Пристрій для компандування з редукцією до канального фільтра частотного діапазону звукових сигналів

Передбачений винахід відноситься до електро- радіозв'язку і призначений в основному для підвищення ефективності функціонування систем передачі звукових сигналів за рахунок скорочення спектра (компресії частотного діапазону) при збереженні досить високої якості відтворення (експандування частотного діапазону) цих сигналів. Відомо [Бухвинер В.Е. Управляемое компандирование звуковых сигналов. - М.: Изд "Связь", 1978, п.1.7] [1] що, порівняно з вокодерами, підвищення якості відтворення звукових сигналів здійснюють напіввокодерами, яки містять [1, Рис.1.19] на передавальній стороні амплітудно-частотний коректор, блок відділення низькочастотної ділянки спектра звукових сигналів, аналізатор рештої частини спектра і суматор, а на приймальній стороні - блок розподілення прийнятих сигнал-параметрів, блок вирівняння низькочастотного спектра, синтезатор високочастотного сигналу і ви хідний суматор. "Однако вокодерные методы анализа - синтеза принципиально не могут восстановить естественную структур у исходного сигнала, поскольку мелкие и быстрые изменения формы частотных составляющи х не могут быть переданы сравнительно медленными управляющими сигналами... "[1, стор.47]. Крім того, напіввокодери уявляють собою порівняно складні пристрої. Як найбільш близький аналог - прототип до заявленого технічного рішення прийнято пристрій, який на передавальній стороні містить каскадно з'єднані односмуговий модулятор (ОМ), блок добування квадратного кореня (БДК) з аналітичного сигналу і смуго-пропускний фільтр (СПФ), розрахований на половину смуги частот спектра вхідних звукових сигналів, а на приймальній стороні - каскадно з'єднані блок зведення до квадрату (БЗК) аналітичного сигналу і односмуговий демодулятор (ОД). [Патент України 33985А, Н04В1/66, Бюл. №1, 2001] -[2]. У цьому, значно більш простому пристрою, у моменти досягнення згинаючою ОМ-сигнала нульового рівня, із-за відомого явища стрибків фази при діленні частоти у БДК виникають специфічні перекручування сигналів. Крім того, частотна компресія за допомогою БДК, як відомо, відбувається тільки за рахунок зосередження основної спектральної енергії у вузької області низьких частот, а на високих частотах залишається "хвіст" спектра. Хоча перетворення у БЗК і БДК суворо зворотні, вилучення за допомогою СПФ цього "хвоста" викликає порушення вказаної зворотності і, як наслідок, на виході пристрою-прототипу з'являються помітні частотні перекручування типа зпаду рівня (перекручування тембру звучання) високочастотних складових звукових сигналів. Технічною задачею, яка вирішується винаходом, є підвищення якості відтворення звукових сигналів за рахунок відновлення вхідних для канального фільтру (КФ) компресійних сигналів - редукції до цього фільтру. Ця задача вирішується пристроєм, який на передавальній стороні містить каскадно з'єднані ОМ, БДК і КФ з відповідно вузькою смугою частот спектра вхідних звукових сигналів, а на приймальній стороні -каскадно з'єднані блок зведення до степеню (БЗС) і ОД. Відрізняється цей пристрій тим, що ОМ у передавальному пристрою є модулятором з несучою, амплітуда якої перевищує піковий рівень біполярних вхідних звукових сигналів, а у приймальній пристрій перед БЗС запроваджений блок редукції до КФ (БРКФ). БРКФ містить, наприклад, каскадно з'єднані відомий [Н.Ф. Воллернер, В.А. Шуваев. Сигналы с однополосными спектрами. Изд. "Техніка", Киев - 1976, Рис.13] -[3] квадратурний амплітудно-фазовий модулятор (КАФМ) і амплітудно-фазовий коректор (АФК). У запропонованому пристрою несуча у ОМ необхідна для вилучення стрибків фази у БДК, а БРКФ - для компенсації згладжувачи х дій КФ. На Рис. креслення, що додається, наведена структурна електрична схема передавального пристрою, на Рис.2 - приймального. На цих схемах позначено односмуговий модулятор 1 (ОМ 1), блок 2 добування кореня (БДК 2), канальний смуго-пропускний фільтр 3 (КФ 3), блок 4 редукції до КФ (БРКФ 4), блок 5 зведення до степеню (БЗС 5), односмуговий демодулятор 6 (ОД 6), квадратурний амплітудно-фазовий модулятор 7 (КАФМ 7) і амплітуднофазовий коректор 8 (АФК 8). Передавальній пристрій (Рис.1) містить каскадно з'єднані ОМ 1, БДК 2 і КФ 3, вихід якого є виходом передавального пристрою, входом якого є вхід ОМ 1. Приймальній пристрій (Рис.2) містить каскадно з'єднані БРКФ 4, БЗС 5 і ОД 6, вихід якого є виходом приймального пристрою, входом якого є вхід БРКФ 4, який містить каскадно з'єднані КАФМ 7 і АФК 8, ви хід якого є виходом БРКФ 4, входом якого є вхід КАФМ 7. Працює запропонований пристрій наступним чином: Біполярний звуковий сигнал визначеного рівня, обмежений визначеними граничними частотами, надходить до входу ОМ 1 передавального пристрою (Рис.1). Одержаний на виході ОМ 1 односмуговий сигнал з верхньою боковою смугою частот має гармонійну несучу, частота якої визначається вимогами спрощення реалізації наступних блоків, а амплітуда ії повинна перевищувати піковий рівень вхідних біполярних звукових сигналів. У такому ОМ-сигналі, який надходить до входу БДК 2, огинаюча ніколи не може досягти нульового рівня, тому на виході БДК 2 одержується компресійний за частотою ОМ-сигнал без перекручувань, яки обумовлені відомим явищем стрибків фази при діленні частоти. Підвищення показника кореня у БДК 2 до можливої межи підвищує степінь частотної компресії. З виходу БДК 2 компресійний ОМ-сигнал надходить до входу КФ З, який затримує "хвіст" спектра цього сигналу, тобто одержуються частотні перекручування вхідного для КФ 3 сигнала. З ви ходу КФ 3 компресійний і обмежений за частотою ОМ-сигнал передається по відповідно вузькосмуговому каналу зв'язку і надходить до входу КАФМ 7, що входить до БРКФ 4 приймального пристрою (Рис.2). За допомогою БРКФ 4 одержується приблизне відновлення вхідних для КФ 3 копресійних ОМ-сигналів редукція до цього фільтру. Як відомо [Я.И. Хургин, В.П. Яковлев. Финитные функции в физике и технике. - М.: Изд. "Наука", 1971, Глава V111.] -[4] ідеальна редукція неможлива, але згідно з теоремою [4, п.8.3], в залежності від реалізації БРКФ 4, можливо одержати досить високу точність редукції. У повній відповідності до принципу редукції на виході КАФМ 7 при малому індексі фазової..модуляції, як відомо [3, Глава 111, п.2] одержується АФМ-сигнал з однією верхньою смугою спектральних частот, у якого при незначної зміни спектра вхідного сигналу з'являється особливо потрібний тут "хвіст" спектра прийнятого сигналу. З ви ходу КАФМ 7 сигнал надходить до входу АФК 8, на ви ході якого, тобто на виході БРКФ 4 одержується приблизне відновлення вхідного для КФ 3 компресійного ОМ-сигналу в розумінні близькості спектральної енергії (особливо "хвоста" спектру) сигналів на ви ході БРКФ 4 і на вході КФ 3. З ви ходу БРКФ 4 ОМ-сигнал надходить до входу БЗС 5. Оскільки БРКФ 4 відновлює вихідний для БДК 2 сигнал, на виході БЗС 5, згідно зі зворотністю перетворень у БДК та БЗС, досить точно відновлюється вхідний для БДК 2 чи вихідній для ОМ 1 сигнал, але у цьому сигналі з'являється додатковий "хвіст" спектру - наслідок неточності редукції. З ви ходу БЗС 5 сигнал надходить до входу ОД 6 . Наявність у цьому сигналі вказаного додаткового "хвоста" спектра потребує лише використання такого фільтра нижніх частот, що входить до ОД 6, який загороджує цей "хвіст". На виході ОД 6, тобто на ви ході запропонованого пристрою, одержується порівняно з пристроєм-прототипом значно більш високоякісне відновлення вхідних звукови х сигналів. Суттєвість новизни запропонованого пристрою полягає у тому, що вибором показника кореня у БДК 2 до можливої межи визначається степінь частотної компресії, а підбором індекса фазової модуляції у КАФМ 7 і характеристик АФК 8 досягається оптимальна якість відновлення звукових сигналів. Потенціальна ж корисність обумовлена тим, що незалежно від реалізації БРКФ 4, у цьому пристрою задовольняються відомі [А.А. Харкевич. Спектры и анализ. - М.: Госиздат. физ. мат. лит., 1962, п.32] -[5] необхідна і достатня умови високоякісного компандування (компресії і експандування) частотного діапазону звукових сигналів: досягнуто явне скорочення спектру цих сигналів - необхідна умова і забезпечена зворотність перетворень у передавальному і приймальному пристроях, у тому числі за рахунок редукції до КФ 3 - достатня умова. При цьому, і тут це головне, оскільки відома [4, п.8.3] принципова можливість одержання високоточної редукції до КФ 3, є надія на вишукування такої реалізації БРКФ 4, яка дозволить одержати найбільш високу якість відтворення вхідних звукових сигналів при можливої степені частотної компресії. Оскільки тип можливої реалізації БРКФ 4 залежить від вищезгаданих особливостей спектру компресійного сигналу, який діє на вході ФК 3, він (тип) повинен бути узгодженим з цим спектром, конкретніше - з енергією "хвоста" спектру. Отже, мабуть можна припустити що запропонований пристрій - це одна з можливих реалізацій розв'язання відомої задачі академіка А. А. Харкевича: "Совершенно неясен критерий сжимаемости процесса и характер преобразований, которому нужно подвергнуть процесс в целях сжатия его спектра." [А. А. Харкевич. О возможностях сжатия спектра, "Электросвязь", №11, 1958] -[6].