Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Разработка теоретических представлений о возможности преобразований мгновенной частоты и огибающей звуковых сигналов без необходимости выделять эти модулирующие функции 22
1.1.Понятия и определения 22
1.2. Гипотезы и утверждения, доказывающие существование операторов преобразования сигналов, приводящих к делению-умножению их мгновенной частоты и логарифмической огибающей . 27
1.3.Проблема восстановления частотно-компрессированных сигналов. Теоремы об искажениях и о верности
восстановления сжатых по частоте сигналов 33
Заключение 41
Глава 2. Разработка способов и методов компандирования звуковых сигналов без необходимости вьщелять модулирующие функции. 43
2.1.Алгоритм разработки способов преобразований
огибающей и мгновенной частоты звуковых сигналов 43
2.2.Использование предложенного алгоритма на примере определения способа преобразования сигналов, приводящего к делению их мгновенной частоты с коэффициентом деления равным двум 44
2.3. Умножение мгновенной частоты звуковых сигналов в целое число раз 48
2.3.1.Умножение в два раза 48
2.3.2.Умножение мгновенной частоты на произвольное целое число 49
2.4.Управление коэффициентом деления- умножения мгновенной частоты 50
2.4.1.Деление на целое число 50
2.4.2.Деление мгновенной частоты на произвольный дробный (рациональный) коэффициент 51
2.5.Восстановление исходной мгновенной частоты ...53
2.6.Основные положения нового метода преобразования мгновенной частоты . 55
2.7.Известный способ преобразования динамического диапазона без изменения частотного диапазона.. 55
2.8.Разработка способа преобразования частотного диапазона путем деления в два раза мгновенной частоты звуковых
сигналов без преобразования огибающей * 57
2.9.Разработка способа точного удвоения мгновенной частоты.60 2.10.Разработка способов одновременных преобразований
и частотного, и динамического диапазонов сигналов 62
2.10.1.Компрессирование 62
2.10.2.Экспандирование 63
2.11.Разработка способа точного сжатия динамического
диапазона сигналов без изменения мгновенной частоты 67
2.12.Разработка способа точного расширения динамического диапазона сигналов без изменения мгновенной
частоты 67
2.13.Основные положения нового метода преобразования
огибающей звуковых сигналов 68
Заключение 69
Глава 3. Управление природными модулирующими функциями звуковых сигналов в аппаратуре звуко- передачи без необходимости выделять модулирующие функции 70
3.1.Реализация точного делителя в два раза
мгновенной частоты 72
3.2.Узлы компрессора 77
3.2.1.Сумматор мгновенных частот .77
3.2.1.1.Фазовращатель сигнала опорного генератора 77
3.2.1.2.Фазовращатель звукового сигнала 77
3.2.1.3.Перемножители аналоговых сигналов 77
3.2.1.4.Вычитатель сигналов 78
3.2.2.Генератор 78
3.2.3.Амплитудный ограничитель 78
3.2.4.Вычитатели мгновенных частот . 78
3.2.4.1.Фазовращатель для однополосного сигнала 78
3.2.4.2. Другие элементы вычитателей мгновенных частот 79
3.2.5.Другие узлы 79
3.3.Испытания изготовленного делителя в два раза
мгновенной частоты ..79
3.3.1.Испытательный сигнал - синусоидальное колебание 79
3.3.1.1.Амплитудная характеристика ...79
3.3.1.2.Амплитудно-частотная характеристика 81
3.3.1.3.Коэффициент гармоник 81
3.3.2.Испытательный сигнал - сигнал "биений" 81
3.3.3.Тональные импульсы... 86
3.4.Реализация нового частотного компрессора с нелинейной характеристикой обработки мгновенной частоты 90
3.5.Реализация амплитудного компрессирования в устройстве точного деления в два раза мгновенной частоты 96
3.6.Реализация точного умножителя в два раза мгновенной частоты сигналов ..97
3.7.Реализация точного умножителя в четыре раза мгновенной частоты сигналов 101
3.8.Узлы экспандеров , Л01
3.9.Испытания изготовленных экспандеров , 101
3.9.1.Испытательный сигнал - синусоидальное колебание 101
3.9.1.1. Амплитуд нал характеристика 104
3.9.1.2.Амплитудно-частотная характеристика 104
3.9.1.3.Коэффициент гармоник 104
3.9.2.Испытательный сигнал - тональные импульсы 104
Заключение 109
Глава 4. Результаты практических исследований изменений спектров некоторых природных звуковых сигналов в зависимости от величины коэффициента умножения мгновенной частоты 110
4.1.Предварительные замечания 110
4.2. Результаты исследования зависимости величины спектральной плотности полосы белого шума от величины коэффициента умножения мгновенной частоты 115
4.2.1.Первый эксперимент 116
4.2.2.Второй эксперимент 120
4.2.3.Итоги первых экспериментов и постановка задачи
следующего исследования 124
4.3.Результаты исследований изменений величины спектральной плотности в результате умножения мгновенной частоты узкополосного шумового сигнала при наличии
синусоидального сигнала на средней частоте шума 126
4.3.1.Первый эксперимент 126
4.3.2.Второй эксперимент 133
4.3.3.Итоги исследований подраздела 142
4.4.Исследование изменений спектров суммы двух узкополосных сигналов в результате умножения их мгновенной частоты. 143
4.4.1.Умножение мгновенной частоты сигнала "биений" 143
4.4.2.Умножение мгновенной частоты суммы узкополосного шума и синусоидального сигнала ,...149
4.4.3.Прослушивание сигналов *. 152
Заключение 152
Глава 5. Результаты практических исследований изменений спектров некоторых природных звуковых сигналов в зависимости от величины коэффициента деления мгновенной частоты 155
5.1.Результаты исследования зависимости величины
спектральной плотности полосы белого шума от величины коэффициента деления мгновенной частоты 155
5.1.1.Первый эксперимент 155
5.1.2.Второй эксперимент.. ...163
5.1.3.Итоги исследований подраздела 168
5.2-Результаты исследования зависимости величины спектральной плотности полосы белого шума от величины коэффициента деления мгновенной частоты при наличии синусоидального колебания на средней частоте шума 169
5.2.1.Первый эксперимент 170
5.2.2.Второй эксперимент 175
5.2.3 .Итоги исследований подраздела 184
5.3.Уточнения 185
5.3.1.Коэффициент самоконцентрации ..185
5.3.2.Частотная зависимость коэффициента
самоконцентрации 187
5.3.3.Итоги исследований подраздела 193
5.4.Исследование изменений величины спектральной плотности
шумовых сигналов, выделенных из белого шума фильтрами низких частот, в зависимости от величины коэффициента деления их мгновенной частоты 196
5.4.1.Первый эксперимент 196
5.4.2.Второй эксперимент 207
5.4.3.Итоги исследований подраздела 215
5.5.Исследование изменений величины спектральной плотности шумовых сигналов, выделенных фильтром низких частот, при наличии синусоидального сигнала на средней частоте шума в зависимости от величины коэффициента деления мгновенной частоты суммарного сигнала 216
5.5.1.Первый эксперимент 217
5.5.2.Второй эксперимент 229
5.5.3.Итоги исследований подраздела 237
5.6.Спектры биений при делении мгновенной частоты 239
Заключение 243
Глава 6.Использование прецизионных преобразователей модулирующих функций сигналов для изучения свойств фонем русской речи 247
6.1.Мгновенная частота речевых сигналов 247
6.2.0 взаимосвязи формант и модулирующих функций 253
6.2.1.Обычный голос здорового человека 253
6.2.2.Псевдоголос 261
6.2.3.Итоги исследований подраздела 274
6.3.Задачи будущих перспективных исследований 274
6.4.Методики проведения исследований и решения
поставленных задач 284
6.4.1.Методика проведения исследования влияния ограничения ширины спектра мгновенной частоты звуковых сигналов
на их восприятие (решение задач 1 и 2) (М.1) 284
6.4.2.Методика проведения исследования влияния ограничения ширины спектра огибающей звуковых сигналов на их восприятие (решение задач 3 и 4) (М.2) 287
6.4.3.Методика проведения исследования влияния одновременного ограничения спектров и мгновенной частоты, и огибающей на восприятие звуковых сигналов (для решения задачи 5) (М.3)..288 6.4.4.Методика исследования изменений величины частоты несущего
колебания у природных сигналов (для задач 5,9,10) (М.4) 288
6.4.5. Мето дика проведения исследования возможности подмены высокочастотных компонентов спектров фонем и
музыкальных звуков (решение задач 6,7 и 8) (М.5) 289
6.4.6.Методика проведения исследования возможности преобразования сигнала псевдоголоса в сигнал, звучание которого похоже на голос
здорового человека (решение задачи 9) (М.6) 291
6.4.7.Методика исследования возможности использования деления мгновенной частоты для эффективного сокращения полосы частот, которая необходима для передачи звуковых сигналов заданным качеством (для решения задачи 5) (М.7) 294
6.4.8.Методика проведения исследования возможности использования деления мгновенной частоты для шумопонижения при передаче частотно-компрессированных сигналов: следящего частотного и комбинированного шумопонижения
(варианты решения задачи 10) (М.8) 296
6.4.8.1.Следящее частотное шумопонижение 296
6.4.8.2.Динамическая фильтрация 297
Заключение 298
Заключение
- Гипотезы и утверждения, доказывающие существование операторов преобразования сигналов, приводящих к делению-умножению их мгновенной частоты и логарифмической огибающей
- Умножение мгновенной частоты звуковых сигналов в целое число раз
- Другие элементы вычитателей мгновенных частот
- Результаты исследования зависимости величины спектральной плотности полосы белого шума от величины коэффициента умножения мгновенной частоты
Введение к работе
В истории развития представлений о структуре и свойствах звуковых сигналов и поэтому в истории развития технических средств передачи звуковых сигналов можно заметить неоднократные попытки уменьшить объем передаваемых сигналов (в двадцатом столетии примерно через каждые 10-20 лет [1-7] ). При этом главный интерес в этой проблеме почти всегда представляло сжатие частотного диапазона звуковых сигналов на передающей стороне канала и восстановление сигнала на приемной стороне без потерь или при разумных потерях качества сигнала. До настоящего времени эта задача оставалась нерешенной.
Современные устройства обработки звуковых сигналов, точнее большая их часть, создавались на базе спектральной теории. Сегодня приходится констатировать факт, что возможности спектральной теории сигналов как научной базы для построения электроакустической и звукотехническои аппаратуры практически исчерпаны или близки к этому.
В настоящее время научные исследования в области обработки звуковых сигналов ведутся в двух основных направлениях:
- представление и обработка сигналов в цифровой форме;
- поиск новых математических моделей сигналов и новых алгоритмов их обработки.
В рамках второго направления выполнена предлагаемая работа.
Исследования физических свойств звуковых сигналов и явлений, реализующихся в процессе их обработки, выполнены в работе с использованием сигналов в аналоговой форме потому, что, если бы даже неизвестные свойства звуковых сигналов были обнаружены с помощью средств цифровой или вычислительной техники, то проверка обнаруженных свойств проводилась бы с помощью физических экспериментов над сигналами в аналоговой форме.
Компандирование частотного и динамического диапазона звуковых сигналов может с выгодой использоваться в любых каналах передачи. Разработка названных преобразований в этой работе выполнена для канала звукопередачи кинематографа. Сделано это потому, что качество звука кинофильмов не удовлетворяет современного зрителя, привыкшего к звукопередче высокой верности, из-за узкой полосы передаваемых частот, заметных нелинейных искажений и шумов аналоговой фотофонограммы. Об этом свидетельствуют результаты опросов зрителей, развитие электронного кино, разработка и внедрение аппаратуры цифровой звукозаписи пленочных фильмокопий [64-70]. Одним из возможных путей решения проблемы повышения качества звука кинофильмов может служить компрессирование частотного и динамического диапазонов сигналов делением их мгновенной частоты и логарифмической огибающей при записи негативов фонограмм с восстановлением при воспроизведении.
Все известные попытки исследовать возможности обратимых преобразований мгновенной частоты оказались безуспешными. Усомниться в полученных различными исследователями результатах позволяет то, что в их опытах часть звуков после выделения мгновенной частоты не восстанавливалась даже без каких-либо воздействий на мгновенную частоту. Есть основания считать, что главной причиной ошибок преобразования мгновенной частоты являлось то, что для обработки эту модулирующую функцию необходимо было выделять.
Последней известной попыткой преобразовывать модулирующие функции звуковых сигналов является разработка метода обработки известного под названием "Модуляционный анализ-синтез звуковых сигналов". Следует отметить, что этот метод, насколько нам известно, является единственным методом, в рамках которого получено теоретическое обоснование воможности сжатия объема звукового сигнала (причем двух его измерений: частотного и динамического диапазонов) с целью согласования объема сигнала и пропускной способности канала передачи [2], а также были предприняты практические шаги на пути решения этой задачи [3,4].
Поддерживаем [2] в том, что среди линейных операторов, удобных для получения опорного сигнала по известному исходному сигналу s(t), ряд важных преимуществ имеет преобразование Гильберта, которому следует отдать предпочтение.
И последнее, в чем нужно подчеркнуть совпадение наших взглядов с [2] прежде, чем начнутся разногласия, это то, что смысловая сторона музыкальных и речевых сигналов (разборчивость и узнаваемость) передается главным образом их гильбертовой мгновенной частотой, а огибающая отвечает, в основном, лишь за динамический диапазон сигнала. Стоит добавить, что сказанное в последнем предложении совпадает с результатами других известных исследований, например [6], а кроме того, известны системы связи, предназначенные для передачи речи, в которых огибающая вообще устранялась, а передавался только косинус фазы - cos (p(t) [7], при этом указывалось, что разборчивость снижалась незначительно. Это позволяет сосредоточить внимание в первую очередь на преобразованиях мгновенной частоты. Решение указанной задачи для косинуса фазы позволит по аналогии решать эту задачу и для огибающей, конечно, если потребуется.
Теория модуляционного анализа-синтеза по сути своей направленности не отвечает на многие важные для нас вопросы.
Во-первых, никем не доказано, что для того, чтобы управлять свойствами сигналов, преобразуя модулирующие функции, обязательно необходимо выделять эти функции, обрабатывать их, а потом уже синтезировать по ним обработанный звуковой сигнал.
Во-вторых, никем не доказано, что принципиально возможно (или невозможно) осуществлять интересующие преобразования мгновенной частоты и огибающей без необходимости выделять эти модулирующие функции.
В третьих, остается открытым вопрос о результатах точного преобразования диапазона изменения мгновенной частоты природных звуковых сигналов.
К сожалению, при практической реализации идей модуляцион -13-ного анализа-синтеза были обнаружены пороговые явления сходные с теми, которые наблюдаются при детектировании частотно-модулированных сигналов, созданных искусственно. Паузы заполнены шумом канала, но являются неотъемлемой частью звукового сигнала. При уравнивании огибающих сигнала и шума мгновенная частота теоретически может принимать бесконечно большие значения. При этом возникают неустранимые искажения сигналов.
Объект исследования: обработка звуковых сигналов.
Предмет исследования: теория и практика преобразований мгновенной частоты и огибающей звуковых сигналов без необходимости выделять эти модулирующие функции.
Наибольший интерес, на наш взгляд, представляют преобразования мгновенной частоты звуковых сигналов. Поэтому этим преобразованиям мы будем уделять основное внимание. Однако оставить полностью без рассмотрения преобразования огибающей, на наш взгляд, было бы неправильно. Ведь если практически будут реализованы преобразования мгновенной частоты на базе новых представлений, то необходимо уметь выполнять преобразования огибающей на базе тех же представлений, а не других.
Предмет изучения в теории преобразований мгновенной частоты и огибающей составляет пара звуковых сигналов, один из которых -исходный, а второй (опорный) получают из исходного с помощью преобразования Гильберта.
Пару сигналов можно преобразовывать любыми практически реализуемыми способами с целью достижения требуемых преобразований мгновенной частоты и огибающей без необходимости выделять эти модулирующие функции.
Основная цель исследования - синтез новых методов и средств обработки звуковых сигналов, обеспечивающих получение недоступных ранее возможностей управления сигналами, на основе
-14-разработки и экспериментальной проверки теории преобразований мгновенной частоты и огибающей звуковых сигналов без необходимости выделять эти модулирующие функции, анализ возможностей и практическое применение разработанных методов к управлению рабочими сигналами в канале звукопередачи и к исследованию свойств звуковых сигналов.
Поставленной цели соответствует следующий круг задач:
-разработать математические основы теории преобразований мгновенной частоты и огибающей звуковых сигналов без необходимости выделять эти модулирующие функции;
-разработать методы, способы и устройства преобразований мгновенной частоты и огибающей звуковых сигналов без необходимости выделять эти модулирующие функции;
-экспериментально подтвердить достоверность разработок;
-исследовать процессы преобразования модулирующих функций некоторых природных звуковых сигналов;
-обеспечить реализацию теоретических и практических результатов работы путем их внедрения в учебный процесс, методики проектирования аппаратуры, практику научных исследований.
Методологическую и теоретическую основы исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области передачи и преобразования аналоговых сигналов.
Методы исследования. В исследовании применялись методы теоретического анализа (математического, логического, системного, моделирования, обобщения опыта); обсервационные (прямых, косвенных наблюдений); спектрального анализа (экспериментального и теоретического); измерений (электрических, артикуляционных); экспертных оценок.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.
В первой главе вводятся гипотезы и тем определяется направле -15 ние поиска новых методов модуляционных преобразований звуковых сигналов. Поставлены задачи определения операторов преобразований пары сигналов: исходного и сопряженного с ним по Гильберту, приводящих к делению (умножению) мгновенной частоты и логарифмической огибающей без выделения модулирующих функций в виде отдельно существующих сигналов. Доказаны утверждения о существовании названных операторов. Обнаружено явление возникновения искажений при восстановлении сигналов, передаваемых с деленной мгновенной частотой. Доказана теорема о возникновении искажений при восстановлении сигналов, передаваемых с деленной мгновенной частотой. Сформулирована проблема верного восстановления сигналов. Возможность решения названной проблемы доказана в виде теоремы о верности восстановления сжатых по частоте сигналов с тремя следствиями, в которых сформулированы три решения названной проблемы.
Во второй главе предложен алгоритм разработки новых способов преобразований мгновенной частоты и огибающей звуковых сигналов без выделения этих модулирующих функций. С помощью предложенного алгоритма разработаны шесть новых способов деления (умножения) мгновенной частоты и логарифмической огибающей без выделения модулирующих функций, способы разъединения (воссоединения) природных модуляций, позволяющие при необходимости обрабатывать модулирующие функции раздельно или одну из них без их выделения; при разъединении из одного исходного звукового сигнала, в общем случае модулированного и по частоте, и по амплитуде, формируются два независимых друг от друга сигнала на произвольных несущих колебаниях: один - амплитудно-модулированный, второй - частотно-модулированный.
Опыт разработок обобщен в формулировке основных положений новых методов преобразования мгновенной частоты и огибающей звуковых сигналов без выделения модулирующих функций.
В третьей главе описаны выбранные для практического использования в экспериментальных исследованиях способы обработ ки звуковых сигналов и устройства, позволяющие безынерционно и прецизионно делить-умножать мгновенную частоту и логарифмическую огибающую сигналов без необходимости выделять эти модулирующие функции. На эти устройства получены патенты РФ на изобретения. Приведены экспериментальные доказательства прецизионной работы делителей и умножителей мгновенной частоты. Приведены структурные схемы и результаты испытаний этих приборов. Предложен новый, точный (в отличие от предшественника, выполненного на идее прямого управления мгновенной частотой) частотный компрессор с нелинейной характеристикой обработки мгновенной частоты. Показана возможность одновременной обработки огибающей (например, степенная обработка во всем динамическом диапазоне или с порогом срабатывания).
В четвертой главе приведены результаты практических исследований изменений спектров некоторых природных звуковых сигналов в зависимости от величины коэффициента умножения мгновенной частоты. В качестве измерительных сигналов были выбраны узкополосный шумовой сигнал, сумма этого узкополосного шумового сигнала и синусоидального сигнала на средней частоте шума, суммы синусоидальных сигналов, сумма синусоидального сигнала и узкополосного шумового сигнала, которые значительно различаются по частоте. Впервые результаты измерений указали на необходимость предположить, что прибавление синусоидального (или амплитудно-модулированного) сигнала с частотой близкой к средней частоте частотно-модулированного шумового сигнала вызывает уменьшение девиации частоты частотно-модулированного сигнала. Это предположение было проверено и нашло подтверждение в процессе дальнейших исследований.
В пятой главе приведены результаты практических исследований изменений спектров некоторых природных звуковых сигналов в зависимости от величины коэффициента деления мгновенной частоты. В качестве измерительных сигналов были выбраны сигналы, аналогичные тем, которые использованы в главе 4.
В пятой главе результатами прямых и косвенных измерений определена количественно закономерность уменьшения девиации природной частотной модуляции шумового сигнала при сложении его с синусоидальным сигналом, частота которого равна средней частоте шума. При положительных значениях уровня отношения сигнал/ шум величина девиации частоты частотно-модулированной части названного суммарного сигнала связана с величиной отношения напряжений сигнал/шум обратно пропорциональной зависимостью. Эта закономерность получила название эффекта внешнего концентрирования частотно-модулированной части сигнала.
При исследовании деления мгновенной частоты шумового сигнала была установлена неизвестная ранее закономерность, названная эффектом самоконцентрации частотно-модулированной части сигнала.
В шестой главе приведены результаты измерений основных характеристик мгновенной частоты русской речи. Приведены результаты измерений спектров звуков голоса. Показано, что информация о формантах содержится в обеих модулирующих функциях. Приведены результаты измерений спектров гласных псевдоголоса людей без гортани. Дано непротиворечивое объяснение взаимодействия двух биологических механизмов фонации. Сформулированы 10 задач будущих перспективных исследований, возможность осуществить которые появилась лишь в настоящее время благодаря созданию аппаратуры прецизионных преобразований модулирующих функций звуковых сигналов. Разработаны методики проведения исследований и решения поставленных задач.
В заключении кратко излагаются основные научные и практические результаты, полученные в данной работе.
На защиту выносятся следующие новые научные положения:
1.Деление и умножение мгновенной частоты и логарифмической огибающей звуковых сигналов возможно без выделения названных модулирующих функций.
Деление мгновенной частоты сигналов достигается вычитанием необходимой доли мгновенной частоты выходного сигнала из мгновенной частоты входного сигнала. Управление коэффициентом деления и умножения мгновенной частоты возможно на основе умножения мгновенных частот входного и выходного сигнала.
Одновременное уменьшение в два раза и мгновенной частоты, и логарифмической огибающей достигается делением входного сигнала на преобразованный по Гильберту выходной сигнал.
2.При восстановлении переданных с деленной мгновенной частотой природных сигналов, у которых ширина спектров мгновенной частоты и огибающей примерно одинакова, возникают необратимые искажения, создающие проблему верного восстановления сигналов. Найдено три решения проблемы: 1)передавать не один сигнал, а пару сопряженных по Гильберту; 2)перед передачей сигнала делить одновременно мгновенные частоты и сигнала, и его огибающей;
3)перед делением мгновенной частоты выполнить однополосную модуляцию так, чтобы деленная мгновенная частота сигнала была всегда больше мгновенной частоты огибающей.
При сложении шумового сигнала с синусоидальным, частота которого равна средней частоте шума, девиация частоты суммарного сигнала связана с отношением напряжений сигнал/шум обратно пропорциональной зависимостью при положительных значениях уровня отношения сигнал/шум. Закономерность названа эффектом внешнего кон центрирования частотно-модулированного сигнала.
4.При исследовании деления мгновенной частоты шумового сигнала установлена неизвестная ранее закономерность, названная эффектом само концентрации частотно-модулированной части сигнала, реализация которой объясняется увеличением уровня сигнала на средней частоте спектра; введен коэффициент само концентрации; закономерность проявляется в уменьшении девиации частоты в коэффициент самоконцентрации раз больше, чем следует в соответствии с коэффициентом деления частоты, реализуемым аппаратурой.
5.Нелинейная обработка мгновенной частоты звуковых сигналов, передаваемых по узкополосным каналам, оптимальная по критерию максимального увеличения разборчивости речи, создает ощущение передачи более широкой полосы частот (9 - 10 кГц), чем та, которая передается в действительности (3,4 - 4 кГц).
6. Улучшение качества звукопередачи кинофильмов возможно использованием прецизионных амплитудно-частотных компрессоров при записи и применением экспандеров при воспроизведении фонограмм.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ. Все вышеперечисленные существенные научные результаты диссертационной работы являются новыми. Новыми являются также разработанные методики проведения ближайших перспективных исследований повышения эффективности шумопонижения и определения предельных возможностей сжатия спектров звуковых сигналов.
ДОСТОВЕРНОСТЬ полученных результатов подтверждается:
1.Наличием необходимых теоретических доказательств.
2.Согласованностью теоретических выводов с результатами их экспериментальной проверки, а также практической реализацией результатов работы.
3.Использованием традиционных методов измерений.
4.Авторским свидетельством СССР и двумя патентами РФ на изобретенные способы и устройства для их реализации.
5. Апробацией результатов работы.
НАУЧНАЯ ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.
1.Полученные в диссертации научные результаты образуют новую отрасль в научном направлении обработки звуковых сигналов в кинематографии, которая является базой для создания новых методов обработки сигналов.
2.Определение причин возникновения искажений сигналов, передаваемых с деленной мгновенной частотой, и нахождение решений проблемы верного восстановления сигналов позволяет создавать новые способы передачи звуковых сигналов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ.
1.Созданная теория позволяет разрабатывать новые приборы обработки сигналов.
2.Если использовать определения классов качества каналов звукового вещания, то канал звукопередачи 35-мм фильмокопии, который не удовлетворял требованиям второго класса после внедрения компандеров будет соответствовать высшему классу качества.
3.Использование нелинейного частотного компрессора в аналоговом телефонном канале повышает разборчивость речи.
4.Разработанные приборы для звукорежиссуры обеспечивают недоступные ранее возможности управления сигналами, создание новых звучаний, исправление некоторых дефектов речи.
5.Разработан способ создания звуков голоса у людей без гортани. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.
Результаты диссертационной работы использованы:
1.B учебном процессе, учебных пособиях и НИР в Санкт-Петербургском государственном университете кино и телевидения.
2.В НИР СПбНИИ по заболеваниям уха, горла, носа и речи.
З. На Московской кинокопировальной фабрике при записи негативов фотографических фонограмм 16-мм фильмокопий.
4.На Ленинградской студии документальных фильмов для исправления дефектов речи исполнителей.
5,На Ленинградской студии грамзаписи фирмы "Мелодия" для создания новых звучаний.
6.В НИР и ОКР ЗАО "Астил"по созданию точных компандеров. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях ЛИКИ и киноорганизаций Ленинграда в 1985-1995 годах, в 1995-2000 годах на заседаниях городского семинара по электроакустике и звукотехнике при СПбГУКиТ, на конференциях оториноларингологов: "Новые технологии в оториноларингологии"(Чебоксары, 1998); "Проблема реабилитации детей и подростков слуха, речи и голоса" (Екатеринбург, 1999), на XI сессии Российского акустического общества (Москва, 2001).
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано три монографии, 23 статьи, получено авторское свидетельство СССР на способ звукопередачи, получено два патента РФ на способы и устройства преобразований мгновенной частоты и огибающей сигналов без необходимости выделять эти модулирующие функции.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация содержит введение, основной текст из шести глав, заключение, список литературы и приложение. Объем основного текста с введением и заключением 199 страниц, 90 рисунков на 82 страницах, 46 таблиц на 26 страницах; список литературы - 73 наименования. В приложение 1 помещены акты о внедрении результатов работы.
Общий объем работы: стр.340, ил.99, табл.46, список лит. 73.
Гипотезы и утверждения, доказывающие существование операторов преобразования сигналов, приводящих к делению-умножению их мгновенной частоты и логарифмической огибающей
Для множества всех практически реализуемых звуковых сигналов Н, множество гильбертовых мгновенных частот которых образует вещественное линейное пространство Lffl , существует хотя бы одна пара взаимообратных операторов преобразований любого сигнала s(t)eH, приводящих к делению-умножению его гильбертовой мгновенной частоты без выделения этой мгновенной частоты в виде отдельно существующего сигнала.
Доказательство Известно, что если некоторое множество L(o={co1(t),co2(t),...} образует вещественное линейное пространство, то при этом должны выполняться следующие условия (которые по определению являются свойствами линейного пространства):
1. Для любых Oj eL и 0)2еЬш существует их сумма Oj+co со3 » которая также содержится в Ьш. При этом операция суммирования коммутативна Cfl.j+Oj и ассоциативна
2. Для любой coeL и любого вещественного числа К определена (О =К coeL . Из справедливости приведенных условий следует, что при значениях К (условие 2): 0 К 1 происходит деление мгновенной частоты, при значениях KJ 1 происходит умножение мгновенной частоты, что и требовалось доказать. Выбор величин коэффициентов деления-умножения мгновенной частоты пока ничем не ограничен.
Покажем, что аксиоматическое введение структуры вещественного линейного пространства для множества гильбертовых мгновенных частот не является актом произвольным, а имеет под собой в качестве основания некоторые известные свойства гильбертовых мгновенных частот реальных звуковых сигналов.
Известно, что существует оператор преобразования двух исходных сигналов, приводящий к сложению их гильбертовых мгновенных частот, В радиотехнике этому соответствует преобразование двух сигналов, называемое однополосной модуляцией. Процесс однополосной модуляции описывается формулой soM(t)=s1(t)s2(t)-s1(t)s2(t)=S1(t)S2(t)cosoft(tu1+«2)dt, где s0M(t) - однополосно-модулированный сигнал; ft л s1(t) S1(t)cosJ to dt , s2(t)=S2(t)cos J o2(t)dt , Sj(t),s2(t) - исходная пара сигналов; x(t),2(t) - сигналы, полученные из исходных с помощью преобразования Гильберта. Вопросы, связанные с необходимостью преобразования или непреобразования огибающей в процессе преобразования мгновенной частоты, мы рассмотрим ниже, поэтому сейчас мы не будем обращать внимание на ее изменения.
Умножение мгновенной частоты на целое число N осуществляется выполнением N раз операции сложения с использованием одного и того же сигнала.
То обстоятельство, что еще не известны все операторы (способы) преобразования сигналов, реализующие все теоретически возможные значения коэффициента Ки в условии 2, совсем не означает, что нельзя отыскать такие способы. Наоборот, выше доказано, что такие способы должны существовать. В [11] были поставлены задачи определения необходимых операторов. В частности были поставлены задачи:
1) разработать способ преобразования сигналов, приводящий к делению их гильбертовых мгновенных частот на произвольный рациональный коэффициент без выделения модулирующих функций в виде самостоятельных (то есть отдельно существующих) сигналов и без преобразования огибающей;
2) разработать способ преобразования сигналов, приводящий к умножению их гильбертовых мгновенных частот на произвольный рациональный коэффициент без выделения модулирующих функций в виде самостоятельных сигналов и без преобразования огибающей. К настоящему времени для поставленных задач найдены математические решения» которые позволили разработать названные выше способы преобразования сигналов [14,17-19,24]. Правильность решения подтверждена экспериментально [17-23].
Гипотеза №2 Пусть множество, образуемое логарифмами гильбертовых огибающих всего множества практически реализуемых звуковых сигналов, представляет собой вещественное линейное пространство.
Умножение мгновенной частоты звуковых сигналов в целое число раз
Умножение в два раза Прежде всего мы применим предложенный алгоритм для определения (разработки) способа преобразования сигналов, который приводит к удвоению их мгновенной частоты. Реализуем алгоритм. Пусть моделью входного сигнала служит сигнал (2.1). 1. Удвоению мгновенной частоты соответствует модель выходного сигнала sBb[x(t)=S(t)cos 2j co(t)dt=S(t)cos 2x(t) . (2.6) 2. Искомые математические операции, которые позволяют соединить входной и выходной сигналы в едином равенстве можно определить по похожей на (2.3) формуле, также известной из тригонометрии: cos(x+x)=cosxcosx - sinxsinx, (2.7) которая в наших обозначениях для сигналов (2.1) и (2.6) может быть переписана следующим образом: s„, )= )/ )] SJV [sjtysft)] Bjt) . (2.8) Полученное равенство (2.8) представляет собой искомый результат.
Построение структурной схемы устройства, реализующего это равенство, по аналогии с рассмотренным выше примером, на наш взгляд, пояснений не требует. Схема показана на рис.П2.8 (с.335). Поэтому перейдем к более общему случаю.
Умножение мгновенной частоты на произвольное целое число Применим предложенный алгоритм для определения (разработки) способа преобразования сигналов, который приводит к умножению их мгновенной частоты на произвольный целый коэффициент К.
Искомые математические операции могут быть получены двумя путями.
Первый путь - это путь последовательного использования способа, определенного в п.2.3.1. При этом нечетные значения коэффициента умножения К могут быть получены при использовании двух входных сигналов: сигнала (2.1) и ближайшего выходного сигнала с текущей фазой (К - 1)х.
Второй путь - это путь реализации известных формул для cosKx и sinKx при больших К cosKx=cosKx - CK2cosK 2x sin2x + CK4cosK4x sin4x - ... (2.10) sinKx=KcosK1x sinx - С 3cosK3x sin3x + CL6cosK 5x sin5x - ...(2.11) IV IV где Су - биномиальные коэффициенты. Реализация этих формул, на наш взгляд, также не требует пояснений (но этот путь, на наш взгляд, не представляет интереса).
Управление коэффициентом деления-умножения мгновенной частоты Отдельный интерес может представлять управление коэффициентом деления частоты. Рассмотрим этот вопрос.
Деление на целое число
Применим предложенный алгоритм для определения (разработки) способа преобразования сигналов, который приводит к делению их мгновенной частоты на произвольный целый коэффициент К. Реализуем алгоритм. -51-Пусть моделью входного сигнала служит сигнал (2.1).
1. Уменьшению в К раз мгновенной частоты соответствует модель выходного сигнала sBbix(t)=S(t)cos [x(t)/K] . (2.12)
2. Искомые математические операции, которые позволяют соединить входной и выходной сигналы в едином равенстве, можно определить по формуле (2.3), но в данном случае y(t) в ней, очевидно, должен быть равен y1(t)=x(t)(K-l)/K. Тогда seux(t)=S(t)cos[x(t)-x(t)(K-l)/K]=S(t)cos[x(t)/K]. (2.13) Таким образом, если использовать наше умение умножать мгновенную частоту (см.выше п.2.3.2) и применить его для сигнала обратной связи, как это показано на рис.2.2, то удается разделить мгновенную частоту на произвольный целый коэффициент деления - К. Для этого необходимо увеличить мгновенную частоту выходного сигнала в (К - 1) раз, что реализует блок умножения мгновенной частоты (БУМЧ), который на рис.2.2 обозначен номером 11. Видимо, нет необходимости второй раз подробно расписывать получение проверочного равенства.
Другие элементы вычитателей мгновенных частот
Для практической реализации устройства прецизионного деления мгновенной частоты звуковых сигналов были разработаны принципиальные электрические схемы узлов структурной схемы, показанной на рис.3.1. По разработанным схемам были изготовлены и настроены узлы и все устройство в целом. Поскольку в составе устройства нет каких-либо специальных или неизвестных специалистам узлов, то мы решили не приводить их электрические схемы, а ограничиться лишь указанием их наиболее важных параметров. В качестве операционных усилителей использованы микросхемы 544УД2.
Сумматор мгновенных частот Сумматор мгновенных частот (1 на рис.3.1, а подробнее на рис.3.2) складывает мгновенную частоту входного звукового сигнала с мгновенной частотой выходного сигнала генератора (2 на рис.3.1).
Фазовращатель сигнала опорного генератора Выполнен на одном операционном усилителе. Осуществляет сдвиг фазы колебания генератора на 90±0,1. Пределы абсолютной погрешности указаны для рабочего интервала температур прогретого устройства.
Фазовращатель звукового сигнала Выполнен на шестнадцати операционных усилителях. Обеспечивает сдвиг фаз двух выходных сигналов фазовращателя 90 ±0,1 в диапазоне частот 20 Гц - 20 кГц. Динамический диапазон фазовращателя определяется динамическим диапазоном применяемых операционных усилителей и составляет 90 дБ.
Перемножители аналоговых сигналов В качестве перемножителей аналоговых сигналов использованы интегральные микросхемы 525ПС2. Динамический диапазон 70 дБ. Погрешности перемножения не превышают 1%. Диапазон частот от
В процессе исследования элементной базы, с целью выбрать наиболее подходящие элементы для данной работы, были проверены параметры нескольких перемножителей аналоговых сигналов. Среди них были отечественные микросхемы: 525ПС1, 525ПС2, 525ПСЗ, 140МА1, а также американский перемножитель MLT04 (четыре четырехквадрантных перемножителя в одном корпусе). Микросхемы 525ПС2 оказались чуть лучше почти по всем основным параметрам: динамическому диапазону, погрешности перемножения, стабильности параметров. Кроме этого, у них предусмотрена возможность внешних подстроек. Все это определило наш выбор.
Вычитатель сигналов Вычитатель реализован на одном операционном усилителе. Динамический диапазон не менее 90 дБ. Частотный диапазон до 15 МГц. Скорость нарастания выходного напряжения 20 В/мкс. Генератор Генератор был выбран с кварцевой стабилизацией. Частота генерируемых синусоидальных колебаний 100 кГц. Амплитуда 10 В. Коэффициент гармоник 0,5%.
Амплитудный ограничитель
При изменении уровня входного звукового сигнала в диапазоне 80 дБ амплитудный ограничитель обеспечивает неизменность амплитуды выходного колебания. Полоса пропускания 100-120 кГц. Вычитатели мгновенных частот Вычитатели мгновенных частот (4,5,6 на рис.3.1) построены по одной структурной схеме, которая показана на рис.3.3. Вычитатель (7 на рис.3.1) был реализован по схеме, представленной на рис.2.1, а также был составлен (для проверки решения) из двух вычитателей (рис.3.3), как изображено на рис.2.6.
Фазовращатель для однополосного сигнала Фазовращатели вычитателей мгновенных частот (4,5,6 на рис.3.1), -79-которые предназначены для однополосного сигнала, позволяют получить сдвиг фаз 90 ±0,5 в диапазоне частот 100 кГц - 120 кГц. Другие элементы вычитателей мгновенных частот Другие элементы вычитателей мгновенных частот (4,5,6,7 на рис.3.1) такие же, как те, о которых уже говорилось выше.
Другие узлы Перемножители (8,9,10,11 на рис.3.1), сумматор (12 на рис.3.1) и вычитатель (13 на рис.3.1) такие же, как и в сумматоре и вычитателях мгновенных частот, о которых мы уже говорили.
Испытательный сигнал - синусоидальное колебание
Во-первых, с помощью этого сигнала мы, прежде всего, убедились в работоспособности делителя мгновенных частот. В том, что он точно делит частоту синусоидальных сигналов. Об этом свидетельствует неподвижность осциллограммы, сфотографированной с экрана двухлучевого осциллографа, которая показана на рис.3.4. На верхнем луче - исходный сигнал, на нижнем луче -сигнал с деленной в два раза мгновенной частотой.
Во-вторых, в ходе специального эксперимента мы убедились в том, что делитель мгновенной частоты сигналов сохраняет свою работоспособность в диапазоне частот от 5 Гц до 120 кГц, то есть в том диапазоне частот, который нам требуется в данном случае. Необходимо указать, что полученные пределы частот обусловлены только тем арсеналом фазовращателей, который у нас был в наличии, но не принципом деления. Кроме этого, с помощью синусоидальных сигналов мы провели измерения некоторых характеристик созданного устройства.
Результаты исследования зависимости величины спектральной плотности полосы белого шума от величины коэффициента умножения мгновенной частоты
Зависимость эффективной полосы передаваемых частотным компрессором частот от верхней граничной частоты действительной полосы пропускания канала канала и параметров нелинейной обработки мгновенной частоты показаны на рис.3.19. Например, для фотографической фонограммы 16-мм фильмокопии при величине верхней граничной частоты (определяемой по спаду амплитудно-частотной характеристики на 3 дБ) 4 кГц величина эффективной (кажущейся) полосы передаваемых частот получилась равной 10 кГц при частоте порога 4 кГц и коэффициенте передачи частоты К=0,1.
Установленные зависимости позволяют заключить, что нелинейная обработка мгновенной частоты может использоваться для повышения разборчивости не только при записи фотофонограмм 16-мм фильмокопий, но и для других узкополосных каналов. В связи с этим считаем целесообразным предложить новое решение задачи нелинейной обработки мгновенной частоты, которое не требует выделения модулирующих функций.
В основу нового решения положим способ прецизионного деления мгновенной частоты (см. главу 2 и п.3.1). Для того, чтобы выполнить прецизионное деление мгновенной частоты не для всего частотного диапазона сигналов , а лишь для части этого диапазона, можно разделить звуковой сигнал фильтрами на две части. Например, если бы решалась задача создать прецизионный частотный компрессор для записи негативов фотофонограмм 16-мм фильмокопий без выделения модулирующих функций, то частотный диапазон следовало бы поделить на следующие части: 1) 20 Гц - 4 кГц; 2) 4 кГц - 20 кГц. Затем нужно разделить мгновенную частоту высокочастотной части в 8 раз (8 - это ближайший к 10 коэффициент, реализуемый наиболее просто с помощью делителей в два раза). После чего надо транспонировать сигнал с деленной мгновенной частотой вверх по частотному диапазону на 3500 Гц , так как после деления 4 кГц в восемь раз получится 500 Гц , но очевидно, что необходимо сохранить частоту стыка частей сигнала. Транспонирование по частотному диапазону без побочных продуктов преобразований осуществляется известным путем однополосной модуляции. Для ее реализации понадобится генератор на 3500 Гц и сумматор мгновенных частот, например такой, как показан на рис.3.2. После этого полученные части можно вновь сложить с помощью обыкновенного сумматора сигналов. Видимо, других пояснений этот компрессор не требует.
Частотное компрессирование указанной части частотного диапазона может использоваться для целей звукорежиссуры, например, когда у исполнителя слабо представлены в речи согласные звуки:"с,сь,ч,ш,ф"и др., в составе спектров которых имеются значительные высокочастотные составляющие.
В данном устройстве (см.п.3.1) выполнимы любые нелинейные преобразования огибающей, так как огибающая приобрела в качестве несущего колебания - колебание гетеродина. Необходимое преобразование можно выполнить, например, известным способом (п.2.7, п.2.11) с помощью нелинейных преобразователей. Практически мы проверили лишь два из возможных значений степени, в которую можно возводить огибающую при необходимости ее обработки. Первое значение - это степень, равная единице, то есть точная передача огибающей. Второе значение степени представляет собой очень маленькое число, близкое к нулю, что соответствует амплитудному ограничению в диапазоне уровней входного сигнала 80 дБ.
Кроме этого, возможно осуществление амплитудного компрессирования при одновременном делении и мгновенной частоты, и логарифмической огибающей без выделения модулирующих функций по способу [25] (см.п.2.10).
В данной работе основное внимание будет уделяться преобразованиям мгновенной частоты. Это объясняется тем, что несколько способов преобразования динамического диапазона давно известны [9], оптимальные параметры этого преобразования неоднократно изучались [4], разнообразные варианты амплитудных компрессоров давно широко используются на практике. Что совершенно нельзя сказать про частотный диапазон. Однако полностью обойти вниманием преобразование динамического диапазона было бы ошибкой.
Но и уже сказанного выше об этом преобразовании, на наш взгляд, вполне достаточно, чтобы любой грамотный инженер смог при необходимости реализовать требуемое преобразование динамического диапазона совместно с преобразованием мгновенной частоты по одному из предложенных в данной работе способов.
Если преобразование мгновенной частоты не планируется, то при выборе способа преобразования динамического диапазона предпочтение будет отдано, видимо, одному из известных способов. Тому, который реализуется более простым и дешевым устройством при приемлемом качестве звучания преобразованных сигналов.
