семестр 1 / лабы / лаба 5 / лаба_5_5_фипоз_метода

Рис. 5.30. Структурная схема и характеристики системы Dolbi-С

Совместимой с любым каналом является система динамического ограничения шума (DNL). В такой системе осуществляется фильтрация ЗВС выше 1…1,5 кГц при уровнях сигнала ниже 40 дБ – в этом случае сигнал не содержит гармоник основного тона, т. е. весь расположен в НЧ области. Достоинство системы – совместимость

с любым типом оборудования; недостаток – устранение ВЧ составляющих, замечаемое меломанами.

Измерение выигрыша в соотношении сигнал–шум для систем шумопонижения осуществляется с помощью ССИ. Сравниваются эталонный сигнал и сигнал, переданный по каналу с системой шумопонижения при разной величине подмешиваемого шума. Полученный выигрыш в соотношении сигнал-шум фиксируется при 15% заметности изменения сигнала, оцениваемой экспертами.

Общим недостатком перечисленных систем шумоподавления является невозможность уменьшения уровня шумов на фоне сигнала.

Рассмотренные выше системы позволяют обеспечить сохранение динамического диапазона сигнала по субъективному восприятию, а вот всегда ли надо его сохранять – это большой вопрос!

В 1985 г. Институтом вещательной техники ФРГ (IRT) была предложена концепция системы для регулирования динамического диапазона ЗВС непосредственно в процессе радиовещания (или звукового сопровождения телевидения). В этом предложении ставится под сомнение необходимость использования экспандеров для слушателей, находящихся в автотранспорте или использующих переносные приемники. В предлагаемой системе используется дополнительный сигнал управления, который позволяет осуществлять управляемое экспандирование сигнала вещания в зависимости от условий прослушивания.

Программы ЗВ слушают в разной обстановке: в тишине и шумном помещении, с помощью акустических систем и головных телефонов. Чтобы избежать маскирования слабых сигналов ЗВ акустическими шумами, динамический диапазон сигналов ЗВ регулируют вручную или автоматически. При этом учитывается максимальный уровень звукового давления, который по своему желанию устанавливает слушатель. Из ряда исследований известно, что большинство слушателей предпочитают устанавливать уровень музыкальных звучаний в области 78…80 дБ над порогом слышимости [52]. Однако в условиях больших бытовых акустических шумов этот уровень может завышаться, а в вечернее время уровень звучания обычно уменьшают. В обоих случаях возможный динамический диапазон подлежит корректировке. Как установлено, необходимые пределы изменения динамического диапазона составляют от 15 до 55 дБ.

По результатам обследования, большинство слушателей предпочитает динамический диапазон музыкальных программ 25…35 дБ. Это означает, что при таком сжатии динамического диапазона сигнала ЗВ в ТФП дополнительного изменения динамического диапазона в домашних условиях не требуется.

Дальнейшее совершенствование систем шумопонижения стало возможным с развитием методов цифровой обработки сигналов, способов его точного анализа во временной и частотной областях, отделения – на основе закономерностей звукообразования и звуковосприятия – коррелированных смысловых составляющих от шумовых. Используются и более простые решения, некоторые из которых рассматриваются ниже.

5.6.Неискажающее управляемое компандирование звукового сигнала

Задача передачи информационного сигнала по зашумленному каналу является общей для всех систем передачи. Существует два основных решения – увеличение пропускной способности канала или уменьшение объема сигнала. И в аналоговых, и в цифровых системах увеличение пропускной способности канала сопровождается непропорциональным его удорожанием, поэтому остановимся на возможностях второго направления.

Скорость регулирования динамического диапазона в НЧ канале ограничена нижней граничной частотой передаваемого сигнала. Даже при использовании способа транспонирования спектра в ВЧ область, полученная постоянная времени установления (1…3 мс) предопределяет невозможность восстановления формы сигнала.

Лучшие результаты могут быть достигнуты с компандерами, управляемыми пилот-тоном, который формируется из сигнала вещания в начале канала и передается в спектре сигнала [7]. В процессе реализации алгоритма оцифрованный исходный сигнал сегментируется, запоминается (с организацией перекрытий и наложением оконных функций) и нормализуется на заданный уровень по пиковому значению. Коэффициенты усиления для каждого сегмента и информация о его границах передаются фазоманипулированным сигналом управления совместно с вещательным сигналом. На приеме реализуется обратная последовательность операций.

Алгоритм преобразования свободен от типичного недостатка компандерных систем – модуляции слабых ВЧ компонентов на фоне высокоуровневых НЧ составляющих, что подтверждено измерениями на бигармоническом сигнале.

Результаты работы такого компандера – достижимая степень сжатия ЗВС разных жанров при длительности сегментов от 5 до 100 мс – приведены на рис. 5.31, откуда следует, что динамический диапазон практически всех вещательных сигналов удается сжать до

5…8 дБ.

Рис. 5.31. Зависимость динамического диапазона компрессированного ЗВС от длительности окна регулирования

(А – дикторский текст; В – фортепьяно; C – квинтет для двух скрипок, двух альтов и виолончелей; D – ария из оперы; E – женский голос с оркестром; F – блюз; G – симфония; H – органная музыка)

Исследования модели компандера, управляемого пилот–тоном, подтвердили возможность передачи вещательного сигнала с защищенностью от шумов канала около 60 дБ при их уровне в канале

–35 дБ [24].

5.7.Алгоритм неискажающего компандирования ЗВС по гильбертовской огибающей

При передаче сигналов ЗВ по МКЗВ одним из способов, позволяющих наиболее полно использовать емкость канала, является компандирование сигнала. При этом параметры компандирования должны определяться допустимыми пределами загрузки МКЗВ вещательным сигналом [43]. Недостатки существующих методов согласования динамических диапазонов указаны выше. Попытки снизить заметность шума не только в паузе за счет использования многополосных компандерных систем приводят к появлению ряда новых искажений, вызываемых неидентичностью фильтров, искажениями АЧХ, ФЧХ в передающих и приемных устройствах.

Совершенствование систем аналоговой передачи ЗВС возможно с привлечением цифровой обработки сигнала. Весьма эффективно снизить шумы в паузе позволяет компандирование точной анали-

тической (гильбертовской) огибающей вещательного сигнала. Метод неискажающего компандирования [12,15, 31, 36] предполагает проведение следующей совокупности операций со звуковым вещательным сигналом: аналого-цифрового преобразования; цифровой обработки; цифро-аналогового преобразования.

Для увеличения отношения сигнал–шум в паузе (ОСШпп) при обработке ЗВС в компандере производятся следующие операции:

идеальное (неискажающее) ограничение сигнала;

формирование сигнала, ортогонального исходному;

вычисление огибающей и косинуса мгновенной фазы;

компрессирование огибающей;

синтез сигнала как произведения огибающей на косинус мгновенной фазы;

идеальное ограничение сигнала.

Введение идеального ограничения ЗВС в начале и конце преобразований необходимо для строгого поддержания уровней сигнала, которое может нарушаться в канале передачи из-за отсутствия соответствующих методов контроля.

После прохождения зашумленного канала в экспандере осуществляются следующие операции:

идеальное ограничение сигнала;

формирование сигнала, ортогонального исходному;

синтез огибающей и косинуса мгновенной фазы сигнала;

экспандирование огибающей;

синтез сигнала как произведения огибающей на косинус мгновенной фазы;

идеальное ограничение сигнала.

В сигнале, обработанном по его огибающей, отсутствуют выбросы в момент срабатывания регулирующего элемента, характерные для традиционного компандера. Отсутствуют также участки повышенных шумов после сильных сигналов на времени восстановления экспандера. Общее уменьшение энергии шумов позволяет, сохраняя качество передачи, либо уменьшить максимальный уровень передачи, уменьшая тем самым мощность передаваемого вещательного сигнала, либо повысить качество передачи по отношению сигнал– шум в паузе.

Уровень шума на фоне сигнала остается таким же, как и в традиционной компандерной системе. Считается, что такие шумы эффективно маскируются самим сигналом и с ними можно мириться, если их уровень составляет –35...–40 дБ, как, например, в магнитной записи с модуляционными шумами магнитной ленты. К сожалению, при передаче многокомпонентного вещательного сигнала, как пра-

вило, приходится иметь дело с высокоуровневыми НЧ сигналами и низкоуровневыми ВЧ сигналами. В этом случае шумы канала, накладывающиеся на ВЧ составляющие, маскируются слабо. Увеличить отношение сигнал–шум на фоне сигнала (ОСШс) можно, модифицировав приведенный алгоритм путем введения раздельной обработки НЧ и ВЧ составляющих огибающей ЗВС.

На рис. 5.32 представлена схема алгоритма обработки ЗВС в компрессоре. Буфер 0 необходим для анализа выборки сигнала перед ограничением. Задержка в буфере 1 равна задержке сигнала при цифровом преобразовании Гильберта. После вычисления огибающей сигнала последняя разделяется на НЧ и ВЧ компоненты. НЧ компонента компрессируется по -закону, ВЧ компонента – линей-

но экспандируется. Затем синтезируется новая огибающая, которая накладывается на косинус фазы исходного сигнала. Буфер 2 необходим для компенсации задержки, вводимой фильтром огибающей. Кроме того, как показали исследования, для минимизации ошибок обработки целесообразно введение в структурную схему алгоритма блоков компенсации компандирования.

После прохождения зашумленного тракта ЗВС подвергается экспандированию в соответствии с алгоритмом на рис. 5.33. В отличие от алгоритма, представленного выше, здесь НЧ компонента огибающей подвергается экспандированию, а ВЧ компонента – компрессированию. Поскольку малоуровневые составляющие сигнала отображаются в ВЧ части огибающей, то при таком преобразовании

вэтой области огибающей окажется большая часть шумов. Поэтому компрессирование ВЧ компоненты в экспандере приведет к увеличению ОСШс.

Полунатурное моделирование неискажающего компандирования ЗВС позволяет проиллюстрировать работу алгоритма, а также оптимизировать значения параметров обработки [12]. Так, рис. 5.34 иллюстрирует синтез огибающей и ее разделение на НЧ и ВЧ компоненты на тестовом двухчастотном сигнале: а – исходный сигнал, б – огибающая сигнала, в – НЧ компонента огибающей, г – ВЧ компонента огибающей.

Следующий рисунок (рис. 5.35) иллюстрирует подавление шумов и сохранение формы атаки сигнала: а) зашумленный сигнал

вканале передачи, б) сигнал на выходе экспандера, который практически не отличается от входного, представленного на рис. 5.34,а.

Заметим, что при формировании рисунков для увеличения наглядности использовался большой (–20 дБ) уровень шума в канале передачи. Система обеспечивает выигрыш около 8 дБ при сохранении формы сигнала.

Рис. 5.32. Схема алгоритма работы компрессора

Рис. 5.33. Схема алгоритма работы экспандера

В результате оптимизации значений параметров обработки должно, с одной стороны, обеспечиваться эффективное подавление шумов, а с другой – малые вносимые системой искажения. Такой эффект достигается, если параметр характеристики регулирова-

ния огибающей выбирается равным 15, а частота среза фильтра, разделяющего огибающую на НЧ и ВЧ составляющие – 300 Гц.

Поскольку рассматриваемая система сохраняет форму сигнала, шумовой компонент на ее выходе можно определить непосредственным вычитанием исходного сигнала из прошедшего программную модель тракта передачи, в которой к компрессированному сигналу подмешивался белый шум с заданным уровнем. Это позволяет использовать для оценки эффективности работы алгоритма относи-

тельное среднеквадратическое значение шума (ОСКЗш). А именно,

эффективность обработки может оцениваться по разнице ОСКЗш сигнала, прошедшего компандерную обработку, и сигнала, не подвергавшегося обработке. Важным показателем эффективности компрессирования ЗВС является также степень увеличения ОСМ.

При указанных выше оптимизированных параметрах обработки в результате моделирования был получен относительный выигрыш по ОСКЗш в 2,3...2,5 раза по сравнению с необработанным сигналом при уровне шума –46 и –40 дБ. Результаты изменения ОСМ после компрессирования ЗВС приведены в табл. 5.1 [12].

Т а б л и ц а 5.1. Результаты компрессирования ЗВС

Таким образом, алгоритм неискажающего компандирования позволяет снизить уровень передаваемого сигнала, как минимум, в два раза – с запасом на искажения реального канала, т. е. уменьшить его мощность в четыре раза. Одновременно ОСМ компрессированного сигнала возрастет в 2,5 раза, следовательно, результирующее изменение мощности сигнала составит 1,5 раза.

Основные принципы, положенные в основу рассмотренного алгоритма регулирования, позволяют сохранить объективное качество сигнала. В этом случае глубина регулирования ограничивается допусками, регламентируемыми ГОСТ 11515–91 [8]. В частности, величиной допустимых искажений сигнала, которые не должны пре-

вышать 1,4...2,8% – при передаче сигнала с полосой частот до 15 кГц. Следует отметить, что метод оценки допустимых искажений как ошибки между входным и выходным реальными вещательными сигналами, приводит к завышению требований к устройству. Это объясняется тем, что допустимые, согласно ГОСТ [8], искажения определяются, исходя из заметности искажений однокомпонентного тестового сигнала с минимальным маскирующим действием, в то время как допустимые искажения реального сигнала вещания, по критерию заметности его изменений для слушателя, в несколько раз выше. Заметим, что шумоподавители системы Dolbi обеспечивают выигрыш около 20 дБ (согласно рекламы) по субъективному восприятию без сохранения формы сигнала. При неискажающем компандировании обеспечивается выигрыш около 8 дБ, но по объективным измерениям.

Принцип неискажающего компандирования ЗВС с использованием гильбертовской огибающей был положен в основу алгоритма автоматического регулирования уровня, реализованного в аудиопроцессоре АРГО [31] (см. в следующей главе).

Рис. 5.34. Синтез огибающей и разделение ее на НЧ и ВЧ компоненты