Способ и устройство для коррекции частотных искажений (автоматический эквалайзер)
Изобретение относится к способу и устройству для обработки сигналов звуковой частоты и может быть использовано в качестве автоматического корректора. Достигаемый технический результат - автоматическая коррекция амплитудно-частотных искажений, вносимых реальным звуковоспроизводящим трактом без применения специального тестового сигнала. Способ коррекции частотных искажений, вносимых звуковоспроизводящим трактом, характеризуется тем, что определяют нормированный спектр исходного сигнала, определяют нормированный спектр сигнала, полученный в точке прослушивания аудиопрограмм, сравнивают полученные спектры, сформированные в процессе сравнения сигналы используют для выравнивания амплитудно-частотной характеристики звуковоспроизводящего тракта. Устройство предназначено для реализации способа. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к устройствам обработки сигналов звуковой частоты и может быть использовано в составе звуковоспроизводящих трактов в качестве автоматического корректора.
В настоящее время для коррекции амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) звуковоспроизводящего тракта, включающего в себя как электронную, так и акустическую составляющие, используют устройства, состоящие из генератора тестового сигнала, вручную управляемого многополосного темброблока и спектроанализатора с дисплеем [Yamaha EQ-550. Natural sound stereo graphic equalizer. Owner's manual, 1999, стр.9]. Коррекцию проводят на тестовом сигнале, близким в диапазоне слышимых частот по своим спектральным свойствам к белому шуму. Тестовый сигнал, воспроизведенный акустическими системами, в точке прослушивания аудиопрограмм воспринимается измерительным микрофоном и направляется в спектроанализатор для визуальной оценки степени отклонения формы спектра зарегистрированного сигнала от прямой линии. Коррекция вносится вручную путем усиления или ослабления отдельных частотных составляющих при помощи управляемого темброблока и контролируется по результатам показаний дисплея спектроанализатора. Недостатком такого подхода, а следовательно, и самой структуры является необходимость применения специального тестового сигнала, что не позволяет проводить частотную коррекцию оперативно и автоматически на рабочем сигнале без выделения времени на специальный тестовый режим.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является схема, позволяющая автоматически корректировать АЧХ тракта, состоящая из n-полосного управляемого темброблока и n-канального блока управления, каждый канал которого служит для управления темброблоком только в одной полосе частот, управляющий выход блока управления соединен с управляющим входом управляемого темброблока, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом процессора, эталонным входом которого служит n-полосный эталонный вход блока управления, а к n-полосному информационному входу блока управления подключены n полосовых выходов темброблока, служащих для раздельного вывода информации в каждой полосе частот [заявка №2002132204/09, по которой ФИПСом 30.03.2004 принято решение о выдаче патента, H 03 G 5/16. Формула опубл. 20.05.2004].
В процессе функционирования устройство-прототип сравнивает спектры исходного и эталонного сигналов и автоматически вырабатывает управляющие воздействия, приближающие форму спектра выходного, результирующего сигнала к эталонной форме. При этом частным недостатком прототипа следует считать невозможность его применения в задачах, требующих формирования спектра сигнала в точке прослушивания, максимального близкого к спектру исходного сигнала, поступающего от источника аудиопрограмм. Объясняется подобный запрет тем, что для управления многополосным темброблоком в прототипе используется заранее заданный эталонный спектр, зависящий от эстетических требований слушателя и никак не зависящий от физических особенностей реального тракта.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в автоматической коррекции амплитудно-частотных искажений, вносимых реальным звуковоспроизводящим трактом, без применения специального тестового сигнала.
Технический результат достигается тем, что в известное устройство для коррекции частотных искажений, содержащее n-полосный управляемый темброблок и n-канальный блок управления, каждый канал которого служит для управления темброблоком только в одной полосе частот, управляющий выход блока управления соединен с управляющим входом управляемого темброблока, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом устройства, согласно изобретению введены два спектроанализатора и блок сравнения, выход которого соединен с информационным входом блока управления, выходы первого и второго спектроанализаторов подключены соответственно к первому и второму информационным входам блока сравнения, информационный вход первого спектроанализатора подключен к входу устройства, информационный вход второго спектроанализатора служит для приема сигнала, несущего информацию о результатах коррекции.
Сущность изобретения иллюстрируется функциональными схемами.
На фиг.1 показана функциональная схема устройства для коррекции частотных искажений в составе звуковоспроизводящего тракта; на фиг.2 приведена функциональная схемы одного их возможных вариантов совместной реализации блока сравнения и блока управления.
Функциональная схема по фиг.1 содержит устройство для коррекции частотных искажений, включающее в себя управляемый темброблок 1, спектроанализаторы 2 и 3, блок 4 сравнения и блок 5 управления. Кроме того, на фиг. 1 показаны усилитель 6 звуковых частот с подключенной акустической системой 7 и измерительный микрофон 8. Входом устройства служит вход управляемого темброблока 1, N управляющих входов которого составляют единый N-канальный вход и соединены с соответствующими выходами (единый управляющий выход) блока 3 управления, информационный вход которого соединен с выходом блока 4 сравнения, к первому и второму информационным входам которого подключены выходы спектроанализаторов 2 и 3 соответственно, информационный вход спектроанализатора 2 подключен к входу устройства, а к информационному входу спектроанализатора 3 подключен измерительный микрофон 8. Выход управляемого темброблока 1 соединен с входом усилителя 6.
Функциональная схема по фиг.2 содержат блок 4 сравнения и блок 5 управления. В свою очередь блок 4 сравнения содержит блок 9 вычитания, сумматор 10, адресный счетчик 11, дешифратор 12 адреса, группу 13 регистров 13-1÷3-N и элемент 14 ИЛИ. Первый вход блока 9 вычитания является первым информационным входом Y1(nΔω) блока 4, предназначенным для соединения с выходом спектроанализатора 2, второй вход блока 9 вычитания служит вторым информационным входом Y2(nΔω) блока 4 и предназначен для соединения с выходом спектроанализатора 3, выход блока 9 вычитания соединен с первым входом сумматора 10, второй вход которого является входом кода смещения Y0, выход сумматора 10 соединен с объединенными информационными входами DI регистров группы 13, выходы которых составляют N-канальный выход блока 4 сравнения и подключены к соответствующим N входам (единый информационный вход) блока 5 управления, тактовые входы С регистров группы 13 подключены к соответствующим N выходам дешифратора 12, вход которого соединен с разрядным выходом Q счетчика 11, выход переноса Р которого соединен с первым входом элемента 14 ИЛИ, второй вход которого является входом RST обнуления (начальной установки) блока 4 сравнения, синхровходом CLK которого является тактовый вход счетчика 11. Блок 5 управления представляет собой линейку 15 преобразователей 15-1÷15-N цифрового кода в сигналы управления темброблоком 1.
Принцип действия описываемого устройства для коррекции частотных искажений заключается в сравнении нормированного спектра Y1(ω) исходного сигнала и нормированного спектра Y2(ω) сигнала, полученного в точке прослушивания аудиопрограмм и далее компенсирующего изменения АЧХ темброблока 1, включенного в звукоусилительный тракт. Целью воздействия на управляемый темброблок 1 является выравнивание АЧХ всего звуковоспроизводящего тракта, включающего в себя электронный усилитель 6, электромеханический преобразователь 7 и среду распространения механических (звуковых) волн. При этом предполагается, что АЧХ измерительного микрофона 8, установленного в точке прослушивания, линейна или ее нелинейностью можно пренебречь. Под нормированными спектрами подразумеваются вычисленные в спектроанализаторах 2 и 3 относительные величины Y1(ω) и Y2(ω), выражаемые формулами
где S1(ω) и S2(ω) - спектры исходного и результирующего сигналов соответственно;
ω0 - некоторая фиксированная средняя частота в пределах полосы рабочих частот (в звуковой технике ω0 обычно выбирают соответствующим частоте 1 кГц).
На блок 4 сравнения, как это видно из его названия, возложены функции сравнения спектров и формирования сигналов, несущих информацию о результатах сравнения. В частном случае сравнение можно производить путем вычисления разности величин Y1(ω) и Y2(ω). Что же касается блока 5 управления, то его задачей является преобразование выходных сигналов блока 4 сравнения в сигналы управления темброблоком 1. Количество полос темброблока 1, диапазон регулировок и полосу рабочих частот выбирают исходя из конкретных задач и качественных требований, предъявляемых к автоматическому корректору. Если положить, что темброблок 1 устройство сугубо аналоговое и управление в каждой частотной полосе осуществляют напряжением, от значения которого зависит коэффициент передачи темброблока в этой полосе, то для связи темброблока 1 с цифровым блоком сравнения (каким может быть блок 4) понадобится лишь линейка цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Такой вариант показан на фиг.2, где в качестве преобразователей 15-1÷15-N применены низкоскоростные ЦАПы.
Структура блока 4 сравнения по фиг.2 предложена в предположении, что спектроанализаторы 2, 3 являются цифровыми устройствами, на выходах которых имеем последовательность отсчетов - нормированных значений амплитуд гармоник Y1(nΔω) и Y2(nΔω), вычисленных методом дискретного преобразования Фурье при условии, что n=0, 1, 2,...N-1 (N - общее число гармоник), а Δω - шаг расположения отсчетов по оси частот.
Будем считать, что отсчеты Y1(nΔω) и Y2(nΔω) появляются одновременно в двух каналах и сопровождаются синхроимпульсами CLK и, кроме того, смена отсчетов в каждом из каналов также происходит с тактовой частотой CLK. В блоке 9 вычитания вычисляется разность Y1(nΔω)-Y2(nΔω), после чего в сумматоре 10 добавляется постоянная Y0 и затем N полученных величин
ΔY(nΔω)=Y1(nΔω)-Y2(nΔω)+Y0
распределяются по N регистрам группы 13. Занесенные в регистры 13-1÷13-N двоичные коды N величин ΔY(nΔω) являются корректирующими кодами управления темброблоком 1 и направляются в ЦАПы 15-1÷15-N.
Управляет поочередной записью кодов ΔY(nΔω) в регистры 13 узел, состоящий из адресного счетчика 11 и дешифратора 12. Причем модуль пересчета счетчика 11 выбирают на единицу больше количества отсчетов N. Это позволяет использовать обнуленное состояние счетчика как исходное и запрещающее запись данных в регистры 13. С появлением первого синхроимпульса CLK счетчик 11 устанавливает на выходе Q код единицы и активизирует таким образом выход дешифратора 12 с порядковым номером «1» (нумерация выходов дешифратора 12 начинается с нуля; нулевой выход не используется). Поскольку данный процесс протекает скачкообразно, то положительный перепад напряжений на выходе «1» дешифратора 12, передаваемый на динамический тактовый вход регистра 13-1, разрешает запись информации о первом отсчете ΔY(0) в регистр 13-1. Далее с приходом второго синхроимпульса счетчик переходит в следующее состояние, соответствующее числу «2», и процесс происходит аналогичным образом. После того как в регистр 13-N будет записан последний отсчет, счетчик 11 обнулится, и на этом цикл первой записи данных закончится. Все последующие циклы аналогичны первому и служат для обновления информации в регистрах 13. Вход RST предназначен для первоначального обнуления блока сравнения. Код смещения Y0 необходим для задания необходимого постоянного напряжения смещения, управляющего темброблоком 1. Значение его выбирают исходя из диапазона изменений величины ΔY(nΔω), диапазона требуемых регулировок и параметров управляющих цепей темброблока 1. Значение кода Y0 должно быть таким, чтобы при Y1(nΔω)-Y1(nΔω)=0 напряжение смещения, подаваемое на каждый из управляющих входов темброблока 1, соответствовало бы режиму пропускания сигнала без изменений его амплитуды.
Касаясь вопросов применения устройства для коррекции частотных искажений, отметим следующее. Для сравнения могут выбираться любые сигналы, диапазон частот которых находится на рабочем участке спектроанализаторов 2, 3 и темброблока 1. Последний, являясь по сути многополосным управляемым фильтром, темброблоком называется в частном случае. Представленный автоматический эквалайзер может быть использован не только для коррекции АЧХ, обусловленной акустическими изъянами помещениями прослушивания, недостатками акустических систем и отчасти усилительных блоков, но и для коррекции искажений, возникающих в сугубо электронной части радиоэлектронных систем. В этом случае сигнал на информационный вход спектроанализатора 3 следует подавать уже не с измерительного микрофона, а непосредственно с выхода оконечного усилителя.
1. Способ коррекции частотных искажений, вносимых звуковоспроизводящим трактом, предусматривающий формирование сигналов, несущих информацию о результатах сравнения спектров, отличающийся тем, что определяют нормированный спектр исходного сигнала, определяют нормированный спектр сигнала, полученный в точке прослушивания аудиопрограмм, который сравнивают с нормированным спектром исходного сигнала, сформированные в процессе сравнения сигналы, несущие информацию о результатах сравнения, используют для выравнивания амплитудно-частотной характеристики звуковоспроизводящего тракта.
2. Способ коррекции частотных искажений, вносимых звуковоспроизводящим трактом, предусматривающий формирование сигналов, несущих информацию о результатах сравнения спектров, отличающийся тем, что определяют нормированный спектр исходного сигнала, определяют нормированный спектр сигнала, полученный на выходе сугубо электронной части тракта, который сравнивают с нормированным спектром исходного сигнала, сформированные в процессе сравнения сигналы, несущие информацию о результатах сравнения, используют для выравнивания амплитудно-частотной характеристики звуковоспроизводящего тракта.
3. Устройство для коррекции частотных искажений, содержащее n-полосный управляемый темброблок и n-канальный блок управления, каждый канал которого служит для управления темброблоком только в одной полосе частот, управляющий выход блока управления соединен с управляющим входом управляемого темброблока, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены два спектроанализатора и блок сравнения, выход которого соединен с информационным входом блока управления, выходы первого и второго спектроанализаторов подключены соответственно к первому и второму информационным входам блока сравнения, информационный вход первого спектроанализатора подключен к входу устройства, информационный вход второго спектроанализатора служит для приема сигнала, несущего информацию о результатах коррекции.
