Способ и устройство порогового шумопонижения с автоматическим определением порога
Владельцы патента RU 2343631:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения" "СПбГУКиТ" (RU)
Способ и устройство порогового шумопонижения звуковых сигналов относятся к области приборостроения и предназначены для обработки сигналов. Технический результат заключается в повышении качества звучания звуковых сигналов и в повышении разборчивости речевых сигналов. Он достигается тем, что исходный сигнал дополняют сопряженным с ним по Гильберту сигналом, после чего выделяют квадрат огибающей исходного сигнала, определяя сумму квадратов каждого из пары сопряженных по Гильберту сигналов, выходной сигнал формируется перемножением одного из сопряженных по Гильберту сигналов на субсигнал шумопонижения, ограниченный по величине, а также из квадрата огибающей исходного сигнала извлекают квадратный корень, вычисляя огибающую исходного сигнала, результат интегрируют, масштабно изменяют, складывают с постоянным напряжением, определяющим порог шумопонижения тихой паузы, формируя медленно изменяющуюся часть порога ограничения, из огибающей исходного сигнала вычитают результат, полученный после ее интегрирования и масштабного изменения, ограничивают снизу, масштабно изменяют, ограничивают сверху, используя в качестве порога постоянное напряжение, определяющее порог шумопонижения тихой паузы, формируя быстро изменяющуюся часть порога ограничения, которую вычитают из медленно изменяющейся части порога ограничения, формируя тем самым порог ограничения огибающей, ее ограничивают сверху, результат ограничения делят на величину порога, формируя тем самым субсигнал шумопонижения. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Группа изобретений относится к области приборостроения и предназначена для порогового шумопонижения звуковых сигналов, главным образом, для автоматизации определения порога шумопонижения при передаче звуковых сигналов.
Известен способ, позволяющий увеличивать отношение сигнал/шум при передаче звуковых сигналов, реализованный в пороговых экспандерах динамического диапазона, используемых как в составе компандерных систем (например, компандерах Долби), так и в виде отдельных пороговых устройств шумопонижения [1, с.178-181].
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится то, что:
- в компандерных системах пороги срабатывания экспандеров должны быть согласованы с порогами срабатывания компрессоров, и поэтому изменяться не могут;
- в экспандерах, используемых в виде отдельных пороговых устройств шумопонижения, звукооператор или звукорежиссер имеет возможность изменять порог шумопонижения, но не может этого делать оперативно, когда уровень звукового сигнала постоянно изменяется; поэтому он вынужден устанавливать такие значения порога шумопонижения, которые наименее заметно искажают фонограмму, жертвуя при этом эффективностью шумопонижения.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному в группе изобретений способу по совокупности признаков является способ, реализованный в устройстве по А.С. СССР №1533008.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству в группе изобретений является устройство по А.С. СССР №1533008.
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа и устройства для его осуществления, принятых за прототип, относится то, что при их использовании нельзя оперативно автоматически изменять порог шумопонижения, когда уровень звукового сигнала изменяется.
В прототипе выбранный порог шумопонижения устанавливается для всего фрагмента фонограммы целиком.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Единая задача, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, заключается в повышении качества звучания звуковых сигналов и, в том числе, в повышении разборчивости речевых сигналов, передаваемых при наличии мешающих шумов. Повышение разборчивости речи при наличии мешающих шумов достигается за счет автоматического изменения величины порога шумопонижения для каждого отдельного звука.
Известно [2], что при выборе большой величины порога шумопонижения часть слабых звуков может быть недопустимым образом ослаблена в процессе обработки звуковых сигналов. При выборе малой величины порога шумопонижения, такой, чтобы слабые звуки не страдали, эффективность снижения шума становится невысокой, как правило, такой, что в паузах полезного сигнала слышен шум.
Единый технический результат, который может быть получен при осуществлении группы изобретений, заключается в том, что в результате обработки передаваемых сигналов порог шумопонижения при изменяющемся уровне шума в канале для пауз и каждого отдельного звука устанавливается в заявляемом устройстве автоматически таким образом, что порог шумопонижения обработанного сигнала всегда становится близким к оптимальному значению для каждого передаваемого звука и каждой паузы между звуками, а не остается одинаковым и оптимальным в среднем, как в настоящее время.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что, как и в известном способе, исходный сигнал дополняют сопряженным с ним по Гильберту сигналом, после чего выделяют квадрат огибающей исходного сигнала, определяя сумму квадратов каждого из пары сопряженных по Гильберту сигналов, выходной сигнал формируют перемножением одного из сопряженных по Гильберту сигналов на субсигнал шумопонижения, ограниченный по величине, но в отличие от прототипа из квадрата огибающей исходного сигнала извлекают квадратный корень, вычисляя огибающую исходного сигнала, результат интегрируют, масштабно изменяют, складывают с постоянным напряжением, определяющим порог шумопонижения тихой паузы, формируя медленно изменяющуюся часть порога ограничения, из огибающей исходного сигнала вычитают результат, полученный после ее интегрирования и масштабного изменения, ограничивают снизу, масштабно изменяют, ограничивают сверху, используя в качестве порога постоянное напряжение, определяющее порог шумопонижения тихой паузы, формируя быстро изменяющуюся часть порога ограничения, которую вычитают из медленно изменяющейся части порога ограничения, формируя тем самым порог ограничения огибающей, которую ограничивают сверху, результат ограничения: делят на величину порога, формируя тем самым субсигнал шумопонижения.
В качестве примера реализации заявляемого способа предлагается устройство.
Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известное устройство, которое включает в себя последовательно соединенные квадратурный фазовращатель, два квадратичных детектора и сумматор, а также ограничитель и аналоговый перемножитель, первый вход которого соединен с первым выходом фазовращателя, второй вход которого соединен с выходом ограничителя, выход аналогового перемножителя образует выход устройства, дополнительно снабжено делителем аналоговых сигналов, который включен между перемножителем и ограничителем, а кроме того, оно дополнительно снабжено последовательно соединенными блоком извлечения квадратного корня, интегратором, первым масштабным усилителем и вторым сумматором, а также последовательно соединенным первым вычитателем, вторым ограничителем, вторым масштабным усилителем, третьим ограничителем и вторым вычитателем, причем выход сумматора соединен с входом блока извлечения квадратного корня, выход которого соединен с входом ограничителя и первым входом первого вычитателя, на второй вход второго сумматора и третьего ограничителя поступает постоянное напряжение, определяющее порог шумопонижения тихой паузы, а выход второго сумматора подсоединен к первому входу второго вычитателя, второй вход первого вычитателя соединен с выходом первого масштабного усилителя, а выход второго вычитателя соединен со вторым входом ограничителя, по которому задается порог ограничения, и вторым входом делителя аналоговых сигналов, по которому подается сигнал знаменателя.
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, характеризующиеся 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 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 - квадратурный фазовращатель; 2, 3 - квадратичные детекторы; 4 - сумматоры; 5 - блок извлечения квадратного корня; 6 - интегратор; 7 - ограничитель; 8, 13 - первый и второй масштабные усилители соответственно; 9, 16 - первый и второй вычитатели соответственно; 11 - делитель аналоговых сигналов; 12 - второй сумматор; 15 - перемножитель.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В качестве математической модели исходного сигнала принимается модель:
где sвх(t) - входной сигнал; S(t), ϕ(t) - соответственно огибающая и текущая фаза этого сигнала.
В паузах речи входной сигнал (1) можно считать одной из реализации белого шума в полосе пропускания канала передачи.
На выходах фазовращателя ФВ (1 на чертеже) формируются два сопряженных по Гильберту сигнала:
Квадратичными детекторами (2, 3 на чертеже) входной и сопряженный сигналы возводятся в квадрат:
На выходе сумматора Сум (4 на чертеже) находится квадрат огибающей входного сигнала как сумма сигналов (4) и (5):
Блоком извлечения квадратного корня БИКК (5 на чертеже) определяется огибающая входного сигнала:
На выходе интегратора Инт (6 на чертеже) получают усредненное значение огибающей входного сигнала:
где Т - время интеграции (6 чертеже).
На выходе первого масштабного усилителя МУ1 (8 на чертеже) сигнал (8) масштабно изменяется:
На выходе второго сумматора Сум 2 (12 на чертеже) формируется сумма сигнала (9) и постоянного напряжения:
которая в заявляемом устройстве используются в качестве медленно изменяющейся части порога шумопонижения.
Очевидно, что при малом шуме паузы (то есть во время тихой паузы) сигнал на выходе второго сумматора будет определяться главным образом величиной постоянного напряжения Uпост.
После длительной паузы, то есть такой, длительность которой превышает три Т, при большом уровне шума паузы сигнал на выходе второго сумматора будет определяться уже не величиной постоянного напряжения Uпост, а главным образом величиной сглаженной огибающей шума и выбранной вероятностной мерой в виде коэффициента усиления (Kму1) первого масштабного усилителя, которая учитывает случайный характер шума и входного сигнала. При выборе достаточно большой величины времени интеграции Т интегратора (6 на чертеже) сигнал на выходе второго сумматора будет представлять собой медленно изменяющееся напряжение, величина которого будет соответствовать усредненному уровню сигнала в канале, мало изменяясь в канале со стационарными свойствами. Величина постоянного напряжения Uпост при большом уровне шума или сигнала будет определять превышение порога шумопонижения над усредненным значением огибающей входного сигнала. Введение такого превышения позволяет обеспечить требуемое подавление шума в паузах полезного сигнала. Однако это завышает порог шумопонижения, что без принятия специальных мер приведет к недопустимому ослаблению слабых звуков речи и, как следствие, приведет к уменьшению ее разборчивости, главным образом, из-за потери для восприятия слабых согласных звуков речи. Чтобы подобного не происходило огибающая входного сигнала, превышающая установившийся средний уровень, понижает порог шумопонижения, он не более чем на величину выбранного превышения порога шумопонижения над средним уровнем, то есть не более чем на величину Uпост. Названное понижение порога шумопонижения происходит (и должно происходить) главным образом при появлении полезного речевого сигнала, то есть при малых уровнях входного сигнала. Речевой сигнал большого уровня маскирует шум канала, и шум при этом не оказывает заметного на слух вредного действия.
Реализуется названное понижение порога шумопонижения следующим образом. На выходе первого вычитателя Выч1 (9 на чертеже) формируется сигнал:
Второй ограничитель сигнала Огр2 (10 на чертеже) выполняет ограничение сигнала sвых9(t) снизу с порогом, равным нулю. При этом на выходе этого ограничителя формируется один из следующих сигналов:
Регулировка коэффициента усиления (Кму2) второго масштабного усилителя МУ2 (13 на чертеже) позволяет установить требуемую скорость снижения порога шумопонижения при появлении речевого сигнала. На выходе второго масштабного усилителя формируется сигнал:
На выходе третьего ограничителя Огр3 (14 на чертеже) происходит ограничение сверху величины сигнала sвых13(t). При этом на выходе третьего ограничителя формируется один из следующих сигналов:
Таким образом, формируется быстро изменяющаяся часть порога шумопонижения.
Снижение порога шумопонижения происходит в результате вычитания из медленно изменяющейся части порога шумопонижения быстро изменяющейся части порога шумопонижения. Это вычитание реализуется вторым вычитателем Выч2 (16 на чертеже), на выходе которого заканчивается формирование порога шумопонижения Uпор:
Ограничитель Огр (7 на чертеже) выполняет ограничение огибающей исходного сигнала сверху, используя в качестве порога полученное напряжения (15). На выходе ограничителя формируется один из следующих сигналов:
Делитель аналоговых сигналов ДАС (11 на чертеже) предназначен для устранения зависимости величины выходного сигнала от величины порога Uпор. На его выходе формируются сигналы:
Перемножителем П (15 на чертеже) формируется выходной сигнал устройства:
Эффект шумопонижения достигается за счет возведения в квадрат огибающей малых входных сигналов, то есть таких, величина огибающей которых меньше порога шумопонижения.
В работе предлагаемого устройства можно выделить два различающихся, типовых режима работы.
Первый режим будет наблюдаться, когда входной речевой сигнал по длительности значительно меньше длительности пауз фрагмента фонограммы. В этом случае медленно изменяющаяся часть порога шумопонижения, которая формируется усреднением огибающей входного сигнала, будет определяться в основном уровнем шума этого фрагмента фонограммы. При появлении речевого сигнала порог будет снижаться (15). Если начнется процесс непрерывной речи, то порог начнет повышаться. Быстрее или медленнее - это зависит от выбранной величины времени интеграции Т.
Второй режим будет наблюдаться, когда непрерывный речевой сигнал по длительности значительно больше длительности пауз (например, дикторская речь). В этом случае медленно изменяющаяся часть порога шумопонижения будет в основном формироваться усреднением огибающей речевого сигнала и, как правило, будет значительно выше, чем в первом режиме. В этом случае для нормальной работы шумоподавителя и автоматического снижения порога шумопонижения до нужной величины для каждого звука необходимо ручной регулировкой уменьшить коэффициент Kму1, что соответственно уменьшит величину сигнала (9) и тем самым снизит величину медленно изменяющейся части порога шумопонижения.
В настоящее время звукорежиссер при смене характера фонограммы поступает аналогично, то есть вручную устанавливает порог шумопонижения, подходящий для данного фрагмента фонограммы.
Заключая пояснения к работе устройства можно констатировать:
1. Эффективность работы предлагаемого порогового шумоподавителя (то есть снижение уровня шума паузы) по сравнению с прототипом будет больше, так как в предлагаемом устройстве в паузе порог шумопонижения может заметно превышать средний уровень шума.
2. Разборчивость обесшумленной речи на выходе предлагаемого шумоподавителя будет выше, чем у прототипа, так как появление каждого звука речи в заявляемом устройстве сопровождается снижением порога шумопонижения. Необходимую величину снижения порога для слабых звуков можно установить регулировкой коэффициента усиления МУ2 (Kму2).
3. При правильно установленных параметрах предлагаемый шумоподавитель большую часть времени может работать автоматически, то есть без вмешательства звукорежиссера, автоматически изменяя медленно изменяющуюся часть порога шумопонижения вслед за изменением среднего уровня сигнала в канале звукопередачи и автоматически снижая порог шумопонижения для слабых звуков.
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 и аналоговой звукотехнике;
- 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. Звуковое вещание / А.В.Выходец, П.М.Жмурин, И.Ф. Зорин и др. Под ред. Ю.А.Ковалгина: Справочник. - М.: Радио и связь, 1993. - 464 с.
2. Кудрин И.Г. Устройства шумоподавления в звукозаписи. - М.: Энергия, 1977. - 234 с.
1. Способ порогового шумопонижения с автоматическим определением порога при передаче звуковых сигналов, при котором исходный сигнал дополняют сопряженным с ним по Гильберту сигналом, после чего выделяют квадрат огибающей исходного сигнала, определяя сумму квадратов каждого из пары сопряженных по Гильберту сигналов, выходной сигнал формируют перемножением одного из сопряженных по Гильберту сигналов на субсигнал шумопонижения, ограниченный по величине, отличающийся тем, что из квадрата огибающей исходного сигнала извлекают квадратный корень, вычисляя огибающую исходного сигнала, результат интегрируют, масштабно изменяют, складывают с постоянным напряжением, определяющим порог шумопонижения тихой паузы, формируя медленно изменяющуюся часть порога ограничения, из огибающей исходного сигнала вычитают результат, полученный после ее интегрирования и масштабного изменения, ограничивают снизу, масштабно изменяют, ограничивают сверху, используя в качестве порога постоянное напряжение, определяющее порог шумопонижения тихой паузы, формируя быстро изменяющуюся часть порога ограничения, которую вычитают из медленно изменяющейся части порога ограничения, формируя тем самым порог ограничения огибающей, которую ограничивают сверху, результат ограничения делят на величину порога, формируя тем самым субсигнал шумопонижения.
2. Устройство порогового шумопонижения с автоматическим определением порога при передаче звуковых сигналов, которое включает в себя последовательно соединенные квадратурный фазовращатель, два квадратичных детектора и сумматор, а также ограничитель и аналоговый перемножитель, первый вход которого соединен с первым выходом фазовращателя, второй вход которого соединен с выходом ограничителя, выход аналогового перемножителя образует выход устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено делителем аналоговых сигналов, который включен между перемножителем и ограничителем, а кроме того, оно дополнительно снабжено последовательно соединенными блоком извлечения квадратного корня, интегратором, первым масштабным усилителем и вторым сумматором, а также последовательно соединенным первым вычитателем, вторым ограничителем, вторым масштабным усилителем, третьим ограничителем и вторым вычитателем, причем выход сумматора соединен с входом блока извлечения квадратного корня, выход которого соединен с входом ограничителя и первым входом первого вычитателя, на второй вход второго сумматора и третьего ограничителя поступает постоянное напряжение, определяющее порог шумопонижения тихой паузы, а выход второго сумматора подсоединен к первому входу второго вычитателя, второй вход первого вычитателя соединен с выходом первого масштабного усилителя, а выход второго вычитателя соединен со вторым входом ограничителя, по которому задается порог ограничения, и вторым входом делителя аналоговых сигналов, по которому подается сигнал знаменателя.
