Использование программной модели аудиопроцессора АРГО. Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

Московский технический университет связи и информатики

С.А.Литвин, О.Б.Попов, Т.В.Чернышева

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНОЙ МОДЕЛИ АУДИОПРОЦЕССОРА АРГО

Учебное пособие

Москва 2015

1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

Московский технический университет связи и информатики

С.А.Литвин, О.Б.Попов. Т.В.Чернышева

Рекомендовано УМО по образованию в области Инфокоммуникационных технологий и систем связи в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 11.03.02 и 11.04.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи квалификации (степени) «бакалавр» и «магистр».

Протокол № 80 от 25.12.2014 г.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОГРАММНОЙ МОДЕЛИ АУДИОПРОЦЕССОРА АРГО

Учебное пособие

Москва 2015

2

УДК 681.84

Литвин С.А., Попов О.Б., Чернышева Т.В. Использование программной модели аудиопроцессора АРГО: Учебное пособие / МТУСИ. – М., 2015. – 19 с.

Рассмотрены основные вопросы автоматического регулирования уровня сигнала звукового вещания с использованием алгоритма аудиопроцессорной обработки по гильбертовской огибающей.

Описан интерфейс программной модели, разработанной на кафедре ТиЗВ МТУСИ, позволяющей проводить аудиопроцессорную обработку сигнала ЗВ в различных режимах.

Учебное пособие используется в ходе курсового проектирования и выполнения практических работ по курсам: «Методы цифровой обработки аудиосигналов», «Цифровое представление и кодирование сигналов звукового вещания», «Звуковое вещание», «Основы акустики и аудиотехники», «Запись аудио- и видеосигналов», «Цифровая обработка звуковых сигналов», «Запись аудио- и видеосигналов», «Системы архивации аудио- и видеоинформации» - магистры; «Основы звукового вещания», «Кодирование звуковых и видеосигналов», «Запись и защита звуковой информации» - специальность 090302.65 – специалисты, «Электроакустика и звуковое вещание», «Формирование и первичная обработка звуковых и видеосигналов» - бакалавры, «Современные методы цифровой обработки сигналов в инфокоммуникационных системах», «Метрология звукового вещания» - магистры, направление 210700.

Ил. 6, список лит. 4 назв.

Рецензенты: А.А.Волков, д.т.н., профессор (МИИТ) А.А.Смагин, д.т.н., профессор (УлГУ)

© Московский технический университет связи и информатики, 2015

3

СОДЕРЖАНИЕ

4

ВВЕДЕНИЕ

Аудиопроцессор АРГО (автоматический регулятор уровня гильбертовской огибающей) предназначен для повышения эффективности использования трактов звукового вещания (ЗВ) и качества передачи по ним сигнала. Аудиопроцессор обеспечивает повышение относительной средней мощности (ОСМ) сигнала (а, следовательно, оцениваемой слушателем громкости) при высокостабильном поддержании пиковых уровней сигнала и сохранении высокого субъективного качества звукового сигнала при его передаче.

Программная модель аудиопроцессора АРГО представляет собой пакет файлов (программное приложение), исполняемый на персональном компьютере (ПК), реализующий полноценный алгоритм АРГО и обеспечивающий основной функционал аудиопроцессора по обработке вещательного сигнала.

Обработка вещательного сигнала (ВС) программной моделью может выполняться:

- в масштабе реального времени (в этом случае источником входного сигнала для модели является вход звуковой карты компьютера, а выходной - подается на ее выход);

- в режиме отложенных вычислений (в этом случае источником входного сигнала является ранее записанный ИКМ-файл, а выходной сигнал сохраняется по аналогии также в ИКМ-файл).

1 ОСНОВЫ АЛГОРИТМА АУДИОПРОЦЕССОРНОЙ ОБРАБОТКИ

1.1Основные требования к алгоритму обработки ВС в трактах первичного и вторичного распределения

Анализ искажений вещательного сигнала, возникающих в современных адаптивных трактах распределения сигнала звукового вещания (СЗВ), существующих методов преобразования сигнала, осуществляемого в каналах ЗВ, а также учет требований к параметрам точности преобразований диктуют следующие требования к процессу регулирования сигнала:

процесс регулирования не должен вносить в вещательный сигнал изменений его субъективных характеристик, заметных слушателем;

используемое регулирование не должно изменять громкостную динамику вещательного сигнала, формируемую звукорежиссером при создании фонограммы;

обязательное обеспечение «безынерционного» (в смысле вносимых в ВС изменений) ограничения, компрессирования и экспандирования вещательных сигналов при отсутствии обогащения спектра;

5

обеспечение выравнивания громкости на стыке разнохарактерных программ;

обеспечение повышения качества передачи СЗВ в условиях комбинированного канала (а в частности, при необходимости адаптации свойств передаваемого ВС под особенности текущего звена тракта);

необходимо предусмотреть возможность повышения средней мощности сигнала (или его ОСМ), что актуально при установке аудиопроцессора во вторичном тракте распределения;

необходимо обеспечить тембральную незаметность последствий перераспределения уровней сигнала внутри заданного диапазона;

минимизацию эффекта подчеркивания «придыхания» диктора, обусловленного перераспределением уровней СЗВ внутри общего диапазона уровней сигнала.

Указанные требования позволили очертить необходимый набор алгоритмических решений, основные из которых:

предварительный «просмотр» регулируемого сигнала с целью анализа его текущих свойств, и, как следствие, определение на их основе оптимальных параметров регулирования под уже «известный» сигнал;

введение динамической коррекции огибающей спектра обработанного сигнала, степень которой меняется в зависимости от величины изменения энергетических характеристик сигнала;

наличие в амплитудной характеристике регулирования участка шумоподавления;

параметрическая перестройка формы амплитудной характеристики регулирования с изменением положения точек перегиба на ней, степени прогиба ее нелинейной части, величины линейного и шумоподавляющего отрезка и т.п.;

раздельная полосовая обработка широкополосного СЗВ (разделение ВС по частоте на несколько полос, раздельная обработка и обратный синтез);

учитывая психофизические эффекты частотно-временной маскировки слухового анализатора, а также особенности используемых алгоритмов

кодирования ВС с устранением избыточности, следует предусмотреть возможность введения взаимных временных сдвигов составляющих ВЧ, СЧ и НЧ полос сигнала для улучшения разборчивости речевого сигнала и ясности и прозрачности музыкального.

1.2Использование преобразования Гильберта для выделения огибающей сигнала

Одним из ключевых сигнальных преобразований, используемых в алгоритме аудиопроцессорной обработки АРГО, является формирование огибающей сигнала. Наиболее приемлемым представляется использование строгого математического определения аналитической огибающей сигнала,

6

сформированной с использованием колебания, сопряженного с исходным по Гильберту.

Напомним, что понятия огибающей сигнала и его мгновенной частоты

вводятся для пары сигналов: исходного и сопряженного с ним по Гильберту ̂ , причем в мультипликативном гармоническом базисе преобразование имеет вид:

sˆ t 1

.

Преобразование Гильберта - распространенное линейное преобразование сигналов: в спектральном представлении оно переводит сумму косинусоид в сумму синусоид с сохранением амплитуд и фазовых углов. Эта процедура в электрических цепях выполняется фазовращателем. Сигналы и ̂ имеют одинаковые амплитудные, но разные фазовые спектры: все спектральные составляющие сигнала ̂ отстают от одноименных составляющих сигнала

на . Мощность обоих сигналов одинакова.

Преобразование Гильберта позволяет любой звуковой сигнал представить произведением двух функций - огибающей и косинуса фазы:

t

s t A t cos t A t cos t dt

0

где

A t s 2 t sˆ 2 t

t arctg sˆ t s t .

Мгновенную частоту определяют как производную фазы:

Использование гильбертовской огибающей в системах обработки и измерений, несмотря на все ее преимущества, сдерживалось сложностью ее аппаратного или программного формирования в условиях широполосности вещательного сигнала. Развитие вычислительной техники и разработка на кафедре ТиЗВ оригинальных методов формирования ортогонального колебания позволили использовать ее в задачах аудиопроцессорной обработки и оценки результатов регулирования уровня в канале передачи сигнала вещания.

7

1.3 Структурная схема алгоритма

На рис. 1.1 приведен обобщенный алгоритм обработки вещательного сигнала.

После нахождения пиковых значений в последовательности входных отсчетов ВС (необходимых для работы АРУР, компенсирующего медленные изменения коэффициента передачи канала вещания), выполняется сегментация сигнала во времени, после чего временные сегменты друг за другом подвергаются обработке. Первая операция - взвешивание сегмента сигнала оконной функцией, после чего сигнал поступает на блок фильтров, где происходит выделение низко- и высокочастотной части ВС. Полученные полосовые сигналы раздельно проходят дальнейшую обработку (описана ниже), после которой вновь смешиваются (микшируются), а временные сегменты «сшиваются» в непрерывную последовательность .

Процессы регулирования уровня ВС в каждой частотной полосе вещательного сигнала (НЧ и ВЧ) выполняются одинаковыми алгоритмами, поэтому для упрощения изложения материала рассмотрим преобразования лишь в одной из них, а индексы «НЧ» и «ВЧ» по тексту опустим.

Итак, из цифровой последовательности отсчетов полосового сигнала с использованием быстрого преобразования Фурье формируется ортогональ-

разделяясь на низко- и высокочастотную составляющие, которые раздельно регулируются под воздействием сигнала управления, после чего огибающую восстанавливают суммированием составляющих и получают выходную цифровую последовательность сигнала при перемножении восстановленной огибающей с косинусом мгновенной фазы.

Указанный способ регулирования реализуется выполнением последовательности следующих операций.

1)Формирование с помощью быстрого преобразования Фурье сигнала

̂, ортогонального исходному (т.е. сопряженного с ним по Гильберту).

тов на значения амплитудной характеристики регулирования (рис. 1.2). Характеристика регулирования может принимать вид компрессирующей, экспандирующей или линейной кривой, в зависимости от управляющего параметра µ.

Ограничение пиковым ограничителем

Zвых(l)

ЦАП

Выход аналогового сигнала

Рисунок 1.1 – Схема алгоритма обработки полосового сигнала

9

7) Получение выходной цифровой последовательности путем выполнения операции перемножения .

8) Адаптивное формирование сигнала управления с учетом заданного пикового уровня входного сигнала и заданной величины ОСМ выходного сигнала. При выходе этих величин за допустимые пределы производится коррекция параметров формы амплитудной характеристики регулирования (рис. 1.2). Измерения пиковых значений вещательного сигнала и его ОСМ на входе и выходе алгоритма выполняются на длительности, задаваемой в диапазоне: от 40 мс для информационного вещания и до 160 мс – для художественного.

Следует отметить, что данный алгоритм обработки ВС практически не подчеркивает эффект «придыхания» диктора. В первую очередь, это достигается за счет наличия в регуляторе достаточно высокого порога срабатывания и линейного начального участка в амплитудной характеристике регулирования.

1.4 Амплитудная характеристика регулирования уровня ВС

Как было сказано ранее, регулирование энергетических параметров сигнала сопровождается умножением его огибающей на амплитудную характеристику регулирования (рис. 1.2). Это можно отразить, как умножение каждого

c1000

μ100

μ10

c1000

Xвх

Рисунок 1.2 – Динамически изменяемая форма амплитудной характеристики регулирования