Пристрій для формантно-вузькосмугового компандування частотного діапазону звукових сигналів

1. Пристрій для формантно-вузькосмугового компандування частотного діапазону звукових сигналів, який на передавальному боці містить декілька перших блоків добування квадратного кореня з аналітичного сигналу (БДК), на виході каскадно з'єднані другий БДК та канальний смугопропускний фільтр (СПФ) і декілька блоків спектрального аналізу-синтезу (БСАС), кожен з яких містить каскадно з'єднані вузькосмуговий аналізатор спектра (АС), блок перетворень спектра (БПС) і синтезатор сигналів (СС), а на приймальному боці - перший блок зведення до квадрата аналітичного сигналу (БЗК) на вході, ще декілька інших БЗК і БСАС , кожен з яких містить каскадно з'єднані АС, блок зворотного перетворення спектра (БЗПС) та СС, який відрізняється тим, що у передавальний пристрій попереду другого БДК уведені каскадно з'єднані амплітудний коректор низьких частот (КНЧ), блок формантного аналізу (БФА) з каскадним з'єднанням у кожному каналі блока виділення форманти та її миттєвої частоти (БВФЧ) і амплітудного детектора (АД), U 2 3448 1 3 3448 4 венную стр уктур у исходного сигнала, поскольку використання перетворень, яки адекватні примелкие и быстрые изменения формы частотных роднім структурним особливостям спектра цих составляющих не могут быть переданы сравнисигналів. тельно медленными управляющими сигналами..." "Речь, и в особенности музыка, являясь либо [1, стор.47]. однородными сигналами с очень большим предеВідомий іншого типу пристрій для частотного лом однородности, либо вообще неоднородными компандування звукових сигналів, який на передасигналами, содержат достаточно длинные отрезки вальній стороні містить каскадне з'єднані односмус явно выраженной периодичностью. Периоды, говий модулятор (ОМ), амплітудно-частотний кодлительности и формы этих отрезков более или ректор (АЧК), блок добування квадратного кореня менее случайным образом меняются от оного от(БДК) з аналітичного сигналу і смугопропускний резка к другому, причем переходные части сигнафільтр (СПФ), розрахований на половину смуги ла могут и не иметь устойчивой периодической спектра вхідних звукових сигналів, а на прийструктуры" - [5]. мальній стороні - каскадне з'єднані блок зведення З цих стверджень виходить, що на відрізках до квадрату (БЗК) аналітичного сигналу, періодичності спектр звукових сигналів має вигляд відновлюючій АЧК і односмуговий демодулятор окремих гострих піків (дискретів), огинаюча яких (ОД). [Патент України 60159 А, Н04В1/66, Бюл.№9, зображує окремі області концентрації спектральної від 15.09 2003] - [2]. енергії - форманти. Про таку особливість спектру Цей пристрій, у якому використано раніше переконливо свідчать спектрограми [Кок У.Е. Виневідомий принцип ідеального компандування димый звук. - М.: "Мир", 1974, Рис. 61] - [6]. З цих частотного діапазону звукових сигналів, є найпспектрограм також виходить, що на перехідних ростіша реалізація цього принципу. Але, оскільки відрізках сигналу змінюються насамперед форстаціонарний АЧК, який повинен перетворювати мантні частоти. Ці структурні особливості спектру спектр звукових сигналів згідно з умовами цього звукових сигналів найбільш виразно наведені у [6] принципу, не є адекватний нестаціонарним змінам в основному для одиничних джерел звука. звукових сигналів, то на окремих звуках У загальному випадку звукові сигнали є склаз'являються небажані перекручування наслідкових дові процеси, наприклад, сигнали звучання симсигналів. фонічного оркестру, чи хорового співу, яки являЯк найбільш близький аналог - прототип до ють собою суму складових одиничних звуків. Але і заявленого технічного рішення прийнято пристрій такі сигнали мають спектр також формантнодля оптимального компандування частотного вузькосмугового тип у [6, Рис. 65]. діапазону звукових сигналів, який на передаОтже, для удосконалення пристрою [3] невальній стороні містить в основному каскадне обхідно використати як вузькосмуговий спектральз'єднані аналізатор спектру (АС), блок перетвоний, так і формантний аналіз-синтез звукових сигрення спектру (БПС), синтезатор сигналів (СС), налів адекватними для них нестаціонарними БДК і канальний СПФ, а на приймальній стороні слідкуючими фільтрами При цьому, як виходить зі каскадне з'єднані блок редукції до канального спектрограм [6, Рис. 65] кількість формант не пефільтру, БЗК, АС, блок зворотнього перетворення ревищує п'яти, а зі спектрограм [6, Рис. 59,60,61 та спектру (БЗПС) і СС. [Заявка № 20031110416, від 63] кількість вузькосмугових спектральних складо19.11.2003] - [3]. вих у кожної форманті можливо утримати до шесНа відміну від пристрою [2] у цьому пристрою ти: мала енергія "хвостів" спектру кожної форманвикористано раніше невідомі взаємозворотні пети. ретворення спектру звукових сигналів за допомоТаким чином, поставлену задачу вирішує гою БПС та БЗПС [3, Фіг.3 та 4] у повної пристрій, який містить на передавальній стороні відповідності до умов ідеального частотного комдекілька перших БДК, на виході - каскадне з'єднані пандування. Але, згідно з формулою (4.6) [Криксудругий БДК та канальний СПФ і декілька блоків нов В.Г. Спектральний аналіз електричних сигспектрального аналізу-синтезу (БСАС), кожен з налів. "Техніка", Київ, 1971] при відомої межи яких містить каскадне з'єднані АС, БПС та СС. структурної однорідності звукових сигналів 2-3 Приймальна частина цього пристрою містить на хвилини [Фурдуев В.В. Интерференция и когевході перший БЗК, ще декілька других БЗК і БСАС, рентность акустических сигналов. "Ак устический кожен з яких містить каскадне з'єднані АС, БЗПС журнал", том 5, вып. 1, 1959] - [5] АС паралельної та СС. дії повинен мати біля 100 вузькосмугових фільтрів. Відрізняється цей пристрій тим, що у передаПри цьому, БПС та БЗПС стають дуже складними. вальний пристрій попереду другого БДК уведено Використання швидкого перетворення Фур'є має каскадне з'єднані амплітудний коректор низьких при цьому свої недоліки. частот (КНЧ), блок формантного аналізу (БФА) з Отже, з урахування лише структурної одкаскадним з'єднанням у кожному каналі блоку норідності звукових сигналів, практично можлива виділення форманти та її миттєвої частоти (БВФЧ) лише компромісна (оптимальна) реалізація цього і амплітудного детектора (АД), блок перетворення пристрою з відповідним зниженням якості частотформантних амплітуд (БП А) і блок формантного ного компандування при лише 2-кратної частотної синтезу (БФС), а у приймальний пристрій на виході компресії. першого БЗК уведено каскадне з'єднані БФА, блок Технічна задача, яка вирішується корисної мозворотнього перетворення формантних амплітуд делі є задача підвищення, порівняно з прототипом, (БЗПА), БФС, суматор і відновлюючий амплітудний степені частотної компресії та якості відтворення коректор високих частот (КВЧ). При цьому, у кожзвукових сигналів на ви ході компандера за рахунок ний канал БФА передавального пристрою між 5 3448 6 БВФЧ та АД уведено каскадне з'єднані БСАС та перший БДК 12 і АД 13. БВФЧ 6 містить каскадне перший БДК, а у приймальний пристрій на виході з'єднані відніматель 7 та ССФ 3, а БСАС 8 - каскожного каналу БФС уведено каскадне з'єднані кадне з'єднані АС 9, БПС 10 і СС 11. ССФ 3 другий БЗК та БСАС , ви хід якого з'єднано з одним містить ФНЧ 4 та ЧД 5, яки з'єднані у вигляді коніз входів суматора. туру оберненого зв'язку. Вхід ФНЧ 4 є входом ССФ З відомих методів формантного аналізу 3, а його ви хід - виходом ССФ 3 та БВФЧ 6, а ви хід найбільш простий та найпоширійший є відомий ЧД 5 є керуючим виходом ССФ 3 та БВФЧ 6. Один метод рометра, у якому БВФЧ [Сапожков М.А., із входів віднімателя 7 кожного каналу БФА 2 Ми хайлов В.Г. Вокодерная связь. М.: - "Радио и з'єднано з сигнальним виходом БВФЧ 6 попередсвязь", 1983, Рис. 7.3] - [7] придатний лише для нього каналу, а другий його вхід - зі входом того ж використання у вокодерної телефонії. БВФЧ 6. Керуючий вхід АС 9, СС 11 та БФС 15 У загальному випадку запропонований з'єднано з керуючим виходом БВФЧ 6 відповідного пристрій відрізняється тим, що БФА містить, наканалу БФА 2, а ви хід АД 13 кожного каналу БФА 2 приклад, п'ять каналів аналізу, БВФЧ кожного з з'єднано з одним із входів БП А 14. яких містить каскадне з'єднані відніматель і Приймальний пристрій (Фіг. 2) містить каскадвідомий контур автоматичного синфазування (сане з'єднані перший БЗК 17 на вході, БФА 2, БЗПА мосинфазування) слідкуючого фільтру (ССФ), який 18, БФС 15, суматор 21 і КВЧ 22 на виході, а на містить модульований фільтр нижніх частот (ФНЧ) виході кожного каналу БФС 15 - каскадне з'єднані і рометр - частотний детектор (ЧД), вихід якого є другий БЗК 17 та БСАС 19, який містить каскадне керуючим виходом ССФ, та -БВФЧ. Входом ССФ є з'єднані АС 9, БЗПС 20 та СС 11, вихід якого є вивхід ФНЧ, ви хід якого є сигнальним виходом ССФ, ходом БСАС 19, який з'єднано з одним із входів та - БВФЧ. суматора 21. Керуючий вхід АС 9 та СС 11 [Виницкий А.С. Модулированные фильтры и з'єднано з керуючим виходом БВФЧ 6 відповідного следящий прием ЧМ сигналов. - М.: "Советское каналу, яки входять до БФА 2. радио",1969, Рис. 14.1] - [8]. Один із входів Працює запропонований пристрій наступним віднімателя з'єднано з сигнальним виходом, а дручином: гий - зі входом БВФЧ попереднього каналу БФА. Біполярний звуковий сигнал певного рівня, Запропонований пристрій відрізняється ще і обмежений за частотою згідно з відомими класами тим, що БСАС містить, наприклад, не більше шесякості, надходить до входу КНЧ 1, який перетвоти керованих вузькосмугових фільтрів з зовнішнім рює вхідний звуковий сигнал у сигнал з синфазуванням, керуючий вхід яких з'єднано з мінімальною кількістю дійсних (не комплексних) керуючим виходом БВФЧ відповідного каналу БФА нулів - моментів переходу сигналу через нульовий [8, Рис. 20.5]. рівень. Ці перетворення близькі до послідовного БФС та СС є відомими пристроями [7, Рис. інтегрування, яке є зворотнім послідовному дифе7.10]. ренціюванню - одного з відомих методів перетвоБПС, БПА та БЗАС, БЗП А є також відомими рення звукових сигналів у сигнали з лише пристроями [3, Фіг.3 та Фіг.4 відповідно]. дійсними нулями (відсутні комплексні нулі) [РекиНа Фіг.1 креслення, що додається, наведена ша А.А.Г. Нули целых функций. "ТИИЭР", том 68, структурна електрична схема передавального, а №3, 1980, п. VA1]. на Фіг.2 приймального пристроїв. Внаслідок перетворень у КНЧ 1 спектр одерНа цих схемах позначено амплітудний корекжаного сигналу монотонно спадає так, що спектор 1 низьких частот - КНЧ 1, блок 2 формантного тральна енергія і, головне, його дійсні нулі налеаналізу - БФА 2, слідкуючий з самосинфазуванням жать в основному першої форманті, яка при цьому фільтр 3 - ССФ 3, модульований фільтр 4 нижніх зробилася найінтенсивнійшою. частот - ФНЧ 4, частотний детектор 5 - ЧД 5, блок З виходу КНЧ 1 сигнал надходить до входу 6 виділення форманти та її частоти -БВФЧ 6, модульованого ФНЧ 4, який входить до ССФ 3 відніматель 7, блок 8 спектрального аналізупершого каналу БФА 2 і на один із входів синтезу на передачі -БСАС 8, аналізатор 9 спектру віднімателя 7, який входить до БВФЧ 6 другого - АС 9, блок 10 перетворення спектру - БПС 10, каналу БФА 2. синтезатор 11 сигналів - СС 11, блок 12 добування З досліджень у [8] роботи ССФ цілком зроквадратного кореня з аналітичного сигналу - БДК зуміло, що, починаючі зі збудження - атаки звуків, 12, амплітудний детектор 13 - АД 13, блок 14 пена перехідних відрізках вхідних звукових сигналів у ретворення формантних амплітуд - БПА 14, блок процесі автоматичного синфазування ФНЧ 4 ЧД 5, 15 формантного синтезу - БФС 15, канальний смуякий також входить до ССФ 3, швидко реагує на гопропускний фільтр 16 - СПФ 16, блок 17 зведенвідповідний розподіл дійсних нулів і своєю напруня до квадрату аналітичного сигналу - БЗК 17, гою стійко підстроює цей ж ФНЧ 4 так, що уточблок 18 зворотнього перетворення формантних нюється основний параметр форманти - функція її амплітуд - БЗПА 18, блок 19 спектрального миттєвої частоти і, як наслідок, уточнюється також аналізу-синтезу на прийомі - БСАС 19, блок 20 і спектр форманти. А в усталеному режимі на зворотнього перетворення спектру - БЗПС 20, сувідрізках періодичності при відповідно матор 21 і відновлюючий амплітудний коректор 22 рівномірному розподілу чи при повільних змінах високих частот - КВЧ 22. уточнених дійсних нулів, практично незалежно від Передавальний пристрій (Фіг.1) містить касперешкод, яки чинять інші складові спектра кадне з'єднані КНЧ 1 на вході, БФА 2, БПА 14, БФС вхідного для ССФ 3 сигналу, коли формантна час15, другий БДК 12 і СПФ 16 на виході. Кожен канал тота є чи постійна величина, чи вона повільно БФА 2 містить каскадне з'єднані БВФЧ 6, БСАС 8, змінюється, ФНЧ 4 відслідковує цю частоту. Саме 7 3448 8 так на виході ФНЧ 4 формується досить точний входів БПА 14 [3, Фіг.3]. На виході цього перетвосигнал форманти, а на виході ЧД 5 виділяється її рювача одержуються формантні амплітуди βкф (t) у миттєва частота. повній відповідності до умов принципу ідеальної З сигнального виходу ССФ 3 першого каналу частотної компресії [3, формули для βк ] Кожна з БФА 2 сигнал першої форманти надходить до друцих амплітуд надходить до одного із входів БФС гого входу віднімателя 7, який входить до БВФЧ 6 15. На виході цього синтезатора одержується тадругого каналу БФА 2. На виході віднімателя 7 кий сигнал, який на виході другого БДК 12 виклиодержується сигнал з різницевим спектром. кає сигнал з досить точною 4-кратною частотною Оскільки, як відомо, каскадне з'єднання ФНЧ і компресією за рахунок ділення у два рази частоти віднімателя еквівалентно фільтру верхніх частот, кожної форманти. При цьому виходить зближення перетворення у якому ближче до вище згаданого їх компресійних спектрів. послідовного диференціювання, то на виході Але взагалі, як відомо, навіть ідеальна частотвіднімателя 7 одержується сигнал, дійсні нулі якона компресія є лише необхідною умовою високого тепер належать в основному другої форманті. якісного частотного компандування, достатньою Отже, відніматель 7 одного з каналів БФА 2 та умовою такого компандування є забезпечення ССФ 3 попереднього каналу автоматично зворотності перетворень у компресорі та експанпіддержують природній зв'язок [6, Рис. 61] між дері, тому наступні перетворення є у принципі формантами звукового сигналу. строго зворотними. З виходу віднімателя 7 сигнал надходить до Компресійний сигнал надходить до входу кавходу ССФ 3 др угого каналу, на сигнальному винального СПФ 16. Завдяки одержання досить точході якого одержується сигнал другої форманти, а ної частотної компресії, на виході СПФ 16 на виході ЧД 5 - миттєва частота цієї форманти. наслідковий сигнал не може отримати значні часТаким же чином одержуються форманти і їх тотні перекручування, тому у запропонованому частоти у інши х каналах БФА2. пристрою не потрібно, як у пристрою [З], викориВикористання у запропонованому пристрою стовувати зворотне перетворення - редукції до формантного аналізу безумовно значно підвищує цього фільтру. Тому СПФ 16 необхідний лише для якість частотного компандування порівняно з сегзатримання побічних продуктів перетворень. ментацією спектра за допомогою стаціонарних Компресійний сигнал передається по широкосмугових фільтрів у пристрою-прототипу. відповідно вузькосмуговому каналу зв'язку і надЗ сигнального виходу БВФЧ 6 кожного каналу ходить до входу першого БЗК 17 приймального БФА 2 сигнал форманти надходить до входу кожпристрою (Фіг.2). На виході цього БЗК, згідно зі ного вузькосмугового фільтру у АС 9, який входить зворотністью перетворень у БДК та БЗК, одердо БСАС 8, а на керуючий вхід цих фільтрів наджується досить точно відновлений вхідний для ходить з керуючого виходу БВФЧ 6 напруга фордругого БДК 12 сигнал, у якому, і це тут головне, мантної частоти. У результаті такого зовнішнього досить точно відновлюються значення формантсинфазування фільтрів у АС 9, завдяки досить них амплітуд βкф (t) [3, βк ]. точного виділення формантної частоти, кожен з Наслідковий сигнал першого БЗК 17 надхоцих фільтрів досить точно слідкує за вузькосмугодить до входу БФА 2, на ви ході якого виділяються вою компонентою спектра форманти, що значно лише ті формантні амплітуди βкф (t), яки необхідні підвищує точність спектрального аналізу для відновлення компресійних формант. Кожна з порівняно з використанням стаціонарних відносно цих амплітуд надходить до одного із входів БЗПА широкосмугових фільтрів у АС пристрою18 [3, Фіг.4]. На виході цього перетворювача у повпрототипі. ної відповідності до умов принципу ідеального Отже, на виході кожного каналу АС 9 одерчастотного експандування одержуються форжується досить точне виділення змінної у часі мантні амплітуди γкф (t) [3, формули для γк ], яки, спектральної амплітуди αкс(t) [3, αк ] Кожна з цих завдяки досить точних попередніх перетворень, амплітуд надходить до одного із входів БПС 10 [3, також досить точно дорівнюють αкф (t) [3, αк ]. Кожна Фіг.3]. На виході цього перетворювача одержуютьз цих амплітуд надходить до одного із входів БФС ся спектральні амплітуди βкс(t) У повної 15. На виході кожного каналу цього синтезатора відповідності до умов принципу ідеальної частотодержується відновлена компресійна форманта, ної компресії [3. формули для βк ]. Кожна з цих яка була одержана на виході кожного першого БДК амплітуд надходить до одного із входів СС 11. На 12. Кожна з цих формант на виході другого БЗК 17 виході цього синтезатора одержується такий сигвикликає відновлений сигнал, який було одержано нал, який, завдяки досить точному спектральному на вході першого БДК 12. Тут головне то, що друаналізу у АС 9, викликає на виході першого БДК 12 гий БЗК 17 досить точно відновлює значення спекдосить точну 2-кратну частотн у компресію фортральних амплітуд βкс(t) [3, βк ]. мантного сигналу кожного каналу БФА 2 за рахуЦей сигнал надходить до входу АС 9, який нок ділення частоти кожної спектральної комповходить до БСАС 19. На виходах АС 9 цього блоку ненти у два рази. При цьому, хоча і виходить одержуються лише ти спектральні амплітуди β кс(t) зближення складових спектру, але це відбувається яки необхідні для наступного відновлення фору реальному часі. мант вхідного звукового сигналу. Ці амплітуди З виходу першого БДК 12 компресійний сигнал надходять до одного із входів БЗПС 20 [3, Фіг.4]. кожної форманти надходить до входу АД 13, на На виходах цього перетворювача у повної виході якого одержується миттєва амплітуда відповідності до умов принципу ідеального частоткомпресійна огинаюча αкф (t) [3, αк ] цього сигналу. ного експандування одержуються спектральні Кожна з цих амплітуд надходить до одного із амплітуди γкс(t) [3, формули для γк ], яки досить 9 3448 10 точно дорівнюють спектральним амплітудам αкс(t) межею: при деякому зниженні якості відтворення [3, αк ]. Кожна з цих амплітуд надходить до одного звукових сигналів можливо, шляхом використання із входів СС 11. На виході цього синтезатору відповідних додаткових перетворювачів, одержується досить точно відновлена кожна із підвищити вказану кратність у 2, у 4 рази. Це ознаформант, яки були одержані на сигнальному вичає, що по степені частотної компресії запропоноході БВФЧ 6 кожного каналу БФА 2 передавальнований пристрій не уступає відомим смуговим приго пристрою. строям вокодерної телефонії, а за якістю Кожна з цих формант надходить до одного із відновлення мови запропонований пристрій повивходів суматора 21, вихідний сигнал якого на винен суттєво перевищити кращі вокодери і це незаході відновлюючого КВЧ 22 викликає відтворений лежно від відомої особливої для вокодерного вхідний звуковий сигнал досить високої якості. зв'язку проблеми виділення сигналів основного Отже, внаслідок урахування природної фортону та тон-шуму для мовних сигналів [7, п. 5.3]. мантно-вузькосмугової стр уктури спектра звукових Таким чином, запропонований пристрій є ресигналів і одержання завдяки тому досить точного ально корисним технічним рішенням при практичформантного та, залежного від його, також досить ному використанні його для збільшення пропускної точного вузькосмугового спектрального аналізу, а спроможності та підвищення захищеності від петакож внаслідок використання взаемозворотніх решкод систем передачі звукових сигналів. перетворень формант та їх спектрів у компресорі Мабуть перетворення у запропонованому прита експандері згідно з умовами ідеального частотстрою є однією з можливих відповідей на запитанного компандування, можливо стверджувати, що, ня академіка А.А. Харкевича про "... критерий порівняно з пристроєм-прототипом, у запропоносжимаемости процесса и характере преобразоваваному пристрою можливо одержувати значне ния, которому нужно подвергнуть процесс в целях підвищення якості відновлення компандерних звусжатия его спектра". [Харкевич А.А. О возможнокових сигналів. При цьому, досягнута у запропоностях сжатия спектра. "Электросвязь", №11, 1958]. ваному пристрою 4-кратна частотна компресія не є Комп’ютерна в ерстка М. Клюкін Підписне Тираж 37 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601