IT201900016328A1 - Metodo per la misurazione e la visualizzazione del rapporto segnale/rumore audio - Google Patents

Description

METODO PER LA MISURAZIONE E LA VISUALIZZAZIONE DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE AUDIO

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

La presente invenzione si inquadra nel settore tecnico relativo ai sistemi di diffusione in radiofrequenza ("Broadcasting") di segnali, ad esempio di segnali radiofonici o televisivi e, più precisamente, il segnale audio, o la parte audio del segnale in caso di trasmissione televisiva, trasmesso da tali sistemi.

In particolare l’invenzione riguarda un metodo per la misurazione e la visualizzazione del rapporto segnale/rumore audio di un programma radiofonico, o del canale audio di un programma televisivo.

Il rapporto segnale/rumore in una trasmissione audio misura il rapporto fra la potenza del segnale utile e la potenza del rumore complessivo emesso dal sistema di trasmissione, e costituisce un parametro di fondamentale importanza nella valutazione della qualità di una trasmissione audio.

Il rumore associato a una trasmissione audio è solitamente dato dalla somma di due componenti: il primo è il rumore d'ambiente, vale a dire quello presente nell'ambiente nel quale viene effettuata la registrazione; il secondo è il rumore di sistema, cioè quello introdotto dai componenti della catena di acquisizione ed elaborazione del segnale audio, fino alla sua emissione in antenna. Le fonti di rumore possono essere di carattere termico, cioè associate al moto dei portatori di carica nei conduttori e nei componenti attivi del sistema; possono essere generate da interferenze fra diversi segnali trasmessi; oppure causati da fenomeni elettrici generati nell'atmosfera. In ogni caso si tratta di un segnale spurio di natura casuale, che può diventare fastidioso se non viene mantenuto al di sotto dei livelli di udibilità.

In ogni sistema di trasmissione radiotelevisiva il rapporto segnale/rumore audio viene regolarmente monitorato per garantire la qualità del segnale audio inviato in antenna.

I metodi di monitoraggio convenzionali prevedono, in linea generale, l'inserimento in linea di segnali di test, fra loro sfalsati temporalmente. In particolare vengono introdotti in sequenza un segnale di riferimento avente caratteristiche note e un segnale di muto, e ne vengono misurate le potenze in uscita. Il rapporto fra le potenze misurate fornisce il rapporto segnale/rumore per quella linea.

Le misurazioni possono fornire un rapporto segnale/rumore istantaneo, un rapporto dato dalla media delle misure su base temporale, e possono essere effettuate con segnali di riferimento di frequenze diverse, per fornire informazioni sul rapporto segnale/rumore in porzioni diverse della banda audio.

In ogni caso, per effettuare le misurazioni sopra descritte è necessario che il sistema di trasmissione non sia operativo, per poter inserire segnali noti ed effettuare i calcoli sugli stessi. Ciò costituisce un inconveniente notevole quando interessa monitorare in tempo reale la qualità di una trasmissione audio, magari di un canale attivo 24 ore su 24, in quanto per ottenere le misurazioni è necessario interrompere la trasmissione per un tempo che dipende dalla tipologia e dall'accuratezza delle misure effettuate.

Questo è ritenuto solitamente inaccettabile, o comunque accettato con molta difficoltà dai responsabili delle trasmissioni radiotelevisive.

Scopo della presente invenzione è quello di proporre un metodo per la misurazione in tempo reale del rapporto segnale/rumore audio in una trasmissione radiotelevisiva in grado di fornire informazioni precise e continuative senza disturbare la trasmissione stessa e senza doverla interrompere durante l'effettuazione delle misure.

Un altro scopo dell'invenzione è quello di proporre un metodo per la visualizzazione in tempo reale del rapporto segnale/rumore audio in una trasmissione radiotelevisiva misurato secondo quanto sopra descritto.

Gli scopi sopra citati, ed altri ancora, vengono interamente ottenuti, in accordo con il contenuto delle rivendicazioni, mediante un metodo che consente la misurazione e la visualizzazione del rapporto segnale/rumore audio in un sistema per la diffusione in radiofrequenza di segnali audio e audio/video, senza che sia necessario interrompere la trasmissione per effettuare le misurazioni. Il sistema comprende sezioni di acquisizione di un segnale audio, di elaborazione analogica e/o digitale del segnale, di emissione dello stesso in antenna e di ricezione e decodifica del segnale.

Il metodo comprendere le seguenti fasi operative: prelevare il segnale audio elaborato dal sistema in una banda di frequenze per un periodo di tempo di misurazione predefinito; sottoporre il segnale audio prelevato a un'operazione di FFT (Fast Fourier Transform), per ottenere, istante per istante e per il periodo di tempo di misurazione, uno spettro di potenza del segnale per l'intera banda di frequenze considerata; per ciascuna frequenza appartenente alla banda di frequenze e per l'intero tempo di misurazione, rilevare e memorizzare i valori di potenza massimo e minimo relativi a ciascuna frequenza considerata con operazioni di "MaxHold" e "MinHold", per ottenere corrispondenti sequenze, rispettivamente di potenza massima e di potenza minima del segnale audio; per ciascuna frequenza, ottenere il rapporto segnale/rumore audio del segnale in funzione dei corrispondenti valori di dette sequenze di potenza massima e minima.

Le caratteristiche dell’invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione di una preferita, per quanto non esclusiva, forma di realizzazione, in accordo con quanto riportato nelle rivendicazioni e con l’ausilio delle allegate tavole di disegno, nelle quali:

- la Figura 1 illustra uno schema a blocchi di una possibile configurazione di un sistema per la diffusione in radiofrequenza di segnali audio, al quale si applica il metodo secondo l'invenzione;

- la Figura 2 illustra una possibile visualizzazione delle curve luogo di potenza massima e minima nella banda di frequenze di misurazione.

Con riferimento alla figura 1 si indica con 100, nel suo complesso, un sistema per la diffusione in radiofrequenza (broadcasting) di segnali audio, che può altresì comprendere mezzi per la diffusione in radiofrequenza di segnali video. Per quel che concerne la presente invenzione, tuttavia, in quest'ultimo caso verrà fatto riferimento alla sezione audio del sistema.

Il sistema 100, secondo tecniche note, può acquisire ed elaborare un segnale audio sia utilizzando tecnologie analogiche che digitali.

In una descrizione minimale ed estremamente semplificata per blocchi funzionali, utile esclusivamente ai fini della descrizione del metodo secondo l'invenzione, il sistema 100 prevede una sezione trasmittente 1 e una o più sezioni riceventi 2.

La sezione trasmittente 1 comprende mezzi di acquisizione e codifica 10 di un segnale audio prodotto in un ambiente di registrazione, comprendenti almeno un microfono 11 e un apparato preamplificatore-codificatore 12. A quest'ultimo possono essere inoltre collegati altri ingressi audio noti di vario genere.

A valle dell'apparato preamplificatore-codificatore 12 è previsto un apparato modulatore RF 20, atto a convertire il segnale audio in bassa frequenza in un segnale in radiofrequenza, opportunamente modulato dal segnale audio.

A quest'ultimo apparato è collegato un amplificatore RF di potenza 30, che a sua volta fornisce il segnale RF amplificato a un'antenna trasmittente 40, per la diffusione in aria del segnale.

Ciascuna delle sezioni riceventi 2 comprende, in modo sostanzialmente speculare, un'antenna ricevente 50, collegata a un apparato ricevitore RF 60. Quest'ultimo è collegato a un apparato demodulatore/decodificatore 70, che riporta il segnale audio in bassa frequenza, verso un apparato di uscita BF 80.

Quest'ultimo comprende un amplificatore di potenza BF 81, al quale sono collegati uno o più dispositivi di riproduzione audio 82, che possono comprendere altoparlanti, cuffie audio o altro.

Come già accennato in precedenza, ogni sezione del sistema 100 introduce nel canale audio una propria componente di rumore, che va a sommarsi al segnale utile e al rumore già presente, che riduce il rapporto segnale/rumore (S/N) e può deteriorare anche significativamente il segnale complessivo, riducendone la qualità. Nel corso di una trasmissione audio di elevata qualità risulta pertanto importante un monitoraggio del rapporto segnale/rumore quanto più frequente possibile, per poter intervenire in caso di sforamento di soglie minime ritenute accettabili.

Secondo l'invenzione, il metodo per la misurazione e la visualizzazione del rapporto segnale/rumore audio nel sistema 100 prevede l'esecuzione, continua o periodica, della misurazione del rapporto S/N del segnale audio senza dover interrompere il flusso di informazione audio del canale.

Il metodo può essere vantaggiosamente eseguito utilizzando diverse apparecchiature o gruppi di apparecchiature, di per esse note, la cui struttura e il cui funzionamento sono ben conosciute da un tecnico del settore di media esperienza.

Il metodo prevede l'esecuzione ciclica, secondo periodi prestabiliti, di una sequenza di fasi procedurali, la prima delle quali prevede di prelevare il segnale dal canale audio del quale si vuole effettuare il monitoraggio. Il segnale è preferibilmente prelevato in corrispondenza di uno stadio finale di elaborazione del sistema 100 o di una sezione, trasmittente 1 o ricevente 2, in modo tale da ottenere una misura indicativa della bontà del segnale audio diffuso, oppure di quello ricevuto.

A questo proposito, in funzione di possibili diverse esigenze, il segnale può essere ad esempio prelevato in corrispondenza dell'amplificatore di potenza RF 30 della sezione trasmittente 1, preferibilmente da un'uscita monitor dello stesso (monitor out); in corrispondenza dell'amplificatore di potenza BF 81 della sezione ricevente 2, preferibilmente da un'uscita monitor (monitor out) dello stesso; oppure "sul campo", a valle dell'antenna trasmittente 40 della sezione trasmittente 1, mediante un'apparecchiatura ricevente di monitoraggio 90 che comprende un'antenna di monitoraggio 91 e un ricevitore 92 in grado di ricevere, demodulare ed eventualmente decodificare il segnale audio RF, per ottenere il segnale BF da analizzare e renderlo disponibile in uscita per il prelievo.

Un singolo ciclo di misurazione, o tempo di misurazione T1, può avere una durata complessiva variabile, in funzione di specifiche esigenze. In sostanza, una durata di ciclo minore comporta una maggiore frequenza di aggiornamento dei valori del rapporto S/N, con una minore accuratezza della misura. In modo del tutto speculare, un tempo di misurazione T1 più elevato comporta un'accuratezza di misura più elevata, a scapito della frequenza di aggiornamento della misura. Tipicamente, ma non limitatamente, si possono avere tempi di misurazione T1 compresi fra 1 secondo e 5 minuti.

Il segnale audio prelevato (vedasi figura 2) comprende una banda di frequenze audio ∆F che generalmente appartiene alla banda audio complessiva del sistema, e preferibilmente la contiene tutta; l'elaborazione del segnale, come verrà meglio dettagliato nel seguito, può essere anche effettuata su una banda di frequenze maggiore (orientativamente, per una trasmissione audio di qualità, la banda prelevata può essere compresa fra 30 e 15.000 Hz).

La fase successiva del metodo secondo l'invenzione comprende l'applicazione al segnale audio prelevato di un'operazione di FFT (Fast Fourier Transform), destinata a portare l'informazione relativa al segnale dal dominio del tempo a quello delle frequenze. Si ottiene quindi, per ciascun istante e per l'intero periodo di tempo di misurazione T1, uno spettro di potenza del segnale per l'intera banda di frequenze ∆F considerata.

In una successiva fase del metodo, per ciascuna frequenza F appartenente alla banda di frequenze ∆F analizzata, e per l'intero tempo di misurazione T1 scelto, si rilevano e si memorizzano i valori di potenza massimo PMax e minimo PMin, con operazioni di "MaxHold" e "MinHold". Per l'intero spettro di frequenze ∆F si ottengono pertanto sequenze di valori di potenza massima CMax e minima CMin; i valori per ogni singola frequenza F vengono aggiornati nel corso del tempo di misurazione T1 al raggiungimento di nuovi massimi o minimi della potenza istantanea.

Per ciascuna frequenza F viene quindi ottenuto il rapporto segnale/rumore S/N in funzione dei corrispondenti valori di massimo e minimo nelle sopra citate sequenze CMax e CMin, ad esempio quale differenza dei rispettivi valori espressi in db.

Dato che i valori nelle sequenze CMax e CMin rappresentano i valori estremi raggiunti dalle letture di potenza, essi possono essere continuamente aggiornati durante il periodo di tempo di misurazione T1. Quest'ultimo dovrà pertanto essere scelto in modo da consentire alle sopra citate sequenze di stabilizzarsi a sufficienza. Periodi T1 più elevati garantiscono maggiore stabilità e accuratezza della misura.

Il risultato delle operazioni di misurazione, vale a dire i valori delle sequenze di potenza massima CMax e di potenza minima CMin, e i valori del rapporto segnale/rumore S/N sull'intero spettro ∆F considerato, viene quindi messo a disposizione di un utilizzatore, nelle forme ritenute più convenienti.

Il risultato può essere ad esempio messo a disposizione in formato tabellare, per consentire successive elaborazioni, oppure può essere sottoposto direttamente a un'elaborazione grafica e convertito in corrispondenti curve su un sistema di riferimento cartesiano (figura 2) e visualizzato su un monitor, in modo da fornire un'informazione immediata sui valori di potenza del segnale e sulla sua qualità in termini di rapporto S/N.

I valori delle sequenze di potenza massima CMax e minima CMin relativi a ciascuna frequenza possono inoltre essere sottoposti, prima della loro visualizzazione, a operazioni di pesatura, ad esempio in funzione della sensibilità dell'orecchio umano in quella determinata frequenza.

Il metodo secondo l'invenzione si applica in modo analogo nel caso di un segnale audio stereofonico. In questo caso è prevista una fase preliminare di separazione e decodifica dei canali destro e sinistro del segnale; le fasi di calcolo della FFT ("Fast Fourier Transform"), memorizzazione dei valori di potenza massimi PMax e minimi PMin, ottenimento delle corrispondenti sequenze CMax e CMin e ottenimento dei valori di rapporto segnale/rumore audio per ciascuna citata frequenza F considerata, vengono effettuate separatamente per i canali destro e sinistro del segnale stereofonico.

Possono essere inoltre vantaggiosamente generate sequenze di valori di potenza massima CMax e minima CMin e ottenuti i corrispondenti valori di rapporto segnale/rumore audio anche per la sovrapposizione dei canali destro e sinistro di segnale.

I risultati ottenuti per entrambi i canali possono essere messi a disposizione sia in forma tabellare che grafica, e visualizzati su un monitor, così come per i risultati ottenuti per il segnale audio a canale singolo.

Il metodo dell'invenzione può inoltre prevedere una fase di confronto di almeno uno fra i valori di potenza massima PMax e di potenza minima PMin inseriti nelle sequenze di potenza massima CMax e di potenza minima CMin, e di rapporto segnale/rumore audio S/N, con rispettivi valori di soglia predefiniti. In caso di superamento dei sopra citati valori di soglia predefiniti possono essere emesse corrispondenti informazioni di allarme verso un utilizzatore, locale o remoto, per consentire l'effettuazione di interventi di correzione del problema.

Allo scopo di garantire la perfetta qualità della misurazione, nell'attuazione del metodo secondo l'invenzione vengono preferibilmente utilizzate note tecniche cosiddette SDR (Software Defined Radio ). Si tratta di tecniche di elaborazione di segnale audio totalmente digitalizzate.

In questo caso la conversione del segnale da analogico a digitale avviene subito dopo l’ingresso del segnale nel sistema hardware deputato a eseguire le operazioni di elaborazione, usando un convertitore A/D ( Analogico Digitale ) con almeno 16 bit, in modo tale da garantire un’altissima precisione ed una operazione del tutto trasparente dal punto di vista dell'introduzione di fattori di riduzione della qualità del segnale.

In questa fase, una banda del segnale digitalizzato più ampia di quella del segnale da analizzare viene trattata, sempre digitalmente all’interno dell’hardware, da un processore realizzato in tecnologia FPGA (Field Programmable Data Array) che la avvia al software di un elaboratore personale, tramite una connessione standard, ad esempio USB.

Il software dell'elaboratore provvede ad elaborare la banda da analizzare con opportuni algoritmi matematici che consentono, in tempo quasi reale (ritardi tipici dell’ ordine di 200 ms) il filtraggio, la demodulazione e la decodifica del segnale radiofonico trasmesso. Ad esclusione della prima fase di conversione A/D, la radio è implementata totalmente tramite algoritmi software.

Le operazioni software che vengono effettuate sono di traslazione e filtraggio della banda del segnale, demodulazione e filtraggio secondo lo standard di modulazione adottato, decodifica e filtraggio se esiste qualche codifica particolare.

Il software provvede quindi alla visualizzazione ed analisi del segnale durante i vari passaggi su vari schermi.

L'attuazione del metodo secondo l'invenzione sopra descritto consente di ottenere vantaggiosamente un monitoraggio sostanzialmente continuo del rapporto segnale/rumore audio di una trasmissione in via di diffusione (broadcast), ad esempio una trasmissione radio o radiotelevisiva, senza dover assolutamente causare interruzione alla trasmissione stessa, e in modo assolutamente trasparente per i responsabili della produzione del contenuto e i responsabili tecnici della diffusione.

Un altro vantaggio prodotto dal presente metodo è dato dalla possibilità di controllare visivamente, istante per istante, la situazione del rapporto segnale/rumore audio di una trasmissione in via di diffusione nell'intera banda di emissione del segnale.

Ancora un vantaggio è dato dalla possibilità di produrre informazioni di allarme del tutto automatiche in corrispondenza di cali significativi della qualità del segnale audio trasmesso.

Si intende comunque che quanto sopra detto ha valore esemplificativo e non limitativo, pertanto eventuali modifiche di dettaglio si considerano sin d’ora rientranti nell’ambito protettivo definito dalle sottoriportate rivendicazioni.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1) Metodo per la misurazione e la visualizzazione del rapporto segnale/rumore audio in un sistema per la diffusione in radiofrequenza di segnali audio e audio/video, detto sistema comprendente sezioni di acquisizione di un segnale audio, di elaborazione analogica e/o digitale di detto segnale, di emissione dello stesso in antenna e di ricezione e decodifica di detto segnale; detto metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi operative: prelevare il segnale audio elaborato da detto sistema, in uno stadio finale di elaborazione dello stesso per la diffusione, in una banda di frequenze (∆F) appartenente alla banda audio complessiva del sistema e per un periodo di tempo di misurazione (T1) predefinito; sottoporre detto segnale audio prelevato a un'operazione di FFT (Fast Fourier Transform), per ottenere, istante per istante e per detto periodo di tempo di misurazione (T1), uno spettro di potenza di detto segnale per l'intera citata banda di frequenze (∆F) considerata; per ciascuna frequenza (F) appartenente a detta banda di frequenze (∆F) e per l'intero citato tempo di misurazione (T1), rilevare e memorizzare i valori di potenza massimo (PMax) e minimo (PMin) relativi a ciascuna frequenza considerata con operazioni di "MaxHold" e "MinHold", per ottenere corrispondenti sequenze, rispettivamente di potenza massima (CMax) e di potenza minima (Cmin) di detto segnale audio; per ciascuna citata frequenza (F), ottenere il rapporto segnale/rumore audio (S/N) di detto segnale in funzione dei corrispondenti valori di dette sequenze (CMax) e (CMin); detto periodo di tempo di misurazione (T1) essendo tale da consentire una sostanziale stabilizzazione di dette sequenze (CMax) e (CMin).
2. 2) Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto segnale da misurare viene prelevato in corrispondenza di un'uscita finale della sezione di emissione del citato sistema per la diffusione in radiofrequenza.
3. 3) Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta uscita finale consiste nell'uscita "monitor" dell'apparato trasmettitore.
4. 4) Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto segnale da misurare viene prelevato a valle dell'antenna trasmittente del citato sistema per la diffusione in radiofrequenza, mediante un apparato ricevente (90) "ad hoc", atto ad acquisire il segnale sul campo in condizioni diverse di intensità e di qualità del segnale generato e diffuso dall'apparato trasmettitore.
5. 5) Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto segnale da misurare viene prelevato in corrispondenza di un'uscita finale della sezione di ricezione del citato sistema per la diffusione in radiofrequenza, immediatamente prima della veicolazione di detto segnale audio all'utilizzatore finale.
6. 6) Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta banda di frequenze (∆F) è maggiore o uguale alla larghezza di banda del citato sistema di diffusione di segnali in radiofrequenza.
7. 7) Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto periodo di tempo di misurazione (T1) è compreso fra 1 secondo e 5 minuti.
8. 8) Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che, per ciascuna citata frequenza (F) della banda (∆F) considerata, ciascuno di detti valori di potenza, rispettivamente massima (PMax) e minima (PMin) viene ulteriormente sottoposto a operazioni di pesatura in funzione della sensibilità dell'orecchio umano in quella determinata frequenza.
9. 9) Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto segnale audio è un segnale stereofonico, che è prevista una fase preliminare di separazione e decodifica dei canali destro e sinistro di detto segnale, e che dette fasi di calcolo della FFT ("Fast Fourier Transform"), memorizzazione dei valori di potenza massimi (PMax) e minimi (PMin), ottenimento delle corrispondenti sequenze (CMax) e (CMin) e ottenimento dei valori di rapporto segnale/rumore audio (S/N) per ciascuna citata frequenza (F) considerata, vengono effettuate separatamente per i canali destro e sinistro di detto segnale stereofonico.
10. 10) Metodo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che vengono inoltre generate sequenze di valori di potenza massima (CMax) e minima (CMin) e ottenuti i corrispondenti valori di rapporto segnale/rumore audio (S/N) anche per la sovrapposizione dei citati canali destro e sinistro di segnale.
11. 11) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1, 9 e 10, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di messa a disposizione di dette sequenze di valori di potenza massima (CMax) e minima (CMin), e di rapporto segnale/rumore audio (S/N), in forma di tabelle.
12. 12) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1, 9 e 10, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di messa a disposizione di dette sequenze di valori di potenza massima (CMax) e minima (CMin), e di rapporto segnale/rumore audio (S/N), in forma di curve visualizzabili.
13. 13) Metodo secondo la rivendicazione 11 o la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre la visualizzazione di almeno una di dette tabelle o curve su un monitor previsto per lo scopo.
14. 14) Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere inoltre una fase di confronto di almeno uno fra detti valori di potenza massima (PMax), di potenza minima (PMin) e di rapporto segnale/rumore audio (S/N) con rispettivi valori di soglia predefiniti, e di emissione di corrispondenti informazioni di allarme in caso di superamento dei sopra citati valori.