Способ и устройство точного аналогового сжатия части частотного диапазона звуковых сигналов

 

Группа изобретений относится к области приборостроения и предназначена для использования при передаче звуковых сигналов по каналам, ограничивающим полосу частот передаваемых сигналов. Технический результат заключается в повышении разборчивости речи. Из входного сигнала выделяют непреобразуемую и преобразуемую части частотного диапазона соответственно фильтром низких частот и полосовым фильтром, имеющим одну общую граничную полосу. После чего преобразуемую часть транспонируют вверх по частотному диапазону так, чтобы после деления ее мгновенной частоты в _дел раз нижняя граница частотного диапазона преобразованной части была равна граничной частоте. Затем после точного деления ее мгновенной частоты преобразованную часть входного сигнала складывают с непреобразованной частью и тем формируют выходной сигнал. Устройство содержит фильтр низких частот (1), полосовой фильтр (2), сумматор мгновенных частот (3), гетеродин (4), делитель мгновенной частоты (5), сумматор сигналов (6). 1 ил.

Группа изобретений относится к области приборостроения и предназначена для использования при передаче звуковых сигналов по каналам, ограничивающим полосу частот передаваемых сигналов, для повышения качества их звучания и, главным образом, для повышения разборчивости речи, передаваемой по аналоговым узкополосным каналам, например по каналу звукопередачи 16-мм фильмокопии с фотографической записью звука, по телефонным каналам, по каналам радиосвязи с амплитудной модуляцией и др.

Известен способ, позволяющий сжимать часть частотного диапазона звуковых сигналов, реализованный в устройстве по А.С. СССР № 714473.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, а именно: точного аналогового сжатия части частотного диапазона звуковых сигналов, относится то, что для деления значений мгновенной частоты звукового сигнала, превышающих частоту порога компрессии, необходимо:

- во-первых, выделить эту модулирующую функцию в виде пропорционального напряжения;

- во-вторых, масштабно уменьшить в необходимое число раз те значения этого напряжения, которые превышают величину порога компрессии;

- в-третьих, синтезировать по этой обработанной мгновенной частоте требуемый звуковой сигнал.

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 [1]. Другими словами, частотно-модулированный сигнал меньше искажается шумами в канале передачи, чем, например, сигналы с амплитудной модуляцией.

Установлено [1], 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 обработанных сигналов, и заметное понижение отношения сигнал/шум, что препятствует повышению качества звучания и увеличению разборчивости речи.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному в группе изобретений способу по совокупности признаков является способ по патенту РФ №2130651.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству в группе изобретений является устройство по патенту РФ №2130651.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа и устройства для его осуществления, принятых за прототип, относится то, что при делении известным способом мгновенной частоты звуковых сигналов нет возможности сжимать только необходимую часть частотного диапазона звуковых сигналов.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Единая задача, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, заключается в повышении качества звучания широкополосных звуковых сигналов и, главным образом, в повышении разборчивости речевых сигналов, передаваемых по аналоговым узкополосным каналам.

Проведенные автором исследования [2, 3] показали возможность повышения качества звучания музыкальных сигналов и повышения разборчивости речи при аналоговом сжатии части частотного диапазона широкополосных звуковых сигналов, передаваемых по узкополосным каналам и воспроизводимых без восстановления масштаба мгновенной частоты. Исследования позволили установить зависимости слоговой разборчивости Р от частоты порога компрессии f_пк и коэффициента передачи частоты К в области частот выше порога для каналов передачи с различной шириной полосы пропускания. Некоторые результаты названных измерений приведены в Приложении 1.

Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении группы изобретений, заключается в точном аналоговом сжатии в К_дел раз части частотного диапазона звуковых сигналов без заметного уменьшения отношения сигнал/шум.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что сжатие части частотного диапазона звуковых сигналов достигается делением мгновенной частоты, как и в известном способе, но в отличие от прототипа непреобразуемую и преобразуемую части частотного диапазона выделяют из входного сигнала соответственно фильтром низких частот и полосовым фильтром, имеющими одну общую граничную частоту, которая является частотой порога компрессии; преобразуемую часть транспонируют вверх по частотному диапазону так, чтобы после деления ее мгновенной частоты в К_дел раз нижняя граница частотного диапазона преобразованной части была равна частоте порога компрессии, затем после названного выше точного деления ее мгновенной частоты аналоговым способом в К_дел раз преобразованную часть входного сигнала складывают с непреобразованной частью и тем формируют выходной сигнал.

В качестве примера реализации заявляемого способа предлагается устройство.

Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известное устройство точного аналогового деления мгновенной частоты дополнительно снабжено фильтром низких частот, полосовым фильтром, сумматором мгновенных частот, гетеродином и сумматором сигналов, причем входы обоих фильтров соединены с входом устройства, выход полосового фильтра соединен с первым входом сумматора мгновенных частот, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, выход сумматора мгновенных частот через упомянутый точный аналоговый делитель мгновенной частоты сигналов в К_дел раз соединен с первым входом сумматора сигналов, второй вход которого соединен с выходом фильтра низких частот, при этом выходом сумматора сигналов образован выход устройства.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-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 изобретении 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 чертеже представлена структурная схема заявляемого устройства, где 1 - фильтр низких частот; 2 - полосовой фильтр; 3 - сумматор мгновенных частот; 4 - точный аналоговый делитель мгновенной частоты сигналов в К_дел раз; 6 - сумматор сигналов.

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

Результаты измерений, приведенные в Приложении 1, показали, что для канала звукопередачи 16-мм фильмокопии оптимальным по критерию максимального увеличения разборчивости речи является режим обработки мгновенной частоты с порогом компрессии 4кГц и коэффициентом передачи частоты в области выше порога К=0,1 (К_дел=10). Покажем на примере осуществления названного режима обработки, как работает предлагаемое устройство, реализующее заявленный способ.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Примем в качестве математической модели входного сигнала

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.

Входной сигнал (1) разделяется фильтрами на низкочастотную часть

и высокочастотную часть

Низкочастотная часть входного сигнала выделяется фильтром низкой частоты (1 на чертеже), верхняя граничная частота которого равна 4 кГц. Высокочастотная часть входного сигнала выделяется полосовым фильтром (2 на чертеже), нижняя граничная частота которого равна 4 кГц. Выбор граничных частот фильтров объясняется тем, что согласно заявленному способу они должны быть равны частоте порога компрессии.

Высокочастотная часть транспонируется по частотному диапазону вверх путем однополосной модуляции, осуществляемой сумматором мгновенных частот (3 на чертеже), который реализует следующее известное преобразование:

где cosω_гt - колебание, формируемое гетеродином (4 на чертеже). Для реализации преобразования (5) сумматор мгновенных частот содержит два фазовращателя, два перемножителя и вычитатель сигналов.

Точный аналоговый делитель мгновенной частоты сигналов в К_дел=10 раз (5 на чертеже) формирует на своем выходе колебание

Частота гетеродина определяется в соответствии с формулировкой способа следующим образом:

Подставим числа

откуда f_г=36 кГц.

Колебание (5) складывается в сумматоре сигналов (6 на чертеже) с непреобразованной низкочастотной частью входного сигнала (3), и тем формируется выходной сигнал.

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. Виницкий А.С. Модулированные фильтры и следящий прием ЧМ. - М.: Советское радио, 1969. – 548 с.

2. Уваров В.К. Точное компандирование частотного и динамического диапазонов звуковых сигналов. - СПб.: СПбГУКиТ, 2002. - 326 с.

3. Уваров В.К. Измерение основных характеристик мгновенной частоты сигналов. Деп. рук. №119кт - Д88. ОНТИ НИКФИ, 1988. - 15 с.

Приложение 1

(К заявке: Способ и устройство точного аналогового сжатия части частотного диапазона звуковых сигналов)

Результаты измерений слоговой разборчивости речевых сигналов при нелинейной обработке их мгновенной частоты

В процессе исследований [2] возможностей сокращения потерь информации, происходящих при передаче широкополосных звуковых сигналов по узкополосным каналам, было установлено, что для каждого узкополосного канала можно подобрать такую характеристику нелинейной обработки мгновенной частоты сигналов на входе канала, которая обеспечивает улучшение качества звучания сигналов на выходе канала без восстановления масштаба частоты.

Нелинейная характеристика обработки мгновенной частоты при этом аппроксимируется ломаной линией, состоящей из двух отрезков прямых: первый под углом 45°, второй - с меньшим углом наклона. Частота, на которой происходит пересечение прямых, названа частотой порога компрессии.

Влияние параметров нелинейного частотного компрессирования на качество звучания речевых сигналов исследовалось путем измерения разборчивости речи. На рис.П1.1 показаны измеренные зависимости слоговой разборчивости сигналов, прошедших через канал с фильтрами низких частот, с помощью которых формировались частотные характеристики узкополосных каналов передачи. Верхняя граничная частота принимала значения: 2, 3, 4 и 6кГц. Каждая точка на графиках получена усреднением результатов измерений десяти человек по 10 слоговым таблицам, из которых 5 таблиц произнесено мужским голосом и 5 таблиц - женским голосом. С доверительной вероятностью 0,95 величины абсолютных ошибок измерений не превышали 5%. При проведении измерений устанавливался уровень речевого сигнала 80 дБА, уровень белого шума - 60 дБА.

Семейства кривых на рис.П1.1, параметром которых является частота порога компрессии, характеризуют зависимость слоговой разборчивости от коэффициента передачи частоты К. Значениям разборчивости некомпрессированной речи соответствуют точки, для которых К=1,0. Семейства кривых, изображенные на рис.П1.2, характеризуют зависимость слоговой разборчивости от значения частоты порога компрессии. Параметром этих семейств является коэффициент передачи частоты. Установленные зависимости имеют оптимумы. Изменение оптимальных значений коэффициента передачи частоты от значений верхней граничной частоты полосы пропускания канала изображено на рис.П1.3. Оптимальная частота порога компресии уменьшается с 5 кГц до 3 кГц линейно при изменении верхней граничной частоты от 6 кГц до 2 кГц.

Для каждого режима обработки мгновенной частоты можно построить график зависимости слоговой разборчивости от верхней граничной частоты. На рис.П1.4 изображено семейство таких кривых, параметром которого является частота порога компрессии, для коэффициента передачи частоты К=0,1. Здесь же изображена зависимость разборчивости некомпрессированных сигналов от значений верхней граничной частоты.

В ходе субъективных измерений [2] был обнаружен эффект кажущегося расширения полосы пропускания канала звукопередачи при восприятии сигналов с нелинейно обработанной мгновенной частотой. В связи с этим введено понятие об эффективной (кажущейся) полосе передаваемых частот, которая определялась по приросту разборчивости частотно-компрессированных сигналов, переданных по каналу с ограничением сверху частотного диапазона.

Зависимости величины эффективной полосы передаваемых частот от верхней граничной частоты действительной полосы пропускания канала и параметров нелинейной обработки мгновенной частоты показаны на рис.П1.5. Например, для фотографической фонограммы 16-мм фильмокопии при величине верхней граничной частоты (определяемой по спаду амплитудно-частотной характеристики на 3 дБ) 4 кГц величина эффективной (кажущейся) полосы передаваемых частот получилась равной 10 кГц при частоте порога 4 кГц и коэффициенте передачи частоты К=0,1.

Установленные зависимости позволяют заключить, что нелинейная обработка мгновенной частоты может использоваться для повышения разборчивости не только при записи фотофонограмм 16-мм фильмокопий, но и для других узкополосных каналов.

Формула изобретения

1. Способ точного аналогового сжатия части частотного диапазона звуковых сигналов, при котором мгновенную частоту части частотного диапазона сигналов точно делят аналоговым способом в К_дел раз, отличающийся тем, что непреобразуемую и преобразуемую части частотного диапазона выделяют из входного сигнала соответственно фильтром низких частот и полосовым фильтром, имеющими одну общую граничную частоту, которая является частотой порога компрессии, после чего преобразуемую часть транспонируют вверх по частотному диапазону так, чтобы после деления ее мгновенной частоты в К_дел раз нижняя граница частотного диапазона преобразованной части была равна частоте порога компрессии, затем после названного выше точного деления ее мгновенной частоты аналоговым способом в К_дел раз преобразованную часть входного сигнала складывают с непреобразованной частью и тем формируют выходной сигнал.

2. Устройство для точного аналогового сжатия части частотного диапазона звуковых сигналов, содержащее точный аналоговый делитель мгновенной частоты сигналов в К_дел раз, отличающееся тем, что оно снабжено фильтром низких частот, полосовым фильтром, сумматором мгновенных частот, гетеродином и сумматором сигналов, причем входы обоих фильтров соединены с входом устройства, выход полосового фильтра соединен с первым входом сумматора мгновенных частот, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, выход сумматора мгновенных частот через упомянутый точный аналоговый делитель мгновенной частоты сигналов в К_дел раз соединен с первым входом сумматора сигналов, второй вход которого соединен с выходом фильтра низких частот, при этом выходом сумматора сигналов образован выход устройства.

РИСУНКИРисунок 1