Область техники
Изобретение относится к кибернетике и может быть использовано в различных областях техники: в радиотехнике, автомобилестроении, робототехнике, авиастроении и т.д.
Предшествующий уровень техники
Известен способ передачи сообщений, заключающийся в многополосной фильтрации электрических сигналов источника, усилении каждой полосы частот сигналов, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы и излучении их из различных точек пространства до точки приема сообщений (аналог).
Известен также упрощенный вариант этого способа, заключающийся в широкополосном усилении электрических сигналов источника сообщений, в многополосной фильтрации усиленного электрического сигнала источника, преобразовании отфильтрованных сигналов в сигналы той же физической природы, излучении их из различных точек пространства до точки приема сообщений (аналог).
Эти способы широко применяются, например, при реализации систем, пространственного звуковоспроизведения в салонах автотранспортных средств. Число частотных полос звуковоспроизведения, как правило, составляет порядка двух - четырех. Низкочастотные громкоговорители размещают в наиболее удаленных точках пространства по отношению к водителю - в задней части автомобиля. Среднечастотные и высокочастотные громкоговорители располагают ближе по отношению к водителю, например, в передних дверях, в передних полках, передних стойках лобового стекла и т.д. Громкоговорители стараются установить с определенным разворотом в сторону водителя. Это помогает избежать образования стоячей волны и несколько снизить частотные искажения сигнала.
За счет многополосного звуковоспроизведения удается снизить интермодуляционные искажения, возникающие в громкоговорителях и усилителях, а также существенно снизить требования к электрическим показателям этих устройств в отношении мощности и полосы эффективно воспроизводимых частот.
Недостатки способа:
1) различная удаленность точек излучения от точки приема сообщений приводит к сильным искажениям спектра сигнала в точке его приема,
2) искажения спектра сигнала в точке его приема в системе не отслеживаются и не компенсируются, так как многополосная фильтрация не является согласованной,
3) способ не позволяет понижать уровень помех и шумов в точке приема сообщений.
Известна группа технических решений, позволяющих передавать сообщения по схеме с обратной связью (RU 2038704 А; RU 2106073 А; RU 2106074 А; RU 2145446 А - прототип).
В этих изобретениях непосредственно в процессе передачи сообщений осуществляется многополосная, специальная обработка электрических сигналов источника сообщений и электрических сигналов обратной связи, которые сформированы вблизи точки получения сообщения. Сигналы обратной связи формируются посредством зондирующего устройства и поступают в блок обработки по линии связи.
Основное отличие технических решений заключается в функции, которую выполняет блок обработки сигналов.
Функции блока обработки сигналов:
а) согласованная фильтрация сигналов источника, т.е. оптимизация амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), фазово-частотной (ФЧХ) или время-частотной (ВЧХ) характеристик предыскажающего фильтра,
б) формирование и оптимизация сигналов для активного шумопонижения.
Способы и системы для их реализации позволяют повышать точность передачи сообщений в канале со случайными параметрами и помехами, имеющими априорно неизвестные параметры.
При реализации в блоке обработки сигналов только одной функции - согласованной фильтрации, а именно, при оптимизации АЧХ предыскажающего фильтра или при одновременной (полнопараметрической) оптимизации АЧХ и ФЧХ (ВЧХ) предыскажающего фильтра, имеет место своеобразный эффект шумопонижения. Он возникает только на частотах и в моменты времени совпадения компонентов сигналов сообщений и помех. При оптимизации только ФЧХ (ВЧХ) предыскажающего фильтра этот эффект шумопонижения отсутствует. Шумопонижающий эффект выражается в том, что для различных полос частот удается корректировать усиление компонентов полезного информационного сигнала в соответствии с сигналами обратной связи.
Скорость самоадаптации системы определяется временем задержки сигнала в канале и других цепях системы и частотой обрабатываемых сигналов.
При реализации в блоке обработки сигналов функции формирования и оптимизации сигналов для активного шумопонижения осуществляется формирование сигналов в моменты времени и на частотах помех и шумов. Оптимизация сигналов заключается в нахождении оптимальных значений энергетических и временных (фазовых) параметров сигналов, при которых уровень помех и шумов в точке приема сообщения минимизируется.
При реализации в блоке обработки сигналов двух функций его выходной сигнал есть сумма многополосно согласованно отфильтрованных сигналов источника сообщений и многополосно сформированных и оптимизированных сигналов для активного шумопонижения. Этот способ передачи сообщений и система для его осуществления позволяют предельно минимизировать всевозможные искажения сигналов сообщений и подавить шумы в точке приема сообщений, т.е. являются решением наиболее обобщенной задачи теории информации, когда априорно отсутствует какая-либо информация о расположении точек излучения и приема сообщений, информация о процессах происходящих в канале и информация о помехах.
Поскольку способ оптимальной передачи сообщений любой физической природы позволяет в рамках вышеперечисленных условий дать ответ на вопрос, какие действия необходимо осуществить, чтобы передать сообщение (информацию) с предельно возможной точностью, то этот способ можно интерпретировать как обобщенный закон минимизации роста энтропии для любой соответствующей информационной системы или закон сохранения информации. У вышеописанной системы передачи информации появляется новое свойство - свойство генерации в системе "отрицательной" энтропии. Модуль этой "отрицательной" энтропии максимален. В противном случае способ не был бы оптимален. Генерация "отрицательной" энтропии в системе осуществляется за счет внешнего источника энергии, который питает электронные блоки системы, а также за счет определенного уровня сложности системы. Уровень сложности системы функционально соответствует уровню сложности решаемой задачи. Вышеперечисленные функции блока обработки сигналов, в соответствии с винеровской классификацией материальных объектов, позволяют считать систему для передачи информации полнопараметрической, целенаправленно работающей системой с обратной связью - системой высшей формы организации или оптимальной системой. Дальнейшее усовершенствование системы в рамках априорной неопределенности в отношении всевозможных параметров информационного канала и помех возможно, например, на уровне усовершенствования алгоритма обработки сигналов. Эти усовершенствования могут касаться процессов статистической обработки сигналов и выработки на основе статистических данных оптимальных параметров системы. В этой более совершенной системе передачи сообщений у блока обработки сигналов могут появиться новые функции: функции предсказания и самообучения системы. Другие блоки и связи между ними не изменяются.
Основной "недостаток" оптимальной системы для передачи сообщений заключается в том, что не удается полностью отфильтровать и компенсировать помехи из-за задержки сигнала в канале и других цепях. Ограниченность скорости распространения сообщений любой физической природы (скорости звука, электромагнитных колебаний, скорости распространения тепла в конкретной физической среде, скорости передвижения материальных тел и т.д.) и наличие расстояния от точки излучения до точки приема сообщения позволяют считать указанный недостаток оптимальной системы для передачи сообщений любой физической природы объективным свойством этой системы, а не ее несовершенством.
Таким образом, усовершенствовать способы и системы для передачи сообщений на уровне обобщенной функциональной схемы, введя новые узлы и блоки, можно только при изменении постановки задачи. Новые априорно сформулированные условия, определяющие постановку конкретизированной задачи в области систем связи, как будет показано ниже, могут дать новые существенные признаки и связи между ними, характеризующие более совершенные технические решения (способы и системы для передачи сообщений любой физической природы) этой задачи.
Раскрытие изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача создать такие способы и системы для их осуществления, которые позволяют повысить точность передачи информации в каналах с малоизменяющимися параметрами удаленности точек излучения сигналов от точек их приема и помехами с априорно неизвестными, случайными параметрами, например, повысить качество звуковоспроизведения для водителя в салоне автотранспортного средства с учетом помех и шумов, случайных изменениях формы, объема, акустических свойств салона и таким образом понизить среднеквадратическое отклонение (СКО) сигнала в системе, например, повысить эффективность шумопонижения в точке прослушивания.
Малоизменяемость параметров удаления точек излучения от точек их приема означает, что указанные параметры могут оставаться неизменными или изменяться случайным образом в некотором интервале значений. При этом указанные изменения параметров не могут привести к нарушению в порядке удаленности точек излучения по отношению к точкам приема сообщений.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе передачи сообщений любой физической природы в канале с помехами, заключающемся в преобразовании сообщений в электрические сигналы источника сообщений и многополосной согласованной фильтрации электрических сигналов источника сообщений, в многополосном формировании сигналов для активного шумопонижения, суммировании этих сигналов, выполняемых посредством блока обработки на второй вход которого поступают электрические сигналы источника, усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, излучении сигналов в канал до точки приема сообщений, приеме и преобразовании сигнала в принятый электрический сигнал и передаче его на первый вход блока обработки, обработке электрических сигналов источника сообщений и принятого электрического сигнала, просуммированные согласованно отфильтрованные электрические сигналы источника сообщений и сформированные сигналы для активного шумопонижения дополнительно фильтруют для многополосной передачи сообщений, число дополнительно отфильтрованных сигналов не менее двух, каждый дополнительно отфильтрованный сигнал соответствующей полосы усиливают, преобразуют в сигналы той же физической природы и излучают из различных точек пространства в канал, причем хотя бы одну из точек излучения сигналов любой физической природы располагают ближе чем другие к точке приема сигналов.
Поставленная задача решается тем, что в способе передачи сообщений любой физической природы в канале с помехами, заключающемся в преобразовании сообщений в электрические сигналы источника сообщений и многополосной согласованной фильтрации электрических сигналов источника, в многополосном формировании сигналов для активного шумопонижения, суммировании согласованно отфильтрованных электрических сигналов источника и сигналов для шумопонижения, выполняемых посредством блока обработки, на второй вход которого поступают электрические сигналы источника, усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, излучении этих сигналов в канал до точки приема сообщений, приеме и преобразовании сигнала в принятый электрический сигнал и передаче его на первый вход блока обработки, обработке электрических сигналов источника сообщений и принятого электрического сигнала, суммируют многополосно согласованно отфильтрованные электрические сигналы источника и многоплосно сформированные сигналы для активного шумопонижения на соответствующих частотах для многополосной передачи сообщений, число суммарных сигналов не менее двух, каждый суммарный сигнал соответствующей полосы частот усиливают, преобразуют в сигналы той же физической природы и излучают из различных точек пространства в канал, причем хотя бы одну из точек излучения сигналов любой физической природы располагают ближе чем другие к точке приема сигналов, кроме того, в качестве сообщений любой физической природы используют звуковые сообщения, а именно, электрические сигналы преобразуют в звуковые сообщения для их излучения до точки приема, звуковые сигналы в точке приема звуковых сообщений преобразуют в электрические сигналы для их передачи в блок обработки.
Поставленная задача решается тем, что в системе для передачи звуковых сообщений, содержащей источник сигнала, блок обработки сигналов, усилитель низкой частоты, громкоговоритель, зондирующее устройство, линию 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, выход усилителя низкой частоты связи с громкоговорителем, блок обработки сигналов выполнен с возможностью многополосной согласованной фильтрации сигнала источника и многополосного формирования сигналов для активного шумопонижения для различных частотных полос, число которых не менее двух и соответствует числу выходов блока обработки сигналов, дополнительно введены соответственно числу, уменьшенному на единицу выходов блока обработки сигналов, по крайней мере один первый дополнительный усилитель низкой частоты и один первый дополнительный громкоговоритель, связанные последовательно, вход усилителя низкой частоты и вход первого дополнительного усилителя низкой частоты подключены к соответствующим выходам блока обработки сигналов, причем хотя бы один из громкоговорителей расположен ближе чем другие к зондирующему устройству.
Поставленная задача решается тем, что в способ передачи сообщений любой физической природы в канале с помехами, заключающемся в преобразовании сообщений в электрические сигналы источника сообщений и многополосной согласованной фильтрации электрических сигналов источника сообщений, в многополосном формировании сигналов для активного шумопонижения, суммировании этих сигналов, выполняемых посредством блока обработки, на второй вход которого поступают электрические сигналы источника, их усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, излучении сигналов в канал до точки приема сообщений, приеме и преобразовании сигнала в принятый электрический сигнал и передаче его на первый вход блока обработки, обработке электрических сигналов источника сообщений и принятого электрического сигнала, преобразование электрических сигналов в сигналы любой физической природы осуществляют на различных частотах, а излучают из различных точек пространства, причем хотя бы одну из точек излучения располагают ближе чем другие к точке приема сообщений.
Поставленная задача решается тем, что в способе передачи сообщений любой физической природы в канале с помехами, заключающемся в преобразовании сообщений в электрические сигналы источника сообщений и в многополосной согласованной фильтрации электрических сигналов источника сообщений, в суммировании этих сигналов, выполняемых посредством блока обработки, на второй вход которого поступают электрические сигналы источника, усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, излучении этих сигналов в канал до точки приема сообщений, приеме и преобразовании сигнала в принятый электрический сигнал и передаче его на первый вход блока обработки, обработке электрических сигналов источника сообщений и принятого электрического сигнала, число суммарных многополосно отфильтрованных электрических сигналов источника сообщений не менее двух, каждый суммарный сигнал усиливают, преобразуют в сигнал той же физической природы и излучают из различных точек пространства на соответствующих частотах, причем хотя бы одну из точек излучения располагают ближе чем другие к точке приема сообщений.
Поставленная задача решается тем, что в способе передачи сообщений любой физической природы в канале с помехами, заключающемся в преобразовании сообщений в электрические сигналы источника сообщений, в многополосной согласованной фильтрации электрических сигналов источника сообщений, в суммировании этих сигналов, выполняемых посредством блока обработки, на второй вход которого поступают электрические сигналы источника, усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, излучении этих сигналов в канал до точки приема сообщений, приеме и преобразовании сигнала в принятый электрический сигнал и передаче его на первый вход блока обработки, обработке электрических сигналов источника сообщений и принятого электрического сигнала, преобразование электрических сигналов в сигналы той же физической природы осуществляют на различных частотах, а излучают из различных точек пространства, причем хотя бы одну из точек излучения располагают ближе чем другие к точке приема сообщений.
Поставленная задача решается тем, что в способе передачи сообщений любой физической природы в канале с помехами, заключающемся в преобразовании сообщений в электрические сигналы источника сообщений, в многополосной согласованной фильтрации электрических сигналов источника сообщений, выполняемых посредством блока обработки, на второй вход которого поступают электрические сигналы источника, усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, излучении этих сигналов в канал до точки приема сообщений, приеме и преобразовании сигнала в принятый электрический сигнал и передаче его на первый вход блока обработки, обработке электрических сигналов источника сообщений и принятого электрического сигнала, каждый многополосно согласованно отфильтрованный электрический сигнал источника сообщений усиливают, преобразуют в сигналы той же физической природы и излучают из различных точек пространства в канал на частотах согласованной фильтрации, причем хотя бы одну из точек излучения располагают ближе чем другие к точке приема сообщений.
Поставленная задача решается тем, что в способе передачи сообщений любой физической природы в канале с помехами, заключающемся в преобразовании сообщений в электрические сигналы источника сообщений, в многополосной согласованной фильтрации электрических сигналов источника сообщений, в суммировании этих сигналов, выполняемых посредством блока обработки, на второй вход которого поступают электрические сигналы источника, усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, излучении этих сигналов в канал до точки приема сообщений, приеме и преобразовании сигнала в принятый электрический сигнал и передаче его на первый вход блока обработки, обработке электрических сигналов источника сообщений и принятого электрического сигнала, просуммированные согласованно отфильтрованные сигналы источника дополнительно фильтруют для многополосной передачи сообщений, число дополнительно отфильтрованных сигналов не менее двух, каждый дополнительно отфильтрованный сигнал соответствующей полосы усиливают, преобразуют в сигналы той же физической природы и излучают из различных точек пространства в канал, причем хотя бы одну из точек излучения сигналов любой физической природы располагают ближе чем другие к точке приема сигналов.
Поставленная задача решается тем, что в способе пространственного активного понижения уровня сигналов любой физической природы, заключающемся в приеме и преобразовании этих сигналов в электрический сигнал, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрического сигнала, в многополосном формировании дополнительных электрических сигналов для активного понижения уровня сигнала, в суммировании этих сигналов, усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, излучении сигналов до точки пространства приема сигналов, суммарных многополосно сформированных дополнительных электрических сигналов для активного понижения уровня сигнала не менее двух, каждый суммарный сигнал усиливают, преобразуют в сигнал той же физической природы и излучают из различных точек пространства на соответствующих частотах, причем хотя бы одну из точек излучения располагают ближе чем другие к точке приема сигналов.
Поставленная задача решается тем, что в способе пространственного активного понижения уровня сигналов любой физической природы, заключающемся в приеме и преобразовании этих сигналов в электрический сигнал, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрического сигнала, в многополосном формировании дополнительных электрических сигналов для активного понижения уровня сигнала, в суммировании этих сигналов, усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, излучении сигналов до точки пространства приема сигналов, преобразование электрических сигналов в сигналы той же физической природы осуществляют на различных частотах, а излучают из различных точек пространства, причем хотя бы одну из точек излучения располагают ближе чем другие к точке приема сигналов.
Поставленная задача решается тем, что в способе пространственного активного понижения уровня сигналов любой физической природы, заключающемся в приеме и преобразовании этих сигналов в электрический сигнал, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрического сигнала, в многополосном формировании дополнительных электрических сигналов для активного понижения уровня сигнала, усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, излучении сигналов до точки пространства приема сигналов, каждый многополосно сформированный дополнительный электрический сигнал для активного понижения уровня сигнала усиливают, преобразуют в сигналы той же физической природы и излучают из различных точек пространства, причем хотя бы одну из точек излучения располагают ближе чем другие к точке приема сигналов.
Поставленная задача решается тем, что в способе пространственного активного понижения уровня сигналов любой физической природы, заключающемся в приеме и преобразовании этих сигналов в электрический сигнал, передаче принятого электрического сигнала к месту его обработки, обработке электрического сигнала, в многополосном формировании дополнительных электрических сигналов для активного понижения уровня сигнала, в суммировании этих сигналов, усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, излучении сигналов до точки пространства приема сигналов, просуммированные многополосно сформированные сигналы для активного понижения уровня сигнала дополнительно фильтруют для многополосного шумопонижения, число дополнительно отфильтрованных сигналов не менее двух, каждый дополнительно отфильтрованный сигнал соответствующей полосы усиливают, преобразуют в сигналы той же физической природы и излучают из различных точек пространства, причем хотя бы одну из точек излучения располагают ближе чем другие к точке приема сигналов.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятны во время рассмотрения приведенных ниже возможных вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает обобщенную структурную схему прототипа изобретения.
Фиг.2 изображает структурную схему одного из основных функциональных элементов схемы прототипа - блока обработки информации.
Фиг.3 изображает графики, поясняющие процессы шумопонижения в системе передачи сообщений.
Фиг.4, 5, 6 изображают обобщенные структурные схемы вариантов выполнения систем передачи сообщений.
Фиг.7, 8 изображают структурные схемы блоков обработки информации для варианта выполнения системы передачи сообщений, показанного на фиг.4.
Фиг.9 изображает конструкцию полосовых наушников.
Лучший вариант осуществления изобретения
В ряде областей техники целесообразно использование способа оптимальной передачи сообщений.
На фиг.1 показана обобщенная структурная схема системы, реализующей этот способ передачи сообщений (например, передачи звуковых сигналов).
Система (фиг.1) содержит источник 1 сигнала, блок 2 обработки сигналов, выполненный с возможностью выполнения функций многополосной согласованной фильтрации сигнала и/или многополосного формирования сигналов для активного шумопонижения, усилитель 3 (низкой частоты), излучатель 4 (громкоговоритель), зондирующее устройство 5, линию связи 6. Выход зондирующего устройства 5 посредством линии связи 6 подключен к первому входу блока 2 обработки сигналов. Ко второму входу блока 2 обработки сигналов подключен выход источника 1 сигнала, а выход блока 2 обработки сигналов связан со входом усилителя 3.
На фиг.1 также показаны канал 7 связи с помехами 8.
На фиг.2 показана структурная схема блока 2 обработки сигналов. Он содержит: устройство 13 управления, полосовые фильтры 14, блоки 15 согласованной фильтрации сигнала, блоки 16 формирования дополнительных сигналов для активного шумопонижения, сумматор 17, фазовращатели 29, устройства 30 управления фазовращателями 29, вторые управляемые усилители 31.
Блоки 15 могут быть выполнены в виде блоков 18 и 19. В блоках 18 осуществляется (за счет работы детекторов 25, фильтров низкой частоты (ФНЧ) 26, резисторов 27 и первых управляемых усилителей 28) коррекция энергетических параметров сигналов в каждой из множества полос обработки сигналов. В блоках 19 посредством схемы корреляционной обработки (блоки 20, 21, 22, 23, 24) осуществляется коррекция временных параметров сигналов в каждой из множества полос обработки. Указанные полосы обработки сигнала формируются соответствующими полосовыми фильтрами 14.
Работа системы оптимальной передачи сообщений общеизвестна. На входы блока 2 обработки сигналов поступают электрические сигналы от источника 1 и сигналы обратной связи (сигнал прослушивания). Сигнал обратной связи представляет собой сумму искаженного сигнала источника, который прошел через весь информационный канал и помехи. Посредством линии связи 6 этот сигнал передается из устройства 5 в блок 2.
Требование к линии связи 6: высокая помехоустойчивость и неизменность параметров.
В качестве блока 2 может использоваться специализированное микропроцессорное устройство или персональный компьютер (PC) с соответствующим программным обеспечением и устройства ввода и вывода информации (АЦЦ, ЦАП).
Как уже отмечалось, в блоке 2 могут быть реализованы следующие функции и им соответствующие сигналы:
а) осуществляется многополосная согласованная фильтрация сигналов источника 1 (электрические сигналы типа А на выходах первых управляемых усилителей 28 - фиг.2);
б) осуществляются многополосное формирование и оптимизация сигналов для активного шумопонижения (электрические сигналы типа В на выходах вторых управляемых усилителей 31 - фиг.2).
Выходной сигнал блока 2 представляет собой сумму электрических сигналов A + B (для способа оптимальной передачи сообщений при полнопараметрической обработке сигналов) или сумму сигналов типа A или B при реализации функций согласованной фильтрации или активного понижения уровня сигналов (шумопонижения). Указанное суммирование сигналов осуществляется с помощью единственного сумматора 17. В этом узле многополосно обработанные сигналы источника 1 и дополнительные сигналы для активного шумопонижения образуют широкополосный выходной сигнал блока 2, который поступает на усилитель 3 и посредством излучателя 4 передается в определенной физической форме (например, в виде звуковых волн, тепловых волн, электромагнитных колебаний и т.д.) через канал 7 с помехами 8 до точки приема сообщений - до устройства 5.
Данная система передачи сообщений функционирует с использованием сигналов обратной связи и позволяет предельно возможно минимизировать различные виды искажений полезного, информативного сигнала источника 1 сигнала и подавить помехи и шумы в точке пространства приема сообщений.
При любых случайных изменениях в системе, например, при перемещении точек излучения или приема сообщений, появлении помех с априорно неизвестными параметрами, система автоматически отслеживает эти изменения и максимально возможно быстро адаптируется к новым условиям. Используя способ оптимальной передачи сообщений, можно отфильтровывать и компенсировать лишь помехи, которые имеют время корреляции больше времени Tз задержки сигнала в канале 7. Другими словами, помехи с шириной спектра меньше чем 1/Тз.
Скорость самоадаптации системы определяется не только временем задержки сигнала Тз в канале и других (электрических) цепях системы, но и значением нижней частоты fH сигнала.
Для обеспечения устойчивости работы системы передачи сообщений с обратной связью необходимо, чтобы выполнялись условия (1) и (2).
где τ - характерный временной параметр (например, постоянная времени ФНЧ 26),
Тз - время задержки сигнала,
fH - нижняя частота передаваемого сигнала.
Совместное выполнение условий (1), (2) исключает возможность самовозбуждения системы за счет возможного выполнения условия баланса фаз и амплитуд. Это накладывает соответствующие требования к параметрам скорости регулировки энергетических изменений в системе (определяет постоянные времени ФНЧ 26) и скорости подбора фазы дополнительных сигналов для активного шумопонижения (определяет временные параметры элементов блоков 29 и 30).
Из условий (1), (2) можно определить граничное значение частоты сигнала (3)
fн гр.=1/Tз (3)
Для частот выше граничного значения можно путем уменьшения времени задержки сигнала Tз и пропорционального уменьшения постоянной времени, определяющей скорость самоадаптации системы, в допустимых условиями (1) и (2) пределах, повышать точность передачи сообщений.
Например, для всей полосы звуковых частот (20-20000 Гц) граничное значение частоты, определяющей быстродействие самоадаптации системы, составляет 20 Гц. Этой частоте согласно (3) соответствует значение времени задержки сигнала Tз=0,05 с. Данной задержке соответствует удаленность точки излучения от точки приема порядка 15 м.
Таким образом, в широкополосном звуковоспроизведении с использованием способа оптимальной передачи сообщений можно повышать точность передачи сообщений за счет приближения точки излучения к точке получения сообщения, если дальность канала связи превышает 15 м. На практике такая ситуация встречается не очень часто. Типичные значения удаления точки прослушивания от громкоговорителей составляет порядка 1-6 м. При таких значениях дальности канала связи повысить качество передачи сообщений можно только для компонентов сигнала, начиная с частот выше соответствующих значений fн гр., т.е. с частот выше 300-50 Гц соответственно.
Например, излучатели высокочастотных компонентов звуковых сигналов, работающие на частотах 6000-20000 Гц, теоретически целесообразно приближать к точке прослушивания на расстояние до 0,05 м. При подобном приближении излучателей к точке приема и пропорциональном уменьшении постоянной времени, определяющей скорость самоадаптации системы, пропорционально будет снижаться остаточный уровень помех и шумов в точке приема сообщения.
На фиг.3 показаны графики, поясняющие процесс шумопонижения звуковой квазистационарной помехи типа "писк" тормозов.
Верхний график соответствует звуковой помехе в точке приема сообщения, средний - звуковым сигналам, сформированным системой также в точке приема сообщений. Нижний график представляет собой сумму сигналов помехи и сигналов для активного шумопонижения в этой же точке пространства.
Сигнал для активного шумопонижения появляется в точке приема сообщения с некоторой задержкой Δt1 = t2-t1, обусловленной задержкой сигнала TЗ в канале и временем задержки в ФHЧ 26.
На отрезке времени Δt2 = t1-t2 осуществляется оптимизация параметров сигналов для активного шумопонижения - оптимизируются энергетические и временные (фазовые) параметры сигналов.
Отрезок времени Δt3 = t4-t3 соответствует наиболее эффективному шумопонижающему участку времени. На отрезке времени Δt4 = t5-t4 происходит паразитная генерация дополнительной помехи за счет задержки сигнала в канале.
Из графиков видно, что уменьшая время задержки сигнала в канале, т.е. приближая излучатель соответствующих частот к точке приема и соответственно уменьшая инерционность системы, можно уменьшить длительность отрезков Δt1, Δt2, Δt4, увеличить длительность отрезка времени Δt3, и следовательно, уменьшить энергию помехи в точке приема сообщения.
Таким образом, в системе с обратной связью можно повысить точность передачи сообщений или повысить эффективность шумопонижения, если различные компоненты излучать из различных точек пространства и при этом хотя бы одну из точек излучения расположить ближе, чем другие к точке приема сообщения. Точность передачи всего сообщения будет повышаться за счет тех частотных полос сигнала, где реализуется дополнительная - пространственно-дальностная фильтрация сигнала.
Указанная система будет иметь преимущества по сравнению с широкополосной оптимальной системой передачи сообщений при соблюдении ограничений на возможное взаимное расположение излучателей по отношению к точке приема сообщений. Порядок удаленности точек излучения от точки приема не должен изменяться.
Например, не допускается поворот точки приема вокруг наиболее удаленной точки излучения на угол 180
так, что точка излучения, которая располагалась ближе остальных к точке приема сообщений, окажется более удаленной, чем другие.
Вышеизложенный подход к принципам организации функционирования систем для передачи информации с обратной связью позволяет говорить о новых способах передачи сообщений (шумопонижения).
На фиг.4, 5, 6 изображены обобщенные функциональные схемы для пояснения новых способов передачи сообщений и им соответствующих систем. На фиг.7, 8 показаны варианты выполнения блоков 2 обработки сигналов для системы работающей в соответствии со структурной схемой, показанной на фиг.4.
Структурная схема блока 2 обработки сигналов, соответствующая системе, показанной на фиг.5, 6, аналогична прототипу и изображена на фиг.2.
Системы, показанные на фиг.4, 5, 6, содержат те же функциональные узлы и блоки, что и прототип (фиг.1), за исключением ряда узлов и связей между ними.
Отличие системы, изображенной на фиг.4, от прототипа (фиг.1) заключается в том, что блок 2 обработки сигналов источника 1 имеет не один выход, а несколько - по крайней мере два выхода для многополосного звуковоспроизведения. Выходные многополосные сигналы формируются:
а) сигналами типа А с выходов первых управляемых усилителей 28 (фиг.8) (собственно сигналами типа А или просуммированными сигналами А);
б) путем суммирования многополосно согласованных сигналов источника (сигналов типа А) и многополосно сформированных сигналов для активного шумопонижения (типа В) с выходов вторых управляемых усилителей 31 (фиг.7). Суммирование осуществляется на соответствующих частотах. В блоке 2 реализуются функции - многополосной согласованной фильтрации и многополосного формирования сигналов для активного шумопонижения;
в) собственно сигналами типа В или их суммами, число сумматоров не менее двух, если в блоке 2 реализуется только функция многополосного формирования сигналов для активного шумопонижения (понижения уровня сигнала любой физической природы). Для подобной системы из функциональной схемы можно исключить источник 1 сигнала и узлы, задействованные в схеме многополосной согласованной фильтрации (14 - по входу 2, 20-24, 25, 26 в цепях сигнала источника 1) фиг.8.
Отличие системы, показанной на фиг.4, от прототипа в том, что к каждому выходу блока 2 обработки сигналов подключен усилитель 3 и по крайней мере один первый дополнительный усилитель 9 низкой частоты. К выходам этих усилителей подключены громкоговоритель 4 и первый дополнительный громкоговоритель 10.
Отличительной чертой схемы, показанной на фиг.4, является то, что громкоговорители в пространстве должны быть размещены определенным образом - хотя бы один из громкоговорителей должен быть расположен ближе чем другие к точке приема (к зондирующему устройству 5). Данный новый существенный признак системы (способа) формально показан на фиг.4 цифрой 12 - "новый полосовой канал связи меньшей протяженности".
Принцип работы системы, показанной на фиг.4, уже подробно описан выше и во многом аналогичен принципу работы прототипа. Основное отличие от прототипа и аналогов состоит в том, что повышение точности передачи сообщений происходит не за счет снижения интермодуляционных искажений, возникающих в усилителях и громкоговорителях, а за счет совокупности выполнения всех действий над сигналами и, в частности, за счет приближения излучателя одной из полос сигнала к точке приема сообщения. У аналогов, использующих принцип несогласованной многополосной передачи сообщений, пространственное расположение излучателей не влияет на уровень шумов в точке приема сообщения и приводит к искажениям спектра сигнала. Задачу изобретения они не могут решить.
Система передачи сообщений, показанная на фиг.5, имеет те же блоки 2, 3, что и прототип. Многополосные электрические сигналы формируются с помощью дополнительного фильтра 11. Вход фильтра 11 подключен к выходу усилителя 3 низкой частоты, а выходы к громкоговорителю 4 и по крайней мере одному первому дополнительному громкоговорителю 10. Один из громкоговорителей располагают ближе чем другие к точке приема сообщения. Работа системы, показанной на фиг.5, аналогична работе системы, показанной на фиг.4, за исключением процесса формирования многополосных сигналов.
Система передачи сообщений, показанная на фиг.6, также имеет фильтр 11. Он подключается к выходу блока 2 обработки сигналов. К соответствующим выходам фильтра 11 подключаются усилитель 3 и по крайней мере один первый дополнительный усилитель 9 низкой частоты. Выход усилителя 3 низкой частоты связан с громкоговорителем 4, а выход первого дополнительного усилителя 9 низкой частоты связан с первым дополнительным громкоговорителем 10. Один из громкоговорителей располагают ближе чем другие к точке приема сообщений.
Система, показанная на фиг.6, является частным случаем (вариантом) реализации более обобщенной схемы (фиг.4). В этой системе функции формирования многополосных сигналов выделены в отдельный узел - фильтр 11. Этот узел может быть реализован, например, в виде R, L, С элементов как унифицированное устройство.
Реализация системы по схеме фиг.4 предпочтительней, поскольку обеспечивает более высокое быстродействие при обработке сигналов, однако необходимо соотвествующее числу выходов блока 2 обработки сигналов число цифроаналоговых преобразователей.
Число N выходных сигналов блока 2 обработки сигналов системы, показанной на фиг.4, удовлетвотворяет условию (4)
R≥N≥2 (4)
где R - число полос многополосной обработки сигналов в блоке 2 (число полосовых фильтров 14 по входам 1,2).
Число N полос частот в системе, показанной на фиг.5, 6, удовлетвотворяет условию (5)
N≥2 (5)
Например, при создании систем для озвучивания салона транспортного средства (систем шумопонижения) целесообразно выбирать число полос порядка 2-4 шт. Среднечастотные и особенно высокочастотные громкоговорители следует приближать к слуховым органам водителя. Если используется двухканальный (стерео) источник 1 сигнала, то в системе по аналогии с прототипом следует в два раза увеличить число громкоговорителей, усилителей низкой частоты, зондирующих устройств, линий связи.
Понятно, что, как и у аналогов, в описанных системах передачи сообщений существенно снижаются требования к мощностным и частотным параметрам усилителей и громкоговорителей. Имеет место также снижение интермодуляционных искажений в этих узлах.
Учитывая разнообразные функции, которые могут выполняться в блоке 2 обработки сигналов, и вышеописанные особенности построения структурных схем систем, можно сформулировать группу вариантов способов передачи сообщений, способов понижения уровня сигналов и систем для их реализации, объединенных общим изобретательским замыслом - с использованием признаков пространственно-дальностного типа фильтрации сигналов в канале с помехами. В рамках этих способов передачи сообщений можно предложить разнообразные излучающие устройства. Например, для высококачественного индивидуального звуковоспроизведения возможно выполнение пространственно разнесенных полосовых громкоговорителей в виде комбинации низкочастотных громкоговорителей 4 (саббуферов) и средне-высокочастотных дополнительных громкоговорителей 10, выполненных в виде наушников (фиг.9). Главной особенностью наушников является звукопрозрачный каркас 32, который обеспечивает постоянство пространственной удаленности громкоговорителей 10 от органов слуха, на который крепятся другие элементы: зондирующее устройство 5, пружинящий элемент 33, линия связи 6 и цепи для подключения наушников к усилителю 3 (9) или фильтру 11.
Пространственно разнесенные излучатели с использованием различных принципов действия (пневматического, гидравлического, электромагнитного и т.д.) могут найти применение на транспорте как основные элементы активной подвески, в робототехнике как устройства автоматической компенсации люфтов, сторонних нагрузок с непредсказуемыми параметрами (под воздействием ветра, течения воды и т.д.)
Промышленная применимость
Предложенные способы и системы дли их реализации могут использоваться в различных областях техники: в радиотехнике, автомобилестроении, робототехнике, военной технике и т.д.
Изобретение относится к кибернетике и может быть использовано, например, в радиотехнике, автомобилестроении, робототехнике. Способ передачи сообщений любой физической природы в канале с помехами заключается в преобразовании сообщения в электрические сигналы источника сообщений, в многополосной согласованной фильтрации электрических сигналов источника сообщений, в многополосном формировании сигналов для активного шумопонижения, суммировании этих сигналов, их усилении, преобразовании электрических сигналов в сигналы той же физической природы, излучении сигналов в канал до точки приема сообщений, приема и преобразовании сигнала в принятый электрический сигнал, передаче принятого сигнала к месту его обработки, обработке электрических сигналов источника сообщений и принятого электрического сигнала. Преобразование электрических сигналов в сигналы любой физической природы осуществляют на различных частотах, а излучают из различных точек пространства, причем хотя бы одну точку излучения располагают ближе чем другие к точке приема сообщений. Технический результат: повышение точности передачи сообщений. 12 с. и 1 з.п.ф-лы, 9 ил.
| RU 97116014 A1, 10.07.1999 | |||
| ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ЗВУКОВОСПРОИЗВОДЯЩАЯ СИСТЕМА | 1993 |
|
RU2038704C1 |
| ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ЗВУКОВОСПРОИЗВОДЯЩАЯ СИСТЕМА | 1996 |
|
RU2106075C1 |
| ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ЗВУКОВОСПРОИЗВОДЯЩАЯ СИСТЕМА | 1996 |
|
RU2106074C1 |
