FI117147B - Menetelmä audiosignaalin korjaamiseksi, menetelmän käytöt sekä tietokoneohjelmistotuote - Google Patents

Description

Menetelmä audiosignaalin korjaamiseksi, menetelmän käytöt sek jelmistotuote — Förfarande för korrigering av audiosignal, anväi förfarandet samt datorprogramvara 5 Keksinnön kohteena on jäljempänä esitettyjen itsenäisten patenttm danto-osien mukainen menetelmä audiosignaalin koijaamiseksi ja mistotuote.

Keksinnön mukainen menetelmä audiosignaalin koqaamiseksi sov 10 hyvin audiosignaalin lyhytaikaisten virheiden koqaamiseen, kuten es levyissä olevien erilaisten virheiden koqaamiseen tallennettaessa LP-seen muotoon.

Tyypillinen ongelma tallennettaessa LP-levyä digitaaliseen muotoon 15 ko laatu siinä olevien naarmujen tai muiden virheiden seurauksena, leiksi mekaaninen virhe LP-levyn pinnassa aiheuttaa levysoittimen n< sen liikkeen.

·· · • · · * « • · * # •/‘l Yksinkertaisin tapa häiriön koqaamiseksi on koostaminen eli häiriö • « • i « 1 20 poisleikkaaminen. Tyhjä kohta poistetaan jatkamalla signaalia häiriö] * · • · suoraan häiriön jälkeisellä signaalilla. Tällöin kuitenkin signaaliin tul « » virheestä aiheutuva hyppy, joka ilmenee uutena virheenä signaaliss telmällä voidaan koqata vain muutaman datan mittaisia virheitä. Virh Ha voidaan koqata myös suodattamalla joko ennalta määrätyn taajui 2 1 muistuttavat toisiaan, kopioidaan tarvittavan mittainen jakso signaali; ympäriltä ja sijoitetaan se virhekohtaan. Toinen tapa kopioinnissa or signaalista sellainen virheetön kohta, jonka alku ja loppuosa vastaava molemmin puolin olevia jaksoja, Kopiointimenetelmien heikkou 5 signaaliin syntyy helposti epäjatkuvuuskohtia, jotka aiheuttavat si virheitä. [1]

Poistetun häiriökohdan jättämä aukko signaaliin voidaan j interpoloimalla. Interpolointia voidaan kuitenkin käyttää vain mi 10 mittaisen virheen korjaamiseen. [2]

Muitakin menetelmiä on esitetty kiijallisuudessa. Esimerkiksi S. V.

Frayling-Cork esittävät julkaisussaan [3] LP-levyjen signaaleiden virheiden poistamismenetelmän. Menetelmässä impulsiiviselle virh 15 malli, joka koostuu usean saman tapaisen oikean virheen keskiarvos olevasta impulsiivisesta virheestä voidaan värähtelevä os vähennyslaskulla impulsiivisen virheen mallin avulla. Terävän pi . . vähennyslasku auta, koska piikki on vaurioittanut signaalia palai ϊ * ! ]·/· Piikin vaurioittaman alueen virheelliset datat korjataan julkaisuss; • ♦* • ♦ : 20 iteratiivisen interpolaatiomenetelmän avulla. Tässä menetelmässä viri • · · :***: käytetään kuitenkin korjaavien datojen laskemiseen.

* 9 m * 9 n 9 99* 99* 9 9 **··" Myös muiden tunnettujen menetelmien ongelmana on virheellisen ali ... pituus. Tunnetuilla menetelmillä pystytään muutamien kymmeniä * · 3

Nyt esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa yllä mainitut c kaansaada aikaisempia parempi menetelmä audiosignaalin koqaami non mukainen menetelmä on tarkka ja yksinkertainen tunnettuihin m< rattuna.

5

Keksinnön mukaiselle menetelmälle audiosignaalin koijaamiseksi, 1 kaisille tämän menetelmän käytöille sekä keksinnön mukaiselle tietok tuotteelle on tunnusomaista se, mikä on määritelty jäljempänä esitetty patenttivaatimusten tunnusmerkkiosissa.

10

Keksinnön mukaisen menetelmän mukaan audiosignaalin koijaamir tyypillisesti siten, että lasketaan ensin virhealuetta edeltävästä ja jälki tömästä alueesta signaalien impulssivasteet. Tämän jälkeen ekstrapoli virhealueen alusta eteenpäin ja virhealueen lopusta taakse päin. Virhe 15 li korvataan ekstrapoloimalla saatujen signaalien lineaarikombinaati loimalla signaali molemmista suunnista virhealuetta ja korvaamalla v naali ekstrapoloimalla saatujen signaalien lineaarikombinaatiolla est< M * : vuuskohtien syntyminen virhealueen päissä. Lisäksi virhealueella olle telut muuttuvat luonnollisesti liukumalla painotusfunktion ansiosta.

* 20 * 4 • ·

Eräässä edullisessa keksinnön mukaisessa menetelmässä ekstrapoloit m daan virhealuetta edeltäneen signaalin ja sen impulssivasteen konvolu • 9 ·

Keksinnön mukaisessa menetelmässä sovelletaan suoraa ekstrapoloi m 9 9 4 1

Eräässä edullisessa keksinnön mukaisessa menetelmässä käyteti impulssivastepistettä, tyypillisesti 500-2000 impulssivastepistettä ja e impulssivastepistettä. Tällöin ekstrapoloinnin pohjana on riittävästi signaalin sisältämistä voimakkaimmista taajuuksista 5 amplitudikäyttäytymisistä.

Eräässä edullisessa keksinnön mukaisessa menetelmässä menetelmää levyjen tallennuksessa digitaaliseen muotoon. Keksinnön mukaise avulla LP-levyn digitaalisen tallentamisen yhteydessä LP-levyssä 10 voidaan nopeasti ja yksinkertaisesti korjata. Keksinnön mukaist voidaan käyttää myös puhesignaalin, kuten esimerkiksi mobiil radioiden lähettämän puhesignaalin sisältämien virheiden korjaamisee

Tyypillisesti keksinnön mukainen menetelmä 15 tietokoneohjelmistotuotteella, mikä on suoraan ladattavissa keskusmuistiin tai tietokoneohjelmistotuotteella, joka on tallenneti luettavissa olevaan välineeseen, mikä tietokoneohjelmistot] . . ohjelmakoodielementit keksinnön mukaisen menetelmän suoritti 4 « t • m \\ sanottua tietokoneohjelmistotuotetta ajetaan * · m « : 20 Tietokoneohjelmistotuotteella tarkoitetaan tässä yhteydess ·«« * tietokoneohjelmistoa tai tietokoneohjelmiston osaa, joka voi käsii ·· « useamman ohjelmakoodielementin. Ohjelmakoodielementillä tarkoi • i# t · tai useammasta tietokoneen luettavassa muodossa olevasta käskystä t ... koostuvaa elementtiä. Tietokoneen luettavissa olevalla välineellä tar] * · • * 5 1

Eräs tyypillinen edellä mainittu tietokoneohjelmistotuote, joka < tietokoneen luettavissa olevaan välineeseen käsittää ainak ohjelmakoodielementit: - ohjelmakoodielementin tietokoneen saattamiseksi laskemaan 5 edeltävästä alueesta impulssivasteen, - ohjelmakoodielementin tietokoneen saattamiseksi laskemaan jälkeisestä alueesta impulssivasteen, - ohjelmakoodielementin tietokoneen saattamiseksi ekstrapoloim virhealueen alusta eteenpäin, 10 - ohjelmakoodielementin tietokoneen saattamiseksi ekstrapoloim virhealueen lopusta taaksepäin, - ohjelmakoodielementin tietokoneen saattamiseksi laskemaan ek saatujen signaalien lineaarikombinaation, ja - ohjelmakoodielementin tietokoneen saattamiseksi korvaamaai 15 ekstrapoloimalla saatujen signaalien lineaarikombinaatiolla, kun tietokoneohjelmistotuotetta ajetaan tietokoneessa. Tietokoneohje avulla keksinnön mukaista menetelmää audiosignaalin koijaami: käyttää tietokoneessa tai osana jotakin muuta laitetta, joka sis tietokoneohjelmistotuotteen tallentamiseksi, siten että sen avulla mene • · : : 20 automatisoida hyödyntäen automaattista tietojenkäsittelyä.

• ♦ • · · • · · »·· · ♦ 4* • 4 ::: Eräs edullinen keksinnön mukainen tietokoneohjelmistotuote ki ♦ · /·’··. ohjelmakoodielementin tietokoneen saattamiseksi tunnistamaan sign * ♦ • « · virhealueen tai virhealueet. Tunnistaminen voi perustua esimerkik 6 1 virhealueiden etsintä voidaan automatisoida ja siten tehdä korjauksesta nopeampaa ja tarkempaa.

Edellä olevan keksinnön mukaisen menetelmän suurimpana etuna on, 5 mukaisen menetelmän avulla pystytään korjaamaan useita tuhans pitkiä virhealueita luotettavasti, nopeasti ja tarkasti.

Lisäksi keksinnön etuna on, että menetelmä vaatii huomattavai laskentakapasiteettia kuin monet tunnetun tekniikan menetelmät, joll 10 soveltaminen on mahdollista melko yksinkertaisinkin välinein. Talloi käyttävien laitteiden valmistuskustannukset eivät nouse kohtuuttoman

Keksintöä selitetään seuraavassa oheisiin kuvioihin viittaamalla, joissa 15 Kuvioi esittää audiosignaalissa olevien virheiden tunnistamista,

Kuvio 2 esittää kaaviokuvan audiosignaalissa olevan virheen korji aarisella ennustamisella, missä ylimpänä on virheellim alimpana korjattu signaali, V-s 20 ♦ · * · · · Kuvio 3 esittää kaaviokuvan lineaarisesta painotusfunktiosta, • * • * a * · * · ♦ · # · · ·. Kuvio 4 esittää kaaviokuvan yleisestä painotusfunktiosta, j a a * • m · ·«· —. - t . « — * t . . - 4« < 1* 7 1

Kuviossa 1 on esitetty esimerkinomaisesti alkuperäisestä analogise tietokoneen muistiin audiosignaaliksi 1 A/D-muunnettu osa. Mekääni levyn pinnassa aiheuttaa levysoittimen neulaan äkillisen liikkeen. Av 1 tämä aiheuttaa nopeaa amplitudiarvojen muutosta ajassa. Tähän 5 virheiden paikallistamiseksi syytä tarkastella audiosignaalin 1 signaalidatojen muutosnopeutta ajassa eli signaalin derivaattaa Käytännössä derivaatta d j saadaan derivaatan määritelmän mukaise kahden peräkkäisen signaalidatan erotus ja jakamalla se niiden välisell 10 d, =Sj" ~Sj (Yhtälö 1) ‘ Δ1

Tarkkaan ottaen tämä antaa signaalin derivaatan näiden kahden Soveltamalla yhtälön (1) mukaista derivaattaa useasti peräkkäin siir paikka joka kierroksella puolen näytteenottovälin Δ/ verran taaksepi 15 signaalin derivaatasta itseisarvo 1^1=¾^ (Yhtälö 2) 9 * · m · ♦ · • i • · · • · * ft ♦ ; saadaan käyrä, joka antaa sitä korkeamman positiivisen arvon n ··« 20 signaalin muutosnopeus on. Derivoimalla signaalin derivaattakä »·· · 'lii saadaan selkeämpi piikki signaalin kohtaan, jossa on suuri r * · * * Käytännön kokeissa on osoittautunut, että neljäs derivaatta on i **·- erottamaan selvästi nienimmätlnn korvalla kuultavat ransahHnki 8 ^ = (Yhtäiö3) joka on siirretty eteenpäin diskreettisyydestä aiheutuvan derivaa kompensoimiseksi. Piirtämällä neljännen derivaatan itseisarvosignaali 5 näyttöruudulle audiosignaalin 1 alapuolelle voidaan audiosignaal virheet paikallistaa yhden datan tarkkuudella. Kuvion 1 mukaisesti vi menetelmää voidaan soveltaa myös siten, että menetelmä audiosignaalin 1 alueet 3, joissa neljännen derivaatan itseisarvo 2 kerroinluvulla kerrotun neljännen derivaatan neliöllisen keskiarvon 10 kerroinluku voi olla käyttäjän valittavissa. Virhealueiden etsintä voi tietokoneessa olevan tai tietokoneen keskusmuistiin ladattavan ohje! joka suorittaa edellä mainitut laskennat ohjelmistoa ajettaessa.

Kuviossa 2 esitetyn mukaisesti yksittäisen virheen korjaamina 15 ennustamisen avulla digitaalisessa muodossa olevasta audiosignaalis siten, että lasketaan ensin virhealuetta 22 edeltävästä virheettömäs impulssivaste h ja virhealueen 22 jälkeisestä virheettömästä impulssivaste h\ Tämän jälkeen ekstrapoloidaan signaalia 21 ed t » impulssivasteita käyttäen eli jatketaan signaalia 21 lineaarisella i • · : 20 virhealueen 22 alusta loppuun käyttäen impulssivastetta h, jolloin s «** ennustettu signaali ja virhealueen 22 lopusta alkuun käyttäen impu • t· • · *;·;* jolloin saadaan takaa ennustettu signaali s". Virheellinen signaali ko • j *** ja takaa ennustettujen signaalien s’ ja ,’’ painotetulla keskiarvolla 25.

4 9

Sj = P(t)s) + [l-/KO]s; (Yhtälö 4) jossa s) on eteenpäin ennustettu signaali, s’) on taaksepäin ennusti painotusfunktio p(t) täyttää ehdon 0 < p(t) < 1. Yksinkertaista olisi va 5 painotusfunktio p(i) = ^~ (Yhtälö 5) jossa ta on virhealueen alkuajankohta ja ti on virhealueen loppuajank 10 esitetty kuviossa 3. Lineaarinen painotusfunktio ei kuitenkaan ole koska ennustuksen hyvyys heikkenee eksponentiaalisesti ennustu suhteen. Toinen ääripää painotusfunktiolle olisi sellainen, mi ennustettua signaalia s ) käytettäisiin yksistään virhealueen 22 puolee ja sen jälkeen yksistään taaksepäin ennustettua signaalia s’). Paino 15 olisi tällöin askelfunktio, joka muuttuisi ykkösestä nollaan virhealuee Tämä saattaisi kuitenkin aiheuttaa virhealueen 22 epäjatkuvuuskohdan, joka olisi taas uusi virhe signaalissa. Näiden • · • \! mainitun tapauksen välistä löytyvä edullisin painotusfunktio on esite * j !: Painotusfunktiolle voidaan kirjoittaa yleinen muoto 5 20

Ml • β « «4« f O 1--(2 u)", u <— />(0 = 1, 2 \ (Yhtälö 6) i(2-2„)\ u>X- [2 2 * * * 10

V

Molemmat ääritapaukset saadaan valitsemalla yhtälöstä (6) n = 1, j lineaarinen painotus tai n —» «>, jolloin saadaan askelfunktio. Jos sij taajuus muuttuu virhekohdan keskellä esimerkiksi korkeamm matalampi taajuus edestäpäin ennustettuun osaan ja korkeampi taa 5 ennustettuun osaan. Painotusfunktion, jossa n > 1, ansiosta taajuus mi ikään kuin luonnollisesti liukumalla.

Kuvioissa 5a - 5d on esitetty esimerkinomaisesti tietokoneohjc soveltaminen audiosignaalin korjaamisessa. Kuviossa 5a esitetyn n 10 levyltä tallennetussa stereosignaalissa havaitaan silmin virhealue 51 esitetyn mukaisesti tämä alue valitaan korjauksen kohteeksi kursorilli Kuviossa 5c esitetyn mukaisesti valitaan impulssivasteiden laskent Burgin menetelmä ja valitaan impulssivasteiden pituudet ja niid käytettyjen virheettömien datojen määrät. Ohjelma laskee edel] 15 valintojen mukaisesti korvaavat signaalidatat ja korvaa virheelliset di Mainittu laskenta ja korvausoperaatio tehdään molempiin kana Kuviossa 5d on esitetty korjattu stereosignaali.

\ V Seuraava tarkemmin esitettävä matemaattinen malli perustuu siihen, ei * Y 1 2 3: 20 on itsensä j a sen impulssi vasteen h(t) konvoluutio • · • · · • · « **· · · 2 • · 3 s(t) = h(t)1s(t)=\h(u)s(t-u)du (Yhtälö 8) I ♦ • · *·· " 1 missä hk = h(kAt), näytteenottotaajuus At = l/(2fmax) ja fnax on i esiintyvä maksimitaajuus. Käytännössä audiosignaalista mitataan äa signaalidataa sp missä j = 0, 1, 2,N, Signaalin eteenpäin ekstrapol uusien signaalidatojen Sj laskemista, missä j = N+l, N+2, 5 signaaliarvoista. Tämä ei ole mahdollista ei-kausaalisella impulssivas k- oo. Sen sijaan tämä tulee tehdä kausaalisella impu] missä k = 1, 2, .... M. Siten yhden pisteen diskreetti ekstrapolointiyl on

M

10 (Yhtälö 10) k=\ missä s ) on eteenpäin ekstrapoloitu signaaUdata. Yhden pisteen ekstr diskreetissä muodossa taaksepäin on 15 η =Δ/]Γ/!Λα (Yhtälöll) k=l ,v. missä s”j on taaksepäin ekstrapoloitu signaalidata. Laskemalla uusi c * * tai 11 avulla ja asettamalla saatu uusi data tunnetuksi signaalids * * : yhtälöä 10 tai 11 uudelleen käyttämällä laskea seuraava data. Kun i

Ml 20 prosessia jatketaan, voidaan signaalia ekstrapoloida rajoittamattom • « *···* amphtudi-informaatio eteenpäin ekstrapoloituun signaaliin tulee • · t · ’'* signaahsta ennen virhettä ja taajuus- ja ampUtudien muutosinformaati

... oliiaacto caoHncta iTTmiilccurqrtPPctq T

12 1

Laskennassa käytettävät impulssivasteet hk ja h \ voidaan last signaalille monella eri tavalla. Esimerkiksi yhtälöistä 10 ja 11 voi signaalin tapauksessa asettaa s ) = sj . Toisin sanoen tunnettu signaali + l:n edellisen tunnetun signaalidatan avulla. Jos tunnettuja on 2M-5 voidaan yhtälöistä 10 ja 11 ratkaista h\ ja hk . Mukaan voidaz ylimääräisiä tunnettuja datoja, jolloin M:n impulssivasteen datan käytetään pienimmän neliösumman sovitusta. Edellä mainittu men matriisimenetelmä. Toinen menetelmä impulssivasteen laskentaa menetelmä [5, 6], joka tehokkaan laskennan ja hyvän stabiilisu 10 soveltuu käytännössä hyvin audiosignaalille.

Keksintöä ei ole tarkoitus rajoittaa yllä esimerkinomaise: suoritusmuotoon, vaan sitä on päinvastoin tarkoitus voida laajasti tuli; esitettyjen patenttivaatimusten määrittelemän suojapiirin puitteissa.

15 • · * * · a · a a a « · a . a · • * aa· a a « a a a a a aa a a * a aa · ·«« a a a a a a · a aa • » a a aa· 13

Kirjallisuusviitteet: [1] L. Backman, Numerot ja ääni, osa 2, Hifi 4/91, Helsinki Media Co 34-36, 1991.

5 [2] L. Backman, Numerot ja ääni, osa 1, Hifi 1/91, Helsinki Media Co 28-30, 1991.

[3] S. V. Vaseghi, R. Frayling-Cork, Restoration of old gramophone π Journal of the Audio Engineering Society, Volume 40, number 10,' 10 1992.

[4] S. V, Vaseghi, P. J. W. Rayner, Detection and suppression of impu speech communication systems, Proc, IEE, Volume 137, pt I, 1990.

15 [5] S. Haykin, Nonlinear methods of spectral analysis, Springer-Verlaj 1983.

[6] J. G. Proakis, D. G. Manolakis, "Digital Signal Prosessing”, Prentice Hall, New Jersey, 1996.

20 » t • ♦ t « · • » • · • · • · • · · t · · ··♦ * ·*· » · « · «·» ·*· » · • # M · ·« « » • ·

Claims (6)

1. Menetelmä audiosignaalissa (1, 21) olevan virhealueen (3, 22) tunnettu siitä, että 5. lasketaan virhealuetta (3, 22) edeltävästä alueesta (23) ja virhealu alueesta (24) signaalien impulssivasteet, - ekstrapoloidaan signaali virhealueen (3, 22) alusta eteenpäin (s’) k poloinnissa virhealuetta edeltävästä alueesta laskettua impulssivastei een lopusta taaksepäin (j' *) käyttäen ekstrapoloinnissa virhealueen j 10 eesta laskettua impulssivastetta, - korvataan virhealue (3, 22) ekstrapoloimalla saatujen signaalien (s kombinaatiolla (25).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, etti 15 signaali saadaan virhealuetta edeltäneen signaalin ja sen impulssivasi tiona. · * : V 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä 9 m 9 9 9 mässä sovelletaan suoraa ekstrapolointia, jossa yhden pisteen ekstrai i i * * 11 / 20 tua signaalipistettä käytetään seuraavan puuttuvan signaalipisteen lask • · • 99 999 9 9 9 Λ 999

4. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, että impulssivaste lasketaan Burgin menetelmällä. 9 999 9 9999 999

6. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen mukaisen menetelrr levyiltä digitaaliseen muotoon tallennettujen signaalien restaurointiin.

7. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen 1-5 mukaisen menetel 5 dio- ja mobiiliviestinsignaaleissa olevien virheiden korjaamiseksi.

8. Tietokoneohjelmistotuote, joka on tallennettu tietokoneen luettavii lineeseen, tunnettu siitä, että se käsittää ainakin - ohjelmakoodielementin tietokoneen saattamiseksi laskemaan virhe 10 vasta alueesta impulssivasteen, - ohjelmakoodielementin tietokoneen saattamiseksi laskemaan virheal tä alueesta impulssivasteen, - ohjelmakoodielementin tietokoneen saattamiseksi ekstrapoloimaan healueen alusta eteenpäin käyttäen ekstrapoloinnissa virhealuetta edel 15 ta laskettua impulssivastetta, - ohjelmakoodielementin tietokoneen saattamiseksi ekstrapoloimaan healueen lopusta taaksepäin käyttäen ekstrapoloinnissa virhealueen j v· * ; V eesta laskettua impulssivastetta, • » » » * ’· *♦ - ohjelmakoodielementin tietokoneen saattamiseksi laskemaan ekstraj * j · *;;/ 20 tujen signaalien lineaarikombinaation, ja • · ,··*, - ohjelmakoodielementin tietokoneen saattamiseksi korvaamaan virh< * poloimalla saatujen signaalien lineaarikombinaatiolla, kun tietokoneohjelmistotuotetta ajetaan tietokoneessa. I 4 « ««« 4 • · *