Способ частотной коррекции и автоматическое устройство для его реализации
Изобретение относится к технической кибернетике и радиотехнике и может быть использовано при построении устройств автоматической коррекции частотных искажений, возникающих, например, в звукоусилительных трактах. Технический результат состоит в автоматической коррекции амплитудно-частотных искажений, вносимых реальным искажающим трактом, без применения специального тестового сигнала. Для этого способ предусматривает сравнение спектра исходного сигнала со спектром результирующего сигнала, полученного после искажающего тракта. Результаты сравнения используют для воздействия на исходный сигнал для изменения соотношений между его спектральными составляющими. Одним из вариантов способа является определение нормированных спектров. Основными узлами устройства являются два спектроанализатора, управляемый частотный корректор, блок сравнения и блок управления. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к технической кибернетике и радиотехнике и может быть использовано при построении устройств автоматической коррекции частотных искажений, возникающих, например, в звукоусилительных трактах.
В настоящее время под частотной коррекцией понимают компенсацию искажений сигнала, возникающих по причине неодинакового усиления различных участков спектра этого сигнала. Частотные искажения возникают при прохождении сигнала через цепи, коэффициент передачи которых зависит от частоты в диапазоне частот, занимаемом полезным сигналом. Для устранения искажений вводят дополнительные корректирующие цепи, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которых подбирается таким образом, чтобы внесенные искажения по возможности компенсировались дополнительным усилением или ослаблением. Достаточно эффективным способом частотной коррекции является подход, основанный на определении спектра тестового сигнала после прохождения им искажающих частотно-зависимых цепей. При этом предполагается, что спектр тестового сигнала априори известен и не меняется. По отклонению формы спектра результирующего сигнала от горизонтальной линии судят о внесенных искажениях и вносят соответствующие компенсирующие изменения в спектр исходного сигнала. Способ реализуется в устройстве, состоящем из генератора тестового сигнала, управляемого многополосного амплитудно-частотного корректора (далее - частотный корректор) и спектроанализатора (то же, что и анализатор спектра) с дисплеем [Yamaha EQ-550. Natural sound stereo graphic equalizer. Owner's manual, 1999, стр.9]. Так как упомянутое устройство предназначено для работы с аудиосигналами, то коррекцию проводят на тестовом сигнале, близком в диапазоне слышимых частот по своим спектральным свойствам к белому шуму (часто применяют и розовый шум). 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 или автоматически путем усиления или ослабления отдельных частотных составляющих при помощи управляемого частотного корректора, выполняющего функции темброблока, и контролируется по результатам показаний дисплея спектроанализатора. Недостатком такого способа, принятого за прототип, 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.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в автоматической коррекции амплитудно-частотных искажений без применения специального тестового сигнала.
Технический результат достигается тем, что в способе частотной коррекции (вариант 1), предусматривающем определение спектра результирующего сигнала, подвергнутого частотным искажениям, согласно изобретению определяют спектр исходного сигнала, сравнивают спектры исходного и результирующего сигналов, результаты сравнения используют для воздействия на исходный сигнал для изменения соотношений между его спектральными составляющими.
Способ по первому варианту может иметь особенности, состоящие в том, что:
- спектры исходного и результирующего сигналов сравнивают между собой путем вычисления разности спектральных составляющих, соответствующих n точкам спектра (n - целое, конечное число);
- спектры исходного и результирующего сигналов сравнивают между собой путем вычисления отношения спектральных составляющих, соответствующих n точкам спектра (n - целое, конечное число);
- спектры исходного и результирующего сигналов являются спектрами средневыпрямленных значений;
- спектры исходного и результирующего сигналов являются энергетическими спектрами;
- спектры исходного и результирующего сигналов являются спектрами, полученными методом дискретного преобразования Фурье.
Технический результат достигается тем, что в способе частотной коррекции (вариант 2), согласно изобретению определяют нормированный спектр исходного сигнала, определяют нормированный спектр результирующего сигнала, подвергнутого частотным искажениям, сравнивают нормированные спектры исходного и результирующего сигналов, результаты сравнения используют для воздействия на исходный сигнал для изменения соотношений между его спектральными составляющими.
Способ по второму варианту может иметь особенности, состоящие в том, что:
- нормированные спектры исходного и результирующего сигналов сравнивают между собой путем вычисления разности спектральных составляющих, соответствующих n точкам спектра (n - целое, конечное число);
- нормированные спектры исходного и результирующего сигналов сравнивают между собой путем вычисления отношения спектральных составляющих, соответствующих n точкам спектра (n - целое, конечное число);
- нормированные спектры исходного и результирующего сигналов являются спектрами сред невыпрямленных значений;
- нормированные спектры исходного и результирующего сигналов являются энергетическими спектрами;
- нормированные спектры исходного и результирующего сигналов являются спектрами, полученными методом дискретного преобразования Фурье.
Технический результат достигается также тем, что в автоматическое устройство, реализующее способ по первому варианту, содержащее анализатор спектра результирующего (выходного) сигнала и управляемый частотный корректор, вход и выход которого служат соответственно входом и выходом устройства, согласно изобретению введены анализатор спектра исходного сигнала, блок сравнения и блок управления, блок сравнения служит для сравнения спектров исходного и результирующего сигналов, полученных при помощи анализаторов спектров, блок управления служит для непосредственного управления частотным корректором по результатам сравнения спектров исходного и результирующего сигналов.
Технический результат достигается также тем, что в автоматическое устройство, реализующее способ по второму варианту, содержащее управляемый частотный корректор, вход и выход которого служат соответственно входом и выходом устройства, согласно изобретению введены анализатор нормированного спектра исходного сигнала, анализатор нормированного спектра результирующего (выходного) сигнала, блок сравнения и блок управления, блок сравнения служит для сравнения нормированных спектров исходного и результирующего сигналов, полученных при помощи анализаторов спектров, блок управления служит для непосредственного управления частотным корректором по результатам сравнения нормированных спектров исходного и результирующего сигналов.
В автоматических устройствах сигнал на вход анализатора спектра результирующего сигнала можно подавать непосредственно с выхода электронной части искажающего тракта или при искажающем акустическом тракте с измерительного микрофона, установленного в области приема акустических волн.
В автоматических устройствах управляемый частотный корректор может представлять собой многополосный графический эквалайзер с электронным управлением.
В автоматических устройствах можно применить блок сравнения, содержащий блок вычитания, сумматор, адресный счетчик, дешифратор адреса, группу регистров и элемент ИЛИ, первый вход блока вычитания является информационным входом блока управления, эталонным входом которого служит второй вход блока вычитания, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого является входом кода смещения, выход сумматора соединен с объединенными информационными входами регистров группы, тактовые входы регистров группы подключены к соответствующим выходам дешифратора, вход которого соединен с разрядным выходом счетчика, выход переноса которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого является входом обнуления (начальной установки) блока сравнения, тактовый вход счетчика является синхровходом блока сравнения, выходом которого служат выходы регистров группы.
Сущность изобретения иллюстрируется графическим материалом.
На фиг.1 показана функциональная схема автоматического устройства для коррекции частотных искажений с подключенным искажающим трактом; на фиг.2 показаны графики, иллюстрирующие способ частотной коррекции; на фиг.3 приведена функциональная схема 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 частотный корректор 1, спектроанализаторы 2 и 3, блок 4 сравнения и блок 5 управления. Кроме того, на фиг.1 показан искажающий тракт 6. Входом устройства служит вход частотного корректора 1, N управляющих входов которого составляют единый N-канальный вход и соединены с соответствующими выходами (единый управляющий выход) блока 5 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 ко входу устройства, а к информационному входу спектроанализатора 3 подключен выход искажающего тракта 6, вход которого соединен с выходом частотного корректора 1.
Фиг.2 содержит график Y1(ω) нормированных значений спектра исходного сигнала, поступающего на вход частотного корректора 1, полученных на выходе блока 2; график Y2(ω) нормированных значений спектра результирующего сигнала после тракта 6, полученных на выходе блока 3, ω - круговая частота.
Функциональная схема по фиг.3 содержит блок 4 сравнения и блок 5 управления. В свою очередь, блок 4 сравнения содержит блок 7 вычитания, сумматор 8, адресный счетчик 9, дешифратор 10 адреса, группу 11 регистров 11-1÷11-N и элемент 12 ИЛИ. Первый вход блока 7 вычитания является первым информационным входом Y1(nΔω) блока 4, предназначенным для соединения с выходом спектроанализатора 2, второй вход блока 7 вычитания служит вторым информационным входом Y2(nΔω) блока 4 и предназначен для соединения с выходом спектроанализатора 3, выход блока 7 вычитания соединен с первым входом сумматора 8, второй вход которого является входом кода смещения Y0, выход сумматора 8 соединен с объединенными информационными входами DI регистров группы 11, 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 11 подключены к соответствующим N выходам дешифратора 10, вход которого соединен с разрядным выходом Q счетчика 9, выход переноса Р которого соединен с первым входом элемента 12 ИЛИ, второй вход которого является входом RST обнуления (начальной установки) блока 4 сравнения, синхровходом CLK которого является тактовый вход счетчика 9. Блок 5 управления представляет собой линейку 13 преобразователей 13-1÷13-N цифрового кода в сигналы управления корректором 1.
Многие реальные устройства, вносящие искажения, являются активными и входной сигнал усиливают. Причем нередко в процессе работы коэффициент усиления меняется. По этим причинам для корректного сравнения спектров их следует нормировать. 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).
Принцип действия автоматического устройства, показанного на фиг.1, заключается в сравнении нормированного спектра Y1(ω) исходного сигнала с нормированным спектром Y2(ω) результирующего сигнала, полученного на выходе искажающего тракта 6, и далее в компенсирующем изменении АЧХ цепей перед искажающим трактом, таким образом, чтобы результат сравнения спектров удовлетворял некоторому выбранному условию, например минимуму уклонения функций (разности спектральных составляющих). Для изменения АЧХ служит частотный корректор 1, управляемый сигналами сравнения, полученными на выходе блока 4. Компенсирующее изменение АЧХ приводит к изменению соотношений между спектральными составляющими сигнала, подаваемого на вход искажающего тракта 6. При этом в зависимости от характера вносимых искажений, приводящих к деформации спектра сигнала, в частотном корректоре 1 может происходить как усиление, так и ослабление отдельных спектральных компонент. В примере по фиг.2 показаны две области усиления исходного сигнала и область ослабления.
Рассмотренное устройство (фиг.1) реализует способ по второму варианту (п.7 формулы изобретения). Устройство, реализующее способ по первому варианту отличается от указанного только тем, что анализаторы 2 и 3 спектры не нормируют. Если речь идет об искажающем тракте, в котором сигнал не усиливается и не ослабляется, то нормировать спектры нет необходимости. Так же поступают и в том случае, если коэффициент усиления искажающего тракта известен и постоянен. При этом выходной (результирующий) сигнал масштабируют с учетом известного значения коэффициента усиления.
Искажающий тракт может иметь различную природу: быть сугубо электронным, механическим или комбинированным. Последний случай в практике звукоусиления достаточно распространен, так как немалую часть искажений вносят среда распространения звуковых волн и сами электромеханические преобразователи. В подобных ситуациях для коррекции искажений на вход спектроанализатора 3 сигнал подают через измерительный микрофон, установленный в точке приема звуковых волн, подобно тому как это делается в известных схемах настройки аудиотрактов.
На блок 4 сравнения, как это видно из его названия, возложены функции сравнения спектров и формирования сигналов, несущих информацию о результатах сравнения. В частных случаях сравнение можно производить путем вычисления разности величин Y1(ω) и Y2(ω) или их отношения. Что же касается блока 5 управления, то его задачей является преобразование выходных сигналов блока 4 сравнения непосредственно в сигналы управления частотным корректором 1. Количество полос n частотного корректора 1, диапазон регулировок и полосу рабочих частот выбирают исходя из конкретных задач и качественных требований, предъявляемых к автоматическому устройству. Если положить, что корректор 1 - устройство сугубо аналоговое и управление в каждой частотной полосе осуществляют напряжением, от значения которого зависит коэффициент передачи корректора в этой полосе, то для связи частотного корректора 1 с цифровым блоком сравнения (каким может быть блок 4) понадобится лишь линейка цифроаналоговых преобразователей (ЦАП). Такой вариант показан на фиг.3, где в качестве преобразователей 13-1÷13-N применены низкоскоростные ЦАПы.
Структура блока 4 сравнения по фиг.3 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, например, методом дискретного преобразования Фурье при условии, что n=1, 2, ...N (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 7 вычитания вычисляется разность Y1(nΔω)-Y2(nΔω), после чего в сумматоре 8 добавляется постоянная Y0 и затем N полученных величин
ΔY(nΔω)=Y1(nΔω)-Y2(nΔω)+Y0
распределяются по N регистрам группы 11. Занесенные в регистры 11-1÷11-N двоичные коды N величин ΔY(nΔω) являются корректирующими кодами управления частотного корректора 1 и направляются в ЦАПы 13-1÷13-N.
Управляет поочередной записью кодов ΔY(nΔω) в регистры 11 узел, состоящий из адресного счетчика 9 и дешифратора 10. 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 11. С появлением первого синхроимпульса CLK счетчик 9 устанавливает на выходе Q код единицы и активизирует таким образом выход дешифратора 10 с порядковым номером "1" (нумерация выходов дешифратора 10 начинается с нуля; нулевой выход не используется). Поскольку данный процесс протекает скачкообразно, то положительный перепад напряжений на выходе "1" дешифратора 10, передаваемый на динамический тактовый вход регистра 11-1, разрешает запись информации о первом отсчете ΔY(Δω) в регистр 11-1. Далее с приходом второго синхроимпульса счетчик переходит в следующее состояние, соответствующее числу "2", и процесс происходит аналогичным образом. После того как в регистр 11-N будет записан последний отсчет, счетчик 9 обнулится, и на этом цикл первой записи данных закончится. Все последующие циклы аналогичны первому и служат для обновления информации в регистрах 11. Вход RST предназначен для первоначального обнуления блока сравнения. Код смещения Y0 необходим для задания необходимого постоянного напряжения смещения, управляющего частотным корректором 1. Значение его выбирают, исходя из диапазона изменений величины ΔY(nΔω), диапазона требуемых регулировок и параметров управляющих цепей корректора 1. Значение кода Y0 должно быть таким, чтобы при Y1(nΔω)-Y2(nΔω)=0 напряжение смещения, подаваемое на каждый из управляющих входов корректора 1, соответствовало бы режиму пропускания сигнала без изменений его амплитуды.
Применение предложенных способов и устройств позволит исключить не только отдельный этап предварительного тестирования рабочего тракта, но еще и получить такое важное новое свойство корректирующих звеньев, как непрерывное отслеживание искажений и их компенсация в пределах возможностей конкретной аппаратуры. Задача постоянного слежения за искажениями актуальна при меняющихся параметрах рабочего тракта. Добавим также, что автоматическая коррекция не исключает коррекцию ручную, субъективную, вносимую пользователем. Возможно совмещение подходов. Кроме того, в автоматическом режиме вводить корректирующие воздействия можно не непрерывно, а по мере необходимости, например, в определенные интервалы времени, причем регулируя глубину коррекции.
Относительно особенностей реализации способов заметим, что показанные в настоящем описании устройства не являются единственно возможными. Для определения спектров можно использовать и всего один спектроанализатор с запоминанием результатов. Такое возможно, если исходный сигнал является стационарным случайным процессом или периодическим детерминированным. Разумеется, в этих случаях длительность анализа сигналов следует выбирать достаточной для получения малозависящей или независящей от времени оценки.
1. Способ частотной коррекции, отличающийся тем, что определяют нормированный спектр исходного сигнала, определяют нормированный спектр результирующего сигнала, подвергнутого частотным искажениям, сравнивают нормированные спектры исходного и результирующего сигналов, результаты сравнения используют для воздействия на исходный сигнал для изменения соотношений между его спектральными составляющими.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нормированные спектры исходного и результирующего сигналов сравнивают между собой путем вычисления разности спектральных составляющих, соответствующих n точкам спектра, где n - целое, конечное число.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нормированные спектры исходного и результирующего сигналов сравнивают между собой путем вычисления отношения спектральных составляющих, соответствующих n точкам спектра, где n - целое, конечное число.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что нормированные спектры исходного и результирующего сигналов являются спектрами средневыпрямленных значений.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что нормированные спектры исходного и результирующего сигналов являются энергетическими спектрами.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что нормированные спектры исходного и результирующего сигналов являются спектрами, полученными методом дискретного преобразования Фурье.
7. Автоматическое устройство, реализующее способ по п.1, содержащее управляемый частотный корректор, вход и выход которого служат соответственно входом и выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены анализатор нормированного спектра исходного сигнала, анализатор нормированного спектра результирующего сигнала, блок сравнения и блок управления, блок сравнения служит для сравнения нормированных спектров исходного и результирующего сигналов, полученных при помощи анализаторов спектров, блок управления служит для непосредственного управления частотным корректором по результатам сравнения нормированных спектров исходного и результирующего сигналов.
8. Автоматическое устройство по п.7, отличающееся тем, что сигнал на вход анализатора спектра результирующего сигнала подают непосредственно с выхода электронной части искажающего тракта.
9. Автоматическое устройство по п.7, отличающееся тем, что сигнал на вход анализатора спектра результирующего сигнала при искажающем акустическом тракте подают с измерительного микрофона, установленного в области приема акустических волн.
10. Автоматическое устройство по п.7, отличающееся тем, что управляемый частотный корректор представляет собой многополосный графический эквалайзер с электронным управлением.
11. Блок сравнения для применения в автоматическом устройстве по п.7, содержащий блок вычитания, сумматор, адресный счетчик, дешифратор адреса, группу регистров и элемент ИЛИ, первый вход блока вычитания является информационным входом блока управления, эталонным входом которого служит второй вход блока вычитания, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого является входом кода смещения, выход сумматора соединен с объединенными информационными входами регистров группы, тактовые входы регистров группы подключены к соответствующим выходам дешифратора, вход которого соединен с разрядным выходом счетчика, выход переноса которого соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого является входом обнуления блока сравнения, тактовый вход счетчика является синхровходом блока сравнения, выходом которого служат выходы регистров группы.
