техническим результатом является повышение качества передачи широкополосных звуковых сигналов по узкополосным каналам. Это достигается тем, что входной сигнал в процессе обработки преобразуется по Гильберту, предварительно умножается на функцию знака преобразованного по Гильберту сигнала, а затем делится на модуль преобразованного по Гильберту сигнала, который становится выходным после преобразования масштаба. Устройство содержит фазовращатель, перемножитель, делитель аналоговых сигналов, блоки вычисления модуля и функции знака и масштабный усилитель. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Группа изобретений относится к области приборостроения, может быть использована при передаче звуковых сигналов, при их записи и воспроизведении и предназначена для одновременного точного аналогового деления мгновенной частоты и точного возведения в степень огибающей звуковых сигналов без возникновения заметных на слух искажений у восстановленных сигналов и заметного уменьшения отношения сигнал/шум, что, например, необходимо при реализации изобретения по А.С.СССР N 1644212.

Известен способ деления частоты, предложенный Марку П. и Дагэ Ж. [1,2,3] , у сигналов с предварительно ограниченным динамическим диапазоном.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, а именно: точного аналогового деления мгновенной частоты сигналов при одновременном точном сжатии их динамического диапазона без заметных на слух искажений у восстановленных сигналов и заметного уменьшения отношения сигнал/шум, относится то, что хотя авторы записывали деление мгновенной частоты на передающей стороне канала и умножение ее на приеме, но на самом деле делали не то, что записывали [3]. На наш взгляд в качестве объяснения достаточно сказать, что непрерывное изменение мгновенной частоты при обработке сигналов по этому методу заменялось ступенчатым уже на передающей стороне. Этим объясняются: возникавшие искажения, потеря части информации в процессе передачи. Кроме того, ограниченный динамический диапазон уже не мог быть восстановлен.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному в группе изобретений по совокупности признаков является способ, реализованный в устройстве по А.С. СССР N 714473.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому устройству в группе изобретений является устройство по АС СССР N 714473.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа и устройства для его осуществления, принятых за прототип, относится то, что для одновременного точного сжатия частотного и динамического диапазонов звукового сигнала необходимо точно делить мгновенную частоту этого звукового сигнала и одновременно точно возводить в степень его огибающую. Для этого необходимо: - во-первых, выделить эти модулирующие функции: огибающую и мгновенную частоту в виде пропорциональных им напряжений (или токов); - во-вторых, обработать их соответствующим образом: 1) масштабно уменьшить напряжение, пропорциональное мгновенной частоте, в необходимое число раз; 2) возвести напряжение, пропорциональное огибающей, в требуемую степень; - в-третьих, синтезировать по этим модулирующим функциям, полученным в процессе обработки, требуемый звуковой сигнал.

К причинам, препятствующим точному делению мгновенной частоты, относятся следующие.

Сам по себе факт частотной демодуляции приводит к уменьшению помехоустойчивости сигнала, как действие, обратное частотной модуляции, которая, как известно, позволяет получить выигрыш в помехоустойчивости. То есть отношение мощности полезного сообщения к мощности шума на выходе ЧМ демодулятора больше, чем то же отношение, но на входе приемника [4]. Другими словами, частотно-модулированный сигнал меньше искажается шумами в канале передачи, чем, например, сигналы с амплитудной модуляцией. Установлено [4], что мгновенная частота суммы сигнала и шума практически равна мгновенной частоте того колебания, которое больше по величине. В паузах звучаний в канале передачи кроме шума нет ничего. Поэтому на выходе частотного демодулятора мы получаем не только мгновенную частоту сигнала. На выходе частотного демодулятора мгновенные частоты сигнала и шума сменяют друг друга с частотой следования пауз, так как паузы являются неотъемлемой частью звуковых сигналов. Кроме того, за счет подавления слабого сигнала более сильным искажены оказываются частоты сигналов при переходных процессах, а это не только начало и конец каждого звука, но иногда и самая его середина. Это объясняет заметные на слух искажения, возникающие у восстановленных сигналов, и заметное понижение отношения сигнал/шум.

К причинам, препятствующим точному возведению в степень огибающей, относятся следующие: 1) искажение малых уровней огибающей вследствие наличия тепловых шумов и дрейфов нулей у тех элементов схем, которые ее выделяют и обрабатывают; 2) неточная практическая реализация при выполнении операций возведения в степень, особенно для малых сигналов.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Единая задача, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, заключается в повышении качества передачи широкополосных звуковых сигналов по узкополосным каналам. В частности, по каналам с записью сигналов на движущийся носитель (например, магнитную ленту кинопленку).

Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении группы изобретений, заключается в точном аналоговом делении в 2 раза мгновенной частоты звукового сигнала и в точном сжатии его динамического диапазона, выполняемом одновременно, путем возведения огибающей в степень 2^-1, причем без выделения этих модулирующих функций, что обеспечивает точность преобразования и позволяет точно восстановить сигналы без возникновения у них заметных на слух искажений и заметного уменьшения отношения сигнал/шум. (Пример устройства для точного восстановления сигналов приведен в приложении 1).

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - способу достигается тем, что, как и в известном способе, для получения выходного сигнала входной сигнал в процессе обработки преобразуется по Гильберту, но в отличии от прототипа входной звуковой сигнал умножается на функцию знака сигнала, полученного после преобразования Гильберта; полученное произведение делится на модуль сигнала, полученного после преобразования Гильберта; результат деления подвергается упомянутому выше преобразованию Гильберта, после чего формируется функция знака этого сигнала, которая используется при умножении, кроме того вычисляется модуль преобразованного по Гильберту сигнала, который используется при делении, а кроме того сигнал, полученный после преобразования Гильберта, становится выходным после преобразования масштаба.

В качестве примера реализации заявляемого способа предлагается устройство.

Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известное устройство, содержащее фазовращатель, реализующий преобразование Гильберта, перемножитель и делитель аналоговых сигналов, дополнительно введены блок вычисления модуля, блок вычисления функции знака и масштабный усилитель, причем первым входом перемножителя образован вход устройства, второй вход упомянутого перемножителя соединен с выходом блока вычисления функции знака, выход перемножителя соединен с первым входом (числителя) делителя аналоговых сигналов, второй вход делителя (знаменателя) соединен с выходом блока вычисления модуля, вход которого соединен с выходом фазовращателя и входами масштабного усилителя и блока вычисления функции знака, выход делителя соединен с входом фазовращателя, при этом выходом масштабного усилителя образован выход всего устройства.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научо-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог как для способа, так и для устройства, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам как способа, так и устройства заявленной группы изобретений, 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 объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений 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 каждый из объектов изобретения 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 рис.1 представлена структурная схема заявляемого устройства, где 1 - перемножитель аналоговых сигналов; 2 - делитель аналоговых сигналов; 3 - фазовращатель; 4 - блок вычисления модуля (абсолютной величины сигнала); 5 - масштабный усилитель с коэффициентом передачи М=2^-0,5; 6 - блок вычисления функции знака.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Примем в качестве математической модели входного сигнала s_вх(t)=S(t)sinx(t), (1) где S(t) - огибающая, то есть модулирующая функция, которая определяет в каждый момент времени амплитуду сигнала, x(t) - текущая фаза, которая равна Причем текущая фаза представляет собой функцию мгновенной частоты ω(t), которая определяет частотные свойства реальных звуковых сигналов.

Допустим, что на выходе предлагаемого устройства, реализующего операции предлагаемого способа, формируется колебание
s_вых(t)=Z(t)cos y(t), (3)
причем должны выполняться следующие условия
Z(t)=S^0,5(t) и y(t)=x(t)/2, (4)
Покажем это.

Примечание.

Поскольку время не трансформируется, то последнее равенство означает, что в 2 раза должна уменьшиться мгновенная частота.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Сигнал на выходе перемножителя аналоговых сигналов (1, рис. 1)
s_ум(t) = [S(t)sin x(t)][sign(siny)]. (5)
Как известно, функция знака - sign - принимает только два значения: плюс и минус единица, указывая знак сигнала. Таким образом, равенство (5) можно записать следующим образом
s_ум (t)= S(t)sinx(t) при siny(t) > 0
s_ум(t) = -S(t)sinx(t) при siny(t) < 0 (6)
Сигнал на выходе делителя аналоговых сигналов
s_дел(t)=s_ум(t)/[2S(t)]^0,5|siny(t)| (7)
В данном устройстве реализуется известная из тригонометрии формула
sin2a = 2sin(a/2)cos(a/2), (8)
которая в наших обозначениях примет вид
S(t)sinx(t) = 2S(t) sin 0,5x(t)cos0,5x(t). (9)
Поэтому равенство (7) можно переписать для значений siny(t) > 0
s_дел(t){S(t)cosx(t)/[2S(t)]^0,5sin0,5x(t)}=
=[2S(t)]^0,5 cos0,5x(t). (10)
При значениях siny(t) < 0 и числитель (10) (как это видно из (6)) и знаменатель (за счет выполнения операции модуль) умножаются на (-1). Таким образом, сигнал на выходе делителя всегда
s_дел(t) = [2S(t)]^0,5cos0,5x(t).

После выполнения преобразования Гильберта на выходе фазовращателя (3, рис. 1) получим
s_фв(t) = [2S(t)]^0,5sin0,5x(t). (11)
Этот сигнал через блок вычисления модуля (4, рис.1) подается на второй вход делителя (2, рис. 1) по цепи обратной связи
s_бвм(t) = [2S(t)]^0,5|sin0,5x(t)|. (12)
Именно этот сигнал мы и рассчитывали получить, записывая равенства (7) и (10).

Примечание. Вычислять функцию знака и модуль сигнала, преобразованного по Гильберту, приходится потому, что в знаменатель делителей аналоговых сигналов, которые реализованы в настоящее время в виде интегральных микросхем, можно подавать напряжение только одного знака.

Выходной сигнал формируется масштабным усилителем, коэффициент передачи которого М=2^-0,5, а сигнал на выходе
s_вых(t) = [S(t)]^0,5sin0,5x(t). (13)
Это тот результат, который мы хотели показать.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующих условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, именно в технике связи, звукозаписи на движущийся носитель;
- 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 и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость" по действующему законодательству.

Литература
1. Marcou P. , Daguet J. New Methods of Speech Trasmission (Centre National d'Etudes des Telecommunications, Franse) (1955).

2. Марку П., Дагэ Ж. Новые методы передачи речи. Сборник статей. Теория передачи сообщений. (Труды третьей международной конференции). Под ред. В.И. Сифорова. - М.: "Изд. иностранной лит.", 1957, c. 158-178.

3. Сапожков М. А. Речевой сигнал в кибернетике и связи.-М.: "Связь-издат", 1963.

4. Виницкий А. С. Модулированные фильтры и следящий прием ЧМ. - М.: "Советское радио", 1969.

Формула изобретения

1. Способ одновременного точного деления мгновенной частоты и точного возведения в степень огибающей звуковых сигналов, при котором для получения выходного сигнала необходимо выполнить преобразование Гильберта, отличающийся тем, что входной звуковой сигнал умножается на функцию знака сигнала, полученного после преобразования Гильберта, полученное произведение делится на модуль сигнала, полученного после преобразования Гильберта, результат деления подвергается упомянутому преобразованию Гильберта, после чего формируется функция знака этого сигнала, которая используется при умножении, кроме того, вычисляется модуль преобразованного по Гильберту сигнала, который используется при делении, а, кроме того, сигнал, полученный после преобразования Гильберта, становится выходным после преобразования масштаба.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее фазовращатель, перемножитель и делитель аналоговых сигналов, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок вычисления модуля, блок вычисления функции знака и масштабный усилитель, причем первым входом перемножителя образован вход устройства, второй вход перемножителя соединен с выходом блока вычисления функции знака, выход перемножителя соединен с входом числителя делителя аналоговых сигналов, вход знаменателя делителя соединен с выходом блока вычисления модуля, вход которого соединен с выходом фазовращателя и входами масштабного усилителя и блока вычисления функции знака, выход делителя соединен с входом фазовращателя, при этом выходом масштабного усилителя образован выход всего устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1