RU2145446C1 - Method for optimal transmission of arbitrary messages, for example, method for optimal acoustic playback and device which implements said method; method for optimal three- dimensional active attenuation of level of arbitrary signals - Google Patents
Method for optimal transmission of arbitrary messages, for example, method for optimal acoustic playback and device which implements said method; method for optimal three- dimensional active attenuation of level of arbitrary signals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2145446C1 RU2145446C1 RU97116014A RU97116014A RU2145446C1 RU 2145446 C1 RU2145446 C1 RU 2145446C1 RU 97116014 A RU97116014 A RU 97116014A RU 97116014 A RU97116014 A RU 97116014A RU 2145446 C1 RU2145446 C1 RU 2145446C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- signals
- additional
- sound reproduction
- source
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04S—STEREOPHONIC SYSTEMS
- H04S1/00—Two-channel systems
- H04S1/007—Two-channel systems in which the audio signals are in digital form
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Stereophonic System (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к кибернетике и может быть использовано, например, в радиотехнике. The invention relates to cybernetics and can be used, for example, in radio engineering.
Предшествующий уровень техники
Известен способ передачи сообщений в канале со случайными параметрами, например в радиоканале, заключающийся в обработке принимаемых сигналов с использованием корреляционных методов. Недостаток способа в том, что требуется знание многомерных законов распределения или корреляционных функций, описывающих сообщение и помехи. Способ применим для сообщений и помех, поддающихся математическому моделированию в виде стационарных случайных процессов.State of the art
A known method of transmitting messages in a channel with random parameters, for example in a radio channel, which consists in processing the received signals using correlation methods. The disadvantage of this method is that it requires knowledge of multidimensional distribution laws or correlation functions describing the message and interference. The method is applicable for messages and interference, amenable to mathematical modeling in the form of stationary random processes.
Известен способ звуковоспроизведения и система для его осуществления, заключающийся в согласованной фильтрации электрического сигнала источника, усилении, преобразовании усиленного электрического сигнала источника в звуковой сигнал, его излучении, приеме и преобразовании в точке прослушивания совокупного звукового сигнала - прямых и переотраженных звуковых волн излученного сигнала источника, а также звуковых волн помех и шумов в электрический сигнал прослушивания, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрических сигналов источника и прослушивания, формировании управляющих согласованной фильтрацией сигналов (RU, A 2038704). The known method of sound reproduction and a system for its implementation, which consists in coordinated filtering of the electrical signal of the source, amplification, conversion of the amplified electrical signal of the source into an audio signal, its emission, reception and transformation at the listening point of the total sound signal - direct and reflected sound waves of the emitted source signal, as well as sound waves of interference and noise into an electrical listening signal, transmitting the received electrical signal to the place of its processing, about the operation of the electrical signals of the source and listening, the formation of control matched filtering signals (RU, A 2038704).
Данный способ звуковоспроизведения позволяет повысить точность воспроизведения сигнала в точке прослушивания за счет автоматических предыскажений амплитудно-частотных параметров сигнала источника в соответствии с искажениями амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) канала передачи звуковой информации. This method of sound reproduction improves the accuracy of signal reproduction at the listening point due to automatic predistortion of the amplitude-frequency parameters of the source signal in accordance with distortions of the amplitude-frequency characteristics (AFC) of the audio information transmission channel.
Недостатки:
1) способ и система позволяют осуществлять шумопонижение только на частотах и в моменты времени звуковоспроизведения сигналов;
2) система для осуществления способа должна комплектоваться источником сигнала с нормированными выходными характеристиками;
3) система не позволяет осуществлять корректирование фазочастотной характеристики (ФЧХ) сигнала;
4) система не позволяет получать локализацию звуков в окружающем слушателя пространстве с правдоподобным эффектом "объемного" звучания;
5) система не позволяет осуществлять индивидуальную коррекцию амплитудно-частотной характеристики, фильтрацию помех и шумов источника сигнала в режиме автоматической оптимизации звуковоспроизводимых сигналов.Disadvantages:
1) the method and system allow noise reduction only at frequencies and at times of sound reproduction of signals;
2) the system for implementing the method should be equipped with a signal source with normalized output characteristics;
3) the system does not allow for the correction of the phase-frequency characteristic (PFC) of the signal;
4) the system does not allow localization of sounds in the space surrounding the listener with a plausible effect of "surround"sound;
5) the system does not allow for individual correction of the amplitude-frequency characteristics, filtering of noise and noise of the signal source in the automatic optimization of reproducible signals.
Раскрытие изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача создать такие способы и системы для их осуществления, которые позволяют повысить точность передачи информации в канале со случайными параметрами, например повысить качество звуковоспроизведения с учетом помех и шумов, изменения формы, объема, акустических свойств помещения, местоположения громкоговорителей, местоположения точки прослушивания, ориентации в точке прослушивания головы слушателя, искажений в источнике сигнала, особенностей слухового восприятия звуковых давлений частот, несовершенства АЧХ и ФЧХ усилителей низкой частоты и громкоговорителей, и, таким образом, понизить среднеквадратическое отклонение (СКО) сигнала в системе, например, повысить эффективность шумопонижения в точке прослушивания, точно корректировать громкость, сбалансированность, амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики звуковоспроизводимого в точке прослушивания сигнала, расширить зону действия эффекта "объемного" звучания и повысить точность локализации звуков по отношению к слушателю.Disclosure of Invention
The present invention is based on the task of creating such methods and systems for their implementation that can improve the accuracy of information transmission in a channel with random parameters, for example, to improve the quality of sound reproduction taking into account interference and noise, changes in the shape, volume, acoustic properties of a room, location of speakers, location listening points, orientations at the listening point of the listener's head, distortions in the signal source, features of auditory perception of sound pressure frequencies, n improve the frequency response and phase response of low-frequency amplifiers and loudspeakers, and thus reduce the standard deviation (RMS) of the signal in the system, for example, increase the noise reduction efficiency at the listening point, accurately adjust the volume, balance, amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of the sound reproduced at the listening point signal, expand the range of the effect of "surround" sound and increase the accuracy of localization of sounds in relation to the listener.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе звуковоспроизведения, заключающемся в согласованной фильтрации электрического сигнала источника, усилении, преобразовании усиленного электрического сигнала источника в звуковой сигнал, его излучении, приеме и преобразовании в точке прослушивания совокупного звукового сигнала - прямых и переотраженных звуковых волн излученного сигнала источника, а также звуковых волн помех и шумов в электрический сигнал прослушивания, передача принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрических сигналов источника и прослушивания, формировании управляющих согласованной фильтрацией сигналов, согласно изобретению формируют дополнительные электрические сигналы для активного шумопонижения, которые усиливают, преобразуют в звуковые сигналы и излучают до точки приема совокупного звукового сигнала. The problem is solved in that in the known method of sound reproduction, which consists in coordinated filtering of the electric signal of the source, amplification, conversion of the amplified electric signal of the source into an audio signal, its emission, reception and transformation at the listening point of the total sound signal - direct and reflected sound waves of the emitted signal source, as well as sound waves of interference and noise into an electrical listening signal, transmitting the received electrical signal to its place Work, processing the electrical signals of the source and listening, forming control signals matching filtering, according to the invention generate additional electrical signals for active noise reduction, which amplify, convert into sound signals and emit to the point of reception of the total sound signal.
Поставленная задача решается тем, что в известной системе звуковоспроизведения, содержащей источник сигнала и канал звуковоспроизведения, выполненный в виде усилителя низкой частоты и громкоговорителя, связанных последовательно, зондирующего устройства, блока обработки сигналов, выполненного с возможностью согласованной фильтрации сигнала источника, линии связи, при этом выход зондирующего устройства посредством линии связи подключен к первому входу блока обработки сигналов, ко второму входу блока обработки сигналов подключен выход источника сигнала, а выход блока обработки сигналов связан со входом усилителя низкой частоты, согласно изобретению блок обработки сигналов выполнен с возможностью формирования на его выходе дополнительных сигналов для активного шумопонижения в точке установки зондирующего устройства. The problem is solved in that in the known sound reproduction system containing a signal source and a sound reproduction channel, made in the form of a low-frequency amplifier and loudspeaker connected in series, a probing device, a signal processing unit, configured to coordinate filtering of the source signal, communication line, while the output of the probing device via a communication line is connected to the first input of the signal processing unit, the output is connected to the second input of the signal processing unit d source signal and the output signal processing unit connected to the input of low-frequency amplifier according to the invention a signal processing unit configured to generate at its output additional signals for active noise reduction in the set-point probe device.
Возможны варианты реализации системы, чтобы:
источник сигнала был выполнен с по крайней мере одним дополнительным выходом для многоканального звуковоспроизведения, дополнительно введен соответственно числу дополнительных выходов источника сигнала по крайней мере один дополнительный канал звуковоспроизведения, выполненный в виде дополнительного усилителя низкой частоты и дополнительного громкоговорителя, связанных последовательно, а также дополнительное зондирующее устройство, дополнительный блок обработки сигналов, выполненный с возможностью согласованной фильтрации сигнала источника и формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения, дополнительной линии связи, выход дополнительного зондирующего устройства посредством дополнительной линии связи подключен к первому входу дополнительного блока обработки сигналов, дополнительный выход источника сигнала подсоединен ко второму входу дополнительного блока обработки сигналов, выход дополнительного блока обработки сигналов связан с входом дополнительного усилителя низкой частоты;
источник сигнала был выполнен с возможностью коммутации выходных сигналов для изменения порядка их подключения к каналам звуковоспроизведения;
дополнительно был введен генератор сигнала, подключенный к третьему входу блока обработки сигналов;
дополнительно был введен генератор сигнала, подключенный к третьему входу блока обработки сигналов и третьему входу дополнительного блока обработки сигналов;
блок обработки сигналов, линия связи, зондирующее устройство, дополнительный блок обработки сигналов, дополнительная линия связи, дополнительное зондирующее устройство были функционально объединены в блок оптимальной обработки сигналов для поблочной комплектации системы;
блок обработки сигналов и дополнительный блок обработки сигналов были выполнены в виде многоканального аналогово-цифрового преобразователя, ЭВМ с программным обеспечением и многоканального цифроаналогового преобразователя, связанных последовательно, при этом число входов аналогово-цифрового преобразователя в два раза больше, а число каналов цифроаналогового преобразователя равно числу каналов звуковоспроизведения;
источник сигнала был выполнен с возможностью регулирования амплитудно-частотных характеристик сигналов на его выходах;
источник сигнала был выполнен с возможностью шумопонижения;
источник сигнала был выполнен с возможностью автоматического регулирования уровней его выходных сигналов;
источник сигнала был выполнен с возможностью автоматического регулирования уровней и неавтоматического регулирования амплитудно-частотных характеристик сигналов на его выходах;
источник сигнала был выполнен с возможностью регулирования уровней сигналов на его выходах для регулирования уровня громкости в точке прослушивания;
зондирующее устройство и дополнительное зондирующее устройство или линия связи и дополнительная линия связи были выполнены с возможностью регулирования коэффициента передачи для регулирования уровня громкости в точке прослушивания;
регулирование коэффициентов передач было выполнено тонкомпенсированным;
блок обработки сигналов и дополнительный блок обработки сигналов были выполнены с возможностью автоматического регулирования амплитудно-частотных или фазочастотных характеристик со вторых входов на выходы блоков для оптимизации энергетических или временных параметров сигналов;
блок обработки сигналов и дополнительный блок обработки сигналов были выполнены с возможностью автоматического регулирования амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик со вторых входов на выходы блоков для полнопараметрической оптимизации сигналов.System implementation options are possible to:
the signal source was made with at least one additional output for multi-channel audio reproduction, additionally introduced according to the number of additional outputs of the signal source, at least one additional audio reproduction channel, made in the form of an additional low-frequency amplifier and an additional loudspeaker connected in series, as well as an additional sounding device , an additional signal processing unit, configured to co-filter si the source and the formation of additional signals for active noise reduction, an additional communication line, the output of the additional sounding device through an additional communication line is connected to the first input of the additional signal processing unit, the additional output of the signal source is connected to the second input of the additional signal processing unit, the output of the additional signal processing unit is connected with the input of an additional low-frequency amplifier;
the source of the signal was made with the possibility of switching the output signals to change the order of their connection to the sound channels;
in addition, a signal generator connected to the third input of the signal processing unit was introduced;
in addition, a signal generator was introduced, connected to the third input of the signal processing unit and the third input of the additional signal processing unit;
a signal processing unit, a communication line, a sensing device, an additional signal processing unit, an additional communication line, an additional probing device were functionally combined into an optimal signal processing unit for a block system configuration;
the signal processing unit and the additional signal processing unit were made in the form of a multi-channel analog-to-digital converter, a computer with software and a multi-channel digital-to-analog converter connected in series, while the number of inputs of the analog-to-digital converter is two times larger and the number of channels of the digital-to-analog converter is equal to the number sound channels;
the signal source was configured to control the amplitude-frequency characteristics of the signals at its outputs;
the signal source was made with the possibility of noise reduction;
the signal source was configured to automatically control the levels of its output signals;
the signal source was made with the possibility of automatic level control and non-automatic regulation of the amplitude-frequency characteristics of the signals at its outputs;
the signal source was configured to control signal levels at its outputs to control the volume level at the listening point;
a sounding device and an additional sounding device or a communication line and an additional communication line were configured to control the transmission coefficient to control the volume level at the listening point;
gear ratios have been finely compensated;
a signal processing unit and an additional signal processing unit were configured to automatically control the amplitude-frequency or phase-frequency characteristics from the second inputs to the outputs of the blocks to optimize the energy or time parameters of the signals;
a signal processing unit and an additional signal processing unit were configured to automatically control the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics from the second inputs to the outputs of the blocks for full parameter optimization of the signals.
Поставленная задача решается с помощью способа активного понижения уровня сигналов любой физической природы, заключающегося в приеме и преобразовании этих сигналов в электрический сигнал, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрического сигнала для активного понижения уровня сигнала, его усилении, преобразовании в сигнал той же физической природы и излучении до точки пространства приема сигналов. The problem is solved using the method of actively lowering the level of signals of any physical nature, which consists in receiving and converting these signals into an electric signal, transmitting the received electric signal to the place of its processing, processing the electric signal to actively lower the signal level, amplifying it, converting it into a signal the same physical nature and radiation to a point in the space of signal reception.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе передачи сообщений в канале со случайными параметрами, заключающемся в преобразовании сообщений в электрические сигналы источника сообщений, согласованной фильтрации электрических сигналов источника, их усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, передаче этих сигналов через канал со случайными параметрами в точку приема сообщений, приеме и преобразовании сигнала в принятый электрический сигнал, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрических сигналов источника сообщений и принятого электрического сигнала, формировании управляющих согласованной фильтрацией сигналов, согласно изобретению формируют дополнительные электрические сигналы для активного шумопонижения, которые усиливают, преобразуют в сигналы той же физической природы и излучают в канал со случайными параметрами до точки приема сообщений. The problem is solved in that in the known method of transmitting messages in a channel with random parameters, which consists in converting messages into electrical signals of a message source, coordinated filtering of electrical signals of a source, their amplification, converting electrical signals into signals of the same physical nature, transmitting these signals through a channel with random parameters to the point of receiving messages, receiving and converting the signal into a received electrical signal, transmitting a received electric signal According to the invention, additional electrical signals are generated for active noise reduction, which amplify, convert into signals of the same physical nature and emit into a channel with random parameters up to message receiving points.
В основу изобретения положены принципы согласованной фильтрации сигналов при передаче сообщений в канале со случайными параметрами и принцип согласованного с параметрами помех и шумов синтеза дополнительных сигналов, позволяющих осуществлять активное понижение уровня сигналов (т.е. этих шумов и помех) в точке приема сообщения. The invention is based on the principles of coordinated filtering of signals when transmitting messages in a channel with random parameters and the principle of the synthesis of additional signals that are compatible with the parameters of noise and noise, which allows for the active reduction of the level of signals (i.e., these noise and interference) at the point of message reception.
Режимы согласованной фильтрации и синтеза дополнительных сигналов обеспечиваются за счет использования обратной связи, например акустической и специальной обработки сигналов. The modes of coordinated filtering and synthesis of additional signals are provided through the use of feedback, for example, acoustic and special signal processing.
В основе обработки сигналов лежит принцип последовательного осуществления процессов измерения текущих значений параметров сигналов и передачи сообщений в скорректированной на основании результатов анализа параметров сигналов форме. The signal processing is based on the principle of the sequential implementation of processes for measuring the current values of signal parameters and transmitting messages in a form adjusted based on the results of the analysis of signal parameters.
Указанные действия автоматизированы. The indicated actions are automated.
В отличие от известных звуковоспроизводящих систем в предлагаемой системе оптимального звуковоспроизведения осуществляется оптимизация предыскажений - согласованная фильтрация сигналов источника и оптимизация параметров дополнительно синтезируемых сигналов. В результате звукоизлучения предыскаженных сигналов источника и дополнительно синтезированных сигналов в точке прослушивания звуковые колебания повторяют звуковые колебания первоисточников звуков с максимально возможной точностью, то есть оптимально. In contrast to the well-known sound reproducing systems, the proposed optimal sound reproduction system carries out optimization of pre-emphasis - coordinated filtering of the source signals and optimization of the parameters of the additionally synthesized signals. As a result of the sound radiation of the pre-emphasized source signals and additionally synthesized signals at the listening point, the sound vibrations repeat the sound vibrations of the original sound sources with the greatest possible accuracy, that is, optimally.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятны во время последующего рассмотрения приведенных ниже возможных вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи. These advantages, as well as features of the present invention will become apparent during a subsequent review of the following possible embodiments of the invention with reference to the accompanying drawings.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 поясняет способ оптимального звуковоспроизведения.Brief Description of the Drawings
FIG. 1 illustrates a method for optimal sound reproduction.
Фиг. 2 изображает функциональную схему одноканальной системы оптимального звуковоспроизведения. FIG. 2 depicts a functional diagram of a single channel optimal sound reproduction system.
Фиг. 3 изображает функциональную схему многоканальной (стерео) системы оптимального звуковоспроизведения. FIG. 3 depicts a functional diagram of a multi-channel (stereo) optimal sound reproduction system.
Фиг. 4 изображает то же, что на фиг. 2, с дополнительным узлом - генератором сигналов. FIG. 4 depicts the same as in FIG. 2, with an additional node - a signal generator.
Фиг. 5 изображает то же, что на фиг. 3, с дополнительным узлом - генератором сигналов. FIG. 5 depicts the same as in FIG. 3, with an additional node - a signal generator.
Фиг. 6 - пример выполнения полнопараметрического блока обработки сигналов. FIG. 6 is an example of a full-parameter signal processing unit.
Фиг. 7 поясняет принцип активного шумопонижения. FIG. 7 illustrates the principle of active noise reduction.
Лучший вариант осуществления изобретения
При звуковоспроизведении в специально неприспособленном помещении, например в жилой комнате, салоне автомобиля, каюте корабля и т.д., возникают искажения сигнала, вызванные рядом причин.The best embodiment of the invention
When playing in a specially unsuitable room, for example, in a living room, a passenger compartment, a cabin of a ship, etc., signal distortion occurs due to a number of reasons.
Помещение звуковоспроизведения может иметь различную форму, объем и акустические свойства. Акустические свойства помещения могут изменяться, например положение штор, дверей или форточек может быть различным. The sound reproduction room may have a different shape, volume and acoustic properties. The acoustic properties of the room may vary, for example, the position of the curtains, doors or windows may be different.
В помещении слушатель может случайным образом разместить громкоговорители, а также произвольно выбрать место прослушивания и ориентацию головы в месте прослушивания. In the room, the listener can randomly place the speakers, as well as arbitrarily choose a listening position and head orientation at the listening position.
Вследствие указанных факторов в точке прослушивания появляются линейные искажения сигнала: частотные, фазовые и переходные. Due to these factors, linear distortions of the signal appear at the listening point: frequency, phase, and transient.
Частотные искажения являются следствием многолучевости прихода в точку прослушивания звуковых волн: прямых и переотраженных. Для различных частот в точке прослушивания может наблюдаться как увеличение громкости сигналов по отношению к громкости на других частотах при синфазном приходе волн, так и ослабление громкости при противофазном сложении колебаний прямых и переотраженных звуковых волн. В результате нарушаются реальные соотношения между амплитудами компонентов сложного колебания и изменяется спектр информационного сигнала. Frequency distortions are a consequence of the multipath coming to the listening point of sound waves: direct and re-reflected. For different frequencies at the listening point, one can observe an increase in the volume of signals with respect to the volume at other frequencies during the in-phase arrival of waves, and a decrease in volume during the out-of-phase addition of oscillations of direct and reflected sound waves. As a result, the real relationships between the amplitudes of the components of the complex oscillation are violated and the spectrum of the information signal changes.
Субъективно данные искажения проявляются в ненатуральности звучания музыкальных сигналов, например появляются бубнящие с непропорционально высокой интенсивностью низкочастотные звуки, возникает разбалансированность в громкости звучания инструментов или вокала на отдельных нотах, речь становится неразборчивой. Subjectively, these distortions are manifested in the unnatural sound of musical signals, for example, low-frequency sounds bubbling with a disproportionately high intensity, there is an imbalance in the volume of the sound of instruments or vocals on individual notes, speech becomes illegible.
Неравномерность АЧХ сигнала в точке прослушивания может достигать порядка
Фазовые искажения появляются в результате изменений временных задержек прихода звуковых колебаний между различными частотными компонентами сложного звукового сигнала. Например, находясь под различным углом к многополосной акустической системе (колонке) с пространственно разнесенными, например, низкочастотным, среднечастотным и высокочастотным громкоговорителями, слушатель будет воспринимать звуковые колебания с различными фазовыми сдвигами в области низких, средних и высоких частот. В результате в точке прослушивания искажается форма звукового сигнала. Данные искажения в наибольшей степени заметны при пространственном разнесении громкоговорителей в салоне автомобиля. Субъективно искажения воспринимаются как запаздывания, например, низкочастотных компонентов, звук становится пространственно неопределенным. Наиболее заметное влияние на верность восприятия музыкальных сигналов фазочастотные искажения оказывают в многоканальных системах звуковоспроизведения. Искажения оказывают сильное отрицательное психофизиологическое, эмоциональное воздействие на слушателей с высокой музыкальной культурой или образованием, хорошим слухом и музыкальной памятью. Искаженное звуковоспроизведение раздражает слушателя несоответствием воспринимаемой "звуковой картины" хранящимся в его памяти образам реальных "звуковых картин", которые он получил обучаясь в музыкальной школе или посещая концертные выступления музыкантов. Систематическое прослушивание звуковых, музыкальных сигналов, имеющих сильные искажения, а также разочарование в нереалистичности воспроизведения звуков на дорогостоящей аппаратуре могут привести к заболеваниям нервной системы слушателя и стать причиной ухудшения слуховых, музыкальных и эстетических возможностей человека. Phase distortion occurs as a result of changes in the time delays in the arrival of sound vibrations between the various frequency components of a complex sound signal. For example, being at a different angle to a multiband speaker system (speaker) with spatially spaced, for example, low-frequency, mid-frequency and high-frequency speakers, the listener will perceive sound vibrations with different phase shifts in the low, medium and high frequencies. As a result, the shape of the audio signal is distorted at the listening point. These distortions are most noticeable with the spatial separation of the speakers in the passenger compartment. Subjectively, distortions are perceived as delays, for example, of low-frequency components, the sound becomes spatially indefinite. The most noticeable effect on the fidelity of perception of musical signals is phase-frequency distortion in multichannel sound reproduction systems. Distortions have a strong negative psychophysiological, emotional effect on listeners with a high musical culture or education, good hearing and musical memory. Distorted sound reproduction annoys the listener by the discrepancy between the perceived “sound picture” and the images of real “sound pictures” stored in his memory, which he received while studying at a music school or attending concert performances by musicians. Systematic listening to sound, musical signals with strong distortion, as well as disappointment in the unrealistic sound reproduction on expensive equipment can lead to diseases of the nervous system of the listener and cause a deterioration in human auditory, musical and aesthetic capabilities.
Переходные искажения для помещения прослушивания принято определять временем реверберации, как интервал в течение которого общая энергия сигнала уменьшается в миллион раз против первоначальной величины при отсутствии другой звуковой энергии в этом пространстве. Transient distortions for the listening room are usually determined by the reverberation time, as the interval during which the total signal energy decreases by a million times against the original value in the absence of other sound energy in this space.
В процессе звуковоспроизведения в помещении прослушивания возможно появление вторичных помех и шумов. Например, при высокой громкости могут появляться вторичные помехи и шумы в виде дребезга стекол, посуды, декоративных панелей и других ненадежно закрепленных предметов. Возбуждаясь колебаниями полезных сигналов, эти предметы могут создавать дополнительные звуки, искажающие форму звукового сигнала в точке прослушивания. During sound reproduction in the listening room, secondary noise and noise may occur. For example, at high volume, secondary noise and noise may appear in the form of rattling of glass, dishes, decorative panels and other unreliably fixed objects. Excited by vibrations of useful signals, these objects can create additional sounds that distort the shape of the sound signal at the listening point.
Кроме того, в помещении звуковоспроизведения могут присутствовать внешние по своей природе происхождения помехи и шумы, например шум с улицы, из-за стен смежных помещений, шумы отопительной или осветительной систем, шум работающего двигателя или других систем автомобиля и т.д. In addition, there may be interference and noise external in nature to the sound reproduction room, for example, noise from the street, from adjacent walls, noise from heating or lighting systems, noise from a running engine or other car systems, etc.
Уровень внешних шумов составляет порядка 30 - 70 dB, а в ряде случаев, например при езде на кабриолете, может достигать опасных для здоровья человека значений порядка 90 - 100 dB. The level of external noise is about 30 - 70 dB, and in some cases, for example, when driving in a convertible, it can reach values hazardous to human health on the order of 90 - 100 dB.
Таким образом, помещение звуковоспроизведения как неотъемлемое звено любого тракта пространственно-звуковоспроизводящей системы вносит значительные искажения и ухудшает в целом качество звуковоспроизведения всей системы. Thus, the premise of sound reproduction as an integral part of any path of a spatial-sound reproducing system introduces significant distortions and degrades the overall quality of sound reproduction of the entire system.
Искажения, вносимые помещением, имеют случайную природу и обусловлены множеством случайных обстоятельств. Поэтому при математическом моделировании звуковые сигналы в точке прослушивания могут быть представлены как нестационарный, неэргодический, многомерный случайный процесс. The distortions introduced by the premises are of a random nature and are caused by many random circumstances. Therefore, in mathematical modeling, sound signals at the listening point can be represented as a non-stationary, non-ergodic, multidimensional random process.
При решении задачи оптимизации звуковоспроизведения необходимо учитывать искажения, вносимые всеми звеньями звуковоспроизводящего тракта: источник сигнала - усилитель низкой частоты - громкоговоритель - помещение - слушатель. When solving the problem of optimizing sound reproduction, it is necessary to take into account the distortions introduced by all the links of the sound reproducing path: signal source - low-frequency amplifier - loudspeaker - room - listener.
В настоящее время созданы способы записи, записывающие устройства, носители информации и источники сигнала, уровень искажений которых соизмерим или даже меньше разрешающей способности человеческого слуха регистрировать эти искажения. Например, лучшие образцы проигрывателей компакт дисков (CD), созданные с использованием методов цифровой обработки сигналов, позволяют получать практически предельное качество сигналов на их выходе. Дальнейшее улучшение электрических параметров источников сигналов, например уменьшение нелинейных искажений ниже 0,01% или увеличение динамического диапазона свыше 120 dB, не имеет для человека практического смысла, поскольку эти улучшения становятся для слушателя незаметными. Currently, recording methods, recording devices, storage media and signal sources, the distortion level of which is comparable to or even less than the resolution of the human hearing to record these distortions, have been created. For example, the best samples of compact disc (CD) players, created using digital signal processing methods, allow you to get almost the maximum signal quality at their output. Further improvement of the electrical parameters of signal sources, for example, reducing non-linear distortions below 0.01% or increasing the dynamic range above 120 dB, does not make practical sense for a person, since these improvements become invisible to the listener.
Основными направлениями усовершенствования источников сигналов и носителей информации являются миниатюризация конструкций, повышение экономичности, уменьшение массы, увеличение времени воспроизведения, улучшение эргономичности конструкций. The main areas of improvement of signal sources and storage media are miniaturization of structures, increasing efficiency, reducing weight, increasing playback time, improving ergonomics of structures.
Искажения, вносимые лучшими образцами усилителей низкой частоты, также малы. Дальнейшее улучшение электрических параметров лучших образцов усилителей низкой частоты становится практически незаметным на слух даже для экспертов из числа ведущих дирижеров оркестров, певцов и музыкантов с абсолютным слухом. The distortions introduced by the best examples of low-frequency amplifiers are also small. Further improvement of the electrical parameters of the best samples of low-frequency amplifiers becomes almost invisible to the hearing even for experts from among the leading conductors of orchestras, singers and musicians with absolute hearing.
Усилия разработчиков усилителей низкой частоты направлены в основном на увеличение КПД, уменьшение массогабаритных показателей, повышение надежности работы усилителей низкой частоты. The efforts of developers of low-frequency amplifiers are mainly aimed at increasing efficiency, reducing overall dimensions, improving the reliability of low-frequency amplifiers.
Искажения, вносимые лучшими образцами громкоговорителей, существенно превышают уровень искажений, вносимых источником сигналов и усилителем низкой частоты. The distortions introduced by the best speaker models significantly exceed the level of distortion introduced by the signal source and low-frequency amplifier.
Для комплексного решения задачи оптимизации звуковоспроизведения необходимо учитывать и компенсировать искажения сигнала, возникающие во всех элементах тракта звуковоспроизведения. For a comprehensive solution to the problem of optimizing sound reproduction, it is necessary to take into account and compensate for signal distortions that occur in all elements of the sound reproduction path.
Комплексно не решив задачу оптимизации звуковоспроизведения, бессмысленно классифицировать качество бытовых звуковоспроизводящих систем, поскольку слушателю неважно в каком звене тракта звуковоспроизведения произошли искажения, а ему важно услышать звуковой сигнал, по форме отличающийся от первоисточника на гарантированную в соответствии с классом качества работы звуковоспроизводящей системы величину. Having not comprehensively solved the problem of optimizing sound reproduction, it is pointless to classify the quality of household sound reproducing systems, since the listener does not care at which link of the sound reproduction path there are distortions, and it is important for him to hear an audio signal that differs in form from the original source by a value guaranteed in accordance with the quality class of the sound reproducing system.
Функциональный метод исследования естественных событий в области звуковоспроизведения и классификация звуковоспроизводящих систем, в соответствии с которыми в настоящее время осуществляется условное деление на группы (классы) звуковоспроизводящей аппаратуры по техническим (электрическим) показателям ее основных элементов, не годится для бытовых звуковоспроизводящих систем. Классификация качества звуковоспроизводящей аппаратуры только с учетом собственных электрических показателей блоков аппаратуры, показателей, характеризующих свойства и структуру блоков системы, не затрагивающих связей и отношений между блоками системы и внешним окружением, влияющим на процессы в системе, не вполне правомерна и вводит в заблуждение потребителя относительно реально осуществимого качества пространственного звуковоспроизведения в бытовых условиях эксплуатации аппаратуры. The functional method of studying natural events in the field of sound reproduction and classification of sound reproducing systems, according to which a conditional division into groups (classes) of sound reproducing equipment is carried out according to the technical (electrical) indicators of its main elements, is not suitable for household sound reproducing systems. The classification of the quality of sound-reproducing equipment only taking into account its own electrical indicators of the equipment blocks, indicators characterizing the properties and structure of the system blocks, not affecting the relationships and relations between the system blocks and the external environment that affect the processes in the system, is not entirely legitimate and misleads the consumer relatively real the feasible quality of spatial sound reproduction in the domestic operation of the equipment.
Очевидно, что с точки зрения слушателя определяющим параметром, например, амплитудно-частотных искажений должен быть норматив на неравномерность АЧХ сигнала в точке прослушивания как показатель, напрямую характеризующий качество звуковоспроизведения, а не нормативы на неравномерность АЧХ отдельных блоков и элементов в звуковоспроизводящей системы, таких как усилитель, громкоговоритель и т.д., являющиеся параметрами, косвенно определяющими качество звуковоспроизведения. Obviously, from the listener's point of view, the determining parameter, for example, of the amplitude-frequency distortions should be the standard for the frequency response of the signal at the listening point as an indicator that directly characterizes the quality of sound reproduction, and not the standards for the frequency response of the individual blocks and elements in the sound reproducing system, such as amplifier, loudspeaker, etc., which are parameters that indirectly determine the quality of sound reproduction.
Традиционный, функциональный подход к оценке качества звуковоспроизведения правомерен в соответствующих условиях, в специальных студийных условиях (в безэховых камерах). Другими словами, постоянные параметры качества можно применять по отношению к стационарным или в крайнем случае к квазистационарным процессам, когда дестабилизирующие факторы незначительно изменяют (искажают) звуковые сигналы и эти искажения не регистрируются (не ощущаются) человеком, а в системах со случайными, сильно изменяющимися параметрами необходимо использовать иные принципы выбора параметров и критериев при классификации систем. The traditional, functional approach to assessing the quality of sound reproduction is legitimate in appropriate conditions, in special studio conditions (in anechoic chambers). In other words, constant quality parameters can be applied in relation to stationary or, in extreme cases, to quasi-stationary processes, when destabilizing factors slightly change (distort) sound signals and these distortions are not detected (are not felt) by a person, but in systems with random, strongly varying parameters it is necessary to use other principles for the selection of parameters and criteria in the classification of systems.
Таким образом, случайная природа происхождения сильных искажений звуковых сигналов объективно требует признать, что качество современных бытовых звуковоспроизводящих систем, в том числе и аппаратуры, так называемого HI-FI и HIgh-End классов, следует определять как класс случайного "качества" воспроизведения звуков, когда, например, АЧХ сигнала в точке прослушивания бытового помещения или салона автомобиля может достигать
Общему ухудшению качества звуковоспроизведения также способствуют некоторые алгоритмы звуковой обработки сигналов, осуществляемые с помощью процессоров, например, в дискретно-переключаемых фильтрах, широко распространенных минисистем или, например, в системах матричного кодирования Dolby Surround для многоканального звукового сопровождения телепередач или видеофильмов в "домашнем кинотеатре". A general deterioration in the quality of sound reproduction is also facilitated by some sound processing algorithms implemented by processors, for example, in discretely switched filters, widespread mini-systems or, for example, in Dolby Surround matrix coding systems for multichannel sound transmission of television programs or video films in a "home theater" .
Действительно, применение алгоритмов линейных преобразований сигналов с фиксированными параметрами этих преобразований по отношению к сигналам, параметры которых могут изменяться во времени случайным образом, в принципе, не может улучшить качество (достоверность) звуковых сигналов и приводит к росту искажений (росту энтропии). Подобные преобразования сигналов лишены логических обоснований их использования как алгоритмов обработки, повышающих качество звуков для слушателя. Indeed, the application of linear signal transformation algorithms with fixed parameters of these transformations with respect to signals whose parameters can change randomly over time, in principle, cannot improve the quality (reliability) of audio signals and leads to an increase in distortion (increase in entropy). Such signal transformations lack logical justifications for their use as processing algorithms that increase the quality of sounds for the listener.
Покажем, что использование в бытовых звуковоспроизводящих системах ступенчато-переключаемых фильтров не правомерно. We show that the use of step-switched filters in household sound reproducing systems is not legitimate.
Согласно каталогу фирмы PHILIPS (стр. 14) за 1997 г. использование в составе своей аппаратуры подобного узла фирма обосновывает следующими аргументами: "При помощи волшебной кнопки SOUND (кнопка включения цифрового процессора звука) вы можете создать то настроение, которого вам хочется. И вы не просто услышите его: вы его ощутите. Оно охватывает вас...". Далее приводятся графики АЧХ фильтра, соответствующие его состоянием POP, CLASSIC, JAZZ, ROCK, VOCAL, а также пояснения типа: "для поп-музыки процессор звука настроен на воспроизведение звучных басов и энергичных высоких нот. Как видно из графика, усиливаются, в основном, частоты из диапазона 100 - 200 Гц". При этом слушателю предлагается в процессе работы звуковоспроизводящей системы переключать фильтр в соответствующий звуковому сигналу режим работы. According to the PHILIPS catalog (p. 14) for 1997, the company justifies the use of such a unit in its equipment with the following arguments: "Using the magic SOUND button (the button for turning on the digital sound processor) you can create the mood you want. And you don't just hear it: you feel it. It covers you ... ". The following are graphs of the frequency response of the filter, corresponding to its state of POP, CLASSIC, JAZZ, ROCK, VOCAL, as well as explanations of the type: “for pop music, the sound processor is configured to play sound basses and energetic high notes. As you can see from the graph, they are amplified mainly , frequencies from the range 100 - 200 Hz. " At the same time, the listener is invited to switch the filter to the operating mode corresponding to the sound signal during the operation of the sound reproducing system.
В отношении подобных устройств можно отметить следующее. With regard to such devices, the following can be noted.
Во-первых, условное деление всевозможных звуковых сигналов на конечное множество жанров будет приводить к несоответствию спектров реальных сигналов жестко фиксированной амплитудно-частотной характеристике соответствующего фильтра, например спектральные компоненты баса мужчины или певицы, исполняющей вокальную партию на высоких нотах, могут отличаться на несколько октав, а при инструментальном исполнении различных классических произведений различие спектров сигналов может быть еще большим. Firstly, the conditional division of all kinds of sound signals into a finite set of genres will lead to a mismatch between the spectra of real signals and the rigidly fixed amplitude-frequency response of the corresponding filter, for example, the spectral components of the bass of a man or singer performing a vocal part on high notes can differ by several octaves. and with the instrumental performance of various classical works, the difference in the spectra of signals can be even greater.
Во-вторых, непонятен критерий, по которому слушатель мог бы до начала воспроизведения сигнала определить его принадлежность к тому или иному жанру, например при прослушивании радиопередач. Слушателю потребуется некоторое время, а также определенная музыкальная культура для определения на слух музыкального жанра, к которому следует отнести звуковой сигнал. Слушателю необходимо отвлекаться от прослушивания для переключения фильтра, в связи с чем ухудшится эмоционально-эстетическое восприятие звуковой информации. Подобные переключения фильтра будут вызывать раздражение у слушателя потому, что такие действия являются утомительной работой. Secondly, the criterion by which a listener could determine before belonging to a signal whether it belongs to a particular genre, for example, when listening to radio broadcasts, is incomprehensible. The listener will need some time, as well as a certain musical culture, to determine by ear the musical genre to which the sound signal belongs. The listener needs to be distracted from listening to switch the filter, and therefore the emotional and aesthetic perception of sound information will deteriorate. Such filter switching will irritate the listener because such actions are tedious work.
В-третьих, маловероятно, что в процессе звуковоспроизведения слушатель будет уподобляться автомату и оперативно заниматься переключением фильтра, и, как следствие, он будет прослушивать сигналы в сильно искаженном виде. Thirdly, it is unlikely that in the process of sound reproduction, the listener will become like an automaton and quickly engage in filter switching, and, as a result, he will listen to signals in a very distorted form.
В-четвертых, маловероятно, что звукорежиссеры, работающие на студиях звукозаписей, не в состоянии с помощью студийной аппаратуры на стадии подготовки фонограмм ввести требуемые предыскажения АЧХ сигнала. Fourthly, it is unlikely that sound engineers working in recording studios are not able to introduce the required pre-emphasis of the frequency response of the phonogram using the studio equipment.
И наконец, в-пятых, непонятна сама научная основа подобного подхода. And finally, fifthly, the scientific basis of such an approach is not clear.
Можно предположить, что идея создания ступенчато-переключаемых фильтров как "квазисогласованных" с параметрами сигналов фильтров была основана на обобщенной теории линейной фильтрации Колмогорова-Винера для решения задачи повышения отношения сигнал/шум. Однако применение положений этой теории, в основном ориентированной для решения задач в радиосвязи, для задачи повышения качества звуковоспроизведения в бытовых условиях, строго говоря, не правомерно, так как данная теория справедлива для стационарных случайных процессов, а, как уже отмечалось, в бытовых условиях звуковоспроизведения приходится иметь дело с нестационарными случайными процессами. Кроме того, для синтеза оптимального, согласованного с параметрами сигналов и помех фильтра необходимо знать спектр полезного сигнала, спектр помехи и коэффициент ослабления канала передачи информации. Ступенчато-переключаемые фильтры не выполняют функции подобных устройств. It can be assumed that the idea of creating step-switched filters as “quasi-consistent” with filter signal parameters was based on the generalized Kolmogorov-Wiener linear filtering theory to solve the problem of increasing the signal-to-noise ratio. However, the application of the provisions of this theory, mainly oriented to solving problems in radio communications, for the task of improving the quality of sound reproduction in domestic conditions, strictly speaking, is not right, since this theory is valid for stationary random processes, and, as already noted, in everyday conditions of sound reproduction have to deal with non-stationary random processes. In addition, for the synthesis of an optimal filter, consistent with the parameters of the signals and noise, it is necessary to know the spectrum of the useful signal, the interference spectrum, and the attenuation coefficient of the information transmission channel. Step-change filters do not perform the functions of such devices.
В силу указанных причин представляется также малоэффективным использование для оптимизации сигналов плавно-перестраиваемых фильтров - графических эквалайзеров. Очевидно, что слушатель, будучи даже профессиональным звукорежиссером или музыкантом не в состоянии на слух оптимально отфильтровать спектральные составляющие помех различного уровня с требуемой точностью, например компенсировать амплитудно-частотные искажения сигнала, возникающие в таких элементах тракта звуковоспроизведения, как усилитель низкой частоты, громкоговоритель, помещение, поскольку отсутствует критерий проведения подобных ручных регулировок (в инструкциях по пользованию аппаратурой не указываются критерии установки ручек эквалайзеров), а также возможны различные произвольные вариации регулировок АЧХ сигналов. For these reasons, it also seems ineffective to use smoothly tunable filters — graphic equalizers — to optimize signals. Obviously, the listener, even as a professional sound engineer or musician, is not able to optimally filter out the spectral components of interference at various levels with the required accuracy, for example, to compensate for the amplitude-frequency distortion of a signal arising in such elements of the sound reproduction path as a low-frequency amplifier, loudspeaker, room , since there is no criterion for such manual adjustments (the installation criteria do not indicate installation criteria EQ knobs), and various arbitrary variations in adjusting the frequency response of the signals are also possible.
Системы матричного кодирования исторически возникли для оптимизации звуковоспроизведения в больших залах кинотеатров. Необходимость многоканального звуковоспроизведения в кино объясняется тем, что по отношению к экрану часть зрителей обычно расположена не в центре зала, поэтому при двухканальном звуковоспроизведении для них происходит соответствующее смещение кажущегося источника звуков. В последнее время получили распространение различные модификации систем матричного кодирования, позволяющие имитировать различные акустические свойства помещений и место локализации звуков по отношению к слушателю. Указанные эффекты и им соответствующие алгоритмы обработки сигналов слушатель выбирает сам исходя из собственных, случайных критериев, например из любопытства. Как будет звучать симфонический оркестр в акустическом оформлении, напоминающем звуки в подвальном помещении или на стадионе?
Таким образом, используя системы матричного кодирования, слушатель получает в "домашнем кинотеатре" звуковую информацию в сильно искаженном виде.Matrix coding systems have historically emerged to optimize sound reproduction in large cinema halls. The need for multichannel sound reproduction in films is explained by the fact that, with respect to the screen, part of the audience is usually not located in the center of the hall, therefore, with two-channel sound reproduction, a corresponding shift of the apparent sound source occurs for them. Recently, various modifications of matrix coding systems have become widespread, which allow simulating various acoustic properties of rooms and the location of sounds in relation to the listener. The listener chooses the indicated effects and the corresponding signal processing algorithms based on their own random criteria, for example, out of curiosity. How will the symphony orchestra sound in an acoustic design resembling sounds in a basement or in a stadium?
Thus, using matrix coding systems, the listener receives in the "home theater" sound information in a very distorted form.
Искажающий эффект превносит цифровая компрессия сигналов как способ увеличения отношения сигнал/шум в некоторых моделях автомобильных магнитол. The distortion effect is enhanced by digital signal compression as a way to increase the signal-to-noise ratio in some car radio models.
Сопоставление основных принципов кибернетики Норберта Винера с современными методами, используемыми в звуковоспроизведении показывает несоответствие этих методов при записи (вводе), обработке и выводе звуковой информации. A comparison of the basic principles of Norbert Wiener cybernetics with modern methods used in sound reproduction shows the inconsistency of these methods when recording (inputting), processing and outputting audio information.
Современные звуковоспроизводящие системы, в том числе и так называемых HI-FI и HIgh-End классов, являются простейшими нецеленаправленно работающими машинами. С их помощью принципиально недостижимо оптимальное звуковоспроизведение, т.е. звуковоспроизведение с высоким качеством сигнала. Modern sound reproducing systems, including the so-called HI-FI and HIgh-End classes, are the simplest non-purposefully working machines. With their help, the optimal sound reproduction is fundamentally unattainable, i.e. high quality sound reproduction.
Для того чтобы оптимизировать звуковоспроизведение, необходимо усовершенствовать все этапы: ввода; обработки и вывода звуковой информации в соответствии с общеизвестными принципами кибернетики. In order to optimize sound reproduction, it is necessary to improve all stages: input; processing and output of audio information in accordance with the well-known principles of cybernetics.
В соответствии с принципами кибернетики под высококачественным пространственным звуковоспроизведением следует понимать такое звуковоспроизведение, при котором звуковые колебания, воздействующие на органы слуха, точно повторяют звуковые колебания первоисточников звуков, действовавшие ранее на этого человека или его виртуальный образ - его мнимое перемещение по оси времени назад. In accordance with the principles of cybernetics, high-quality spatial sound reproduction should be understood as such sound reproduction, in which the sound vibrations affecting the hearing organs exactly repeat the sound vibrations of the original sources of sounds that previously acted on this person or his virtual image - his imaginary movement backward along the time axis.
Данное определение не противоречит принципам смежности, сходства, причины и следствия, логики, и требует для его осуществления наличия основных элементов высокоорганизованной системы (машины): датчиков информации; блока ее обработки и соответствующих алгоритмов этой обработки; устройств вывода информации. This definition does not contradict the principles of adjacency, similarity, cause and effect, logic, and requires for its implementation the presence of the basic elements of a highly organized system (machine): information sensors; its processing unit and corresponding algorithms for this processing; information output devices.
Из принципа причинно-следственной связи следует, что для высококачественного звуковоспроизведения от источника сигнала, информация на выходе которого представлена в виде электрических сигналов (в аналоговой форме - в виде функций времени амплитуды напряжения или тока, в цифровой форме - в виде двоично-кодированной цифровой последовательности сигналов) необходимо, во-первых, точно ввести звуковую информацию в систему. На выходе источника сигнала потери информации должны быть сведены к минимуму. From the principle of causation, it follows that for high-quality sound reproduction from a signal source, the output of which is presented in the form of electrical signals (in analog form - in the form of time functions of voltage or current amplitude, in digital form - in the form of a binary-coded digital sequence signals) it is necessary, firstly, to accurately enter sound information into the system. At the output of the signal source, information loss should be minimized.
Наибольшее правдоподобие вводимой информации может быть обеспечено посредством микрофона-головы. В идеальном случае должна использоваться голова слушателя. С небольшими, практически нерегистрируемыми среднестатистическим слушателем искажениями, например в аппаратуре начального уровня правдоподобия, может использоваться макет головы некоторого усредненного слушателя, например макет головы Баха или современного певца или дирижера. The greatest likelihood of the input information can be provided through a microphone head. Ideally, the listener's head should be used. With small, almost unregistered average listener distortions, for example, in the apparatus of the initial level of likelihood, a model of the head of some average listener, for example, a model of the head of Bach or a modern singer or conductor, can be used.
В аппаратуре высокого уровня правдоподобия возможно также введение параметрического ряда, например размера головы в соответствии с общепринятыми стандартами головных уборов или иные критерии персонификации вводимой информации на носителях CD, MD и т.д. In the equipment of a high level of credibility, it is also possible to introduce a parametric series, for example, the size of the head in accordance with generally accepted standards for hats or other criteria for personifying input information on CD, MD, etc.
Для искусственно синтезированной звуковой информации, т. е. звуков, созданных режиссером звукозаписи посредством многоканальных электрических сигналов с произвольным использованием линейных и нелинейных методов их обработки и которые никогда не существовали в природе в виде "звуковой картины", в соответствии с принципом причины и следствия постановка задачи высококачественного звуковоспроизведения видоизменяется, поскольку нельзя найти логически обоснованный критерий и точно ввести, обработать и воспроизвести (вывести) звуки (информацию), никогда не существовавшие в природе. For artificially synthesized sound information, that is, sounds created by a recording director through multichannel electrical signals with arbitrary use of linear and non-linear methods of processing them and which never existed in nature as a “sound picture”, in accordance with the principle of cause and effect The tasks of high-quality sound reproduction are modified, since it is impossible to find a logically justified criterion and accurately enter, process and reproduce (output) sounds (info mation), have never existed in nature.
Для искусственно синтезированных звуковых сигналов правомерна постановка задачи виртуального высококачественного звуковоспроизведения, реализующая максимально точно, в соответствии с электрическими сигналами источника (носителя) сигналов (информации), режиссерское представление о форме им искусственно созданной в процессе обработки звуковых сигналов "звуковой картины". For artificially synthesized sound signals, the statement of the problem of virtual high-quality sound reproduction is legitimate, which implements, as accurately as possible, in accordance with the electrical signals of the source (carrier) of signals (information), the director's idea of the form of the “sound picture” he artificially created during processing of sound signals.
Во-вторых, обработка звуковой информации в системе со случайными параметрами требует оперативного во времени анализа и сопоставления по определенным критериям параметров сигналов от источника, которые можно считать "идеальными" или опорными сигналами, и искаженных сигналов - сигналов в точках прослушивания. Secondly, the processing of audio information in a system with random parameters requires an on-time analysis and comparison, according to certain criteria, of the parameters of the signals from the source, which can be considered “ideal” or reference signals, and distorted signals — signals at the listening points.
В соответствии с принципами сходства и смежности сопоставлять и анализировать можно параметры и характеристики сигналов, имеющих одинаковую форму и физический смысл. Электрические сигналы могут иметь аналоговую, дискретную или цифровую форму. Сравнение сигналов должно осуществляться в одинаковой форме. Например, если сравниваются два гармонических колебания, точнее колебания по форме близкой к гармоническим колебаниям, то в качестве сравниваемых параметров могут быть выбраны: частота, длительность, амплитуда, задержка во времени начала этих колебаний относительно некоторого момента времени (для колебаний одинаковой частоты указанный параметр может иметь смысл начальной фазы этих колебаний или полной фазы - временного сдвига на время, большее длительности периода). Колебания можно также сравнивать по производным от указанных параметров характеристикам: по мощности или энергии. Сложные колебания, состоящие из большого числа элементарных компонентов общепринято сравнивать сопоставляя их энергии - проинтегрировав спектральные плотности энергии сигналов. Подобное сравнение сигналов сложной формы позволяет осуществлять их сопоставление в усредненном виде. In accordance with the principles of similarity and adjacency, parameters and characteristics of signals having the same shape and physical meaning can be compared and analyzed. Electrical signals may be analog, digital, or digital. Comparison of signals should be carried out in the same form. For example, if two harmonic oscillations are compared, more precisely, the oscillations are close in shape to harmonic oscillations, then the following parameters can be compared: frequency, duration, amplitude, time delay of the beginning of these oscillations relative to a certain point in time (for oscillations of the same frequency, this parameter can make sense of the initial phase of these oscillations or the full phase - a temporary shift by a time longer than the duration of the period). Oscillations can also be compared in terms of derivatives derived from the specified parameters: in terms of power or energy. It is customary to compare complex vibrations consisting of a large number of elementary components by comparing their energies by integrating the spectral energy densities of the signals. Such a comparison of signals of complex shape allows them to be compared in an averaged form.
Воспользовавшись общеизвестными принципами представления сложных сигналов в виде рядов или интегралов Фурье, можно сравнивать соответствующие по частоте спектральные компоненты (гармоники) по указанным выше параметрам и различным критериям. Подобное сравнение сигналов сложной формы можно считать полнопараметрическим, полностью описывающим информацию, содержащуюся в "идеальных" и искаженных сигналах. Цифровые сигналы можно анализировать путем сопоставления значений (чисел) дискретизированных во времени и квантованных по уровню сигналов. Using the well-known principles of representing complex signals in the form of series or Fourier integrals, one can compare the spectral components (harmonics) corresponding in frequency according to the above parameters and various criteria. Such a comparison of signals of complex shape can be considered full-parameter, fully describing the information contained in the "ideal" and distorted signals. Digital signals can be analyzed by comparing the values (numbers) discretized in time and quantized by the level of the signals.
Очевидно, что имея в результате анализа соответствующих параметров сигналов их текущие значения, которые обозначим в самом общем виде символами A и B, можно путем соответствующей обработки этих данных найти величину их несоответствия друг другу, например величину их разности. Зная величину ошибки C и используя, например, метод регулирования с отрицательной обратной связью, можно ввести соответствующую коррекцию "идеального" сигнала по соответствующему параметру, преобразовав его в "идеальный - предыскаженный" сигнал. Obviously, having, as a result of the analysis of the corresponding parameters of the signals, their current values, which are denoted in the most general form by the symbols A and B, it is possible by appropriate processing of these data to find the magnitude of their inconsistency with each other, for example, the magnitude of their difference. Knowing the magnitude of the error C and using, for example, a control method with negative feedback, one can introduce the corresponding correction of the “ideal” signal according to the corresponding parameter, converting it into an “ideal - predistorted” signal.
В дальнейшем "идеальный - предыскаженный" сигнал, пройдя через элементы звуковоспроизводящей системы, преобразуется в искаженный сигнал, который по соответствующему параметру становится идентичен "идеальному". Subsequently, the “ideal - predistorted” signal, passing through the elements of the sound reproducing system, is converted into a distorted signal, which becomes identical to the “ideal” in the corresponding parameter.
С учетом того что человек имеет два органа слуха, целесообразно в качестве базовой модели использовать двухканальную (двухсигнальную) систему ввода, обработки и вывода звуковых сигналов. Considering that a person has two hearing organs, it is advisable to use a two-channel (two-signal) system for input, processing and output of audio signals as a basic model.
Таким образом, двухканальный блок обработки сигналов должен обрабатывать и выявлять (вычислять) различия в параметрах опорных ("идеальных") и искаженных за счет всей совокупности случайных факторов сигналов. Thus, the two-channel signal processing unit must process and identify (calculate) differences in the parameters of the reference ("ideal") and distorted due to the totality of random signal factors.
Искаженные сигналы, регистрируемые микрофонами специального устройства - зондирующего устройства, в точках прослушивания (в точках пространства вблизи органов слуха) по отношению к оптимальной звуковоспроизводящей системе являются сигналами обратной связи, без которых, как известно, невозможно создать оптимальное техническое решение - высокоорганизованную машину. Distorted signals recorded by the microphones of a special device - a sounding device, at the listening points (at points in space near the hearing organs) with respect to the optimal sound reproducing system are feedback signals, without which, as you know, it is impossible to create the optimal technical solution - a highly organized machine.
Необходимость введения в систему зондирующего устройства можно обосновать следующей трактовкой принципа сходства (подобия). The need to introduce a probing device into the system can be justified by the following interpretation of the principle of similarity (similarity).
Если электрические сигналы первоисточников звука - "идеальные" сигналы по форме точно повторяют электрические сигналы на выходе зондирующего устройства, то (с учетом ряда дополнительных условий и оговорок, о которых более подробно ниже) это означает, что акустические колебания при звуковоспроизведении точно повторяют акустические колебания первоисточников звуков. If the electrical signals of the original sound sources are “ideal” signals in shape that exactly repeat the electrical signals at the output of the sounding device, then (taking into account a number of additional conditions and reservations, which are described in more detail below), this means that the acoustic vibrations during sound reproduction accurately repeat the acoustic vibrations of the primary sources sounds.
Если указанные электрические сигналы различаются, то различаются и акустические сигналы, и для повышения качества (точности) звуковоспроизведения необходимо скорректировать (подогнать) "идеальный" сигнал так, чтобы различие между "идеальным" и искаженным сигналами свести к минимально возможной величине, в идеале к нулю, т.е. осуществить параметрическую оптимизацию сигналов. If the indicated electrical signals are different, then the acoustic signals are also different, and to improve the quality (accuracy) of sound reproduction, it is necessary to adjust (adjust) the "ideal" signal so that the difference between the "ideal" and distorted signals is reduced to the minimum possible value, ideally to zero , i.e. carry out parametric optimization of signals.
В-третьих, для того чтобы осуществить эту параметрическую оптимизацию и в конечном счете сформировать правдоподобные звуковые сигналы, необходимо в тракт звуковоспроизведения между источником сигнала и усилителем низкой частоты ввести некоторое устройство, связанное с блоком обработки сигналов, - управляемый, согласованный с параметрами сигналов фильтр - оптимальный фильтр. Thirdly, in order to carry out this parametric optimization and ultimately generate plausible sound signals, it is necessary to introduce some device connected to the signal processing unit into the sound path between the signal source and the amplifier — a controlled filter matched to the signal parameters — optimal filter.
Характеристики этого фильтра, например комплексный коэффициент передачи, должны быть функционально зависящими от искажающих факторов в усилителе низкой частоты, громкоговорителе, линиях связи, помещении и оперативно в автоматическом режиме перестраиваться в соответствии с выявленными искажениями сигналов. The characteristics of this filter, for example, the complex transmission coefficient, should be functionally dependent on distorting factors in the low-frequency amplifier, loudspeaker, communication lines, premises and be automatically tuned automatically in accordance with the detected signal distortions.
При автоматической коррекции всех возможных параметров сигналов или их компонентов, определяющих параметры комплексного коэффициента передачи этого фильтра, оптимальный фильтр можно назвать полнопараметрическим или каноническим, при автоматической коррекции одного из параметров оптимальный фильтр можно назвать параметрическим оптимальным фильтром. With automatic correction of all possible parameters of the signals or their components that determine the parameters of the complex transmission coefficient of this filter, the optimal filter can be called full-parameter or canonical; with automatic correction of one of the parameters, the optimal filter can be called a parametric optimal filter.
При оптимизации энергетических параметров возможна ситуация, когда разница между соответствующими параметрами может оказаться близкой по величине к одному из них. When optimizing the energy parameters, a situation is possible where the difference between the corresponding parameters may turn out to be close in magnitude to one of them.
Например, на определенных частотах или во всей полосе звуковых частот энергия полезного, информационного сигнала за время анализа может быть равна нулю, а энергия звукового сигнала в точке прослушивания и следовательно энергия электрического искаженного сигнала может быть отличной от нуля. Данная ситуация является типичной для звуковоспроизведения в бытовых, специально неприспособленных помещениях при наличии внешних акустических помех и шумов. Очевидно, что в данном случае, кроме как методами активного шумоподавления, невозможно добиться равенства энергетических параметров "идеального" и искаженного параметров. Другими словами, необходимо любым из возможных способов осуществить в соответствующей полосе частот излучение дополнительных сигналов, которые в точках прослушивания должны быть противофазны по отношению к акустическим шумам и помехам. For example, at certain frequencies or in the entire band of sound frequencies, the energy of the useful, information signal during the analysis can be equal to zero, and the energy of the sound signal at the listening point and therefore the energy of the electric distorted signal can be different from zero. This situation is typical for sound reproduction in domestic, specially unsuitable rooms in the presence of external acoustic noise and noise. Obviously, in this case, except by active noise reduction methods, it is impossible to achieve the equality of the energy parameters of the "ideal" and distorted parameters. In other words, it is necessary by any of the possible methods to carry out the emission of additional signals in the corresponding frequency band, which at the listening points should be out of phase with respect to acoustic noise and interference.
Если в автоматическом режиме в нужное время и на определенных частотах осуществлять излучение дополнительных сигналов и их параметрическую оптимизацию исходя из критерия равенства амплитуд и противофазности компонентов этих сигналов, т.е. критерия равенства нулю энергии совокупного сигнала, являющегося суперпозицией акустических помех и дополнительно излученных сигналов, то возможно повышение отношения сигнал/шум при звуковоспроизведении в помещении с высоким уровнем акустических помех и шумов. If in automatic mode, at the right time and at certain frequencies, additional signals are emitted and parametrically optimized based on the criterion for equal amplitudes and out-of-phase components of these signals, i.e. If the energy of the total signal, which is a superposition of acoustic noise and additionally emitted signals, is equal to zero, then the signal-to-noise ratio may increase when reproducing in a room with a high level of acoustic noise and noise.
Из предыдущего следует, что при длительном отсутствии сигнала источника может быть обеспечен режим активного, пространственно-локализованного снижения уровня акустических шумов и помех, например, для водителя автотранспортного средства, когда он не желает прослушивать информативные звуковые сигналы от источника, а также шумы от двигателя и других систем автомобиля, а хочет находиться в тишине. It follows from the previous one that with a prolonged absence of a source signal, a mode of active, spatially localized reduction of the level of acoustic noise and interference can be provided, for example, for a driver of a motor vehicle when he does not want to listen to informative sound signals from a source, as well as noise from an engine and other car systems, but wants to be in silence.
Понятно, что изложенный выше частный случай более широкой задачи может быть объектом самостоятельного изобретения. It is clear that the above particular case of a broader problem may be the subject of independent invention.
Моменты времени, когда должно включаться и соответственно выключаться активное шумопонижение, должны быть функционально зависящими от текущего соотношения сигнал/шум в соответствующих частотных поддиапазонах анализа энергетических спектров "идеальных" и искаженных сигналов. Указанное отношение сигнал/шум (помеха) может определяться аппаратными, программными или программно-аппаратными средствами в зависимости от выбранной формы анализа и обработки сигналов: в аналоговой, цифровой (дискретной), комбинированной, с использованием "универсального вычислителя, например широко распространенной ПЭВМ - IBM PC или с использованием специализированных микропроцессорных систем управления, аналоговых автоматизированных систем управления и т.д. The moments of time when active noise reduction should be turned on and off, respectively, should be functionally dependent on the current signal-to-noise ratio in the corresponding frequency sub-bands of the analysis of the energy spectra of "ideal" and distorted signals. The specified signal-to-noise ratio (interference) can be determined by hardware, software or software and hardware depending on the selected form of signal analysis and processing: in analog, digital (discrete), combined, using a universal computer, for example, a widely used PC - IBM PC or using specialized microprocessor control systems, analog automated control systems, etc.
Для осуществления эффективного понижения уровня акустических шумов и помех формирование дополнительных сигналов должно осуществляться из искаженных сигналов, принятых непосредственно в точке прослушивания, а не в других точках пространства, например вблизи источников излучения этих шумов. In order to effectively reduce the level of acoustic noise and interference, the formation of additional signals should be carried out from distorted signals received directly at the listening point, and not at other points in space, for example, near the radiation sources of these noises.
При высоких отношениях сигнал/шум подгонка сигнала в точке прослушивания под "идеальный" сигнал может осуществляться без активного шумопонижения только за счет согласованной фильтрации "идеального" сигнала. В этом режиме у оптимального фильтра может изменяться АЧХ и ФЧХ. At high signal-to-noise ratios, the signal can be adjusted at the listening point to an “ideal” signal without active noise reduction only due to the coordinated filtering of the “ideal” signal. In this mode, the optimum filter can change the frequency response and phase response.
При низких отношениях сигнал/шум, например, когда энергия шумов в несколько раз превосходит энергию полезного сигнала, путем активного шумопонижения можно оптимизировать энергетические параметры сигнала в точке прослушивания, т.е. АЧХ сигнала. Оптимизация ФЧХ сигнала в точке прослушивания при низких отношениях сигнал/шум невозможна, поэтому точность "преобразования" шумов в "идеальный" сигнал не может быть сколь угодно высокой и определяется конкретными характеристиками полезных сигналов, шумов, постоянной времени регулирования и др. параметрами. At low signal-to-noise ratios, for example, when the noise energy is several times higher than the useful signal energy, by actively reducing the energy, the energy parameters of the signal at the listening point can be optimized, i.e. Frequency response of the signal. Optimization of the phase response of the signal at the listening point at low signal-to-noise ratios is impossible, therefore the accuracy of the "conversion" of noise to an "ideal" signal cannot be arbitrarily high and is determined by the specific characteristics of the useful signals, noise, control time constant, and other parameters.
Таким образом, для конкретной акустической ситуации, динамических изменений характеристик сигналов, скорости саморегуляции системы существует некоторое пороговое соотношение сигнал/шум, ниже которого точность соответствия "идеальных" сигналов и сигналов в точках прослушивания будет ниже наперед заданной величины. Thus, for a specific acoustic situation, dynamic changes in the characteristics of signals, and the speed of the system’s self-regulation, there is a certain threshold signal-to-noise ratio below which the accuracy of correspondence of “ideal” signals and signals at listening points will be lower than a predetermined value.
Существенным обстоятельством при оптимизации звуковоспроизведения является случайный характер задержки, которую претерпевает искаженный сигнал по отношению к "идеальному". Величина этой задержки для типовых условий звуковоспроизведения определяется, в основном, временем прохождения звуковых колебаний от громкоговорителя до слушателя и составляет величину, например, порядка 0,01 - 0,005 с. An essential circumstance in the optimization of sound reproduction is the random nature of the delay that the distorted signal undergoes in relation to the “ideal” one. The magnitude of this delay for typical conditions of sound reproduction is determined mainly by the time it takes for sound vibrations from the speaker to the listener and is, for example, of the order of 0.01 - 0.005 s.
Как уже отмечалось, задержка во времени компонентов сигналов может быть различной и является случайной величиной. Очевидно, что узнав каким-либо образом указанные задержки сигналов и их компонентов и найдя относительное смещение во времени компонентов относительно друг друга, можно затем ввести соответствующую коррекцию во временной области "идеального" сигнала и его компонентов, например, с помощью дискретно-переключаемых линий задержки, как элементов фазовой корректировки в оптимальном фильтре. При использовании цифрового метода обработки сигналов знание указанных задержек позволяет методами цифровой фильтрации осуществить аналогичную процедуру фазовой коррекции "идеального" сигнала. Действительно, зная два сигнала как функции времени напряжения на выходе источника сигнала и на выходе зондирующего устройства можно их дискретизировать по времени и отквантовать по уровню в соответствии с теоремой Котельникова и с помощью аналогово-цифровых преобразователей. Далее, осуществив многополосную цифровую фильтрацию сигналов посредством цифровых фильтров, можно для различных частотных полос анализа с помощью цифрового корреляционного анализа найти задержки компонентов сигнала. As already noted, the time delay of the signal components can be different and is a random variable. Obviously, having found out in some way the indicated delays of the signals and their components and finding the relative time offset of the components relative to each other, we can then introduce the corresponding correction in the time domain of the “ideal” signal and its components, for example, using discretely switched delay lines as elements of phase adjustment in an optimal filter. When using the digital signal processing method, knowledge of these delays allows digital filtering methods to carry out a similar phase correction procedure for the "ideal" signal. Indeed, knowing two signals as a function of the voltage time at the output of the signal source and at the output of the probing device, they can be discretized in time and quantized in level in accordance with the Kotelnikov theorem and using analog-to-digital converters. Further, by performing multi-band digital filtering of signals by means of digital filters, it is possible to find delays of signal components for various frequency bands of analysis using digital correlation analysis.
Таким образом, для осуществления оптимального звуковоспроизведения необходимо иметь возможность коррекции "идеального" сигнала непосредственно в процессе звуковоспроизведения, используя согласованную фильтрацию сигнала в аналоговой или (дуально) в цифровой форме. Thus, for optimal sound reproduction, it is necessary to be able to correct the “ideal” signal directly during sound reproduction, using consistent filtering of the signal in analog or (dual) digital form.
Для нахождения случайных задержек сигналов и их компонентов можно использовать следующие методы: а) метод синхронизации с дополнительным сигналом синхронизации, б) пороговый метод синхронизации, в) корреляционный метод. To find random delays of signals and their components, the following methods can be used: a) a synchronization method with an additional synchronization signal, b) a threshold synchronization method, c) a correlation method.
Метод синхронизации с дополнительным сигналом синхронизации заключается в том, что в процессе звуковоспроизведения в тракт прохождения сигнала, например на выходе источника сигнала наряду с "идеальным", информационным сигналом вводят сигнал синхронизации. Этот сигнал может иметь различную форму. Например, в качестве этого сигнала могут быть пачки высокочастотных звуковых колебаний частотой 30 - 100 кГц. Основными требованиями к этим сигналам должны быть: отсутствие помех от этих сигналов в диапазоне восприятия человеком внешних излучений, высокая помехозащищенность этих сигналов. Формирование сигналов во времени может осуществляться одноразово в начале звуковоспроизведения или в течение всего времени звуковоспроизведения в виде периодически формируемых, например с периодом 10 или 60 с, старт-стопных синхронизирующих сигналов. Излучение подобных сигналов может осуществляться высокочастотными динамиками громкоговорителей или дополнительными пьезоизлучателями, установленными на громкоговорителях. The synchronization method with an additional synchronization signal consists in the fact that during the sound reproduction, a synchronization signal is introduced into the signal path, for example, at the output of the signal source, along with the “ideal” signal, as an information signal. This signal can have a different shape. For example, as this signal there may be packs of high-frequency sound vibrations with a frequency of 30 - 100 kHz. The main requirements for these signals should be: the absence of interference from these signals in the range of human perception of external radiation, high noise immunity of these signals. The generation of signals in time can be carried out once at the beginning of sound reproduction or throughout the entire time of sound reproduction in the form of periodically generated, for example with a period of 10 or 60 s, start-stop synchronizing signals. Radiation of such signals can be carried out by high-frequency speakers of loudspeakers or by additional piezoelectric emitters mounted on loudspeakers.
С помощью данного метода может быть определена абсолютная величина задержки "идеального" сигнала для каждого из каналов звуковоспроизведения. Зная значение временных задержек сигналов, можно осуществить временную коррекцию для синхронизации моментов прихода звуковых волн в точки прослушивания и повышения точности психофизиологического восприятия места локализации звуков слушателем. Using this method, the absolute delay value of the “ideal” signal for each of the audio channels can be determined. Knowing the value of the time delays of signals, it is possible to carry out a temporary correction to synchronize the moments of arrival of sound waves at the listening point and increase the accuracy of the psychophysiological perception of the place of sound localization by the listener.
Указанный метод не позволяет определять задержки компонентов сигналов и следовательно не позволяет реализовывать алгоритмы фазочастотной оптимизации сигналов. Метод требует ограничения уровня сигналов синхронизации для исключения побочного психофизиологического воздействия на слушателя. Этот метод может быть использован для параметрической оптимизации сигналов. The specified method does not allow to determine the delay of the signal components and therefore does not allow to implement phase-frequency optimization algorithms for the signals. The method requires limiting the level of synchronization signals to exclude adverse psychophysiological effects on the listener. This method can be used for parametric optimization of signals.
Нахождение задержек сигналов можно также осуществлять используя пороговый метод синхронизации. Данный метод заключается в том, что "идеальный" и искаженный сигнал или их соответствующие компоненты анализируются по уровню относительно заданного порога, например относительно номинального (94 dB) по уровню -20 dB или -30 dB. Пороговый уровень в зависимости от сложности системы может быть задан априорно и оставаться неизменным, а может варьироваться и устанавливаться самой системой в соответствии с текущими изменениями параметров сигналов и алгоритмом функционирования системы. Если уровень сигналов превышает пороговый, то принимается решение о появлении сигнала или соответственно о его окончании во временной области анализа. Finding signal delays can also be done using the threshold synchronization method. This method consists in the fact that the “ideal” and distorted signal or their corresponding components are analyzed according to the level relative to a given threshold, for example, relative to the nominal (94 dB) at the level of -20 dB or -30 dB. The threshold level, depending on the complexity of the system, can be set a priori and remain unchanged, or it can be varied and set by the system itself in accordance with the current changes in signal parameters and the algorithm of the system’s functioning. If the signal level exceeds the threshold, then a decision is made on the appearance of the signal or, accordingly, on its completion in the time domain of analysis.
Данный метод отличается от синхронизации с дополнительным сигналом тем, что задержка определяется не путем анализа во временной области дополнительных сигналов синхронизации, а непосредственно по самим звуковым сигналам. Кроме того, данный метод позволяет определять задержки компонентов сигналов и, следовательно, позволяет реализовывать различные алгоритмы фазочастотной оптимизации сигналов и, в частности, полнопараметрическую оптимизацию. Действительно, для каждого частотного поддиапазона анализа могут быть найдены соответствующие задержки компонентов сигналов и, следовательно, введена необходимая корректировка сигналов во временной (фазовой) области. This method differs from synchronization with an additional signal in that the delay is determined not by analyzing additional synchronization signals in the time domain, but directly by the audio signals themselves. In addition, this method allows you to determine the delay of the signal components and, therefore, allows you to implement various algorithms for phase-frequency optimization of signals and, in particular, full-parameter optimization. Indeed, for each frequency sub-band of the analysis, the corresponding delays of the signal components can be found and, therefore, the necessary correction of the signals in the time (phase) region is introduced.
Недостатком этого метода является высокая вероятность ошибки при нахождении задержки за счет шумов и помех, когда осуществляется процесс звуковоспроизведения на малой громкости. Необходима организация специальных мер и алгоритмов для уменьшения вероятности появления аномальных ошибок при вычислении задержек. Понятно, что указанные алгоритмы могут быть основаны на усреднении во временной области значений задержек и, следовательно, приведут к повышению инерционности системы при ее самоадаптации в условиях помех и шумов. Преимуществом данного метода является простота аппаратурной реализации, отсутствие специальных требований к излучающей и звукоулавливающей аппаратуре (громкоговорителям, зондирующим устройствам). The disadvantage of this method is the high probability of error when finding a delay due to noise and interference when the process of sound reproduction is carried out at low volume. Special measures and algorithms are needed to reduce the likelihood of abnormal errors in calculating delays. It is clear that these algorithms can be based on averaging in the time domain of the delay values and, consequently, will lead to an increase in the inertia of the system during its self-adaptation under the conditions of interference and noise. The advantage of this method is the simplicity of the hardware implementation, the absence of special requirements for radiating and sound-collecting equipment (loudspeakers, sounding devices).
Нахождение задержек сигналов и их компонентов при корреляционном методе анализа сигналов представляет собой следующий алгоритм выполнения операций над сигналами. Один из сигналов - "идеальный" - задерживают в параллельных ветвях с некоторым шагом во времени, например, посредством линий задержек с общим входом. Finding the delays of the signals and their components in the correlation method of signal analysis is the following algorithm for performing operations on signals. One of the signals - "ideal" - is delayed in parallel branches with some time step, for example, through delay lines with a common input.
Полученные, таким образом, задержанные "идеальные" сигналы подают на первые входы перемножителей. На вторые входы перемножителей подают искаженный сигнал. Перемноженные сигналы пропускают через фильтры низких частот для фильтрации высших гармоник этой нелинейной операции. Далее отфильтрованные сигналы сравнивают между собой по уровню. Сигнал наибольшего уровня соответствует наибольшей корреляции (совпадению) "идеального" и искаженного сигналов, а ему соответствующая задержка в линии является, фактически, текущей задержкой сигнала в тракте звуковоспроизведения. Для компонентного анализа сигналов задержанные на оптимальное время компоненты сигналов затем можно просуммировать и получить широкополосный фазочастотно-скорректированный сигнал. В этом сигнале компоненты будут смещены друг относительно друга настолько, насколько они подверглись противоположному относительному смещению при прохождении через все элементы тракта звуковоспроизведения: усилитель низкой частоты, громкоговоритель, помещение прослушивания. В точке прослушивания компоненты акустического сигнала будут воспроизводиться в форме компонентов акустического сигнала первоисточников звуков, т.е. высококачественно. The delayed “ideal” signals thus obtained are fed to the first inputs of the multipliers. The second inputs of the multipliers supply a distorted signal. Multiplied signals are passed through low-pass filters to filter the higher harmonics of this non-linear operation. Next, the filtered signals are compared with each other in level. The signal of the highest level corresponds to the greatest correlation (coincidence) of the "ideal" and distorted signals, and the corresponding delay in the line is, in fact, the current signal delay in the sound reproduction path. For component analysis of the signals, the signal components delayed by the optimal time can then be added up and a wideband phase-corrected signal can be obtained. In this signal, the components will be displaced relative to each other as much as they underwent the opposite relative displacement when passing through all the elements of the sound reproduction path: low-frequency amplifier, loudspeaker, listening room. At the listening point, the acoustic signal components will be reproduced in the form of the acoustic signal components of the original sound sources, i.e. high quality.
Преимущество корреляционного метода определения оптимальных задержек сигналов и их компонентов над пороговым методом будет наиболее ощутимо при низком отношении сигнал/шум и при относительно малом числе полос анализа, т.к. в широкой полосе анализа, например шириной в октаву, одновременно могут присутствовать гармоники различных частот, а сам сигнал на выходе широкополосного фильтра может иметь сложную форму. Если число полос велико и сигналы на выходе этих фильтров приближаются к гармоническим колебаниям, то с целью упрощения аппаратуры обработки сигналов и алгоритмов этой обработки можно вместо корреляционного метода обработки сигналов использовать более простой пороговый метод синхронизации. При цифровом методе обработки сигналов с использованием, например, ЭВМ целесообразно использовать корреляционный метод фазочастотной оптимизации сигналов. The advantage of the correlation method for determining the optimal delays of signals and their components over the threshold method will be most noticeable with a low signal-to-noise ratio and with a relatively small number of analysis bands, since in a wide analysis band, for example, an octave wide, harmonics of different frequencies can be present at the same time, and the signal itself at the output of a broadband filter can have a complex shape. If the number of bands is large and the signals at the output of these filters approach harmonic oscillations, then in order to simplify the signal processing equipment and the algorithms for this processing, instead of the correlation signal processing method, a simpler threshold synchronization method can be used. In the digital method of signal processing using, for example, a computer, it is advisable to use the correlation method of phase-frequency optimization of signals.
Понятно, что, используя перечисленные методы обработки сигналов и выбирая возможные параметры для оптимизации сигналов, можно получить большое множество функциональных схем и алгоритмов обработки сигналов. Однако вышеизложенное позволяет выделить существенные признаки способа звуковоспроизведения и ему соответствующих узлов, объединенных по определенным связям в пространственную звуковоспроизводящую систему. It is clear that using the above signal processing methods and choosing possible parameters for signal optimization, you can get a large number of functional circuits and signal processing algorithms. However, the foregoing allows us to highlight the essential features of the method of sound reproduction and its corresponding nodes, united by certain relationships in a spatial sound reproducing system.
Способ оптимального звуковоспроизведения можно сформулировать в следующем виде. The method of optimal sound reproduction can be formulated as follows.
Способ оптимального звуковоспроизведения, заключающийся в согласованной фильтрации электрического сигнала источника, усилении, преобразовании усиленного электрического сигнала источника в звуковой сигнал, его излучении, приеме и преобразовании в точке прослушивания совокупного звукового сигнала - прямых и переотраженных звуковых волн излученного сигнала источника, а также звуковых волн помех и шумов в электрический сигнал прослушивания, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрических сигналов источника и прослушивания, формировании управляющих согласованной фильтрацией сигналов, отличающийся тем, что формируют дополнительные электрические сигналы для активного шумопонижения, которые усиливают, преобразуют в звуковые сигналы и излучают до точки приема совокупного звукового сигнала. The method of optimal sound reproduction, which consists in coordinated filtering of the electric signal of the source, amplification, conversion of the amplified electric signal of the source into an audio signal, its emission, reception and transformation at the listening point of the total sound signal - direct and reflected sound waves of the emitted source signal, as well as sound interference waves and noise in an electrical listening signal, transmitting the received electrical signal to the place of its processing, processing of electrical signals fishing source and listening shaping matched filtering control signals, characterized in that the additional form electrical signals for active noise reduction, which are amplified, converted into sound signals, and to emit sound receiving point aggregate signal.
Данная формулировка позволяет в качестве существенных признаков способа как процесса выполнения действий над материальными объектами (электрическими и акустическими сигналами) использовать вышеизложенную последовательность действий, целесообразность выполнения и содержание которых уже обоснованы выше. This formulation allows us to use the above sequence of actions, the feasibility of the implementation and the content of which are already justified above, as essential features of the method as a process of performing actions on material objects (electrical and acoustic signals).
Существенное отличие предложенного способа звуковоспроизведения от традиционных, широко используемых в настоящее время способов заключается в согласованной фильтрации электрического сигнала источника. В отличие от ступенчато-переключаемых фильтров, эквалайзеров с ручным управлением и других устройств с процессорной обработкой сигналов, позволяющих осуществлять несогласованную фильтрацию сигналов по случайным критериям, согласованная фильтрация как действие над сигналами понимается в самом широком смысле ее интерпретации, т. е. как коррекция любых возможных параметров сигналов по логически обоснованным, объективным критериям. A significant difference between the proposed method of sound reproduction from the traditional, currently widely used methods is the coordinated filtering of the electrical signal of the source. Unlike step-switched filters, manually controlled equalizers, and other devices with processor-based signal processing that allow you to perform mismatched filtering of signals according to random criteria, matched filtering as an action on signals is understood in the broadest sense of its interpretation, i.e., as correction of any possible signal parameters according to logically reasonable, objective criteria.
Обработка электрических сигналов источника и сигнала прослушивания в способе не наполняется конкретным содержанием, т.е. в способе не раскрываются алгоритмы этой обработки. Возможные алгоритмы обработки сигналов и соответствующие структурные схемы устройств целесообразно описать в пунктах формулы изобретения устройств оптимального звуковоспроизведения. Возможные варианты устройств будут приведены ниже. The processing of the electrical signals of the source and the listening signal in the method is not filled with specific content, i.e. the method does not disclose the algorithms of this processing. Possible signal processing algorithms and the corresponding structural diagrams of the devices should be described in the claims of the optimal sound reproduction devices. Possible device options will be given below.
Признак "согласованная фильтрация" подчеркивает, что, несмотря на возможную цифровую форму обработки электрических сигналов, оптимизация звуковоспроизведения осуществляется в реальном масштабе времени, непосредственно в процессе восприятия слушателем звуковой информации. The sign of “consistent filtering” emphasizes that, despite the possible digital form of processing of electrical signals, the optimization of sound reproduction is carried out in real time, directly in the process of perception by the listener of sound information.
Новым отличительным признаком предложенного способа как объекта изобретения является формирование дополнительных электрических сигналов для активного шумопонижения, их усиление, преобразование в звуковые сигналы и излучение. В предложенном способе эти действия сочетаются с согласованной фильтрацией сигналов. Более детально процесс формирования дополнительных сигналов будет рассмотрен на примерах описания работы вариантов выполнения устройств. A new distinguishing feature of the proposed method as an object of the invention is the formation of additional electrical signals for active noise reduction, their amplification, conversion into sound signals and radiation. In the proposed method, these actions are combined with a consistent filtering of signals. In more detail, the process of generating additional signals will be considered on examples of the description of the operation of embodiments of devices.
В соответствии с положениями кибернетики Норберта Винера признак "оптимальный" подчеркивает принадлежность способа и соответствующей системы для его реализации к классу целенаправленно работающих машин, т.е. машин высшей формы организации. Другими словами, к классу оптимальных машин. Эти машины позволяют наилучшим образом решать соответствующие задачи. Технический результат максимален по соответствующим показателям или характеристикам. Например, обеспечение максимума соотношения сигнал/шум, минимума СКО или минимума уровня шума и т.д. Точность работы определяется текущими характеристиками канала передачи информации и конкретными техническими характеристиками аппаратурной части системы (машины). Указанная точность определяется по объективным критериям (например, минимум СКО) и не зависит от субъективных факторов, связанных с участием человека в процессе работы системы. Точность оптимизации текущих значений сигналов, предназначенных для осуществления соответствующих функций - согласованной фильтрации и шумопонижения, никак не связана, таким образом, с текущей способностью человека принимать решения по выбору "оптимальных" параметров и регулировок в системе. Суть оптимального способа раскрывается совокупностью и функциональными связями других существенных признаков формулы изобретения. In accordance with the provisions of Norbert Wiener cybernetics, the sign “optimal” emphasizes the belonging of the method and the corresponding system for its implementation to the class of purposefully working machines, i.e. machines of the highest form of organization. In other words, to the class of optimal machines. These machines allow you to best solve the corresponding problems. The technical result is maximum in terms of relevant indicators or characteristics. For example, providing a maximum signal to noise ratio, a minimum of standard deviation or a minimum of noise level, etc. The accuracy of the operation is determined by the current characteristics of the information transmission channel and the specific technical characteristics of the hardware of the system (machine). The indicated accuracy is determined by objective criteria (for example, the minimum standard deviation) and does not depend on subjective factors associated with human participation in the process of the system. The accuracy of the optimization of the current values of the signals intended for the implementation of the corresponding functions - coordinated filtering and noise reduction, is in no way connected with the current ability of a person to make decisions on choosing the "optimal" parameters and adjustments in the system. The essence of the optimal method is revealed by the combination and functional relationships of other essential features of the claims.
В соответствии с вышеизложенным способом оптимального звуковоспроизведения можно считать идеальным оптимальным звуковоспроизведением или звуковоспроизведением с предельным уровнем качества такое звуковоспроизведение, когда в процессе прослушивания сигналов человек не в состоянии отличить сигнал прослушивания от сигнала первоисточника, т.е. точность соответствия друг другу электрических сигналов прослушивания и сигналов источника выше разрешающей способности человека регистрировать все возможные виды подобных несоответствий (искажений), а также улавливать на слух переходные процессы во время корректировки системой звуковых сигналов. In accordance with the above method of optimal sound reproduction, one can consider such sound reproduction as an ideal optimal sound reproduction or sound reproduction with a maximum level of quality, when in the process of listening to signals a person is not able to distinguish the listening signal from the source signal, i.e. the accuracy of matching each other's electrical listening signals and source signals is higher than a person’s resolving ability to record all possible types of such inconsistencies (distortions), as well as to pick up transient processes by ear during correction by a system of sound signals.
Предложенная формулировка способа звуковоспроизведения вносит новый смысл в понятие класса качества звуковоспроизводящей системы. The proposed formulation of the sound reproduction method introduces a new meaning into the concept of the quality class of a sound reproducing system.
В системах с динамично изменяющимися случайным образом параметрами в отличие от детерминированных систем или систем со случайными процессами (стационарными) и неизменяющимися во времени статистическими параметрами понятие класса качества приобретает иной смысл - это способность системы более эффективно и оперативно во времени выявлять и устранять несоответствие между параметрами сигналов, один из которых является опорным. In systems with parameters dynamically changing in a random way, in contrast to deterministic systems or systems with random processes (stationary) and time-invariant statistical parameters, the concept of a quality class takes on a different meaning - this is the ability of a system to more effectively and efficiently detect and eliminate discrepancies between signal parameters , one of which is a reference.
Звуковоспроизводящая система будет более высокого класса качества по отношению к другой, если она, например, будет иметь больший динамический диапазон (более высокую мощность усилителя низкой частоты и громкоговорителей), более высокую степень разрешения в частотной области анализа сигналов, т.е. большее число частотных полос анализа, более прямоугольную форму их АЧХ, более совершенный алгоритм обработки сигналов, позволяющий при прочих равных условиях добиваться более эффективного и быстрого во времени шумопонижающего эффекта для различных спектров сигналов и помех, отношений сигнал/шум в полосе звуковоспроизведения. A sound reproducing system will be of a higher quality class relative to another if, for example, it has a larger dynamic range (higher power of a low-frequency amplifier and speakers), a higher degree of resolution in the frequency domain of signal analysis, i.e. a greater number of analysis frequency bands, a more rectangular shape of their frequency response, a more advanced signal processing algorithm, allowing, all other things being equal, to achieve a more effective and faster time-reducing noise reduction effect for various signal and noise spectra, signal-to-noise ratios in the audio reproduction band.
Согласно классификации, предложенной Норбертом Винером, высшей формой организации материальных объектов, в частности звуковоспроизводящих систем (т.е. классом качества или группой сложности), можно считать целенаправленно работающую, полнопараметрическую, экстраполирующую (предсказывающую по всем возможным параметрам), самообучающуюся, т.е. самостоятельно синтезирующую оптимальный алгоритм обработки сигналов для конкретных условий звуковоспроизведения и в соответствии с этим алгоритмом оптимальным образом осуществляя согласованную фильтрацию и формирование дополнительных сигналов для активного шумопонижения, звуковоспроизводящую систему с обратной связью. According to the classification proposed by Norbert Wiener, the highest form of organization of material objects, in particular sound-reproducing systems (i.e., a quality class or complexity group), can be considered purposefully working, full-parameter, extrapolating (predicting in all possible parameters), self-learning, i.e. . independently synthesizing the optimal signal processing algorithm for specific conditions of sound reproduction and, in accordance with this algorithm, optimally performing coordinated filtering and generating additional signals for active noise reduction, a sound reproducing system with feedback.
Самообучение звуковоспроизводящей системы позволяет реализовать оптимальную систему с высоким уровнем "интеллекта", пригодную практически к любым условиям звуковоспроизведения. Self-training of a sound reproducing system allows you to implement an optimal system with a high level of "intelligence", suitable for almost any conditions of sound reproduction.
Важно отметить, что звуковоспроизводящая система высокого уровня организации может сама в процессе работы синтезировать оптимальный порядок выполнения действия над сигналами и в конечном счете усовершенствовать на уровне алгоритма способ оптимальной обработки сигналов в зависимости от конкретных условий звуковоспроизведения. It is important to note that a high-level sound reproducing system in the course of work can itself synthesize the optimal order of actions on signals and ultimately improve at the algorithm level the method of optimal signal processing depending on the specific conditions of sound reproduction.
Очевидно, что звуковоспроизводящие системы высшей формы организации, как и высокоорганизованные машины для решения других задач, могут быть реализованы с использованием вычислительного узла с достаточно высоким быстродействием и объемом памяти. Наилучшим образом для этих целей могут подойти современные персональные компьютеры. Значительная часть потребителей имеет ЭВМ подобного класса. Дополнив основные элементы традиционной звуковоспроизводящей аппаратуры (источник сигналов, усилитель низкой частоты (УНЧ), громкоговорители) дополнительными элементами: устройством ввода сигналов (АЦП), устройством вывода сигналов (ЦАП), ЭВМ с программным обеспечением, выполняющей функции согласованной фильтрации и формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения, а также зондирующими устройствами и линиями связи, пользователь может поблочно объединить эти устройства в систему оптимального звуковоспроизведения. Постепенно заменяя программное обеспечение, ЭВМ и другие элементы системы, можно по мере их совершенствования также постепенно повышать класс качества системы. При указанной комплектации системы появляется возможность "на кончиках пальцев", точнее на "кончиках" идей, не меняя массы, объема аппаратурной части, существенно повышать качество звуковоспроизведения. Obviously, sound reproducing systems of the highest form of organization, as well as highly organized machines for solving other problems, can be implemented using a computing node with a sufficiently high speed and memory capacity. In the best way, modern personal computers may be suitable for these purposes. A significant part of consumers has computers of a similar class. Having supplemented the basic elements of traditional sound-reproducing equipment (signal source, low-frequency amplifier (ULF), loudspeakers) with additional elements: a signal input device (ADC), a signal output device (DAC), a computer with software that performs the functions of coordinated filtering and generating additional signals for active noise reduction, as well as sounding devices and communication lines, the user can block-wise combine these devices into an optimal sound reproduction system. By gradually replacing software, computers, and other elements of the system, it is also possible to gradually increase the quality class of the system as they improve. With this configuration of the system, it becomes possible "at your fingertips", more precisely at the "tips" of ideas, without changing the mass, volume of the hardware, significantly improve the quality of sound reproduction.
Данный подход в звуковоспроизведении соответствует глобальной научно-технической тенденции мультимедиа. This approach in sound reproduction corresponds to the global scientific and technological trend of multimedia.
Вышеизложенные принципы высококачественного звуковоспроизведения могут быть представлены в символьном виде - в виде математических формул (теории) оптимального звуковоспроизведения (передачи информации). The above principles of high-quality sound reproduction can be presented in symbolic form - in the form of mathematical formulas (theory) of optimal sound reproduction (information transfer).
Проиллюстрируем вышеизложенный способ звуковоспроизведения с использованием модели каскадного соединения и описания работы анализируемых, укрупненных компонентов системы. We illustrate the above method of sound reproduction using a cascade connection model and a description of the operation of the analyzed, enlarged system components.
Обозначим U(t) - звуковые колебания первоисточников звуков, воздействующие на орган слуха человека, т.е. звуковые колебания первоисточников звуков в точке прослушивания. Let U (t) be the sound vibrations of the primary sources of sounds affecting the human hearing organ, i.e. sound vibrations of the original sources of sounds at the listening point.
Установив в точке прослушивания микрофон, обозначим на его выходе напряжение сигнала u(t). Having installed a microphone at the listening point, we denote the signal voltage u (t) at its output.
Сигнал u(t) может быть ретранслирован сразу или записан и размещен на носителе информации (на магнитной ленте, компактдиске (CD), минидиске (MD) и т. д. ). Через некоторое время Δt сигнал u(t) может быть преобразован в источнике сигнала (усилитель, радиоприемник, проигрыватель и т.д.) в напряжение источника сигнала uист(t).The signal u (t) can be relayed immediately or recorded and placed on a storage medium (magnetic tape, compact disc (CD), minidisk (MD), etc.). After some time Δt, the signal u (t) can be converted in the signal source (amplifier, radio, player, etc.) into the voltage of the signal source u ist (t).
Для здорового человека с двумя работоспособными органами слуха точная регистрация (запись) звуковых сигналов возможна при двухканальном преобразовании звуковых колебаний для точек прослушивания правым и левым ухом в электрические сигналы
Электрическим сигналам на выходах микрофонов во время записи будут соответствовать электрические сигналы источника ("идеальные")
Если считать, что при преобразовании звуковых колебаний в электрические сигналы, записи информации на носитель, хранении, преобразовании информации в электрические сигналы в источнике отсутствуют линейные и нелинейные искажения, а собственный коэффициент шума устройств равняется нулю (другими словами, на указанных этапах обработки сигналов исключены искажения и потеря информации), то сигнал на выходе источника сигнала можно представить в виде (1), (2).For a healthy person with two functioning hearing organs, accurate recording (recording) of sound signals is possible with two-channel conversion of sound vibrations for listening points of the right and left ear into electrical signals
The electrical signals at the microphone outputs during recording will correspond to the electrical signals of the source ("ideal")
If we assume that when converting sound vibrations into electrical signals, recording information on a medium, storing, converting information into electrical signals, the source does not have linear and nonlinear distortions, and the device’s own noise figure is zero (in other words, distortions are eliminated at the indicated stages of signal processing and loss of information), then the signal at the output of the signal source can be represented in the form (1), (2).
uист(t) = K•u(t-Δt) (1)
(2)
где K, Kп, Kл - коэффициенты, не зависящие от u(t), uп(t), uл(t).u source (t) = K • u (t-Δt) (1)
(2)
where K, K p , K l are coefficients independent of u (t), u p (t), and u l (t).
Выражения (1) и (2) являются условием неискаженного ввода информации для одного или двух каналов (требованием к энергетическим и временным параметрам сигналов). Expressions (1) and (2) are a condition for undistorted input of information for one or two channels (a requirement for the energy and time parameters of the signals).
Поскольку при звуковоспроизведении форма звуковых сигналов может быть любого вида, то сигналы uист(t), uист.п(t), uист.л(t) можно представить в виде интегралов Фурье (3), (4)
(3)
(4)
где спектральные функции сигналов, определяемые согласно преобразованиям (5), (6) (для любого символа функции считается, что )
(5)
(6)
Если в помещении прослушивания осуществляется звуковоспроизведение сигналов источника uист(t) или то на выходе зондирующего устройства электрический сигнал прослушивания обозначим u'(t) или
Сигналу прослушивания соответствует его спектральная функция или которую можно определить с помощью преобразований Фурье.Since the form of sound reproduction of audio signals can be of any type, the signals u ist (t), u ist.p (t), u ist.l (t) can be represented as a Fourier integrals (3), (4)
(3)
(4)
Where spectral functions of signals determined according to transformations (5), (6) (for any symbol of the function, it is assumed that )
(5)
(6)
If the room is carried out listening sound reproduction source signals u ist (t) or then at the output of the probing device, the electrical listening signal is denoted by u '(t) or
The listening signal corresponds to its spectral function or which can be determined using Fourier transforms.
Используя каскадную модель описания процесса звуковоспроизведения, в которой последовательно включены как четырехполюсники: усилитель низкой частоты и громкоговоритель, к выходу которого одним из входов подсоединен шестиполюсник (сумматор), являющийся моделью, позволяющей формально учесть влияние помещения прослушивания и зондирующего устройства, а на второй вход которого поступает помеха со случайными, априорно неизвестными параметрами, спектр сигнала прослушивания можно представить в виде (7)
где - спектр сигнала источника,
- комплексный коэффициент передачи усилителя низкой частоты,
- комплексный коэффициент передачи громкоговорителя,
- комплексный коэффициент передачи помещения звуковоспроизведения,
- комплексный коэффициент передачи зондирующего устройства,
- приведенная ко входу приемного элемента зондирующего устройства спектральная функция (напряжения) помех (связанная с сигналом источника помеховая составляющая: гармонические составляющие, появляющиеся вследствие нелинейности таких элементов тракта, как усилитель низкой частоты, громкоговоритель; вторичные помехи, появляющиеся в помещении прослушивания в виде дребезга плохо закрепленных предметов - панелей, стекол и т.д., а также реверберационные искажения - многократные повторы сигналов источника, и некоррелированные с сигналом источника помехи - внешние акустические помехи, например шум из-за стен соседней квартиры, шум улицы и т.д.).Using a cascade model for describing the sound reproduction process, in which four-terminal devices are sequentially connected: a low-frequency amplifier and a loudspeaker, to the output of which one of the inputs has a six-terminal device (adder), which is a model that allows formally taking into account the influence of the listening room and the sounding device, and on the second input of which interference comes in with random, a priori unknown parameters, the spectrum of the listening signal can be represented as (7)
Where - spectrum of the source signal,
- the integrated gain of the low-frequency amplifier,
- the integrated gain of the speaker,
- the integrated transmission coefficient of the sound reproduction room,
- the complex transfer coefficient of the probing device,
- spectral interference function (voltage) reduced to the input of the receiving element of the probing device (interference component associated with the source signal: harmonic components appearing due to the nonlinearity of such path elements as a low-frequency amplifier, loudspeaker; secondary interference appearing in the listening room as a chatter is bad fixed objects - panels, glasses, etc., as well as reverberation distortions - repeated repetitions of the source signals, and uncorrelated with the source signal noise interference - external acoustic interference, for example, noise from the walls of an adjacent apartment, street noise, etc.).
Можно видеть, что спектр сигнала прослушивания будет равен спектру сигнала источника при выполнении операций согласно тождеству (8)
Выражение, заключенное в квадратных скобках формулы (8), представляет собой комплексный коэффициент передачи согласованного с параметрами элементов тракта звуковоспроизведения и зондирующего устройства фильтра. Выражение для комплексного коэффициента передачи согласованного фильтра определяется выражением (9)
Выражение (9), для удобства интерпретации комплексного коэффициента передачи согласованного фильтра, можно представить в виде двух сомножетелей (10)
(10)
Физический смысл выражения (10) заключается в том, что для осуществления согласованной фильтрации между источником сигнала и усилителем низкой частоты необходимо включить корректирующий фильтр, имеющий комплексный коэффициент передачи, определяемый по формуле (11)
а для компенсации искажений приемного элемента зондирующего устройства необходимо установить на его выходе корректирующий фильтр с комплексным коэффициентом передачи, определяемым по формуле (12)
В рамках данной модели описания звуковых сигналов можно показать, что отличие сигналов, получаемых на стадии записи первоисточников звуков от формально приведенных ко входу микрофонов сигналов определяется передаточной характеристикой, имеющей физический смысл, аналогичный комплексному коэффициенту передачи зондирующего устройства
Понятно, что если одно и то же зондирующее устройство использовать в одном случае для записи сигналов (вводе информации), а в другом случае при звуковоспроизведении в качестве зондирующего устройства, то указанные комплексные коэффициенты могут не учитываться, поскольку они определяют систематические ошибки при вводе информации, которые взаимокомпенсируются при звуковоспроизведении.You can see that the spectrum of the listening signal will be equal to the spectrum of the source signal when performing operations according to identity (8)
The expression, enclosed in square brackets of formula (8), is a complex transmission coefficient consistent with the parameters of the elements of the sound reproduction path and the probe filter device. The expression for the complex gain of the matched filter is determined by the expression (9)
Expression (9), for the convenience of interpreting the complex transfer coefficient of a matched filter, can be represented in the form of two factors (10)
(10)
The physical meaning of expression (10) lies in the fact that to implement consistent filtering between the signal source and low-frequency amplifier, it is necessary to include a correction filter having a complex transfer coefficient determined by the formula (11)
and to compensate for distortion of the receiving element of the probing device, it is necessary to install a correction filter with a complex transmission coefficient determined by the formula (12) at its output
Within the framework of this model for describing sound signals, it can be shown that the difference between the signals obtained at the stage of recording the primary sources of sounds from formally reduced to the microphone input signals is determined by a transfer characteristic having physical meaning similar to the complex transfer coefficient of the probing device
It is clear that if the same sounding device is used in one case for recording signals (entering information), and in the other case when playing sound as a sounding device, then these complex coefficients may not be taken into account, since they determine systematic errors in entering information, which are mutually compensated during sound reproduction.
На практике достаточно сложно на аппаратурном и методологическом уровне осуществлять подобную индивидуальную схему ввода звуковой информации и обработки сигналов. Поэтому целесообразно скорректировать характеристики "микрофона-головы" и зондирующего устройства по единому принципу, например путем коррекции АЧХ и приведения ее формы к плоской АЧХ и соответственно приведения формы ФЧХ к линейной. Таким образом, возможный разбаланс электрических характеристик микрофонов зондирующего устройства может быть установлен на стадии калибровки в специальных студийных условиях (в безэховой камере). In practice, it is quite difficult at the hardware and methodological level to implement such an individual scheme for inputting audio information and processing signals. Therefore, it is advisable to adjust the characteristics of the “microphone-head” and the probe device according to a single principle, for example, by correcting the frequency response and reducing its shape to a flat frequency response and, accordingly, reducing the shape of the phase response to linear. Thus, a possible imbalance in the electrical characteristics of the microphones of the probing device can be established at the calibration stage in special studio conditions (in an anechoic chamber).
Из сравнения выражений (7) и (8) также следует, что для оптимального звуковоспроизведения необходимо сформировать в точке расположения приемного элемента зондирующего устройства (в точке прослушивания) дополнительные звуковые сигналы, имеющие противофазные составляющие по отношению к составляющим акустических помех и шумов и равные модули. From a comparison of expressions (7) and (8), it also follows that for optimal sound reproduction, it is necessary to generate additional sound signals at the location of the receiving element of the probing device (at the listening point) that have antiphase components with respect to the components of acoustic noise and noise and equal modules.
Дополнительные звуковые сигналы могут быть сформированы в точке прослушивания как с помощью вспомогательного канала звуковоспроизведения, содержащего вспомогательный усилитель низкой частоты и громкоговоритель, так и с использованием основных: усилителя низкой частоты и громкоговорителей. Последний вариант более предпочтителен по экономическим соображениям. Additional sound signals can be generated at the listening point with the help of an auxiliary sound reproduction channel containing an auxiliary low-frequency amplifier and a loudspeaker, or using the main ones: a low-frequency amplifier and loudspeakers. The latter option is more preferable for economic reasons.
При описании звуковоспроизведения в рамках модели покаскадного учета влияния элементов тракта звуковоспроизведения отсутствует ясный физический смысл некоторых формально введенных комплексных коэффициентов передачи: громкоговорителя и помещения
Строго говоря, при пространственном звуковоспроизведении помещение влияет не только на восприятие звучания громкоговорителей слушателем, но и на работу самих источников звука, так как отраженные звуковые волны попадают и на них - изменяется частотная характеристика громкоговорителей.When describing sound reproduction within the framework of the cascade model of accounting for the influence of elements of the sound reproduction path, there is no clear physical meaning of some formally introduced complex transfer coefficients: loudspeaker and premises
Strictly speaking, in spatial sound reproduction, the room affects not only the perception of the sound of the speakers by the listener, but also the work of the sound sources themselves, since the reflected sound waves also fall on them - the frequency response of the speakers changes.
С учетом указанного обстоятельства корректней было бы формально ввести общий комплексный коэффициент передачи элементов тракта: громкоговоритель - помещение При этом приведенная ко входу зондирующего устройства спектральная функция сигнала может быть представлена в виде а приведенная ко входу зондирующего устройства спектральная функция помех соответственно Тогда в соответствии с принципом суперпозиции звуковых сигналов для точки прослушивания результирующая, приведенная ко входу зондирующего устройства спектральная функция может быть представлена в виде и соответственно спектральная функция сигнала прослушивания на выходе зондирующего устройства будет определяться выражением (13)
Выражения (7) и (13) могут быть также применены при решении других кибернетических задач и оптимизации процессов информационного восприятия человеком сигналов другой физической природы, другими органами чувств, например, в оптическом (видео) диапазоне частот, с соответствующей заменой микрофонов зондирующего устройства на видеокамеры или видеодатчики сигналов визуального восприятия. В формулах (7) и (13) в рамках выбранной математической модели приводятся параметры и характеристики канала передачи информации, число которых в общем случае может быть любым, соответственно числу выбранных элементов канала передачи информации. Однако практическая ценность выделения и анализа элементов тракта звуковоспроизведения невелика, поскольку для нестационарных и неэргодических случайных процессов некоторые коэффициенты передач элементов тракта и спектральные функции сигналов и помех являются функционально зависящими от времени. Поэтому при решении указанных задач не имеет принципиального значения точное знание всех физических процессов и их взаимного влияния в каждом элементе тракта передачи информации.In view of this circumstance, it would be more correct to formally introduce the general complex transmission coefficient of the path elements: loudspeaker - room In this case, the spectral function of the signal reduced to the input of the probing device can be represented as and the spectral interference function reduced to the input of the probing device, respectively Then, in accordance with the principle of superposition of sound signals for the listening point, the resulting spectral function reduced to the input of the probing device can be represented as and accordingly, the spectral function of the listening signal at the output of the probing device will be determined by the expression (13)
Expressions (7) and (13) can also be used to solve other cybernetic problems and optimize the processes of information perception by a person of signals of a different physical nature, by other sensory organs, for example, in the optical (video) frequency range, with the corresponding replacement of the microphones of the probing device with video cameras or video sensors of visual perception signals. In formulas (7) and (13), within the framework of the chosen mathematical model, the parameters and characteristics of the information transmission channel are given, the number of which in the general case can be any, corresponding to the number of selected elements of the information transmission channel. However, the practical value of isolating and analyzing the elements of the sound reproduction path is small, since for non-stationary and non-ergodic random processes, some transmission factors of the path elements and the spectral functions of signals and noise are functionally time-dependent. Therefore, in solving these problems, accurate knowledge of all physical processes and their mutual influence in each element of the information transmission path is not of fundamental importance.
При незнании закономерностей протекания физических процессов или при невозможности получения необходимой информации априорно данного класса задачи могут быть решены только путем подгонки соответствующих параметров текущего процесса под параметры некоторого опорного процесса. Весь тракт передачи информации можно рассматривать как "черный ящик", внутренняя структура и параметры которого неизвестны, а только известно, что его влияние сводится к случайному изменению уровней и фаз компонентов полезного, информативного сигнала, и появлению помех, характеристики которых в общем случае также случайны. If you do not know the laws of physical processes or if it is impossible to obtain the necessary information a priori of this class, problems can be solved only by fitting the corresponding parameters of the current process to the parameters of some supporting process. The entire information transmission path can be considered as a “black box”, the internal structure and parameters of which are unknown, but it is only known that its influence is reduced to a random change in the levels and phases of the components of a useful, informative signal, and the appearance of interference, the characteristics of which are also generally random .
Искажающее влияние "черного ящика" можно компенсировать с помощью "белого ящика", включенного в сигнальную цепь (в тракт звуковоспроизведения). При этом необходимо как можно быстрей экспериментально подобрать параметры "белого ящика" так, чтобы нейтрализовать влияние "черного ящика". The distorting effect of the “black box” can be compensated by using the “white box” included in the signal circuit (in the sound reproduction path). In this case, it is necessary to experimentally select the parameters of the “white box” as quickly as possible so as to neutralize the effect of the “black box”.
Указанная подготовка параметров "белого ящика" - суть согласованная фильтрация и формирование дополнительных сигналов для активного шумопонижения акустических помех и шумов. The indicated preparation of the “white box” parameters is the essence of coordinated filtering and the formation of additional signals for the active noise reduction of acoustic noise and noise.
Место включения "белого ящика" в сигнальную цепь определяется по экономическим соображениям. Подобные устройства целесообразно устанавливать в слаботочных цепях, например между источником сигнала и усилителем низкой частоты. The location of the inclusion of the "white box" in the signal circuit is determined for economic reasons. It is advisable to install such devices in low-current circuits, for example, between a signal source and a low-frequency amplifier.
Отметим ряд моментов общего характера, которые целесообразно учитывать при разработке конкретных алгоритмов работы звуковоспроизводящих систем в рамках предложенного способа звуковоспроизведения. We note a number of general points that should be taken into account when developing specific algorithms for the operation of sound reproducing systems within the framework of the proposed method of sound reproduction.
Наиболее простые алгоритмы обработки сигналов по экономическим соображениям целесообразно реализовывать аппаратными средствами - в системах начального или среднего уровня качества звуковоспроизведения. Например, при использовании относительно небольшого числа полос анализа, порядка 5 - 10 шт., целесообразно для согласования энергетических параметров применять автоматические эквалайзеры, а для оптимизации задержек во времени соответствующие устройства, реализованные аппаратными средствами. It is advisable to implement the simplest signal processing algorithms for economic reasons in hardware - in systems of the initial or average level of sound reproduction quality. For example, when using a relatively small number of analysis bands, of the order of 5-10, it is advisable to use automatic equalizers to coordinate the energy parameters, and to optimize the time delays, the corresponding devices implemented in hardware.
Наиболее сложные алгоритмы обработки сигналов с большим количеством выполняемых операций и им соответствующих элементарных модулей (фильтров, линий задержек, перемножителей, сумматоров, инверторов, схем сравнения, коммутаторов и т.д.) целесообразней использовать в цифровой аппаратуре или использовать виртуальные элементарные модули - соответствующие подпрограммы при алгоритмизации процесса обработки с использованием ЭВМ. The most complex signal processing algorithms with a large number of operations and the corresponding elementary modules (filters, delay lines, multipliers, adders, inverters, comparison circuits, switches, etc.) are more appropriate to use in digital equipment or use virtual elementary modules - the corresponding subroutines in the process of algorithmization using a computer.
Действительно, для реализации полнопараметрической обработки в двухканальной системе и использовании, например, 50 полос анализа, при числе дискретных задержек во временной области порядка 200, общее число элементарных модулей системы может составить порядка 200000 - 400000 шт. Стоимость подобной системы, реализованной с использованием аналоговых устройств, может многократно превысить стоимость стандартных устройств ввода и вывода информации и ПЭВМ. Indeed, to implement full-parameter processing in a two-channel system and use, for example, 50 analysis bands, with the number of discrete delays in the time domain of about 200, the total number of elementary modules of the system can be of the order of 200,000 - 400,000. The cost of such a system, implemented using analog devices, can greatly exceed the cost of standard input and output devices and PCs.
При использовании цифровых методов обработки с использованием ЭВМ аппаратурная реализация блока обработки сигналов ("белого ящика") оптимальной звуковоспроизводящей системы строится по общеизвестной обобщенной функциональной схеме в виде последовательно соединенных: устройства ввода, обработки и ввода информации (сигналов). When using digital processing methods using a computer, the hardware implementation of the signal processing unit (the “white box”) of the optimal sound reproducing system is constructed according to the well-known generalized functional diagram in the form of series-connected: input, processing, and input devices (signals).
Функциональная схема "белого ящика", раскрывающая суть обработки информации, должна содержать следующие компоненты и связи между ними. Functional diagram of the "white box", revealing the essence of information processing, should contain the following components and the relationship between them.
Во-первых, "белый ящик" как в аналоговом, так и в цифровом исполнении должен иметь по крайней мере два входа и один выход. На один из входов должен поступать сигнал с выхода источника сигнала, на другой - искаженный сигнал - сигнал прослушивания. Firstly, the “white box” in both analog and digital versions must have at least two inputs and one output. One of the inputs should receive a signal from the output of the signal source, the other - a distorted signal - a listening signal.
Во-вторых, информационный сигнал источника в общем случае должен разветвляться внутри "белого ящика" на две ветви, выходы которых подключены к входам управляемого переключателя, выход которого является выходом "белого ящика". Secondly, the information signal of the source in the general case should branch out inside the "white box" into two branches, the outputs of which are connected to the inputs of the controlled switch, the output of which is the output of the "white box".
Одна из ветвей "белого ящика" должна быть выполнена в виде неискажающей сигнальной линии. One of the branches of the "white box" should be made in the form of a non-distorting signal line.
Сигнальная линия должна иметь постоянную АЧХ и линейную ФЧХ в полосе частот обработки сигнала. Учитывая, что любой реальный сигнал, проходя по линии, имеет задержку на ее выходе по отношению ко входному сигналу, сигнальную линию можно также назвать широкополосной линией задержки. Величину задержки сигнала в данной линии целесообразно выбрать равной времени прохождения сигнала по второй ветви для обеспечения режима синхронизации сигналов на выходах этих ветвей, т.е. по входам управляемого переключателя. В противном случае при переключении управляемого переключателя возможно появление сдвига сигнала во временной области в виде дополнительных искажений сигнала - пропадания его части или повторения части сигнала в точке прослушивания. The signal line must have a constant frequency response and a linear phase response in the frequency band of the signal processing. Given that any real signal passing through the line has a delay at its output with respect to the input signal, the signal line can also be called a broadband delay line. It is advisable to choose the value of the signal delay in this line equal to the signal travel time along the second branch to ensure the synchronization mode of the signals at the outputs of these branches, i.e. at the inputs of a controlled switch. Otherwise, when the controlled switch is switched, a signal shift in the time domain may appear in the form of additional signal distortions - its part disappears or part of the signal repeats at the listening point.
В качестве другой ветви должен использоваться аналоговый автомат или вычислительный блок, например ПЭВМ или специализированная ЭВМ. As another branch, an analog machine or a computing unit, for example a PC or a specialized computer, should be used.
Для согласования с ЭВМ сигналов с выхода источника сигнала и сигнала прослушивания необходимо преобразовать их из аналоговой формы в цифровой сигнал соответствующего стандарта. Для этих целей можно использовать стандартные аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Сигнал на выходе блока обработки сигналов ("белого ящика"), предназначенный для подключения ко входу усилителя низкой частоты, должен иметь аналоговую форму. Поэтому в устройстве "белого ящика" с цифровой обработкой сигнала необходимо иметь также цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), например стандартный ЦАП. To coordinate with a computer the signals from the output of the signal source and the listening signal, it is necessary to convert them from an analog form into a digital signal of the corresponding standard. For these purposes, you can use standard analog-to-digital converters (ADCs). The signal at the output of the signal processing unit (the “white box”), intended to be connected to the input of the low-frequency amplifier, must have an analog form. Therefore, in a “white box” device with digital signal processing, it is also necessary to have a digital-to-analog converter (DAC), for example, a standard DAC.
Возможны различные варианты выполнения функциональных схем с использованием указанных элементов. Например, можно предложить вариант с наименьшим числом функциональных узлов (канонический) в виде общего канала АЦП по входу двух ветвей, отдельный канал АЦП для другого входа, который будет преобразовывать в цифровой сигнал искаженный аналоговый сигнал с выхода линии связи. Неискажающую сигнальную линию (линию задержки) в первой ветви и управляемый переключатель целесообразно реализовать программными средствами, а на выходе ЭВМ следует установить ЦАП, сигнал с выхода которого должен быть подключен ко входу усилителя низкой частоты. Various options for the implementation of functional circuits using these elements are possible. For example, you can offer the option with the least number of functional nodes (canonical) in the form of a common ADC channel at the input of two branches, a separate ADC channel for another input, which will convert a distorted analog signal from the output of the communication line to a digital signal. It is advisable to implement a non-distorting signal line (delay line) in the first branch and a controlled switch by software, and the DAC should be installed at the computer output, the signal from the output of which should be connected to the input of the low-frequency amplifier.
Возможны и другие варианты реализации и объединения указанных элементов. Например, в качестве линии задержки можно использовать цифровую линию задержки, реализованную аппаратным способом или установить ЦАП на выходе линии задержки и выходе ЭВМ, при этом управляемый переключатель выполнить в виде аппаратно реализованного электронно-управляемого коммутатора (мультиплексора), управляемого с дополнительного выхода ЭВМ и служащего для коммутации аналоговых сигналов ветвей. Other options for implementing and combining these elements are possible. For example, as a delay line, you can use a digital delay line implemented in hardware or install a DAC at the output of the delay line and the output of a computer, and the controlled switch can be made in the form of a hardware-implemented electronically controlled switch (multiplexer) controlled from an additional computer output and serving for switching analog branch signals.
Возможны и другие эквивалентные функциональные схемы реализации блока обработки сигналов. Other equivalent functional schemes for implementing the signal processing unit are possible.
Таким образом, в двухканальном (стерео) варианте реализации системы необходимо в качестве входного согласующего устройства (устройства ввода информации) использовать двухканальный АЦП, входы которого подключаются к выходам источника сигналов, а выход ко входу ЭВМ, и двухканальный АЦП, ко входам которого подключаются сигналы с выходов линий связи, а выход ко входу ЭВМ. Другими словами, устройство ввода должно представлять собой четырехканальный АЦП. На выходе ЭВМ должен быть установлен двухканальный АЦП для подключения к усилителям низкой частоты. Thus, in the two-channel (stereo) version of the system implementation, it is necessary to use a two-channel ADC as the input matching device (information input device), the inputs of which are connected to the outputs of the signal source, and the output to the computer input, and a two-channel ADC, to the inputs of which the signals are connected outputs of communication lines, and the output to the input of the computer. In other words, the input device must be a four-channel ADC. At the computer output, a two-channel ADC must be installed for connection to low-frequency amplifiers.
Использование двух ветвей прохождения и обработки сигналов необходимо и достаточно для реализации полнопараметрической оптимальной обработки сигналов в реальном масштабе времени. The use of two branches of signal transmission and processing is necessary and sufficient for realizing full-parameter optimal signal processing in real time.
При реализации неполнопараметрической оптимальной обработки сигналов, например при реализации согласованной фильтрации только по одному параметру - энергетическому, первая ветвь и управляемый переключатель могут быть исключены. При реализации согласованной фильтрации путем оптимизации только временных задержек сигналов или их компонентов необходимо использовать две ветви прохождения сигналов. When implementing a non-full-parameter optimal signal processing, for example, when implementing coordinated filtering with only one parameter - the energy parameter, the first branch and the controlled switch can be excluded. When implementing consistent filtering by optimizing only the time delays of the signals or their components, it is necessary to use two signal propagation branches.
Указанные ветви предназначены для организации двух режимов работы системы звуковоспроизведения. В первом режиме сигнал проходит через линию с априорно известной задержкой, затем через все последующие элементы тракта звуковоспроизведения с неизвестной задержкой. В точке прослушивания сигнал представляет собой искаженный сигнал прослушивания. Этот режим является вспомогательным и необходим для зондирования канала звуковоспроизведения в текущий отрезок времени и создания условий, при которых возможно получение достоверной информации об искажениях сигналов. These branches are designed to organize two modes of operation of the sound reproduction system. In the first mode, the signal passes through the line with an a priori known delay, then through all subsequent elements of the sound reproduction path with an unknown delay. At the listening point, the signal is a distorted listening signal. This mode is auxiliary and is necessary for sounding a sound reproduction channel in the current time interval and creating conditions under which reliable information about signal distortions can be obtained.
Вторая ветвь служит для организации ввода информации об искаженном сигнале прослушивания и опорном сигнале источника, т.е. отрезков реализаций этих сигналов, анализа этих сигналов, организации режима согласованной фильтрации, формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения, суммирования предыскаженного сигнала источника и дополнительных сигналов. Указанный суммарный сигнал является выходным сигналом и, например, через программно-управляемый переключатель поступает на выходное устройство блока обработки сигналов - ЦАП, и далее на вход (входы) усилителя низкой частоты. The second branch serves to organize the input of information about the distorted listening signal and the reference signal of the source, i.e. segments of the implementation of these signals, the analysis of these signals, the organization of a coordinated filtering mode, the formation of additional signals for active noise reduction, summing the predistorted signal of the source and additional signals. The specified total signal is an output signal and, for example, through a program-controlled switch, is fed to the output device of the signal processing unit - DAC, and then to the input (inputs) of the low-frequency amplifier.
Целесообразность данного метода организации работы блока обработки сигналов ("белого ящика") обосновывается следующими соображениями. The feasibility of this method of organizing the operation of the signal processing unit (the "white box") is justified by the following considerations.
В теории дискретных и цифровых сигналов одним из основных параметров является параметр Tс - длительность сигнала. Для человека как получателя ("приемника") пространственных звуковых сигналов, которые обозначим символами F(t), формально является временной отрезок от момента рождения до смерти. Поэтому при решении конкретных кибернетических задач, т.е. задач синтеза оптимальных машин, позволяющих достигать максимальной эффективности деятельности человека в пространстве и времени, например задачи повышения качества звуковоспроизведения (задачи синтеза оптимальной, звуковой машины времени в прошлое), следует соответствующим образом адаптировать формальный математический аппарат теории дискретных и цифровых сигналов, чтобы общее решение задачи соответствовало условиям физической реализуемости и приемлемости для человека - элемента оптимальной системы "человек - машина". Другими словами, необходимо найти условия согласования принципов работы и параметров функционирования машин с психофизиологическими особенностями человека воспринимать, обрабатывать и выводить информацию (делать заключения, сопоставления, принимать решения, двигаться и т.д.).In the theory of discrete and digital signals, one of the main parameters is the parameter T c - signal duration. For a person as a recipient ("receiver") of spatial sound signals, which we denote by the symbols F (t), formally is the time interval from the moment of birth to death. Therefore, when solving specific cybernetic problems, i.e. the synthesis of optimal machines, allowing to achieve maximum efficiency of human activity in space and time, for example, the task of improving the quality of sound reproduction (the synthesis of the optimal, sound time machine in the past), the formal mathematical apparatus of the theory of discrete and digital signals should be adapted accordingly, so that the general solution of the problem corresponded to the conditions of physical feasibility and acceptability for a person - an element of the optimal system "man - machine". In other words, it is necessary to find conditions for harmonizing the principles of operation and the functioning parameters of machines with the psychophysiological characteristics of a person to perceive, process and display information (draw conclusions, compare, make decisions, move, etc.).
В общем виде решение кибернетических задач данного класса (задач оптимизации параметров неэргодических и нестационарных случайных процессов, используя параметры других - опорных процессов) может быть найдено с помощью следующего подхода. In general, the solution to the cybernetic problems of this class (optimization problems for the parameters of non-ergodic and non-stationary random processes using the parameters of other supporting processes) can be found using the following approach.
Воспользуемся ранее введенными обозначениями формализованных компонентов звуковоспроизводящей системы в модели каскадного их соединения и символьным представлением звуковых сигналов, воспринимаемых человеком в течение жизни, в виде функции F(t), где F(t) ≡ 0 при tр ≥ t ≥ tсм (фиг. 1).We will use the previously introduced notation of the formalized components of the sound reproducing system in the model of cascading their connection and the symbolic representation of the sound signals perceived by a person throughout life as a function F (t), where F (t) ≡ 0 for t p ≥ t ≥ t cm (Fig. . 1).
Для определенности постановки задачи будем полагать, что на интервале времени между tр и tсм будет расположен хотя бы один временной интервал [t1; t2] между моментами времени t1 - начала и t2 - конца звуковых сигналов F(t), которые должны по возможности максимально точно повторять звуковые сигналы первоисточников звуков той же длительности Tс = t2 - t1 (эффект Доплера не учитываем как маловероятный для данной задачи), но существовавшие ранее во временной области. Другими словами, цель решения задачи - синтез оптимального алгоритма обработки сигналов.For definiteness, the problem formulation will be assumed that the time interval between t p and t cm will be located at least one time interval [t 1; t 2 ] between time t 1 - the beginning and t 2 - the end of the sound signals F (t), which should, as far as possible, repeat the sound signals of the original sources of sounds of the same duration T c = t 2 - t 1 (the Doppler effect is not taken into account how unlikely for this task), but that existed previously in the time domain. In other words, the goal of solving the problem is the synthesis of an optimal signal processing algorithm.
Отметим, что в общем случае длительность сигнала Tс, число этих сигналов и характер расположения на оси времени априорно не определены, каждый конкретный слушатель сам определяет число и длительность сеансов оптимального (качественного) прослушивания звуковой информации от источника сигнала. Указанные параметры являются случайными величинами.Note that in the general case, the signal duration T s , the number of these signals and the nature of the location on the time axis are not a priori determined, each individual listener determines the number and duration of sessions of optimal (high-quality) listening to audio information from the signal source. The indicated parameters are random variables.
Звуковым колебаниям F(t) и U(t) на интервале времени длительностью Tс соответствуют электрические сигналы u'(t) и uист(t), спектральные функции которых ранее были обозначены Связь между этими спектральными функциями приводится в выражениях (7), (8), (13), пределы интегрирования равны Tс.Sound vibrations F (t) and U (t) over a time interval of duration T s correspond to electric signals u '(t) and u ist (t), the spectral functions of which were previously indicated The relationship between these spectral functions is given in expressions (7), (8), (13), the integration limits are T c .
Адаптировать теорию дискретных и цифровых сигналов для решения вышесформулированной задачи можно, если любой временной отрезок Tс между моментами времени t1 и t2 (фиг. 1) представить в виде выражения (14)
где m и k - целые числа, удовлетворяющие соотношениям (15)
Ряд (14) представляет собой чередующиеся друг за другом временные интервалы . Эти интервалы функциональны: отрезки времени предназначены для организации режима прохождения сигналов по первой ветви блока обработки сигналов и далее через все элементы тракта звуковоспроизведения до точки прослушивания. В течение этого интервала опорным, "идеальным" сигналом осуществляется зондирование всего тракта звуковоспроизведения и искаженный сигнал наряду с опорным посредством АЦП вводится в ЭВМ. На отрезке осуществляется процесс вычисления задержек, а также может быть начат процесс статистического анализа параметров сигналов и оптимизация энергетики сигнала.It is possible to adapt the theory of discrete and digital signals to solve the problem formulated above if any time interval T s between time instants t 1 and t 2 (Fig. 1) can be represented as expression (14)
where m and k are integers satisfying relations (15)
Series (14) are alternating time intervals . These intervals are functional: time spans designed to organize the mode of signal propagation along the first branch of the signal processing unit and then through all the elements of the sound reproduction path to the listening point. During this interval, the reference, "ideal" signal is used to probe the entire sound path and the distorted signal, along with the reference signal, is input into the computer via the ADC. On the segment the process of calculating delays is carried out, and the process of statistical analysis of signal parameters and optimization of signal energy can also be started.
Отрезки времени предназначены для организации (квазиоптимального) режима воспроизведения по памяти временных параметров сигналов. Этот режим наступает после осуществления всех необходимых вычислений оптимальных временных задержек и переключения управляемого переключателя. В течение отрезка времени временные параметры сигналов (их задержки друг относительно друга) не изменяются. В это время также осуществляется оптимизация энергетических параметров сигналов и текущая оптимизация при формировании дополнительных сигналов для активного шумопонижения. В течение этого отрезка времени может быть продолжен процесс статистического анализа параметров сигналов и помех.Time segments are intended for organization of a (quasi-optimal) mode of reproducing from memory the temporal parameters of signals. This mode occurs after all necessary calculations of the optimal time delays and the switching of the controlled switch are performed. Over a period of time time parameters of signals (their delays relative to each other) are not changed. At this time, the energy parameters of the signals are also being optimized and the current optimization is being carried out while generating additional signals for active noise reduction. During this period of time, the process of statistical analysis of signal and interference parameters can be continued.
В специализированных ЭВМ обработка сигналов может осуществляться с использованием нескольких параллельно работающих процессоров. In specialized computers, signal processing can be carried out using several parallel processors.
В простейшем варианте реализации программ работы оптимальной обработки параметры могут формироваться соответствующим (синхронизирующим) генератором с жестко заданным периодом следования и скважностью импульсов , который синхронизирует во времени операции по обработке сигналов и определяет состояние управляемого переключателя. В более сложных вариантах реализации программ параметры могут быть переменными и функционально зависеть от вычисляемых в процессе обработки сигналов динамических изменений параметров сигналов. Например, если в процессе пяти последовательных циклов сбора, анализа параметров сигналов выясняется, что сигналы практически не изменяются, т.е. звуковоспроизведение осуществляется в квазистационарных условиях, то в процессе выполнения программы работы системы параметры или один из них могут быть изменены.In the simplest version of the implementation of optimal processing programs, the parameters can be formed by the corresponding (synchronizing) generator with a strictly specified repetition period and pulse duty cycle , which synchronizes the signal processing operations in time and determines the state of the controlled switch. In more complex program implementation options can be variables and functionally depend on the dynamic changes of signal parameters calculated during signal processing. For example, if in the course of five consecutive collection cycles, analysis of signal parameters, it turns out that the signals practically do not change, i.e. sound reproduction is carried out in quasi-stationary conditions, then in the process of executing the program of work of the system, the parameters or one of them is subject to change.
Важно отметить, что при реализации алгоритмов оптимизации временных задержек сигналов, например при реализации полнопараметрического оптимального алгоритма, в течение времени сигнал в точке прослушивания является искаженным: отсутствуют предыскажения информационного сигнала по временным параметрам. Поэтому при выборе параметров следует руководствоваться следующим.It is important to note that when implementing algorithms for optimizing the time delays of signals, for example, when implementing a full-parameter optimal algorithm, over time the signal at the listening point is distorted: there is no predistortion of the information signal in time parameters. Therefore, when choosing the parameters should be guided by the following.
Во-первых, величину параметра желательно выбрать как можно меньше. Минимальное значение отрезка определяется нижней частотой звукового диапазона в соответствии с условием (16)
где fн и Tн - частота и период нижней частоты звукового диапазона. Условие (16) позволяет осуществлять анализ компонентов сигнала на любой частоте в полосе звуковоспроизведения (fн ≤ f ≤ fв).Firstly, the value of the parameter it is advisable to choose as little as possible. The minimum value of the segment determined by the lower frequency of the sound range in accordance with condition (16)
where f n and T n - the frequency and period of the lower frequency of the sound range. Condition (16) allows the analysis of signal components at any frequency in the sound reproduction band (f n ≤ f ≤ f in ).
Параметр следует выбирать также исходя из возможной удаленности точки прослушивания от громкоговорителя и, как уже отмечалось, исходя из особенностей динамических изменений параметров во времени при звуковоспроизведении в конкретных акустических и шумовых условиях.Parameter should also be selected on the basis of the possible remoteness of the listening point from the loudspeaker and, as already noted, on the basis of the characteristics of dynamic changes in parameters over time during sound reproduction in specific acoustic and noise conditions.
Понятно, что, увеличивая параметр т.е. увеличивая отрезок реализации сигналов, можно получить более информативный "образ" сигнала и в дальнейшем путем корреляционной обработки этих сигналов более точно находить временные задержки сигналов и их компонентов. Для ввода в систему сигнала, являющегося реакцией системы на сигнал источника, необходимо, чтобы параметр был больше времени задержки Δtз сигнала при прохождении всех элементов тракта звуковоспроизведения до точки прослушивания. Более того, это условие целесообразно усилить для повышения точности корреляционной обработки и представить в виде (17)
Полагая, что удаление точки прослушивания от громкоговорителя для подавляющего большинства помещений прослушивания составляет не более 3 - 6 м, что соответствует задержке сигнала не более 0,01 - 0,02 с, можно сделать вывод, что для подобных помещений условие (17) согласуется с условием (16).It is clear that by increasing the parameter those. by increasing the period of implementation of the signals, it is possible to obtain a more informative "image" of the signal, and later, by correlation processing of these signals, it is more accurate to find the time delays of the signals and their components. To enter the signal into the system, which is the response of the system to the source signal, it is necessary that the parameter there was a longer delay time Δt s of the signal when all the elements of the sound reproduction path passed to the listening point. Moreover, it is advisable to strengthen this condition to increase the accuracy of correlation processing and present it in the form (17)
Assuming that the distance of the listening point from the loudspeaker for the vast majority of listening rooms is not more than 3 - 6 m, which corresponds to a signal delay of not more than 0.01 - 0.02 s, we can conclude that for such rooms condition (17) is consistent with condition (16).
Таким образом, при составлении алгоритмов оптимальной обработки сигналов целесообразно задавать параметр в интервале, например, [0,05; 1,0] с, а параметр в интервале, например, [0,1; 120] c.Thus, when compiling the optimal signal processing algorithms, it is advisable to set the parameter in the range of, for example, [0.05; 1,0] s, and the parameter in the range of, for example, [0.1; 120] c.
Представление сигнала звуковоспроизведения длительностью Tс в виде (14) позволяет найти общее решение задачи повышения качества передачи информации в канале со случайными параметрами.Representation of an audio signal with a duration of T s in the form (14) allows us to find a general solution to the problem of improving the quality of information transmission in a channel with random parameters.
Вышеизложенный подход можно проиллюстрировать множеством примеров взаимодействия человека и машин в сложных, динамично изменяющихся условиях их использования. Например, при езде на автомобиле в ненастную погоду водитель выбирает режим работы стеклоочистителя лобового стекла в соответствии с параметрами осадков. При слабом дожде водитель интуитивно устанавливает режим работы с большим периодом срабатывания щеток стеклоочистителя потому, что отвлекающее внимание водителя и мешающее обзору дороги перемещение щеток минимально, а видимость в промежутках между циклами срабатывания стеклоочистителя остается на удовлетворительном уровне. При сильном дожде, когда часто падающие, крупные капли дождя сильно ухудшают видимость (капли дождя и ухудшение видимости можно интерпретировать, как появление сильной помехи, искажающей восприятие информации в оптическом канале получения этой информации, аналогично акустическим шумам при звуковоспроизведении), водитель, экспериментируя с возможными режимами работы стеклоочистителя, переключает их в режим работы с малым периодом срабатывания щеток стеклоочистителя. И хотя помеха от движения щеток увеличивается, но в то же время уменьшаются искажения визуальной информации за счет капель дождя так, что общее результирующее восприятие визуальной информации улучшается. The above approach can be illustrated by many examples of the interaction of man and machines in complex, dynamically changing conditions for their use. For example, when driving a car in inclement weather, the driver selects the mode of operation of the windshield wiper in accordance with the parameters of precipitation. In light rain, the driver intuitively sets the mode of operation with a long period of operation of the wiper blades because the driver’s distracting attention and the view of the road interfering with the road are minimized, and the visibility between the wiper cycles is satisfactory. In heavy rain, when it is often falling, large raindrops greatly impair visibility (raindrops and reduced visibility can be interpreted as the appearance of strong noise distorting the perception of information in the optical channel for obtaining this information, similar to acoustic noise during sound reproduction), the driver experimenting with possible the wiper operating modes, switches them to the operation mode with a short period of operation of the wiper blades. And although the interference from the movement of the brushes increases, but at the same time, the distortion of visual information due to raindrops is reduced so that the overall resulting perception of visual information is improved.
Таким образом, отрезок времени, в течение которого щетки стеклоочистителя перемещаются по стеклу, давая при этом некоторое ухудшение восприятия информации, аналогичен отрезку После очередного движения щеток очищенное стекло обеспечивает более высокую его способность пропускать через себя без искажений световую информацию аналогично той части отрезка , на котором должна осуществляться согласованная фильтрация и активное шумопонижение для качественного восприятия звуковой информации.Thus, the period of time during which the wiper blades move along the glass, while giving some deterioration in the perception of information, is similar to the segment After the next movement of the brushes, the cleaned glass provides a higher ability to pass through it without distortion the light information similar to that part of the segment at which consistent filtering and active noise reduction should be carried out for a high-quality perception of sound information.
Существенное отличие данного примера от изложенного выше способа в том, что в явном виде отсутствует "идеальный" (опорный) процесс, с которым сравниваются текущие параметры процесса передачи информации. Но в неявном виде опорный процесс все же присутствует в системе "человек - машина" - в виде запечатленных в памяти водителя типовых дорожных образов (образов дорог, машин, дорожных знаков, разметок, мостов, световых сигналов наружного освещения автомобилей, светофоров, образцов ландшафта и т.д.) и возможных взаимных расположений и динамических связей между этими образами или их элементами. Например, при усилении дождя, когда восприятие дорожных образов сильно ухудшается и человек на подсознательном уровне, осуществляя текущую корреляционную обработку визуальной информации, получает низкие значения коэффициентов корреляции анализируемых образов или их элементов с хранящимися в его памяти "идеальными" образами, например четко не видит границ проезжей части или окружающей обстановки далее чем на 20 метров, то он включает стеклоочиститель в режим интенсивной работы, оптимизируя (максимизируя) с помощью данного устройства фактически соотношение сигнал/шум (или СКО) визуальной информации. Подобно тому как режим оптимальной работы стеклоочистителя зависит от погодных условий, также и при звуковоспроизведении с использованием сложных, интеллектуальноемких алгоритмов обработки сигналов параметры могут изменяться в процессе работы в широких пределах.A significant difference between this example and the above method is that there is no explicit “ideal” (reference) process with which the current parameters of the information transfer process are compared. But in an implicit form, the supporting process is still present in the "man-machine" system - in the form of typical road images (images of roads, cars, road signs, markings, bridges, street lights, cars, traffic lights, landscape samples and etc.) and possible mutual arrangements and dynamic connections between these images or their elements. For example, when rain intensifies, when the perception of road images greatly deteriorates and a person at a subconscious level, performing current correlation processing of visual information, gets low values of correlation coefficients of the analyzed images or their elements with “ideal” images stored in his memory, for example, he does not clearly see the boundaries the roadway or the environment further than 20 meters, then it turns on the wiper in intensive mode, optimizing (maximizing) using this device Signal-to-noise ratio (or RMSE) of visual information. Just as the wiper optimal operation mode depends on weather conditions, the parameters for sound reproduction using complex, intellectually intensive signal processing algorithms can vary in the course of work over a wide range.
Например, когда заканчивается дождь, водитель отключает стеклоочиститель до следующего дождя, что соответствует существенному (на порядки) увеличению значения параметра
Однако не для всех практических ситуаций увеличение частоты срабатывания щеток стеклоочистителя является оптимальным решением. Например, при увеличении плотности капель дождя вплоть до полного их слияния (например, при падении автомобиля в реку) или в условиях сильного снегопада или тумана работа щеток теряет практический смысл, т.е. с помощью данной машины нельзя повысить качество приема визуальной информации. Аналогично и в звуковоспроизведении при сильных широкополостных или импульсных помехах эффективность работы системы может быть ограничена конкретными условиями звуковоспроизведения. В условиях помех с быстроизменяющимися параметрами, значения которых соизмеримы с временем задержки сигнала в тракте звуковоспроизведения, система может осуществлять лишь частичное подавление помех или вообще не успевать их отслеживать и подавлять. В этой ситуации возможен даже рост СКО. Поэтому при синтезе алгоритмов оптимальной обработки необходимо предусмотреть меры противодействия указанным эффектам, например отключать или дополнительно демпфировать узлы автоматического регулирования параметров сигналов.For example, when the rain ends, the driver turns off the wiper until the next rain, which corresponds to a significant (by orders of magnitude) increase in the parameter value
However, not for all practical situations, increasing the frequency of operation of the wiper blades is the optimal solution. For example, when the density of rain drops increases until they merge completely (for example, when a car falls into a river) or in conditions of heavy snowfall or fog, the operation of the brushes loses its practical meaning, i.e. with the help of this machine it is impossible to improve the quality of reception of visual information. Similarly, in sound reproduction with strong wideband or pulsed noise, the system performance may be limited by the specific conditions of sound reproduction. In conditions of interference with rapidly changing parameters, the values of which are comparable with the delay time of the signal in the sound reproduction path, the system can only partially suppress interference or not have time to track and suppress them at all. In this situation, even an increase in DIS is possible. Therefore, in the synthesis of optimal processing algorithms, it is necessary to provide measures to counteract these effects, for example, disable or additionally damp the nodes of automatic control of signal parameters.
В примере взаимодействия водителя и стеклоочистителя автомобиля аналогичная ситуация соответствует принятию решения водителем о необходимости снижения скорости езды или даже полному прекращению движения в условиях плохой видимости и соответственно выключению стеклоочистителя. In the example of interaction between the driver and the car wiper, a similar situation corresponds to a decision by the driver about the need to reduce the driving speed or even completely stop the movement in conditions of poor visibility and, accordingly, turn off the wiper.
Таким образом, представление времени в виде ряда (14) искусственным путем позволяет смоделировать неэргодические и нестационарные процессы в виде чередующихся друг за другом участков этих процессов, которые моделируются в виде стационарных процессов. Thus, the representation of time in the form of series (14) in an artificial way allows us to simulate non-ergodic and non-stationary processes in the form of alternating sections of these processes, which are modeled as stationary processes.
Параметры этих процессов за время их анализа и обработки изменяются незначительно, так что оказывается целесообразно воспроизводить сигналы в скорректированной форме на основании предыдущего цикла анализа, т.е. по памяти. В результате подобной обработки сигналов удается по объективным критериям повышать соотношение сигнал/шум (помеха) и точность передачи информации к слушателю. Указанный прием позволяет разделить во временной области процессы ввода, обработки и вывода информации, не прерывая восприятия человеком информационного потока. Другими словами, за счет указанных действий удается разорвать взаимозависимость АЧХ и ФЧХ оптимизируемых сигналов. Предложенный метод корректирования параметров воспроизводимых сигналов имеет некоторую аналогию с процессом прерываемого воспроизведения сигналов по памяти в автомобильных проигрывателях CD, снабженных системой воспроизведения сигналов во время сильной вибрации и тряски при езде по неровной дороге. The parameters of these processes during the analysis and processing change insignificantly, so it turns out to be expedient to reproduce the signals in the corrected form based on the previous analysis cycle, i.e. by memory. As a result of such signal processing, it is possible by objective criteria to increase the signal-to-noise ratio (interference) and the accuracy of information transfer to the listener. The specified technique allows you to separate in the time domain the processes of input, processing and output of information without interrupting the perception of the human information flow. In other words, due to these actions, it is possible to break the interdependence of the frequency response and phase response of the optimized signals. The proposed method for adjusting the parameters of reproducible signals has some analogy with the process of interrupted playback of signals from memory in car CD players equipped with a system for reproducing signals during strong vibration and shaking when driving on rough roads.
В многоканальных звуковоспроизводящих системах необходимо предусмотреть в алгоритмах обработки сигналов возможность появления аномальных ошибок при нахождении задержек сигналов и их компонентов. In multichannel sound-reproducing systems, it is necessary to provide in the signal processing algorithms the possibility of the appearance of anomalous errors when finding the delays of the signals and their components.
Указанные ошибки могут появляться в результате ошибочного сопоставления и анализа сигналов для разных каналов, поскольку сигналы в каналах звуковоспроизведения сильно скоррелированы и в точках прослушивания значительную часть времени присутствуют сигналы, имеющие составляющие на одних или близких частотах. В подобной ситуации сигналы, например, левого канала при определении задержек будут представлять собой помеху для правого канала и наоборот. Проблема подобного рода может быть решена путем кратковременного стробирования одного из каналов на время, необходимое для достоверного нахождения задержек сигналов в другом канале. Стробирование может осуществляться как во всей полосе звуковых частот, так и на отдельных полосах анализа. Стробирование сигналов может осуществляться микропроцессорными устройствами управления или программными средствами. The indicated errors can appear as a result of erroneous comparison and analysis of signals for different channels, since the signals in the sound reproduction channels are highly correlated and signals having components at the same or close frequencies are present for a significant part of the time. In such a situation, the signals of, for example, the left channel when determining the delays will be an obstacle for the right channel and vice versa. A problem of this kind can be solved by briefly gating one of the channels for the time necessary to reliably find the signal delays in the other channel. Gating can be carried out both in the entire band of sound frequencies, and in separate bands of analysis. Gating of signals can be carried out by microprocessor control devices or software.
Для исключения аномальных ошибок за счет шумов и помех возможно использование статистических методов обработки параметров сигналов. В подобных методах результаты измерения соотношения сигнал/шум можно использовать в качестве критерия достоверности измеренного параметра. To eliminate anomalous errors due to noise and interference, it is possible to use statistical methods for processing signal parameters. In such methods, the results of measuring the signal-to-noise ratio can be used as a criterion for the reliability of the measured parameter.
При составлении алгоритмов для формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения необходимо учитывать, что расстояние от возможных источников акустических помех и шумов до точек прослушивания, а также расстояние от громкоговорителей до точек прослушивания в общем случае являются случайными параметрами. Поэтому общим для алгоритмов формирования дополнительных сигналов является подгонка априорно неизвестных параметров этих сигналов под требуемые по следующим критериям. When compiling algorithms for generating additional signals for active noise reduction, it is necessary to take into account that the distance from possible sources of acoustic noise and noise to the listening points, as well as the distance from the speakers to the listening points are generally random parameters. Therefore, it is common for algorithms for generating additional signals to fit a priori unknown parameters of these signals to those required by the following criteria.
Во-первых, необходимо в каждой полосе анализа определить соотношение сигнал/шум (помеха). Если соотношение сигнал/шум ниже порогового, необходимо сформировать, например с помощью электронного ключа, дополнительный сигнал. Firstly, it is necessary to determine the signal to noise ratio (interference) in each analysis band. If the signal-to-noise ratio is below the threshold, it is necessary to generate, for example, using an electronic key, an additional signal.
Во-вторых, необходимо излучить этот сигнал, имеющий в начальной фазе случайные параметры. Этот сигнал, достигнув в пространстве звуковоспроизведения точки прослушивания, в соответствии с принципом суперпозиции сигналов приведет к изменению параметров совокупного акустического сигнала. Уровень сигнала скачком либо увеличится (при синфазном сложении сигналов), или уменьшится. Скачкообразное изменение уровня сигналов в точке прослушивания, кстати сказать, может использоваться в алгоритмах нахождения задержек сигналов. Secondly, it is necessary to radiate this signal, which has random parameters in the initial phase. This signal, having reached the listening point in the sound reproduction space, in accordance with the principle of signal superposition will lead to a change in the parameters of the total acoustic signal. The signal level will jump either increase (in common-mode signal addition), or decrease. An abrupt change in the level of signals at the listening point, by the way, can be used in algorithms for finding signal delays.
В-третьих, необходимо путем последовательных приближений (итерационным путем) осуществить фазовую оптимизацию дополнительных сигналов, например, дискретно изменяя задержку во времени дополнительного сигнала. Критерием окончания процесса оптимизации фазы дополнительного сигнала служит минимум уровня компонентов помех в сигнале прослушивания. Thirdly, it is necessary by successive approximations (iteratively) to carry out phase optimization of additional signals, for example, discretely changing the time delay of the additional signal. The criterion for completing the phase optimization process of the additional signal is the minimum level of interference components in the listening signal.
В-четвертых, необходимо путем последовательных приближений осуществить энергетическую оптимизацию дополнительного сигнала. Критерием окончания процесса оптимизации уровней дополнительных сигналов является также минимум уровня компонентов помех в сигнале прослушивания. Fourth, it is necessary through successive approximations to carry out energy optimization of the additional signal. The criterion for the end of the process of optimizing the levels of additional signals is also the minimum level of interference components in the listening signal.
Очевидно, что для стационарных помех, параметры которых во времени не изменяются, выбрав соответствующим образом шаг дискретизации во временной и энергетической областях оптимизации параметров, может быть достигнуто понижение шумов с требуемой точностью, т.е. с допустимым уровнем соотношения сигнал/шум и СКО. Obviously, for stationary interference, the parameters of which do not change over time, by choosing the appropriate sampling step in the time and energy domains of parameter optimization, noise reduction can be achieved with the required accuracy, i.e. with acceptable signal to noise ratio and standard deviation.
Таким образом, при формировании дополнительных сигналов для активного шумопонижения необходимо в соответствующей полосе анализа осуществлять двухпараметрическую оптимизацию сигнала. Thus, when generating additional signals for active noise reduction, it is necessary to carry out two-parameter signal optimization in the corresponding analysis band.
В заключение обоснования предложенного способа звуковоспроизведения прокомментируем взаимосвязь между функциями U(t) и F(t). In conclusion, the rationale for the proposed method of sound reproduction will comment on the relationship between the functions U (t) and F (t).
В отдельных случаях, на некоторых отрезках времени T'c, функции U(t) и F(t) для слушателя могут быть (в рамках используемых математической и физической моделей описания звуковоспроизведения) тождественно равны, т.е. полностью совпадать. Практически подобная ситуация возможна, например, когда посетитель концерта, используя стереомагнитофон и микрофоны, расположенные на его голове, прослушивает и одновременно осуществляет магнитную запись звуковой информации во время этого концерта (T'c=t'2-t'1). После проведения подобной записи слушатель в удобное для себя время, т.е. уже в другом временном интервале Tc= t2-t1 и в других акустических условиях, например домашних, с помощью системы оптимального звуковоспроизведения, в которой в качестве зондирующего устройства используются те же микрофоны, что и при записи концерта, может повторно прослушать всю (T'2=Tc) или часть (T'c≠Tc) записи.In some cases, over some time intervals T ' c , the functions U (t) and F (t) for the listener can be (within the framework of the mathematical and physical models used to describe sound reproduction) identically equal, i.e. match completely. A practically similar situation is possible, for example, when a visitor to a concert, using a stereo tape recorder and microphones located on his head, listens and simultaneously records magnetic sound information during this concert (T ' c = t' 2 -t ' 1 ). After conducting such a recording, the listener at a convenient time for himself, i.e. already in another time interval T c = t 2 -t 1 and in other acoustic conditions, for example, at home, using the optimal sound reproduction system, in which the same microphones are used as the sounding device as when recording a concert, it can repeatedly listen to the whole ( T ' 2 = T c ) or part (T' c ≠ T c ) of the record.
Данная ситуация на практике встречается редко. На практике чаще встречается вариант, когда человек желает прослушать дома, например, концерт любимой рок-группы, запись которого сделана еще до его рождения или на который слушатель не смог попасть по другим причинам. В рамках предложенного способа звуковоспроизведения слушатель может осуществить высококачественное прослушивание записи, которую ранее никогда не слышал и в принципе никогда не мог услышать. В качестве носителя информации ему следует приобрести, например, персонифицированный компакт-диск, соответствующий размеру его головы, и элементы оптимальной звуковоспроизводящей системы, откалиброванные в студийных условиях по универсальным критериям: с постоянной АЧХ и линейной ФЧХ. Слушатель может осуществлять качественное звуковоспроизведение сигналов многократно и в различных помещениях прослушивания, например в автомобиле, в условиях более сильных шумов и помех. This situation is rare in practice. In practice, the more common option is when a person wants to listen at home, for example, a concert of his favorite rock band, a recording of which was made before his birth or to which the listener could not get for other reasons. In the framework of the proposed method of sound reproduction, the listener can perform high-quality listening to a recording that he had never heard before and, in principle, could never hear. As a storage medium, he should purchase, for example, a personalized CD-ROM corresponding to the size of his head, and elements of an optimal sound reproducing system, calibrated in studio conditions according to universal criteria: with constant frequency response and linear phase response. The listener can perform high-quality sound reproduction of signals repeatedly and in various listening rooms, for example, in a car, in conditions of stronger noise and interference.
Очевидно, что в зависимости от акустических свойств помещения прослушивания, характеристик и интенсивности шумов отличие сигналов прослушивания от сигналов первоисточника будет разным. Другими словами, среднеквадратическое отклонение сигнала прослушивания от сигнала источника является функцией параметров тракта звуковоспроизведения, можно измерять в процессе обработки сигналов и поэтому данный параметр целесообразно использовать в качестве универсальной интегральной характеристики для описания качества (точности) работы звуковоспроизводящей системы и классификации систем.Obviously, depending on the acoustic properties of the listening room, characteristics and noise intensity, the difference between listening signals from the source signals will be different. In other words, the standard deviation of the listening signal from the source signal is a function of the parameters of the audio reproduction path, can be measured in the process of signal processing, and therefore this parameter should be used as a universal integral characteristic to describe the quality (accuracy) of the sound reproducing system and the classification of systems.
Отметим, что СКО как интегральный параметр, дающий объективное представление о качестве звуковоспроизведения, принципиально не может быть использован для традиционных звуковоспроизводящих систем потому, что несмотря на наличие локальных обратных связей, например, в усилителях низкой частоты в традиционных системах отсутствует обратная связь между входом и выходом всего тракта звуковоспроизведения и, следовательно, отсутствует возможность сравнения реализаций сигналов и определения СКО. В традиционных звуковоспроизводящих системах каждый отдельный аппаратурный элемент тракта звуковоспроизведения описывается целой группой показателей качества, например нелинейными искажениями, интермодуляционными искажениями, фазовыми искажениями, переходными искажениями, искажениями АЧХ и т.д., которые в действительности не являются независимыми показателями и фактически в разной физической интерпретации показывают способность устройств повторять форму входного сигнала на их выходе. Большое число показателей качества затрудняет интегральную оценку устройств преобразовывать сигналы без искажений. Поскольку различие двух сигналов полностью описывается с помощью СКО, то при классификации работы звуковоспроизводящих систем целесообразно анализировать значения СКО как всей системы в целом, так и отдельных аппаратурных ее элементов по тест-сигналам, имитирующим всевозможные формы реальных звуковых сигналов. Общепринятое нормирование параметров систем по нескольким гармоническим сигналам, например, номинального уровня на низких, средних и высоких частотах полосы звуковоспроизведения не вполне соответствует реальным звуковым сигналам и особенностям работы устройств при воздействии этих сигналов. Note that the standard deviation as an integral parameter that gives an objective idea of the quality of sound reproduction cannot fundamentally be used for traditional sound reproducing systems because despite the presence of local feedbacks, for example, in low-frequency amplifiers in traditional systems, there is no feedback between input and output of the entire sound reproduction path and, therefore, there is no possibility of comparing signal implementations and determining the standard deviation. In traditional sound reproducing systems, each individual hardware element of the sound reproduction path is described by a whole group of quality indicators, for example, nonlinear distortions, intermodulation distortions, phase distortions, transient distortions, frequency response distortions, etc., which are actually not independent indicators and actually in different physical interpretations show the ability of devices to repeat the shape of the input signal at their output. A large number of quality indicators makes it difficult to integrate the evaluation of devices to convert signals without distortion. Since the difference between the two signals is fully described using the standard deviation, it is advisable to analyze the standard deviation of the entire system as a whole and its individual hardware elements using test signals that simulate all possible forms of real sound signals when classifying sound reproducing systems. The generally accepted normalization of system parameters for several harmonic signals, for example, the nominal level at low, medium, and high frequencies of the audio reproduction band, does not quite correspond to the real sound signals and the features of the operation of devices under the influence of these signals.
Наиболее подходящей моделью тест-сигналов для испытания систем и их классификации по значениям СКО может быть, например, группа из следующих сигналов:
1) сигнал типа "розовый шум" с частотными границами полосы звуковоспроизведения, с линейно-возрастающим уровнем от нуля максимального значения; скорость нарастания варьируется; в частном случае, импульсный шумовой сигнал;
2) шумоподобный сигнал со ступенчато-возрастающим от нуля до максимума уровнем.The most suitable model of test signals for testing systems and their classification by RMSE values can be, for example, a group of the following signals:
1) a signal of the type "pink noise" with frequency boundaries of the audio reproduction band, with a linearly increasing level from zero of the maximum value; slew rate varies; in a particular case, a pulsed noise signal;
2) a noise-like signal with a stepwise increasing from zero to maximum level.
Применение подобных сигналов обосновывается возможностью совмещения анализа системы в частотной области и динамических свойств системы, т.е. анализа во временной области. The use of such signals is justified by the possibility of combining the analysis of the system in the frequency domain and the dynamic properties of the system, i.e. analysis in the time domain.
Указанные тест-сигналы могут быть стандартизированы и генерироваться самой оптимальной звуковоспроизводящей системой для ее тестирования при покупке и во время эксплуатации, например для тестирования акустических свойств помещения прослушивания, или выборе наиболее удачного места расположения громкоговорителей, или ускоренной первоначальной самоадаптации системы. These test signals can be standardized and generated by the most optimal sound reproducing system for testing it during purchase and during operation, for example, for testing the acoustic properties of the listening room, or choosing the most suitable speaker location, or accelerated initial self-adaptation of the system.
Использование данного подхода позволит на практике потребителю осуществлять выбор элементов звуковоспроизводящих систем и по их объективным параметрам, а не по случайным критериям, например под воздействием рекламы производителя, заявленных технических параметров устройств или мнения продавца, аргументирующего превосходство звуковоспроизводящего устройства или системы более высокой репутацией фирмы-производителя. Using this approach will allow the consumer to practice the choice of elements of sound-reproducing systems according to their objective parameters, and not according to random criteria, for example, under the influence of a manufacturer’s advertisement, the declared technical parameters of devices or the seller’s opinion, which argues that a sound-reproducing device or system is superior to a manufacturer’s higher reputation .
Например, заменяя методом исключения сравниваемые элементы аппаратуры при прочих равных условиях, потребитель может оперативно выбрать, например, УНЧ, который обеспечивает наименьшее СКО тест-сигналов или при равном СКО имеет меньшую стоимость. С помощью аналогичной методики потребитель может осознанно приобретать программное обеспечение при реализации блока обработки сигналов с использованием ЭВМ. For example, by replacing the components of the equipment under comparison, ceteris paribus, the consumer can quickly choose, for example, ULF, which provides the lowest standard deviation of test signals or at equal standard deviation has a lower cost. Using a similar technique, a consumer can consciously acquire software when implementing a signal processing unit using a computer.
Рассмотрим варианты выполнения систем оптимального звуковоспроизведения и примеры алгоритмов оптимальной обработки сигналов. Consider the options for the implementation of optimal sound reproduction systems and examples of algorithms for optimal signal processing.
Система оптимального звуковоспроизведения (фиг.2) содержит источник 1 сигнала и канал звуковоспроизведения, выполненный в виде усилителя 2 низкой частоты и громкоговорителя 3, связанных последовательно, зондирующего устройства 4, блока 5 обработки сигналов, выполненного с возможностью согласованной фильтрации сигнала источника 1, линии связи 6, при этом выход зондирующего устройства 4 посредством линии связи 6 подключен к первому входу блока 5 обработки сигналов. Ко второму входу блока 5 обработки сигналов подключен выход источника 1 сигнала, а выход блока 5 обработки сигналов связан со входом усилителя 2 низкой частоты. The optimal sound reproduction system (Fig. 2) contains a
Согласно изобретению блок 5 обработки сигналов выполнен с возможностью формирования на его выходе дополнительных сигналов для активного шумопонижения. According to the invention, the
Работает система оптимального звуковоспроизведения (фиг.2) следующим образом. The system of optimal sound reproduction (Fig. 2) works as follows.
Посредством приемного элемента зондирующего устройства 4 осуществляется прием звуковых сигналов, присутствующих в точке его расположения, - прямых звуковых волн от громкоговорителя 3, переотраженных от стен и иных предметов помещения акустических волн громкоговорителя 3, акустических помех и шумов различной природы происхождения. By means of the receiving element of the probing
Принятый совокупный, акустический, искаженный сигнал преобразуется в электрический сигнал прослушивания и посредством линии связи 6 поступает на первый вход блока 5 обработки сигналов. The received aggregate, acoustic, distorted signal is converted into an electrical listening signal and through the
В качестве линии связи 6 может использоваться кабельная или беспроводная линия связи 6, например линия связи 6 с использованием радиоволн или инфракрасных волн. Искажения сигнала в линии связи 6 определяют порог точности работы системы (СКО) и поэтому предпочтительней использование линий связи в виде закрытого канала передачи информации: кабельных линий, волоконно-оптических линий или каналов передачи информации, в которых используются методы кодирования сигналов. As the
На второй вход блока 5 обработки сигналов подается сигнал с выхода источника 1. The second input of
В блоке 5 обработки сигналов в соответствии с заданным аппаратным или программным способом алгоритмом осуществляется обработка сигналов, заключающаяся в осуществлении согласованной фильтрации сигнала источника 1 и формировании дополнительных сигналов для активного шумопонижения. Выходной сигнал блока 5 обработки сигналов представляет собой сумму оптимального скорректированного сигнала источника 1 и дополнительных сигналов. Этот сигнал, проходя через канал звуковоспроизведения: усилитель 2 низкой частоты, громкоговоритель 3 и помещение прослушивания, в точке расположения приемного элемента зондирующего устройства 4, повторяет электрический сигнал источника 1 сигнала с максимально возможной точностью. In the
Если конкретные условия звуковоспроизведения не позволяют осуществлять воспроизведение в точке прослушивания сигнала с некоторой точностью, то звуковоспроизведение не является оптимальным в смысле гарантий качества. В подобной ситуации система обеспечивает уменьшение энтропии в канале звуковоспроизведения, но при этом требуемое соотношение сигнал/шум или СКО не достигается. If the specific conditions of sound reproduction do not allow the reproduction at the point of listening to the signal with some accuracy, then sound reproduction is not optimal in the sense of quality guarantees. In such a situation, the system provides a decrease in entropy in the sound reproduction channel, but the required signal-to-noise ratio or standard deviation is not achieved.
Быстродействие процесса оптимизации звуковых сигналов в точке прослушивания определяется постоянными времени автоматического регулирования оптимизируемых параметров сигналов, выбранным алгоритмом работы системы и условиями звуковоспроизведения. The speed of the optimization process of sound signals at the listening point is determined by the time constants of automatic control of the optimized parameters of the signals, the selected algorithm of the system and the sound conditions.
Система оптимального звуковоспроизведения (фиг.2) является оптимальной для людей с одним нормально функционирующим органом слуха, т.е. инвалидов. The optimal sound reproduction system (figure 2) is optimal for people with one normally functioning hearing organ, i.e. disabled people.
Блок 5 обработки сигналов может быть реализован в виде узкофункционального устройства или в качестве блока 5 может быть использована ЭВМ, например стандартная ПЭВМ с устройствами ввода (двухканальным АЦП) и вывода (одноканальным ЦАП) информации.
Для слушателей, имеющих два работоспособных органа слуха, вариант функциональной схемы системы оптимального звуковоспроизведения изображен на фиг. 3. For listeners having two operable hearing organs, a variant of the functional diagram of the optimal sound reproduction system is shown in FIG. 3.
Система (фиг.3) содержит источник сигнала 1, который выполнен с по крайней мере одним дополнительным выходом для многоканального звуковоспроизведения. Дополнительно введен соответственно числу дополнительных выходов источника 1 сигнала по крайней мере один дополнительный канал звуковоспроизведения. Дополнительный канал выполнен в виде дополнительного усилителя 7 низкой частоты и дополнительного громкоговорителя 8, связанных последовательно. В дополнительный канал также входят дополнительное зондирующее устройство 9, дополнительный блок 10 обработки сигналов, выполненный с возможностью согласованной фильтрации сигнала источника 1 и формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения, дополнительная линия связи 11. Выход дополнительного зондирующего устройства 9 посредством дополнительной линии связи 11 подключен к первому входу дополнительного блока 10 обработки сигналов. Дополнительный выход источника 1 сигнала подсоединен ко второму входу дополнительного блока 10 обработки сигналов. Выход дополнительного блока 10 обработки сигналов связан с входом дополнительного усилителя 7 низкой частоты. The system (figure 3) contains a
На фиг. 3 буквами A и B обозначены соответственно канал и дополнительный канал звуковоспроизведения. In FIG. 3 letters A and B denote a channel and an additional sound reproduction channel, respectively.
В качестве источника 1 сигнала может быть использован любой известный тип многоканального источника 1 сигнала с использованием любого известного носителя первичной информации, а также систем и способов преобразования и формирования многоканальных сигналов. As the
Возможны различные конструктивные варианты выполнения зондирующих устройств 4 и 9, например, в виде наушников, очков, прищепок. Приемные элементы могут быть размещены на голове слушателя, на подголовнике автомобильного или домашнего кресла или в пульте дистанционного управления работой системы. Наибольшая достоверность звуковоспроизведения может быть получена при расположении приемных элементов зондирующих устройств 4 и 9 вблизи органов слуха потребителя. There are various design options for the implementation of probing
В рабочем состоянии приемные элементы зондирующих устройств 4 и 9 совместно с головой слушателя образуют зондирующий "микрофон-голову". In working condition, the receiving elements of the sounding
При использовании двухканальной (стерео) системы один из приемных элементов, например, канала A может являться электронной моделью правого уха слушателя, а приемный элемент зондирующего устройства 9 канала B соответственно являться электронной моделью левого уха слушателя. При соответствующем (сориентированном) расположении на голове слушателя приемных элементов зондирующих устройств 4 и 9 во время работы системы выходные электрические сигналы прослушивания будут учитывать влияние таких случайных факторов, как размер, форму (за счет дифракции звуковых колебаний на голове), пространственную ориентацию головы конкретного слушателя. When using a two-channel (stereo) system, one of the receiving elements, for example, channel A, can be an electronic model of the listener's right ear, and the receiving element of the sounding
Принцип работы каналов A и B системы оптимального звуковоспроизведения (фиг. 3) аналогичен принципу работы одноканальной системы, описанной выше. The principle of operation of channels A and B of the optimal sound reproduction system (Fig. 3) is similar to the principle of operation of the single-channel system described above.
В результате работы каналов A и B в точках пространства вблизи приемных элементов зондирующих устройств 4 и 9 (вблизи органов слуха) звуковые колебания приближаются по форме к звуковым колебаниям первоисточников звуков. Точное воспроизведение амплитуд и фаз (времени задержек) компонентов звуковых колебаний позволяет точно воспроизвести пространственное восприятие "звуковой картины" с локализацией кажущихся источников звуков в определенном месте по отношению к голове слушателя. As a result of the operation of channels A and B at points of space near the receiving elements of the sounding
Для работоспособности системы (фиг. 3) не обязательно в каждом из каналов звуковоспроизведения использовать усилители 2 и 7 низкой частоты, громкоговорители 3 и 8 с полностью идентичными характеристиками: АЧХ, ФЧХ, КПД, поскольку несоответствие указанных параметров идеальным и друг другу компенсируется в процессе работы системы. Важно, чтобы каждый блок 5 обработки сигналов и дополнительный блок 10 обработки сигналов, а также зондирующее устройство 4 и дополнительное зондирующее устройство 9, линия связи 6 и дополнительная линия связи 11 были укомплектованы для своего канала звуковоспроизведения в неизменный по своим параметрам узел, который, в свою очередь, должен быть перед эксплуатацией системы предварительно откалиброван в соответствии с условием (12). For the system to work (Fig. 3), it is not necessary to use
При реализации блоков 5 и 10 обработки сигналов в виде ЭВМ с устройствами ввода (четырехканальным АЦП) и вывода (двухканальным ЦАП) с соответствующим программным обеспечением блоки 5 и 10 не требуют предварительной настройки, т.к. настройка и отладка этих блоков суть отладка программы оптимальной обработки сигналов. Калибровке подлежат только устройства 4, 9, 6, 11. Конструктивно регулировочные элементы фильтров для корректировки АЧХ и ФЧХ этих узлов могут быть реализованы внутри корпусов зондирующих устройств 4 и 10 в виде R, C, L элементов или эквивалентная информация о необходимости коррекции может вводиться в ЭВМ на стадии загрузки программного обеспечения с помощью, например, дискеты, магнитной ленты, чипа или любого другого известного способа ввода информации в ЭВМ. When implementing
При настройке указанных узлов системы в безэховой камере могут использоваться в качестве источника 1 сигнала генератор шума (в том числе и виртуальный, реализованный программным способом), а в качестве контрольно-измерительной аппаратуры: многоканальный анализатор спектра, усилитель низкой частоты, микрофон-голова и громкоговоритель студийного класса. Для повышения эффективности работ по настройке и калибровке элементов системы может использоваться ЭВМ с соответствующей программой. When configuring these system nodes in an anechoic chamber, a noise generator (including a virtual one implemented in software) can be used as a
Принцип работы оптимальной системы может быть применен для, например, четырехканальной оптимально-звуковоспроизводящей системы, например для двух людей с нормально функционирующими органами слуха или, например, для двух инвалидов с одним нормально функционирующим органом слуха и одного человека с двумя нормально функционирующими органами слуха. The principle of operation of the optimal system can be applied, for example, to a four-channel optimal sound-reproducing system, for example, for two people with normally functioning hearing organs or, for example, for two people with disabilities with one normally functioning hearing organ and one person with two normally functioning hearing organs.
Если каждому выходу источника 1 соответствует сигнал uист.k(t), где k = 1,2, . . . K, то этому сигналу можно поставить в соответствие свой сигнал прослушивания u'k(t), который может быть оптимизирован в соответствии с предложенным способом звуковоспроизведения. По принципу взаимности каждому сигналу прослушивания должен соответствовать свой сигнал источника 1 и канал оптимального звуковоспроизведения. Если число сигналов источника 1 меньше числа точек прослушивания, то оптимизация сигналов в соответствии с предложенным способом становится невозможной, т.к. нарушается принцип причины и следствия. Например, с помощью одного громкоговорителя невозможно обеспечить одновременный приход прямой звуковой волны для двух разных точек пространства вдоль оси громкоговорителя. С помощью двух громкоговорителей становится возможным реализация указанных сигналов путем выбора соответствующих задержек сигналов и их уровней.If each output of
Таким образом, общее решение задачи оптимального звуковоспроизведения для группы слушателей можно представить как совместное решение задач оптимального звуковоспроизведения для каждого индивидуального слушателя из этой группы. Условие для оптимального коллективного звуковоспроизведения можно представить в виде (18)
K = N
где K - число выходов источника 1 сигнала,
N - число органов слуха.Thus, the general solution to the problem of optimal sound reproduction for a group of listeners can be represented as a joint solution to the problems of optimal sound reproduction for each individual listener from this group. The condition for optimal collective sound reproduction can be represented in the form (18)
K = N
where K is the number of outputs of the
N is the number of hearing organs.
Например, для высококачественного звуковоспроизведения в двухместном автомобиле необходимо использовать четыре канала информации и столько же каналов оптимального звуковоспроизведения, соответственно в четырехместном автомобиле необходимо использовать восьмиканальную звуковоспроизводящую систему и т.д. For example, for high-quality sound reproduction in a two-seater car, it is necessary to use four channels of information and the same number of channels of optimal sound reproduction, respectively, in a four-seater car it is necessary to use an eight-channel sound reproduction system, etc.
Понятно, что при подобном подходе возможны различные вариации подключения выходов источника 1 сигнала к каналам звуковоспроизведения и следовательно возможна оптимизация указанных вариантов подключений. В качестве критерия наилучшего варианта подключений выходов источника 1 сигнала к каналам звуковоспроизведения может быть минимальное значение среднего арифметического значения СКО по всем возможным вариантам. Данный критерий соответствует равновесовому процессу оптимизации сигналов в множестве информационных каналов. It is clear that with this approach, various variations of connecting the outputs of the
Предложенный подход может быть реализован при синтезе систем оптимального домашнего кинотеатра или домашнего концертного зала с числом потенциальных посетителей до трех - пяти человек. При большем числе зрителей предложенный способ звуковоспроизведения трудно реализовать практически из-за трудностей регистрации многоканальной информации на стадии ее ввода, например, во время озвучивания фильма с помощью микрофонов-голов. The proposed approach can be implemented in the synthesis of optimal home theater systems or a home concert hall with the number of potential visitors up to three to five people. With a larger number of viewers, the proposed method of sound reproduction is difficult to implement practically because of the difficulties in registering multichannel information at the stage of its input, for example, during the scoring of a film using microphone heads.
В многоканальных системах звуковоспроизведения целесообразно предусмотреть вариант оптимизации комбинации задействования каналов при не полном числе слушателей. In multichannel sound reproduction systems, it is advisable to provide an option for optimizing the combination of activating channels with an incomplete number of listeners.
В систему оптимального звуковоспроизведения одноканальную (фиг. 4) или многоканальную (фиг. 5) может быть дополнительно введен генератор сигналов 12, который выходом подключается к третьему входу блока 5 (10) обработки сигналов. In the optimal sound reproduction system, a single-channel (Fig. 4) or multi-channel (Fig. 5)
В качестве генератора сигналов 12 может быть использован генератор шума. As a
Принцип действия систем оптимального звуковоспроизведения (фиг. 4, 5) аналогичен принципу работы вышеописанных устройств с той лишь разницей, что для ускорения настройки системы в оптимальный режим с помощью генератора 12 формируются, например перед началом работы системы, вспомогательные сигналы тестирования. При реализации блоков 5 и 10 с использованием ЭВМ указанный генератор 12 может быть реализован виртуально, программным способом, например, в виде соответствующей подпрограммы "генератора 12 случайных чисел" с последующей "модуляцией" программными средствами этого сигнала для получения, например, импульсно-модулированных, шумоподобных тест-сигналов. В данном примере с качестве третьего входа блока обработки 5 (10) является виртуальный, программный вход, связывающий с помощью оператора условного или безусловного перехода основную программу с подпрограммой - "генератором 12". The principle of operation of optimal sound reproduction systems (Figs. 4, 5) is similar to the principle of operation of the above-described devices with the only difference being that, to accelerate the system’s adjustment to optimal mode, using the
При конструктивной реализации систем оптимального звуковоспроизведения может использоваться моноблочный вариант или блоки обработки 5 (10), линия связи 6 (11), зондирующее устройство 4 (9), функционально, могут быть объединены в отдельное устройство - "блок оптимальной обработки сигналов" для того, чтобы потребитель, уже имея стереосистему с блочной комплектацией, мог бы ее дополнить до уровня системы оптимального звуковоспроизведения. В качестве блоков обработки сигналов, как уже отмечалось, можно использовать АЦП, ЭВМ с программным обеспечением и ЦАП, связанные последовательно. In the constructive implementation of optimal sound reproduction systems, a monoblock version or processing units 5 (10), a communication line 6 (11), a sounding device 4 (9) can be used, functionally, can be combined into a separate device - the “optimal signal processing unit” in order to so that the consumer, already having a stereo system with block configuration, could complement it to the level of an optimal sound reproduction system. As signal processing units, as already noted, one can use ADCs, computers with software, and DACs connected in series.
Если в оптимальной звуковоспроизводящей системе источник 1 сигнала не обеспечивает высокое качество выходных сигналов и в нем происходят потери и искажения информации, например, из-за неидеальности АЧХ радиоприемного тракта FM тюнера или разброса параметров головок магнитофона, то целесообразно, чтобы источник 1 сигнала был выполнен с возможностью регулирования амплитудно-частотных характеристик сигналов на его выходах. Указанная регулировка может быть реализована с использованием любых известных схемотехнических решений темброблоков или эквалайзеров. Данная регулировка может также использоваться людьми с нарушениями функционирования органов слуха. Для этого человек с ослабленным слухом в области высоких частот может обратиться к врачам и снять для каждого органа слуха его АЧХ, а затем ввести соответствующую коррекцию АЧХ источника сигнала 1. Процедура определения требуемой коррекции воспроизведения сигналов в каналах звуковоспроизведения может быть автоматизирована с использованием ЭВМ и являться частью ее программного обеспечения. Предпочтительна диалоговая форма общения слушателя с машиной и ввода в программу оптимального звуковоспроизведения указанной информации. If in the optimal sound reproducing system the
При неидеальности источника 1 сигнала целесообразно выполнить его с возможностью шумопонижения. If the
Поскольку различные источники 1 сигналов могут иметь разный уровень выходных сигналов, то целесообразно, чтобы источник 1 сигнала был выполнен с возможностью автоматического регулирования уровней его выходных сигналов. Для этих целей можно использовать технические решения, аналогичные устройствам автоматического регулирования уровня записи (АРУЗ) магнитофонов. Постоянная времени может быть выбрана порядка 1 - 20 с. Since different sources of
В варианте реализации системы целесообразно выполнить источник 1 сигнала с возможностью автоматического регулирования уровней и неавтоматического регулирования амплитудно-частотных характеристик сигналов на его выходах. In an embodiment of the system, it is advisable to perform a
Для обеспечения регулирования громкости в точке прослушивания источник 1 сигнала может быть выполнен с возможностью регулирования уровней сигналов на его выходах. Для этой же цели зондирующее устройство 4 и дополнительное зондирующее устройство 9 или линия связи 6 и дополнительная линия связи 11 могут быть выполнены с возможностью регулирования коэффициента передачи. To ensure volume control at the listening point, the
Работает система оптимального звуковоспроизведения в соответствии с уже описанным принципом действия. Если на первом или втором входах блока 5 (10) происходит изменение уровня сигнала в том числе и за счет регулятора громкости, то система автоматически компенсирует возникшее несоответствие энергии сигнала в точке прослушивания, изменяя на требуемую величину громкость звуковых колебаний. The system of optimal sound reproduction works in accordance with the principle of action already described. If at the first or second inputs of block 5 (10) a signal level changes, including due to the volume control, the system automatically compensates for the inconsistency of the signal energy at the listening point, changing the volume of sound vibrations by the required value.
Если регулятор громкости выполнить тонкомпенсированным в том числе и с использованием результатов автоматизированного тестирования индивидуальных слуховых способностей конкретного слушателя, то в процессе работы в зависимости от выбранного слушателем уровня громкости система будет автоматически осуществлять частотные предыскажения сигнала соответственно психофизиологическим особенностям слуха воспринимать звуки различной частоты. Другими словами, в этом случае система будет корректировать потери и искажения звуковой информации, происходящие в человеке за счет ухудшения работоспособности органов слуха - "устройств" ввода звуковой информации в мозг и нервную систему ("ЭВМ") человека. If the volume control is performed loudly, including using the results of automated testing of the individual auditory abilities of a particular listener, then in the process, depending on the volume chosen by the listener, the system will automatically carry out frequency predistortions of the signal according to the psychophysiological characteristics of hearing to perceive sounds of different frequencies. In other words, in this case, the system will correct the loss and distortion of sound information occurring in a person due to the deterioration of the hearing organs - the "devices" for inputting sound information into the brain and nervous system ("computer") of a person.
В системах с поблочной компоновкой функциональных узлов регулятор громкости можно установить на первом или втором входах блока 5 (10) обработки сигналов потому, что в классических системах с блочной компоновкой регулятор громкости часто устанавливается на входе УНЧ, а не на выходе источника 1 сигнала. Регулирование громкости с помощью регулятора, установленного на входе УНЧ, не позволит изменять громкость в точке прослушивания, т.к. ослабление сигнала на входе УНЧ будет компенсироваться в блоке обработки 5 (10) путем автоматического, пропорционального увеличения сигнала на его выходе. In systems with block layout of functional units, the volume control can be installed on the first or second inputs of signal processing unit 5 (10) because in classical systems with block layout, the volume control is often installed at the input of the VLF rather than at the output of
В вариантах реализации систем оптимального звуковоспроизведения целесообразно, чтобы блок 5 обработки сигналов и дополнительный блок 10 обработки сигналов были выполнены с возможностью автоматического регулирования амплитудно-частотных характеристик или фазо(временных)-частотных характеристик со вторых входов на выходы блоков для оптимизации энергетических или временных (фазовых) параметров сигналов, а также вариант, в котором блок 5 обработки сигналов и дополнительный блок 10 обработки сигналов были выполнены с возможностью автоматического регулирования амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик со вторых входов на выходы блоков для полнопараметрической оптимизации энергетических и временных параметров сигналов. In embodiments of optimal sound reproduction systems, it is advisable that the
Для пояснения особенностей работы указанных вариантов выполнения систем оптимального звуковоспроизведения воспользуемся функциональной схемой блока 5 (10) обработки сигналов, изображенной на фиг. 6. To clarify the features of the operation of the indicated embodiments of optimal sound reproduction systems, we use the functional diagram of the signal processing unit 5 (10), shown in FIG. 6.
Блок 5 (10) обработки сигналов (фиг. 6) содержит устройство 13 управления, полосовые фильтры 141, 142,..., 14R, блоки 151, 152,..., 15P согласованной фильтрации, блоки 161, 162,..., 16W формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения, сумматор 17, связанные друг с другом как показано на фиг. 6.Block 5 (10) of the signal processing (Fig. 6) contains a
В качестве устройства 13 управления может быть использован генератор синхронизирующих импульсов или микропроцессорное устройство управления. При реализации блока 5 (10) обработки сигналов с использованием ЭВМ устройство 13 управления реализуется программно, являясь частью программного алгоритма обработки информации (деревом программы). As the
В качестве фильтров 14 могут использоваться любые известные типы активных или пассивных фильтров, например фильтры с использованием операционных усилителей и R, C, L элементов или фильтры с использованием ПАВ-технологии. As filters 14, any known types of active or passive filters can be used, for example, filters using operational amplifiers and R, C, L elements or filters using SAW technology.
При реализации блока 5 (10) обработки сигналов с использованием ЭВМ фильтры 14 реализуются программным способом, являясь частью алгоритма обработки информации. При цифровом варианте целесообразно выбрать прямоугольную форму АЧХ фильтров 14, а процесс вычисления выходного сигнала фильтра 14 во временной области разместить между тактовыми отсчетами входных сигналов для уменьшения времени цифровой фильтрации сигналов. When implementing a block 5 (10) of signal processing using a computer, the
Полосы частот и форма АЧХ фильтров 14 по первому входу должны соответствовать АЧХ фильтров 14 по второму входу блока 5 (10). The frequency bands and the shape of the frequency response of the
Блоки 15 согласованной фильтрации могут быть выполнены в виде полнопараметрических блоков 15, содержащих блоки 181, 182,..., 18L оптимизации временных параметров сигналов и блоки 191, 192,..., 19Q оптимизации энергетических параметров сигналов (фиг. 6), или в виде неполнопараметрических блоков 15, содержащих по одному блоку 18 или блоку 19.
При выполнении блока 5 (10) возможно использование однотипных блоков 15 или разнотипных блоков 15 в различных комбинациях, например часть блоков на низких и высоких частотах выполняется в виде однопараметрических блоков 15, а часть блоков 15 на средних частотах - в виде полнопараметрических блоков 15. Приведенный пример выполнения блока 5 (10) целесообразно использовать при аналоговой форме выполнения блоков 15 для уменьшения числа функциональных узлов системы оптимального звуковоспроизведения и ее цены. В цифровых вариантах реализации блоков 5 (10) лучше использовать полнопараметрические блоки 15, поскольку указанные блоки могут быть синтезированы программным способом - в виде соответствующей подпрограммы обработки сигналов. К этой подпрограмме можно обращаться с помощью операторов перехода любое требуемое число раз, а также варьировать параметры этих блоков при их оптимизации. Скорость процессов программной фильтрации сигналов определяется быстродействием ЭВМ, алгоритмом обработки сигналов и для звуковых частот приближается к скорости аналоговой фильтрации. В варианте выполнения блоков 5 (10) обработки сигналов для некоторых полос частот, например низких, блоки 15 могут быть исключены как функциональные устройства. В этих случаях эквивалентная схема замещения будет представлять собой не искажающий сигнал отрезок линии, связывающий второй вход с выходом блока 15 или широкополосную линию задержки. Однако, для того чтобы работа блока 5 (10) соответствовала вышеописанному способу оптимального звуковоспроизведения, необходимо, чтобы хотя бы для одной из полос звукового спектра или всего спектра осуществлялась согласованная фильтрация. В частном случае согласованной фильтрации для всей полосы частот звуковоспроизведения блок 15 выполняется в виде блока 18 и/или 19, на первый и второй входы которого подаются сигналы с выходов соответствующих сумматоров, входы которых подключаются к выходам соответствующих фильтров 14. When block 5 (10) is executed, it is possible to use blocks of the
Таким образом, если число блоков 15 обозначить символом P, число блоков 16 символом W, число блоков 18 символом L, а число блоков 19 символом Q, то в самом общем виде для любой комбинации их использования связь между указанными параметрами и числом R фильтров 14 может быть представлена в виде соотношения (19)
Число R полосовых фильтров 14 должно быть не менее двух, т.к. при одном полосовом фильтре 14 становится принципиально невозможна обработка сигналов и формирование дополнительных сигналов для активного шумопонижения в рамках предложенного способа звуковоспроизведения. Чем больше число полос анализа R, тем выше разрешающая способность блока обработки 5 (10) в частотной области, т.е. способность более точного компонентного анализа сигналов при формировании дополнительных сигналов для активного шумопонижения.Thus, if the number of
The number R of
Каждый из блоков 18 и 19 имеет по крайней мере по два входа, на которые поступают сигналы с выходов фильтров 14, и один выход. Each of the
В полнопараметрическом варианте выполнения блоков 15 первые входы блоков 18 и 19, предназначенные для подключения к отфильтрованным сигналам прослушивания, соединяются и являются первым входом блока 15. Другие входы и выходы блоков 18 и 19 могут иметь связи, показанные на фиг. 6: второй вход блока 18 является вторым входом блока 15, а выход блока 18 соединен со вторым входом блока 19. Выход блока 19 является выходом блока 15. In a fully parametric embodiment of
Указанные связи могут быть реализованы в обратном порядке. Вторым входом блока 15 будет второй вход блока 19, выход которого связан со вторым входом блока 18, выход блока 18 является выходом блока 15. These relationships can be implemented in the reverse order. The second input of
Блоки 18 в однопараметрическом и полнопараметрическом вариантах реализации, а также блок 19 в цифровом варианте его реализации должны иметь дополнительные, управляющие входы, а в вариантах и выходы для осуществления связи с устройством 13 управления.
Блоки 181, 182,..., 18L оптимизации временных параметров сигналов представляют из себя устройства корреляционной обработки сигналов и могут быть выполнены, например, в виде линий задержек 201, 202,..., 20Z, перемножителей 211, 212, ..., 21Z, фильтров низких частот 221, 222,..., 22Z, схемы анализа 23, схемы коммутации 24, соединенных между собой как показано на фиг. 6.
Блоки 191, 192, ..., 19Q оптимизации энергетических параметров в общем случае содержат устройства определения энергии сигналов за время анализа, сигналы с выходов которых подаются на схему сравнения, сигнал с выхода которой поступает на управляющий вход управляемого усилителя или аттенюатора. Вход одного из устройств определения энергии сигнала связан с входом управляемого усилителя (аттенюатора) и является вторым входом блока 19. Выход управляемого усилителя является выходом блока 19. Вход другого устройства определения энергии сигнала является первым входом блока 19.
На фиг. 6 приведен один из возможных вариантов выполнения блока 19 в виде детекторов 25, фильтров низких частот (ФНЧ) 26, резисторов 27 и первого управляемого усилителя 28, связанных между собой как показано на фиг. 6. In FIG. 6 illustrates one possible embodiment of
Блоки 161, 162, . .., 16W формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения содержат два функциональных узла, связанных последовательно друг с другом: фазовращающее устройство, выполненное в виде управляемого фазовращателя 29 с устройством 30 управления фазовращателем 29, и второй управляемый усилитель 31.
Порядок подключения этих узлов может быть изменен на обратный. The connection order of these nodes can be reversed.
На фиг. 6 также изображен тонкомпенсированный регулятор громкости: R1, C1, C2, установленный на втором входе блока 5 (10). In FIG. 6 also shows a loudness volume control: R1, C1, C2 installed on the second input of block 5 (10).
Для удобства описания работы блока 5 (10) рассмотрение работы будем проводить при входных сигналах следующего типа:
1) на входах блока 5 (10) сигналы отсутствуют
2) наличие стационарной помехи при отсутствии сигнала источника
3) наличие нестационарной помехи при отсутствии сигнала источника
4) наличие сигнала источника при отсутствии сигнала прослушивания
5) наличие сигналов источника при слабых помехах
6) наличие сигналов источника при сильных помехах
Если на входах блока 5 (10) сигналы отсутствуют, т.е. uист(t) = 0 и u'(t) = 0, то соответственно отсуствуют сигналы и на выходах полосовых фильтров 14. На входах блоков 15 и входах блоков 16 сигналы также отсутствуют. Независимо от сигналов устройства 13 управления, поступающих на блоки 15 и в вариантах на блоки 16, выходные сигналы (предыскаженные информационные сигналы и дополнительные сигналы для активного шумопонижения) также равны нулю. Сигнал на выходе сумматора 17 отсутствует.For the convenience of describing the operation of block 5 (10), we will consider the work with input signals of the following type:
1) there are no signals at the inputs of block 5 (10)
2) the presence of stationary interference in the absence of a source signal
3) the presence of unsteady interference in the absence of a source signal
4) the presence of a source signal in the absence of a listening signal
5) the presence of source signals with low noise
6) the presence of source signals with strong interference
If there are no signals at the inputs of block 5 (10), i.e. u ist (t) = 0 and u '(t) = 0, then there are accordingly no signals at the outputs of the bandpass filters 14. At the inputs of
Таким образом, в точке прослушивания звуковой сигнал точно повторяет сигнал источника 1 - тишину. Thus, at the point of listening, the sound signal exactly repeats the signal of the source 1 - silence.
Рассмотренная ситуация на практике встречается крайне редко. Наиболее типичной ситуацией является случай отсутствия сигнала, например в паузах между фонограммами, при наличии акустической помехи или шума. The considered situation in practice is extremely rare. The most typical situation is when there is no signal, for example, in pauses between phonograms, in the presence of acoustic noise or noise.
Если на втором входе блока 5 (10) отсутствует сигнал источника uист(t) = 0, а на первом входе блока 5 (10) сигнал не равен нулю u'(t) ≠ 0, то обработка сигналов может быть представлена в виде следующей совокупности выполнения условий и действий над сигналами.If the second input unit 5 (10) No signal source u ist (t) = 0, and the first input unit 5 (10), the signal is not zero u '(t) ≠ 0, then the signal processing can be represented as the following a set of conditions and actions on signals.
Пусть для любого момента времени независимо от параметров информационного сигнала источника 1 uист(t) и сигнала прослушивания u'(t) устройство 13 управления вырабатывает, например, прямоугольные импульсы длительностью Δt′ и паузой Δt″, поочередно поступающие на блоки 5, 10.Let for any moment of time, regardless of the parameters of the information signal of the source 1 u ist (t) and the listening signal u '(t), the
Пусть посредством этих импульсов определяются режимы работы блоков 15 и 16, например, в соответствии со следующими правилами:
- в течение времени Δt′ в блоках 18 осуществляется корреляционная обработка сигналов - вычисляется оптимальная временная задержка сигнала источника 1 или задержки его компонентов и при этом для любого временного отрезка Δt′ при прохождении через блок 18 сигнала источника 1 все его компоненты задерживаются на одно и то же время,
- после импульса Δt′ блок 18 не осуществляет корреляционной обработки сигналов, при этом сигнал источника 1, проходя через блок 18, задерживается на время, соответствующее вычисленной на предыдущем этапе Δt′ оптимальной задержке сигнала,
- режим работы блоков 19 не зависит от сигналов устройства 13 управления и определяется только параметрами входных сигналов,
- выходные сигналы блоков 16 определяются параметрами входных сигналов и внутренним состоянием блоков 16.Let these operating pulses determine the operating modes of
- during the time Δt ′ in
- after the pulse Δt ′, block 18 does not carry out correlation signal processing, while the signal of
- the operating mode of the
- the output signals of the
Рассмотрим работу блока 5 (10), полагая для определенности, что до момента времени t1 на входах блока 5 (10) сигналы, например, отсутствовали, а начиная с указанного момента времени появилась стационарная помеха, например, в виде гула от трансформатора электробытового прибора. Указанным начальным условиям соответствует нулевой уровень сигнала в точке D (фиг. 6). Нулевому значению сигнала в точке D соответствует некоторый коэффициент передачи первого управляемого усилителя 28. Пусть нулевому уровню сигнала в точке D также соответствует, например, середина регулировочной характеристики первого управляемого усилителя 28. Параметры регулировочной характеристики первого управляемого усилителя 28 определяют динамический диапазон оптимизации энергетических параметров сигналов и могут быть выбраны, например, 60 dB, 90 dB или 120 dB.Consider the operation of block 5 (10), assuming for definiteness that, until time t 1 , there were no signals, for example, at the inputs of block 5 (10), and starting from the indicated time, a stationary noise appeared, for example, in the form of a hum from a transformer of an household appliance . The indicated initial conditions correspond to a zero signal level at point D (Fig. 6). The zero value of the signal at point D corresponds to a certain transmission coefficient of the first controlled
При аналоговом варианте реализации блоков 19 параметры устройств выбирают из соображений их физической реализуемости и разумных стоимостных и массогабаритных параметров. При цифровом, программном способе реализации блоков 5 (10) параметры выбираются исходя из характеристик используемой ЭВМ (объема памяти, быстродействия), параметров устройств ввода и вывода информации (АЦП и ЦАП) и параметров человека. Например, динамический диапазон первого управляемого усилителя 28 выбирается равным 120 dB, шаг квантования по уровню в соответствии с шагом квантования АЦП. In the analogous embodiment of the implementation of the
Относительно момента времени t1 на выходах полосовых фильтров 14, в полосы пропускания которых попали спектральные составляющие помехи, с некоторой задержкой, определяемой полосой пропускания фильтров 14, появляются отфильтрованные сигналы прослушивания, спектр которых определяется выражением где - комплексный коэффициент передачи i-го полосового фильтра 14i. Эти сигналы поступают на первые входы соответствующих блоков 15i и 16i.Relative to the time t 1 at the outputs of the band-
С момента времени t1 сигналы источника 1 не претерпевают изменений и остаются равными нулю. Следовательно, на выходах блоков 15 предыскажаемые сигналы источника 1 также остаются равными нулю.From time t 1, the signals of
Спектральные компоненты сигнала прослушивания, попавшие в полосу пропускания i-го полосового фильтра 14i, детектируются детектором 25i и преобразуются, например, в импульсы отрицательного напряжения, которые затем сглаживаются ФНЧ 26i так, что управляющий согласованной фильтрацией сигнал (сигнал в точке D, фиг. 6) начинает изменяться - уменьшаться.The spectral components of the listening signal that fall into the passband of the i-th band-
Пропорционально изменениям сигнала в точке D происходит изменение коэффициента передачи первого управляемого усилителя 28i. Коэффициент передачи уменьшается. Поскольку уровень сигнала источника 1 на втором входе блока 19, т. е. на входе второго детектора 25i, который имеет обратную полярность (положительную) выходных импульсов по отношению к выходным сигналам первого детектора 25i блока 5 (10), не изменяется, то управляющий согласованной фильтрацией сигнал в данном конкретном случае оказывается функционально зависимым только от уровня компонентов сигнала прослушивания (уровня помех).In proportion to the signal changes at point D, the gain of the first
Постоянная времени интегрирования ФНЧ 26i блока 19i выбирается одинаковой и определяется низшей частотой полосы анализа сигнала, т.е. низшей частотой полосы пропускания i-го полосового фильтра 14i согласно условию (20)
где fн.14i и Tн.14i - соответственно частота и период нижней частоты полосы пропускания i-го полосового фильтра 14i.Time constant integrating the low-
where f n.14i and T n.14i are the frequency and period of the lower frequency bandwidth of the i-
Таким образом, скорость оптимизации энергетического параметра функционально зависит от частоты обрабатываемого сигнала. Например, для частоты в 100 Гц постоянную времени ФНЧ необходимо выбрать не менее 0,01 с, а для частоты 10000 Гц постоянную времени можно уменьшить на два порядка. Thus, the optimization rate of the energy parameter is functionally dependent on the frequency of the processed signal. For example, for a frequency of 100 Hz, the LPF time constant must be selected at least 0.01 s, and for a frequency of 10,000 Hz the time constant can be reduced by two orders of magnitude.
В высокоинтеллектуальных алгоритмах обработки сигналов указанный параметр может оптимизироваться самой системой. Критерием оптимизации параметра является минимальное значение СКО сигнала из группы или ансамбля реализаций сигналов при варьировании параметра. In highly intelligent signal processing algorithms, this parameter can be optimized by the system itself. The criterion for optimizing the parameter is the minimum value of the standard deviation of the signal from the group or ensemble of signal implementations when the parameter is varied.
В соответствии с фиг. 6 сигнал, управляющий согласованной фильтрацией, поступает также на управляющий вход второго управляемого усилителя 31i блока 16i формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения. При отрицательном уровне управляющего сигнала, что соответствует рассматриваемому случаю, коэффициент передачи второго управляемого усилителя 31i начинает пропорционально увеличиваться от нуля до некоторого значения.In accordance with FIG. 6, the signal controlling the matched filtering also arrives at the control input of the second controlled
Таким образом, с момента времени t1 выходной сигнал блока 16i становится отличным от нуля, начинается формирование дополнительных сигналов для активного шумопонижения. Эти сигналы поступают с выходов блоков 31i на входы сумматора 17 и далее, пройдя через все элементы тракта звуковоспроизведения до точки прослушивания, посредством зондирующего устройства 4 (9) и линии связи 6 (11) поступают на первый вход блока 5 (10).Thus, from time t 1 the output signal of
Поскольку задержка, которую приобретает сигнал, проходя через все элементы тракта звуковоспроизведения до точки прослушивания, случайна, то также оказывается случайным приращение уровня сигнала прослушивания при формировании дополнительных сигналов для активного шумопонижения. Например, если акустический, дополнительный сигнал оказался в противофазе с помехой, то уровень результирующего сигнала прослушивания уменьшится и, следовательно, на выходах полосовых фильтров 14i сигнал также уменьшится. Соответственно этим изменениям управляющий работой блоков 28i и 31i сигнал в точке D (фиг. 6) также начнет изменяться.Since the delay that the signal acquires when passing through all the elements of the audio reproduction path to the listening point is random, it also turns out to be random that the level of the listening signal increases when additional signals are generated for active noise reduction. For example, if an acoustic, additional signal is out of phase with interference, then the level of the resulting listening signal will decrease and, therefore, at the outputs of the bandpass filters 14 i the signal will also decrease. According to these changes, the signal controlling the operation of
Важно отметить, что в момент начала формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения состояние фазовращателя 29i также случайное и поэтому необходимо найти оптимальное значение фазы фазовращателя 29i.It is important to note that at the moment of formation of additional signals for active noise reduction, the state of the
Оптимизация фазы в фазовращателе 29i осуществляется следующим образом.The phase optimization in the
Воспользуемся функциональной схемой выполнения блоков 29 и 30, которая изображена на фиг. 7. We will use the functional block diagram of
Управляемый фазовращатель содержит: многопозиционный управляемый переключатель 32 и первые дополнительные линии задержки 331, 332,..., 33S. Выходы первых дополнительных линий задержек 33 связаны со входами управляемого многопозиционного переключателя 32. Величина задержек может быть выбрана с некоторым шагом, например постоянным. Величина шага изменения задержек определяет точность оптимизации фазового параметра сигналов.The controlled phase shifter comprises: a multi-position controlled
Число первых дополнительных линий задержек и соответственно величина шага задержки выбирается исходя из психофизиологических способностей человека регистрировать фазовые искажения звуков определенных частот. The number of first additional delay lines and, accordingly, the value of the delay step is selected based on the psychophysiological abilities of a person to record phase distortions of sounds of certain frequencies.
Например, шаг дискретизации фазы можно выбрать τ33≃ 0,01Tв (≈ 3,6o), где Tв - высший период в полосе анализа. При аппаратурном варианте реализации блоков 29 возможно уменьшение числа линий задержек 33 на частотах малой восприимчивости человека к фазовым искажениям, а также реализация фазовращателя 29 возможна в варианте с параметрически управляемым R, C или L элементном аналогового фазовращателя 29.For example, the phase sampling step can be selected τ 33 ≃ 0.01 T in (≈ 3.6 o ), where T in is the highest period in the analysis band. With a hardware embodiment of the implementation of the
Устройство 30 управления фазовращателем 29 содержит: вторую дополнительную линию задержки 34, дополнительные детекторы 35, дополнительные ФНЧ 36, дополнительную схему сравнения 37. The phase
Входом устройства 30 является общий вход двух ветвей, в одной из которых последовательно связаны первый дополнительный детектор 35 и первый дополнительный ФНЧ 36, в другой - последовательно связаны друг с другом вторая дополнительная линия задержки 34, второй дополнительный детектор 35 и второй дополнительный ФНЧ 36. Выходы дополнительных ФНЧ связаны со входами дополнительных схем сравнения 37. The input of the
Работает фазовращающее устройство (фиг. 7) следующим образом. The phase shifter operates (Fig. 7) as follows.
Многопозиционный управляемый переключатель 32 осуществляет последовательное переключение контактов в прямом по отношению к номерам линий задержек или в обратном порядке. Период переключений целесообразно выбрать больше чем максимально возможное время прохождения сигнала через весь тракт звуковоспроизведения, чтобы исключить условия возникновения паразитного возбуждения системы при активном шумопонижении, например выбрать значение параметра T32 порядка 0,02 с.A multi-position controlled
Управление переключателем 32 осуществляется сигналом с выхода дополнительной схемы сравнения 37 по правилу: при поступлении очередного сигнала порядок переключения линий задержек 33 изменяется на обратный. The
Таким образом, в предложенном варианте реализации управляемого фазовращателя 29 величина задержки сигнала на его выходе по отношению ко входному сигналу функционально зависит от сигналов прослушивания сдвинутых во времени друг относительно друга на величину задержки τ34.
Действительно, в устройстве 30 сигнал прослушивания и задержанный на время τ34 сигнал прослушивания детектируются и интегрируются в разных цепях, образуя входные сигналы для дополнительной схемы сравнения 37. Выходной сигнал схемы сравнения 37 формируется, если разность входных сигналов, т.е. энергий сигналов прослушивания и задержанного сигнала прослушивания становится больше нуля. Это означает, что введенная на очередном шаге фазовой оптимизации дополнительного сигнала прослушивания задержка уже стала неоптимальной. Другими словами, пока разность между энергиями сигналов прослушивания и задержанным сигналом прослушивания меньше нуля, происходит последовательное (итерационное) приближение к оптимальной фазе (временному параметру) дополнительного сигнала для активного шумопонижения или, иначе, приближение к точке экстремума функции сигнала прослушивания (шума). Если указанная разность становится больше нуля, то это означает, что в процессе изменения фазы дополнительного сигнала для активного шумопонижения точка экстремума функции энергии сигнала прослушивания уже пройдена и необходимо вновь начать поиск оптимальной фазы, изменив на обратный порядок процесса экспериментального подбора фазы дополнительного сигнала для активного шумопонижения.Thus, in the proposed embodiment, the controlled
Indeed, in the
В соответствии с этим алгоритмом после процесса поиска оптимальной фазы происходит процесс ее автоматического удержания (захвата). In accordance with this algorithm, after the search for the optimal phase, the process of its automatic retention (capture) takes place.
Величину времени задержки во второй дополнительной линии задержки 34, а также постоянную времени ФНЧ 36 целесообразно выбрать меньше периода T32 переключения контактов многопозиционного управляемого переключателя 32, а также исходя из требований к уровню шумопонижения и максимально достижимой разрешающей способности вычитающего узла схемы сравнения 37 различать уровни входных сигналов.The value of the delay time in the second
При реализации управляемого фазовращателя 29 возможно использование любых известных численных методов поиска экстремума функции, например, с использованием переменного шага изменения фазового параметра. When implementing a controlled
Понятно, что описанный выше способ активного шумопонижения звуковых сигналов применим для понижения уровня сигналов любой физической природы и может быть сформулирован в следующем виде. It is clear that the above method of active noise reduction of sound signals is applicable to lower the level of signals of any physical nature and can be formulated as follows.
Способ оптимального, пространственного, активного понижения уровня сигналов любой физической природы заключается в приеме и преобразовании этих сигналов в электрический сигнал, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрического сигнала и формировании дополнительного электрического сигнала для активного понижения уровня сигнала, его усилении, преобразовании в сигнал той же физической природы и излучении до точки пространства приема сигналов. The method of optimal, spatial, active lowering of signals of any physical nature consists in receiving and converting these signals into an electric signal, transmitting the received electric signal to the place of its processing, processing the electric signal and generating an additional electric signal for active lowering of the signal level, its amplification, conversion into a signal of the same physical nature and radiation to a point in the space of signal reception.
Вновь возвращаясь к описанию работы блока 5 (10), отметим, что в результате двухпараметрической, многополосной оптимизации фазовых и энергетических параметров сигналов система звуковоспроизведения осуществляет подавление стационарной помехи с заданной точностью. Returning again to the description of the operation of block 5 (10), we note that as a result of two-parameter, multi-band optimization of the phase and energy parameters of the signals, the sound reproduction system suppresses stationary interference with a given accuracy.
Если помеха нестационарная, с изменяющимися параметрами, то работа блока 5 (10) аналогична уже описанному случаю с той лишь разницей, что в блоке 5 (10) происходит непрерывный процесс отслеживания параметров помех. If the interference is unsteady, with varying parameters, then the operation of block 5 (10) is similar to the already described case with the only difference that in block 5 (10) there is a continuous process of tracking the interference parameters.
В вариантах выполнения блоков 5 (10) целесообразно осуществлять управление работой блоков 28 и 31 не с помощью общих для них узлов 25, 26, 27, а посредством аналогичных дополнительных узлов, но с различными значениями постоянной времени автоматического регулирования. In embodiments of blocks 5 (10), it is advisable to control the operation of
В высокоинтеллектуальных алгоритмах указанные параметры могут в автоматическом режиме варьироваться, анализироваться и устанавливаться оптимальным образом. In highly intelligent algorithms, these parameters can be automatically varied, analyzed and set in an optimal way.
Критерием оптимизации является минимум СКО за время анализа. The optimization criterion is the minimum standard deviation for the analysis time.
Ситуация, при которой отсутствует сигнал прослушивания при наличии сигнала источника 1, может иметь место при неисправности системы или когда слушатель вместе с зондирующим устройством 4 (9) удаляется из помещения прослушивания. A situation in which there is no listening signal in the presence of a signal from
В этих условиях работа блоков 5 и 10 сводится к автоматическому увеличению уровня сигнала источника 1 на выходе блока 5 (10) до максимального или, если присутствуют шумы, до промежуточного значения. Сигнал в точке D также возрастает до своего максимального значения. Скорость нарастания указанных сигналов определяется постоянной времени ФНЧ 26. Блок 31 закрыт и формирование сигналов для активного шумопонижения не происходит. Under these conditions, the operation of
Рассмотрение данной ситуации позволяет сформулировать дополнительные требования, которые целесообразно учесть при синтезе алгоритма обработки сигналов. Consideration of this situation allows us to formulate additional requirements that should be taken into account when synthesizing the signal processing algorithm.
Если при увеличении коэффициента передачи сигнала источника 1 uист(t) не происходит пропорционального увеличения сигнала прослушивания u'(t), то это означает, что оптимизация звуковоспроизведения становится принципиально невозможной, поскольку нарушен принцип причины и следствия, и в процессе работы системы необходимо ввести коррекцию, например выключить ее.If with an increase in the transmission coefficient of the source signal 1 u ist (t) there is no proportional increase in the listening signal u '(t), then this means that the optimization of sound reproduction becomes fundamentally impossible, because the principle of cause and effect is violated, and during the operation of the system it is necessary to enter correction, for example, turn it off.
Рассмотренный случай может возникнуть на практике, например, когда в автомобильной оптимальной звуковоспроизводящей системе произошел обрыв провода, идущего от УНЧ 2 (7) к громкоговорителю 3 (8) или возникло нарушение работы в других электрических цепях. The case considered can arise in practice, for example, when a wire breakage from the VLF 2 (7) to the loudspeaker 3 (8) occurs in the automobile optimal sound reproducing system or a malfunction occurs in other electrical circuits.
В момент прерывания передачи сигнала источника 1 в блоке 5 (10) будет происходить резкое увеличение коэффициента его передачи и блок 5 (10) будет стремиться компенсировать уменьшение энергетики сигнала в точке прослушивания, и при восстановлении нарушенной связи в электрической части тракта звуковоспроизведения, например вследствие вибрации и тряски кузова автомобиля, сигнал максимального уровня поступит в точку прослушивания. Резкое, скачкообразное изменение уровня громкости окажет отрицательное психофизиологическое воздействие на водителя (он может испугаться), а также понизит уровень безопасности эксплуатации автомобиля. At the moment of interruption of the transmission of the
При эксплуатации традиционных звуковоспроизводящих систем подобная ситуация также может иметь место. Прерывающийся сигнал пусть даже и не максимального, а номинального уровня громкости также будет раздражать и отвлекать водителя от управления транспортным средством. When operating traditional sound reproducing systems, a similar situation may also occur. An intermittent signal, even if not at its maximum, but at a nominal volume level, will also annoy and distract the driver from driving.
Поэтому в целях повышения безопасности автотранспортных средств целесообразно предусмотреть в алгоритмах оптимальной обработки сигналов процесс самотестирования и самоконтроля ее работы. Therefore, in order to improve the safety of vehicles, it is advisable to provide in the algorithms for optimal signal processing the process of self-testing and self-monitoring of its operation.
Рассмотренные примеры работы блока 5 (10) показывают, что звуковоспроизводящие системы подобного типа можно устанавливать в салоны автомобилей и других транспортных средств (например, в тракторы) как эффективные шумопонижающие системы, повышающие эргономические показатели этих машин. Для того чтобы водитель имел возможность слышать внешние звуковые сигналы, в качестве источника 1 сигнала может быть использовано устройство в виде наружного микрофона с соответствующей диаграммой направленности и частотно-корректирующим микрофонным усилителем. The considered examples of the operation of unit 5 (10) show that sound-reproducing systems of this type can be installed in car interiors and other vehicles (for example, tractors) as effective noise-reducing systems that increase the ergonomic performance of these machines. In order for the driver to be able to hear external sound signals, a device in the form of an external microphone with a corresponding radiation pattern and a frequency-correcting microphone amplifier can be used as a
Рассмотрим работу блока 5 (10) в условиях звуковоспроизведения сигналов источника 1 при воздействии помех и шумов. Consider the operation of block 5 (10) in the conditions of sound reproduction of the signals of
При одновременном появлении сигналов источника 1 и сигнала прослушивания, содержащего помехи, сигналы на выходах полосовых фильтров 14i, в полосы которых попали компоненты этих сигналов, поступают на блоки 15i и 16i.When the signals of the
На выходе бока 31i и на соответствующем входе сумматора 17 уровень дополнительного сигнала определяется уровнем сигнала в точке D, т.е. соотношением сигнал/шум (помеха).At the output of the
В течение времени Δt′ в блоке 18i осуществляется корреляционная обработка сигналов.During the time Δt ′ in
Посредством выходного сигнала схемы анализа 23, который формируется относительно фронтов импульсов Δt′ и Δt″, схема коммутации 24i подключает на выход блока 18i задержанный посредством линии задержки 20
Указанные узлы (20
Целесообразно, чтобы первоначальная величина задержки сигнала на выходе линии задержки 20
где среднее время прохождения сигнала через тракт звуковоспроизведения (определяется, в основном, временем прохождения прямой звуковой волны от громкоговорителя 3 (8) до точки прослушивания).It is advisable that the initial value of the delay signal at the output of the delay line 20
Where average time of the signal passing through the sound reproduction path (determined mainly by the time of the passage of the direct sound wave from the loudspeaker 3 (8) to the listening point).
Условие (22) получено из следующих соображений. В условиях случайного удаления слушателя от громкоговорителей 3 (8) целесообразно в качестве начальных условий функционирования системы задавать первоначальное значение задержки сигнала (на этапе зондирования), соответствующее наиболее вероятному удалению слушателя от громкоговорителя 3 (8), например, соответствующее середине максимальной расчетной удаленности с тем, чтобы минимизировать временные искажения (в виде сдвига) сигнала, которые неизбежно затем возникнут при первом переключении в режим оптимального звуковоспроизведения. В последующем, указанную задержку сигнала следует устанавливать ближайшего значения к уже измеренной на предыдущем этапе ее вычисления задержке. Но поскольку для различных полос анализа указанные задержки вероятней всего будут различными, а для получения истинных значений задержек необходимо, на время Δt′, во всех частотных каналах обработки сигналов установить одну и ту же величину задержки компонентов сигнала источника 1, то после окончания отрезка времени Δt′ следует организовать процесс вычисления оптимального значения задержки сигнала для следующего, очередного периода Δt′ зондирования тракта звуковоспроизведения и нахождения оптимального значения задержки компонентов сигнала.Condition (22) is obtained from the following considerations. Under conditions of random removal of the listener from the speakers 3 (8), it is advisable to set the initial value of the signal delay (at the sensing stage) as the initial conditions of the system operation, corresponding to the most probable distance of the listener from the speaker 3 (8), for example, corresponding to the middle of the maximum calculated distance with in order to minimize the temporal distortion (in the form of a shift) of the signal, which inevitably then occurs when you first switch to the optimal sound playback mode. Subsequently, the specified delay signal should be set to the closest value to the delay already measured at the previous stage of its calculation. But since these delays are most likely to be different for different analysis bands, and to obtain the true values of the delays, it is necessary, for the time Δt ′, to set the same delay value of the components of the signal of
В основе алгоритма подобного вычисления задержек компонентов сигнала может быть, например, алгоритм нахождения среднеарифметического по всем значениям задержек или в виде более сложных алгоритмов - вычисления средневзвешенной задержки, где каждой задержке в соответствии, например, с графиком кривой равной громкости присваивается весовой коэффициент для того, чтобы при переключении очередной комбинации частотно-скорректированных задержек минимизировать способность человека улавливать искажения сигнала при относительном сдвиге его компонентов. Например, если при трехполосном анализе фактическая задержка на частоте 100 Гц составила 0,015 с, на частоте 1000 Гц - 0,0155 с, на частоте 10000 Гц - 0,016 с, а весовые коэффициенты для этих частот составляют, например, 1, 5 и 2, то оптимальная задержка для отрезка времени Δt″ составит соответственно: 0,016 с; 0,0155 с и 0,015 с, а для последующего отрезка Δt′ оптимальная задержка для всех частот равна 0,0155625 с. The algorithm for such a calculation of the delays of the signal components can be, for example, an algorithm for finding the arithmetic mean over all delay values or in the form of more complex algorithms - calculating the average delay, where each delay is assigned a weight coefficient in accordance with, for example, a graph of an equal loudness curve, so that when switching the next combination of frequency-corrected delays to minimize the ability of a person to capture distortion of a signal with a relative shift of it components. For example, if in a three-way analysis, the actual delay at a frequency of 100 Hz was 0.015 s, at a frequency of 1000 Hz - 0.0155 s, at a frequency of 10000 Hz - 0.016 s, and the weighting factors for these frequencies are, for example, 1, 5 and 2, then the optimal delay for the time interval Δt ″ will be, respectively: 0.016 s; 0.0155 s and 0.015 s, and for the subsequent interval Δt ′, the optimal delay for all frequencies is 0.0155625 s.
С выхода схемы коммутации 24i оптимально задержанный сигнал источника 1 через первый управляемый усилитель 28i и сумматор 17 поступает на выход блока 5 (10) и далее, пройдя через другие звенья тракта звуковоспроизведения, достигает точки прослушивания. Посредством зондирующего устройства 4 (9) и линии связи 6 (11) сигнал поступает на первый вход блока 5 (10) и с выхода соответствующего полосового фильтра 14i вновь на первый вход блока 15i.From the output of the switching
Если к этому моменту еще не закончился этап корреляционной обработки сигналов, то в соответствии со схемой (фиг. 6) задержанные с помощью линий задержек сигналы источника 1 умножаются на сигналы прослушивания и затем фильтруются посредством ФНЧ 22i.If at this point the stage of correlation signal processing has not yet ended, then, in accordance with the scheme (Fig. 6), the signals of
На входах схемы анализа 23 формируются сигналы, уровни которых определяют степень коррелированности сигналов. В схеме анализа 23 осуществляется нахождение максимального сигнала и ему соответствующей задержки сигнала в тракте, рассчитывается оптимальная задержка и формируется выходной сигнал схемы 23, который поступает на вход блока коммутации 24i относительно заднего фронта импульса Δt′. С этого момента времени блоки коммутации 24 подключают на выходы блоков 18 расчетные задержки и по завершению отрезка Δt″ единую для всех блоков 18 задержку.At the inputs of the analysis circuit 23, signals are formed whose levels determine the degree of correlation of the signals. In the analysis circuit 23, the maximum signal is found and the corresponding signal delay in the path is calculated, the optimal delay is calculated and the output signal of the circuit 23 is generated, which is fed to the input of the switching
Во время оптимизации временных параметров работа блока 19i оптимизации энергетических параметров может происходить по уже описанному алгоритму независимо от состояния блока 18i. Влияние блока 19i на параметры сигнала в точке прослушивания, в данной полосе анализа, сводится к амплитудной модуляции соответствующих спектральных компонентов сигнала прослушивания. Эта дополнительная модуляция сигнала не сказывается на результатах корреляционной обработки потому, что является медленным процессом. За счет прерывания во времени процесса передачи сигнала, его многополосного анализа и преобразования, удалось разорвать взаимосвязь между АЧХ, ФЧХ и переходной характеристиками блока 5 (10). Другими словами, если в традиционных системах обработки сигналов (в аналоговых или цифровых) начать изменять, например, АЧХ, то автоматически начнут изменяться и другие показатели, например ФЧХ, потому, что время для одноканальных устройств (четырехполюсников) представляет собой одномерный, монотонно возрастающий параметр (непрерывный в случае аналоговых устройств и дискретный для цифровых), а за счет введения многополосного анализа, преобразования сигналов и прерывания времени в соответствии с (14), т. е. за счет введения фактически второй оси времени, удалось разорвать взаимосвязь и взаимозависимость временных показателей от энергетических. Указанное справедливо только для компонентов сигнала, попадающих в различные полосы анализа. Для компонентов сигнала внутри указанных полос анализа взаимосвязь АЧХ, ФЧХ и переходной характеристик осталась неизменной.During the optimization of time parameters, the operation of the energy
При сужении полосы пропускания полосовых фильтров 14 время задержки сигнала при прохождении его через фильтры 14 увеличивается. Соответственно увеличивается инерционность работы блока 5 (10) и всей звуковоспроизводящей системы. When narrowing the passband of the band-
Таким образом, ширина полосы пропускания полосовых фильтров 14 должна выбираться исходя из конкретных условий звуковоспроизведения и динамики изменения параметров сигналов. При синтезе высокоинтеллектуальных алгоритмов целесообразно предусмотреть возможность оптимизации указанных параметров блока 5 (10). В программном варианте управления процессом обработки сигналов указанная оптимизация может осуществляться с помощью соответствующей подпрограммы, в которой, например, периодически изменяются полосы пропускания (и соответственно их число) фильтров 14, вычисляется СКО сигнала прослушивания от сигнала источника 1 и находятся оптимальные значения полос, обеспечивающие наименьшее значение СКО по всем экспериментальным данным. В дальнейшем, в зависимости от выбранного алгоритма число и ширина полос пропускания полосовых фильтров 14 могут автоматически устанавливаться на некоторое время квазиоптимальной работы системы, например на 120 с. По истечении указанного времени процесс оптимизации параметров блока 5 (10) возобновляется, а результаты, например, накапливаются в памяти машины в виде статистических данных по соответствующему параметру. Эти данные можно использовать в алгоритмах экстраполяции параметров сигналов и параметров блока 5 (10) обработки сигналов. Thus, the bandwidth of the bandpass filters 14 should be selected based on the specific conditions of sound reproduction and the dynamics of changes in signal parameters. In the synthesis of highly intelligent algorithms, it is advisable to provide for the possibility of optimizing the indicated parameters of block 5 (10). In the software version of the signal processing process control, this optimization can be carried out using the corresponding subprogram, in which, for example, the passbands (and, accordingly, their number) of the
В зависимости от управляющего напряжения сигнала в точке D (фиг. 6), в котором заложена информация о усредненном за достаточно короткий отрезок времени соотношении сигнал/шум (помеха), на отрезке времени Δt″ происходит оптимальное звуковоспроизведение сигнала. Например, если уровень помехи значительно меньше уровня сигнала источника 1, то в первом управляемом усилителе 28i коэффициент усиления несколько изменяется: а) если в точке прослушивания слабая помеха и сигнал в фазе, то несколько уменьшается; б) если в точке прослушивания слабая помеха и сигнал в противофазе, то несколько увеличивается. При слабой помехе второй управляемый усилитель 31i закрыт и активного понижения шумов и помех не происходит.Depending on the control voltage of the signal at point D (Fig. 6), which contains information on the signal-to-noise ratio (noise) averaged over a fairly short period of time, the signal is reproduced optimally in the time interval Δt ″. For example, if the noise level is much lower than the signal level of
Если уровень помех высок и, например, равен уровню сигнала источника, то: а) если сигнал источника и сигнал помехи в фазе, то происходит уменьшение сигнала источника 1 до нуля, и в это время слушатель воспринимает (по энергетике) соответствующие акустические компоненты помехи, как воспринимал бы он сигнал громкоговорителя или как в прошлом звучали сигналы первоисточников звуков; б) если сигнал источника 1 и сигнал помехи в противофазе, то происходит увеличение уровня сигнала в два раза. If the interference level is high and, for example, equal to the source signal level, then: a) if the source signal and the interference signal are in phase, then the signal of
Если уровень помехи много больше уровня сигнала, то уровень сигнала в точке D начинает уменьшаться и первый управляемый усилитель 28i закрывается. В тот момент времени, когда напряжение в точке D становится отрицательным, начинается формирование на выходе второго управляемого усилителя 31i и, следовательно, на выходе блока 16i дополнительного электрического сигнала для активного шумопонижения, описанное выше. Если компоненты сигнала источника 1 попадают в полосу анализа, то в этой полосе частотного диапазона подавление помех осуществляется частично.If the noise level is much higher than the signal level, then the signal level at point D begins to decrease and the first controlled
Таким образом, при обработке сигналов в системе звуковоспроизведения взвешенное (для всей полосы звуковоспроизведения) отношение сигнал/шум (помеха) возрастает, а СКО сигнала в точке (точках) прослушивания уменьшается. Thus, when processing signals in a sound reproduction system, the weighted (for the entire sound reproduction band) signal-to-noise (noise) ratio increases, and the standard deviation of the signal at the listening point (s) decreases.
Обобщая рассмотренные примеры взаимодействия узлов блока 5 (10) обработки сигналов для случая динамичного изменения параметров сигнала источника 1 и сигнала прослушивания, можно образно сравнить работу системы оптимального звуковоспроизведения с функционированием разумного или интеллектуального организма по универсальным логическим правилам. Summarizing the examples of interaction between the nodes of the signal processing unit 5 (10) for the case of a dynamic change in the parameters of the signal of the
Пример решения частной технической задачи повышения качества передачи звуковой информации (звуковоспроизведения), в результате которого были найдены оптимальные способы и системы для их осуществления (машины), в соответствии с фундаментальным кибернетическим принципом подобия должны также являться оптимальными решениями (совокупностью существенных признаков) для других частных кибернетических задач, например решения задачи повышения качества визуального воспроизведения сигналов, сигналов осязания и сигналов, поступающих к человеку по другим каналам информационного восприятия окружающей действительности, совместного решения всех перечисленных выше задач для синтеза машины времени, а также могут использоваться для повышения эффективности управления в общественных системах: на предприятии, в отрасли, государстве, мире и т.д. An example of solving a particular technical problem of improving the quality of transmission of sound information (sound reproduction), as a result of which the optimal methods and systems for their implementation (machines) were found, in accordance with the fundamental cybernetic principle of similarity, should also be optimal solutions (a set of essential features) for other particular cybernetic tasks, for example, solving the problem of improving the quality of visual reproduction of signals, touch signals and signals received by a person in other channels of information perception of reality, a joint decision of all the above tasks for the synthesis of a time machine, and can also be used to improve governance in the public system: the company, industry, country, world, etc.
Таким образом, существенные признаки любой оптимальной информационной системы соответствующего типа можно сформулировать в виде следующего способа передачи информационных сообщений. Thus, the essential features of any optimal information system of the corresponding type can be formulated as the following method of transmitting information messages.
Способ оптимальной передачи сообщений любой физической природы в канале со случайными параметрами, заключающийся в преобразовании сообщений в электрические сигналы источника сообщений, согласованной фильтрации электрических сигналов источника, их усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, передаче этих сигналов через канал со случайными параметрами в точку приема, приеме и преобразовании сигнала в принятый электрический сигнал, передачи принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрических сигналов источника сообщений и принятого электрического сигнала, формировании управляющих согласованной фильтрацией сигналов, отличающийся тем, что формируют дополнительные электрические сигналы для активного шумопонижения, которые усиливают, преобразуют в сигналы той же физической природы и излучают в канал со случайными параметрами до точки приема сообщений. A method for optimal transmission of messages of any physical nature in a channel with random parameters, which consists in converting messages to electrical signals of a message source, coordinated filtering of electric signals of a source, their amplification, converting electrical signals into signals of the same physical nature, transmitting these signals through a channel with random parameters to the point of reception, reception and conversion of the signal into a received electrical signal, transmitting the received electrical signal to the place of its processing ki, processing electrical signals of the message source and the received electrical signal, forming control signals by coordinated filtering, characterized in that they generate additional electrical signals for active noise reduction, which amplify, convert into signals of the same physical nature and emit into a channel with random parameters to the receiving point messages.
Промышленная применимость
Предложенные способы и системы для их осуществления могут быть использованы в различных областях техники, связанных с обработкой информации, например в радиотехнике для качественного звуковоспроизведения сигналов, в робототехнике, в автомобилестроении для усовершенствования систем управления узлами и агрегатами (например, для усовершенствования активной подвески, систем безопасности и эргономичности автомобиля, систем "автопилота" и т.д.).Industrial applicability
The proposed methods and systems for their implementation can be used in various fields of technology related to information processing, for example, in radio engineering for high-quality sound reproduction of signals, in robotics, in the automotive industry to improve control systems of assemblies and assemblies (for example, to improve active suspension, security systems and ergonomics of the car, "autopilot" systems, etc.).
Способы могут использоваться для синтеза более совершенных систем вооружений (систем наведения на цель, слежения и т.д.). The methods can be used to synthesize more advanced weapons systems (targeting systems, tracking systems, etc.).
Способы могут использоваться в вычислительной технике для создания тренажерных или развлекательных, виртуальных систем и правдоподобных компьютерных игр. The methods can be used in computer technology to create training or entertainment, virtual systems and believable computer games.
Claims (19)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97116014A RU2145446C1 (en) | 1997-09-29 | 1997-09-29 | Method for optimal transmission of arbitrary messages, for example, method for optimal acoustic playback and device which implements said method; method for optimal three- dimensional active attenuation of level of arbitrary signals |
PCT/RU1998/000025 WO1998048406A1 (en) | 1997-09-29 | 1998-02-09 | Method for the optimal transmission of communication having any physical characteristics, method for optimal sound reproduction and system for realising the same, and method for the active, three-dimensional and optimal level reduction of signals having any physical characteristics |
AU61265/98A AU6126598A (en) | 1997-09-29 | 1998-02-09 | Method for the optimal transmission of communication having any physical characteristics, method for optimal sound reproduction and system for realising the same, and method for the active, three-dimensional and optimal level reduction of signals having any physical characteristics |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97116014A RU2145446C1 (en) | 1997-09-29 | 1997-09-29 | Method for optimal transmission of arbitrary messages, for example, method for optimal acoustic playback and device which implements said method; method for optimal three- dimensional active attenuation of level of arbitrary signals |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU97116014A RU97116014A (en) | 1999-07-10 |
RU2145446C1 true RU2145446C1 (en) | 2000-02-10 |
Family
ID=20197478
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97116014A RU2145446C1 (en) | 1997-09-29 | 1997-09-29 | Method for optimal transmission of arbitrary messages, for example, method for optimal acoustic playback and device which implements said method; method for optimal three- dimensional active attenuation of level of arbitrary signals |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
AU (1) | AU6126598A (en) |
RU (1) | RU2145446C1 (en) |
WO (1) | WO1998048406A1 (en) |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001093468A1 (en) * | 2000-06-02 | 2001-12-06 | Efremov Vladimir A | Method for transferring a message of any physical nature, for example a method for sound message transfer and system for carrying out said method (variants). method for active spatial reduction of amplitude levels of any physical variety (variants) |
WO2004027751A1 (en) * | 2002-05-27 | 2004-04-01 | Efremov Vladimir A | Method for reducing the noise level of an aviation engine and system for carrying out said method |
US8700082B2 (en) | 2006-01-05 | 2014-04-15 | Qualcomm Incorporated | Power control utilizing multiple rate interference indications |
RU2523789C2 (en) * | 2008-01-24 | 2014-07-27 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Optical transmission of data for configuring light-sensitive peripheral devices |
RU2536343C2 (en) * | 2013-04-15 | 2014-12-20 | Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Method of picking up speech signal in presence of interference and apparatus therefor |
RU2559713C2 (en) * | 2010-02-02 | 2015-08-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Spatial reproduction of sound |
RU2575883C2 (en) * | 2010-03-18 | 2016-02-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Acoustic system and operation method thereof |
RU2595896C2 (en) * | 2012-03-22 | 2016-08-27 | Дирак Рисерч Аб | Circuit of preliminary controller of correcting audio using alternating supporting set of loudspeakers |
EA025998B1 (en) * | 2014-03-31 | 2017-02-28 | Владимир Петрович Федосов | Acoustic digital-to-analogue converter (embodiments) |
RU2671627C2 (en) * | 2013-05-16 | 2018-11-02 | Конинклейке Филипс Н.В. | Audio apparatus and method therefor |
RU2726840C1 (en) * | 2018-01-23 | 2020-07-15 | Сименс Акциенгезелльшафт | Verification of sensor data |
RU2727710C1 (en) * | 2020-01-09 | 2020-07-23 | Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Apparatus for spatially separated reception of digital signals of systems of mobile radio communication |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109213242B (en) * | 2018-11-08 | 2020-11-27 | 王锐 | Intelligent home temperature and humidity real-time control system |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU133631A1 (en) * | 1949-08-24 | 1959-11-30 | А.В. Быховский | Method of suppressing noise in the auditory organ |
JPS5213721A (en) * | 1975-07-24 | 1977-02-02 | Hitachi Ltd | Tv receiver containing magnetic recorder/player |
RU2038704C1 (en) * | 1993-08-12 | 1995-06-27 | Владимир Анатольевич Ефремов | Three-dimensional speaking system |
-
1997
- 1997-09-29 RU RU97116014A patent/RU2145446C1/en not_active IP Right Cessation
-
1998
- 1998-02-09 AU AU61265/98A patent/AU6126598A/en not_active Abandoned
- 1998-02-09 WO PCT/RU1998/000025 patent/WO1998048406A1/en active Application Filing
Cited By (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001093468A1 (en) * | 2000-06-02 | 2001-12-06 | Efremov Vladimir A | Method for transferring a message of any physical nature, for example a method for sound message transfer and system for carrying out said method (variants). method for active spatial reduction of amplitude levels of any physical variety (variants) |
WO2004027751A1 (en) * | 2002-05-27 | 2004-04-01 | Efremov Vladimir A | Method for reducing the noise level of an aviation engine and system for carrying out said method |
US8700082B2 (en) | 2006-01-05 | 2014-04-15 | Qualcomm Incorporated | Power control utilizing multiple rate interference indications |
RU2523789C2 (en) * | 2008-01-24 | 2014-07-27 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Optical transmission of data for configuring light-sensitive peripheral devices |
US9282417B2 (en) | 2010-02-02 | 2016-03-08 | Koninklijke N.V. | Spatial sound reproduction |
RU2559713C2 (en) * | 2010-02-02 | 2015-08-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Spatial reproduction of sound |
RU2575883C2 (en) * | 2010-03-18 | 2016-02-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Acoustic system and operation method thereof |
RU2595896C2 (en) * | 2012-03-22 | 2016-08-27 | Дирак Рисерч Аб | Circuit of preliminary controller of correcting audio using alternating supporting set of loudspeakers |
RU2536343C2 (en) * | 2013-04-15 | 2014-12-20 | Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" | Method of picking up speech signal in presence of interference and apparatus therefor |
RU2671627C2 (en) * | 2013-05-16 | 2018-11-02 | Конинклейке Филипс Н.В. | Audio apparatus and method therefor |
EA025998B1 (en) * | 2014-03-31 | 2017-02-28 | Владимир Петрович Федосов | Acoustic digital-to-analogue converter (embodiments) |
RU2726840C1 (en) * | 2018-01-23 | 2020-07-15 | Сименс Акциенгезелльшафт | Verification of sensor data |
US10983157B2 (en) | 2018-01-23 | 2021-04-20 | Siemens Aktiengesellschaft | Verification of sensor data |
RU2727710C1 (en) * | 2020-01-09 | 2020-07-23 | Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Apparatus for spatially separated reception of digital signals of systems of mobile radio communication |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO1998048406A1 (en) | 1998-10-29 |
AU6126598A (en) | 1998-11-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11503421B2 (en) | Systems and methods for processing audio signals based on user device parameters | |
Swanson | Signal processing for intelligent sensor systems with MATLAB | |
JP5400225B2 (en) | System for spatial extraction of audio signals | |
RU2145446C1 (en) | Method for optimal transmission of arbitrary messages, for example, method for optimal acoustic playback and device which implements said method; method for optimal three- dimensional active attenuation of level of arbitrary signals | |
Välimäki et al. | Parametric spring reverberation effect | |
US8401685B2 (en) | Method for reproducing an audio recording with the simulation of the acoustic characteristics of the recording condition | |
Välimäki et al. | Spectral delay filters | |
US6925426B1 (en) | Process for high fidelity sound recording and reproduction of musical sound | |
Genereux | Signal processing considerations for acoustic environment correction | |
Berkovitz | Digital equalization of audio signals | |
Yao | Audio Effect Units in Mobile Devices for Electric Musical Instruments | |
Wilson et al. | The loudspeaker-room interface-controlling excitation of room modes | |
Farina et al. | Spatial Equalization of sound systems in cars | |
Benjamin et al. | The effect of room acoustics on subwoofer performance and level setting | |
Roginska et al. | Measuring spectral directivity of an electric guitar amplifier | |
Hill et al. | Wide-area psychoacoustic correction for problematic room-modes using nonlinear bass synthesis | |
RU2106075C1 (en) | Spatial sound playback system | |
Bellini et al. | Experimental validation of equalizing filters for car cockpits designed with warping techniques | |
Farina et al. | Implementation of cross-talk canceling filters with warped structures-Subjective evaluation of the loudspeaker reproduction of stereo recordings | |
Bharitkar et al. | Objective Function for Automatic Multi-Position Equalization and Bass Management Filter Selection | |
US20230143062A1 (en) | Automatic level-dependent pitch correction of digital audio | |
Genereux | Adaptive filters for loudspeakers and rooms | |
Rimell et al. | Reduction of loudspeaker polar response aberrations through the application of psychoacoustic error concealment | |
Sarroff et al. | Measurements of spaciousness for stereophonic music | |
Djukic et al. | The influence of impulse response length and transition bandwidth of magnitude complementary crossover on perceived sound quality |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100930 |