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 звукотехнической 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.
— 10® 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].
Примечание. Ограничение передаваемой полосы частот каналом записи-воспроизведения аналоговых фотофонограмм, который представляет собой фильтр низких частот, приводит к подавлению части полезной информации. Наиболее низкочастотными звеньями канала являются зона записи и зона воспроизведения, имеющие определенную протяженность в направлении движения фонограммы. Ширина зоны записи и воспроизведения определяется качеством оптических О" элементов аппаратов записи и воспроизведения, а также рассеянием света в фотослое пленки. Поэтому она мало зависит от формата кинофильма и составляет в среднем около 15 мкм. Из-за конечной ширины зоны записи и воспроизведения частотная характеристика канала звукопередачи с фотофонограммой ограничена сверху частотой 8 кГц для формата 35 мм (скорость ленты 456 мм/с), частотой 5 кГц для формата 16 мм (скорость ленты 183 мм/с). Однако возможности фотографической звукозаписи редко реализуются на практике. Частотный диапазон усредненного [71,72] фотографического канала звукопередачи ограничен сверху частотой: 5−6 кГц — для 35-мм фильмокопий- 3−4 кГц — для 16-мм фильмокопий, на которых спад частотных характеристик составляет 3 дБ.
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 0 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].
Модуляционный анализ-синтез опирается на известную из радиотехники теорию аналитического сигнала. Понятие о комплексном (аналитическом) сигнале введено в 1945 году Д. Габором [5]. Вещественной частью этого сигнала является исходный сигнал s (t), а мниА мая часть s (t) получалась из вещественной с помощью преобразования Гильберта. Аналитический сигнал z (t) записывают следующим образом: z (t)=s (t)+js (t)=S (t)expjcp (t), где S (t) — огибающая, (p (t) — текущая фаза, (d (p/dt)=co (t) — мгновенная частота, а в совокупности их называют модулирующими функциями.
Мы принимаем также, как в [2], аксиому парности, согласно которой модулирующие функции однозначно определены лишь для пары сигналов.
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 модуляционного 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 которыхисходный, 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 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.
— 300-ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
1.Выдвинута и разработана теория преобразования мгновенной частоты и огибающей звуковых сигналов без необходимости выделять эти модулирующие функции. Основные положения этой теории таковы:
— модулирующие функции могут быть однозначно преобразованы лишь для пары сигналов, один из которых исходный, а второй удобнее всего получать, преобразуя исходный сигнал по Гильберту;
— деление мгновенной частоты звуковых сигналов без изменения огибающей достигается вычитанием необходимой доли мгновенной частоты выходного сигнала из мгновенной частоты входного сигналапри этом выходной сигнал полагается известным и используется для получения самого себя в кольце обратной связи;
— управление коэффициентом деления мгновенной частоты возможно на основе умножения в необходимое число раз мгновенных частот входного сигнала и сигнала в кольце обратной связикоэффициент деления может принимать значения как произвольных целых чисел, так и их отношений (дробей);
— умножение мгновенной частоты звуковых сигналов возможно как на дробный коэффициент, на основе деления на дробь, так и на целый коэффициент обыкновенным сложением равных слагаемых;
— преобразование огибающей без изменений мгновенной частоты достигается на произвольном несущем колебании;
— одновременное деление в два раза и логарифмической огибающей, и мгновенной частоты звуковых сигналов достигается путем деления входного сигнала на преобразованный по Гильберту выходной сигнал, который полагается известным и используется для получения самого себя в кольце обратной связи;
— увеличение коэффициента деления возможно путем неоднократного последовательного применения метода до получения необходимого сжатия объема сигнала;
— восстановление звукового сигнала происходит в процессе применения операций одновременного удвоения каждого из сжатых измерений сигнала необходимое число раз.
2.Разработано математическое обоснование теории преобразования мгновенной частоты и огибающей звуковых сигналов без необходимости выделять эти модулирующие функции. В основу обоснования положены известные представления об аналитическом сигнале, теория функций комплексной переменной и элементы теории операторов.
Обнаружено явление возникновения искажений при восстановлении сигналов, передаваемых с деленной мгновенной частотой. Сформулирована проблема верного восстановления передаваемых 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. Два решения проблемы апробированы и внедрены в практику научных исследований.
3.Предложен метод и устройства компрессирования и экспандирования одновременно двух диапазонов звуковых сигналов и частотного, и динамического путем деления-умножения гильбертовой мгновенной частоты и возведения в соответствующую степень огибающей. На один способ и устройство для его реализации получен патент РФ.
4.Предложен метод деления-умножения гильбертовой мгновенной частоты звуковых сигналов на произвольный рациональный коэффициент без ее выделения и без преобразования огибающей. Разработан ряд способов и устройств для их реализации. На один способ и устройство для его реализации получен патент РФ.
5.Разработаны способы и устройства компрессирования и экспандирования динамического диапазона звуковых сигналов без необходимости выделять модулирующие функции и без преобразования мгновенной частоты.
6.Экспериментально доказаны возможности деления-умножения мгновенной частоты и логарифмической огибающей звуковых сигналов без выделения модулирующих функций. Созданы устройства безынерционных взаимообратных преобразований каждой из модулирующих функций. Результаты работы внедрены в учебный процесс, в практику научных исследований в Санкт-Петербургском государственном университете кино и телевидения и используются в настоящее время для исследования свойств природных модуляций самих модулирующих функций. Возможность проведения таких исследований появилась впервые.
7.В результате экспериментальных и теоретических исследований установлена неизвестная ранее закономерность уменьшения девиации частоты природной частотной модуляции шумового сигнала при сложении его с синусоидальным сигналом, частота которого равна средней частоте полосы 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. Закономерность получила название эффекта внешнего концентрирования частотно-модулированной части сигнала.
8.При исследовании деления мгновенной частоты сигналов была установлена неизвестная ранее закономерность, названная эффектом самоконцентрации частотно-модулированной части шумового сигнала. Эффект самоконцентрации реализуется при делении мгновенной частоты шумовых сигналов, о чем свидетельствуют три проявления:
1)коэффициент уменьшения девиации мгновенной частоты шумового сигнала (который равен коэффициенту уменьшения полосы частот спектра Купс) превышает коэффициент деления мгновенной частоты К, реализуемый аппаратурой;
2)увеличение уровня спектральной плотности на средней частоте спектра соответствует коэффициенту уменьшения девиации мгновенной частоты и полосы спектра Купс, то есть оно больше, чем следует ожидать в соответствии с коэффициентом деления мгновенной частоты, реализуемым аппаратурой;
3)величина спектральной плотности боковых составляющих спектра, обусловленных высокими частотами природной частотной модуляции, для которых индекс частотной модуляции ш"1, уменьшается значительнее, чем следует ожидать в соответствии с коэффициентом деления мгновенной частотынаблюдается частотная зависимость этого проявления эффекта самоконцентрации.
В качестве количественной характеристики эффекта введен коэффициент самоконцентрации, который при делении мгновенной частоты шумового сигнала в два раза принимал значения в диапазоне от 1,26 до 2,0 в зависимости от ширины полосы частот сигнала. При этом коэффициент уменьшения полосы частот спектра Купс принимал значения от 2,52 до 4,0.
Реализация эффекта самоконцентрации объясняется увеличением уровня сигнала на средней частоте спектра вследствие деления мгновенной частоты и уменьшения девиации частоты.
Величина коэффициента самоконцентрации связана с тремя проявлениями эффекта самоконцентрации.
1).Коэффициент самоконцентрации К «может быть определен через ск сокращение полосы частот спектра К ^Д^/Д^ = ККск. Откуда.
К = К /К. ск упс'.
2).Коэффициент самоконцентрации К может быть определен через ск увеличение уровня ДЕ^м спектральной плотности на средней частоте ДЫм =201гКск, откуда.
N"/20).
Кск= 10.
3).Боковые спектральные составляющие, для которых ш"1, уменьшаются примерно в Купс разих зависимость от величины модулирующей частоты природной частотной модуляции объясняется тем, что при делении мгновенной частоты энергия боковых составляющих перемещается в сторону средней частоты спектра. Поэтому появляется зависимость от качества выделения полосы частот сигнала, то есть от уровня составляющих вне рабочей полосы частот, сохранившихся после выделения из белого шума и формирования фильтром сигнала для проведения исследований.
Э.Установлено, что информация о формантах содержится в обеих модулирующих функциях. Измерены основные характеристики мгновенной частоты речевых сигналов. Разработана методика косвенных измерений отношения сигнал/шум звука голоса по его спектру, используемая для объективных измерений качества фонации. Разработки внедрены в практику научных исследований СПбНИИ по заболеваниям уха, горла, носа и речи.
10.Экспериментально установленные зависимости слоговой разборчивости от параметров нелинейного частотного компрессирования и полосы пропускания канала звукопередачи позволяют для каждого узкополосного канала определить оптимальные параметры нелинейного частотного компрессирования, при которых максимально повышается разборчивость речи. Поэтому при практическом использовании нелинейного частотного компрессирования можно воспроизводить частотно-компрессированные сигналы на существующем оборудовании без восстановления масштаба мгновенной частоты. Это позволяет рекомендовать нелинейное частотное компрессирование: 1) для практического использования при записи фотографических фонограмм 16-мм фильмокопий- 2) исследовать для применения в телефонии. Для этих каналов оптимальным является режим обработки с частотой порога компрессии равной верхней граничной частоте полосы пропускания каната и коэффициентом передачи частоты выше порога ОД.
Установлено, что при этом создается впечатление о передаче полосы частот шириной приблизительно 10 кГц, уменьшается влияние эксплуатационного разброса частотных характеристик оборудования на качество звучания сигналов.
11.Экспериментально подтверждены решения проблем линейного сжатия частотного и динамического диапазонов звуковых сигналов для записи и субъективно верного восстановления сигналов для воспроизведения. Найденные решения могут быть рекомендованы для дальнейших практических исследований режимов линейного компандирования, обеспечивающих: 1) максимальное повышение качества звукопередачи при кинопоказе за счет расширения и частотного, и динамического диапазонов передаваемых сигналовпри компандировании уменьшаются уровни шумов и нелинейных искажений, вызванных заплыванием фонограмм- 2) максимальное уменьшение расхода носителя записи при создании магнитного оригинала фонограммы кинофильма за счет снижения его скоростипри компандировании расширяются частотный и динамический диапазоны передаваемых сигналов при уменьшении уровня нелинейных искажений.
Практическое использование линейных компандеров для аналоговых фотографических фонограмм кинофильмов расширит передаваемый частотный диапазон до 15−20 кГц, уменьшит уровень шума фонограммы до минус 60−70 дБ, уменьшит уровень продуктов нелинейных искажений, вызванных заплыванием фонограмм. Если использовать определения классов качества каналов звукового вещания [73], то канал звукопередачи 35-мм фильмокопии, который не удовлетворял по названным техническим показателям качества требованиям второго класса после внедрения компандеров будет удовлетворять требованиям высшего класса качества.
12. Таким образом, выполнено построение и экспериментальная проверка основных положений теории преобразований мгновенной частоты и огибающей звуковых сигналов без необходимости выделять модулирующие функции. Теоретическая значимость исследований состоит в создании новых представлений о возможностях полезных преобразований мгновенной частоты и огибающей звуковых сигналов без их выделения. Обнаружено две неизвестные ранее закономерности. Открыт доступ к дальнейшему изучению свойств модулирующих функций. Практическая значимость теории преобразований модулирующих функций подтверждается ее конструктивной направленностью, созданием на ее основе новых методов, способов и приборов для обработки звуковых сигналов и исследований их свойств, позволяющих получить недоступные ранее возможности управления свойствами сигналов и имеющих важное значение для звукотехники.
