ПСИХОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕССОР (АДАПТИВНЫЙ ЭКВАЛАЙЗЕР) Российский патент 2004 года по МПК H03G5/16 G06G7/48 

Изобретение относится к устройствам обработки сигналов звуковой частоты и служит для преобразования спектра исходного сигнала в соответствии с заданными психоакустическими требованиями. Процессор предназначен для применения в системах звукоусиления, включая воспроизведение и усиление сигналограмм, а также в системах записи звуковых сигналов.

Известно устройство, содержащее n полосовых фильтров, n усилителей с переменным коэффициентом усиления, усилитель с постоянным коэффициентом усиления и сумматор на (n+1) входов, выход которого является выходом устройства, входом которого служат объединенные входы n полосовых фильтров и усилителя с постоянным коэффициентом усиления, выходы n полосовых фильтров подключены к входам соответствующих n усилителей с переменным коэффициентом усиления, выходы которых подключены к соответствующим n входам сумматора, (n+1)-й вход которого соединен с выходом усилителя с постоянным коэффициентом усиления [Кисель В.А. Аналоговые и цифровые корректоры: Справочник. М.: Радио и связь, 1986, стр.131, рис.4.14а].

Устройство представляет собой n-полосный эквалайзер, позволяющий корректировать амплитудно-частотную характеристику тракта прохождения сигнала, влияя таким образом на спектр выходного сигнала. При этом эквалайзер не учитывает спектральные особенности входных сигналов. В результате сигналы с отличающимися спектрами подвергаются одной и той же частотной коррекции, что не позволяет рассматривать эквалайзер как автоматическое устройство, выполняющее эквализацию сигналов с различными спектральными свойствами, что является его существенным недостатком.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому устройству является психоакустический процессор (максимайзер), содержащий управляемый темброблок, фильтр высоких частот (ФВЧ), полосовой фильтр (ПФ) и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом темброблока, выход которого является выходом процессора, входом которого служат объединенные входы ФВЧ, ПФ и темброблока, выходы ФВЧ и ПФ подключены к информационным входам блока управления [Чернецкий М. Психоакустические процессоры. - Звукорежиссер, 2002, №4, стр.4].

Психоакустический процессор-прототип самостоятельно анализирует спектр входного сигнала и в зависимости от соотношения энергий в высокочастотной и среднечастотной областях спектра усиливает либо ослабляет высокочастотные составляющие. Таким образом, удается в автоматическом режиме поддерживать в определенном соотношении баланс между среднечастотной и высокочастотной частями диапазона выходного сигнала, независимо от спектральных свойств входного сигнала.

Недостатком прототипа являются ограниченные функциональные возможности, состоящие лишь в автоматическом управлении высокочастотной частью спектра выходного сигнала.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в обеспечении возможности автоматической частотной коррекции по всей ширине спектра входного сигнала в соответствии с произвольно заданными требованиями.

Технический результат достигается тем, что в известном психоакустическом процессоре, содержащем управляемый темброблок и блок управления, управляющий выход которого соединен с управляющим входом управляемого темброблока, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом процессора, согласно изобретению к n-полосному информационному входу блока управления подключены n полосовых выходов темброблока, а n-полосный эталонный вход блока управления является эталонным входом процессора.

Сущность изобретения иллюстрируется функциональными схемами.

На фиг.1 показана функциональная схема психоакустического процессора; на фиг.2 - функциональная схема блока 2 управления; на фиг.3 - функциональная схема формирователя 9 команд.

Функциональная схема психоакустического процессора (фиг.1) содержит управляемый термоблок 1 и блок 2 управления. В свою очередь термоблок 1 содержит группу 3 полосовых фильтров, группу 4 усилителей с переменным коэффициентом передачи и аналоговый сумматор 5.

Входом DI психоакустического процессора являются объединенные входы N фильтров 3, выходы которых подключены к входам соответствующих N усилителей 4, выходы которых подключены к N входам аналогового сумматора 5, выход которого является выходом DO процессора, управляющим входом СО которого является управляющий вход блока 2 управления, управляющий выход Δu(ω) которого, состоящий из N каналов, подключен соответственно к N управляющим входам N усилителей 4, к N-канальному информационному входу u(ω) блока 2 управления подключены N полосовых выходов темброблока 1, являющихся, в свою очередь, выходами соответствующих N усилителей 4, N-канальный эталонный вход u₀(ω) блока 2 управления выполняет функции N-полосного эталонного входа процессора.

Функциональная схема блока 2 управления (фиг. 2) содержит группу 6 детекторов, группу 7 фильтров низких частот (ФНЧ), группу 8 аналоговых сумматоров и формирователь 9 команд, состоящий, в свою очередь, из группы 10 аналоговых ключей. Выходы N детекторов 6 через соответствующие N ФНЧ 7 подключены к первым информационным входам соответствующих сумматоров 8, вторые информационные входы которых составляют N-канальный эталонный вход u₀(ω) блока 2 управления, N-канальный информационный вход u(ω) которого составляют соответствующие входы детекторов 6, выходы N сумматоров 8 подключены к N соответствующим входам Δu(ω) формирователя 9 команд, выходы Δu(ω_n) которого являются управляющим выходом Δu(ω) блока 2 управления, управляющим входом СО которого служит соответствующий вход формирователя 9, образованный путем объединения разрешающих входов ОЕ N ключей 10 (фиг.3), N входов которых являются входами формирователя 9, а N выходов соответственно выходами формирователя 9.

Психоакустический процессор (фиг.1) действует следующим образом.

Входной сигнал, лежащий в диапазоне частот [ω_н; ω_в] (ω_н и ω_в, нижняя и верхняя границы частотного диапазона соответственно) и подлежащий частотной коррекции, подается на вход DI n-полосного темброблока 1, в котором разделяется на n полос шириной Δω. Ширина спектрального окна Δω выбирается таким образом, чтобы перекрывался весь диапазон, то есть NΔω=ω_в-ω_н. Выделенные фильтрами 3 полосные сигналы поступают на соответствующие N информационных входов u(ω) блока 2 управления, в котором сравниваются с эталонными значениями, задаваемыми по N-канальному эталонному входу u₀(ω) упомянутого блока. Результат сравнения, представляющий собой N управляющих сигналов Δu(ω), подается с выхода блока 2 на управляющие входы темброблока, где воздействует на коэффициенты передачи соответствующих усилителей из группы 4. Таким образом за счет изменения коэффициентов передачи усилителей 4 происходит преобразование формы (огибающей) спектра выходного сигнала в соответствии с требованиями, задаваемыми по эталонному входу u₀(ω) блока 2 управления.

Сигналы, снимаемые с выходов усилителей 4 и несущие информацию о распределении энергии в анализируемом диапазоне частот [ω_н; ω_в], могут сравниваться с эталонными сигналами по различным признакам. Например, можно сравнивать средние мощности, среднеквадратические или средневыпрямленные значения, в зависимости от чего и выбирается структура блока 2 управления. На фиг.2 представлена функциональная схема блока 2 в предположении, что сравнивают средневыпрямленные значения. Средневыпрямленные значения формируются в цепочке детектор 6 - фильтр 7 нижних частот. В схемах сравнения группы 8, выполняющих функции вычитания, вычисляется разность

Δu(ω_n)=u(ω_n)-u₀(ω_n), (1)

где u(ω_n) - средневыпрямленное значение на выходе n-го ФНЧ 7 (n=1, 2,...,N) и соответствующее частотной полосе с центральным значением ω_n;

u₀(ω_n) - эталонное значение, представляемое как средневыпрямленное значение и соответствующее частотной полосе с центральным значением ω_n.

Учитывая, что преобразование спектра происходит по назначенным N опорным точкам, количество которых (число полос) выбирается в зависимости от требуемой точности, то внешнее задающее воздействие можно представить как N-мерный вектор эталонных значений

U₀={u₀(ω₁), u₀(ω₂),..., u₀(ω_N)} (2)

Вектор (2) определяет требуемую форму спектра выходного сигнала путем формирования N-мерного вектора управляющих воздействий ΔU, представляющих собой разность вектора входных сигналов

U={u(ω₁), u(ω₂),..., u(ω_N)} (3)

и вектора (2), то есть

ΔU=U-U₀={Δu(ω₁), Δu(ω₂),..., Δu(ω_N)} (4)

Таким образом, благодаря наличию цепи обратной связи (выход блока 2 - управляющие входы усилителей 4), средневыпрямленные значения напряжений на выходах усилителей 4 стремятся к соответствующим эталонным значениям u₀(ω_n), что в итоге и должно привести к изменению и поддержанию формы спектра выходного сигнала согласно эталонным отсчетам u₀(ω_n).

Входной сигнал в общем случае является случайной функцией времени, спектр которой даже при упрощающем предположении, что она стационарная и эргодическая, удается достаточно точно оценить только при большом интервале наблюдения. Однако в реальных условиях для принятия решений о частотной коррекции времени отводится гораздо меньше, чем это требуется для высокоточной оценки. Объясняется это тем, что в нашей задаче решение следует принять уже вначале действия сигнала, музыкального произведения, а не после его окончания, когда будет накоплен обширный объем статистическихданных. Это значит, что длительность интервала усреднения при вычислении средневыпрямленных значений u(ω_n) будет также достаточно мала. Следовательно, напряжение u(ω_n) будет колебаться случайным образом с дисперсией, зависящей от интервала усреднения, который задается постоянной времени ФНЧ 7. Поскольку вектор U_o(2) есть величина постоянная, то следовательно случайным колебаниям будет подвержен и вектор управляющих воздействий ΔU(4). По этой причине дополнительно возникает весьма важная задача о способе передачи управляющих воздействий на усилители 4. Возможны различные варианты. Рассмотрим два из них, проиллюстрированные структурными схемами по фиг.2 и фиг.3.

При непосредственном управлении, когда разностный сигнал Δu(ω_n) сразу же подается на управляющий вход усилителя 4-n, коэффициент передачи последнего будет также меняться случайным образом, как и значение Δu(ω_n). Такой режим управления реализуется, если на управляющий вход СО формирователя 9 команд подается постоянный логический уровень “1”. В этом случае через ключи 9 управляющие сигналы Δu(ω_n) беспрепятственно проходят по цепи обратной связи на управляющие входы усилителей 4. Второй вариант предусматривает подачу управляющих сигналов в импульсном режиме, в течение ограниченного во времени действия логической “l” на входе СО. Например, путем однократного корректирующего воздействия в течение всего сеанса воспроизведения конкретной музыкальной программы.

Применение первого из описанных режимов управления возможно при относительно больших интервалах усреднения и некоторой однородности музыкального материала, тогда непрерывная коррекция может быть вообще не замечена, особенно при воспроизведении современной популярной музыки на бытовой аппаратуре среднего класса. Реализуется такой способ управления сравнительно легко и недорого путем применения усилителей с электронным управлением. Второй вариант предпочтителен при коррекции музыкальных программ со сложным содержанием, например записей симфонического или джазового оркестра. К воспроизведению такого материала со стороны потенциальных слушателей предъявляются достаточно высокие требования, характеризующиеся отслеживанием мельчайших нюансов в звуковой картине, не говоря уже об общей тембральной окраске. Разумеется, для прослушивания подобного материала и при имеющихся требованиях к точности воспроизведения разрабатывают и используют аппаратуру класса High End, отличающуюся главным образом широким динамическим диапазоном при минимальных как линейных, так и нелинейных искажениях. С целью минимизации искажений в тракте прохождения полезного сигнала стремятся уменьшить количество активных элементов, в частности устройств электронного управления усилением. В таких конструкциях уже давно применяют моторизованные пассивные регуляторы аналогового типа, легко запоминающие свое последнее состояние (в данном случае положение ротора электродвигателя). Кроме того, моторизованные регуляторы хорошо согласуются с импульсным режимом коррекции, так как такие регуляторы не требуют постоянного поддержания на них управляющего напряжения. В силу вышеизложенного несложно понять, что в профессиональных и высококачественных бытовых трактах частотной коррекции целесообразно применение импульсного режима управления с моторизованными регуляторами. Однако в этом случае момент введения корректирующих сигналов будет задаваться извне, например, звукорежиссером. В то же время формирование управляющих воздействий будет происходить автоматически и непрерывно.

Описанный выше психоакустический процессор, в отличие от известных устройств частотной коррекции, поддерживает заданную форму спектра выходного сигнала независимо от спектральных особенностей входного сигнала, автоматически адаптируясь под него. (Конечно, такое возможно, если в спектре исходного сигнала присутствуют составляющие, подлежащие усилению или ослаблению.) Применение заявленного процессора, представляющего собой по сути адаптивный эквалайзер, позволяет, например, автоматически учитывать психофизиологические особенности слуха в соответствии с предварительно введенной в процессор изофонической кривой, задающей относительные уровни частотных составляющих в пределах слышимого спектра. Кроме того, рассмотренный процессор путем единожды экспериментально определенной эталонной огибающей спектра может использоваться и для коррекции акустических изъянов помещения прослушивания музыкальных программ.

Изобретение относится к устройствам обработки сигналов звуковой частоты, служит для преобразования спектра исходного сигнала в соответствии с заданными психоакустическими требованиями и предназначен для применения в системах звукоусиления, включая воспроизведение и усиление сигналограмм, а также в системах записи звуковых сигналов. Его использование позволяет получить технический результат в виде возможности автоматической частотной коррекции по всей ширине спектра входного сигнала в соответствии с произвольно заданными требованиями. Технический результат достигается за счет того, что психоакустический процессор содержит управляемый темброблок и блок управления, управляющий выход которого соединен с управляющим входом управляемого темброблока, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом процессора, причем управляемый темброблок выполнен n-полосным, блок управления выполнен n-канальным, каждый канал которого служит для управления темброблоком только в одной полосе частот, к n-полосному информационному входу блока управления подключены n полосовых выходов темброблока, служащих для раздельного вывода информации в каждой полосе частот, а n-полосный эталонный вход блока управления является эталонным входом процессора, служащим для задания формы спектра выходного сигнала. 3 ил.

Психоакустический процессор, содержащий управляемый темброблок и блок управления, управляющий выход которого соединен с управляющим входом управляемого темброблока, вход и выход которого являются соответственно входом и выходом процессора, отличающийся тем, что управляемый темброблок выполнен n-полосным, блок управления выполнен n-канальным, каждый канал которого служит для управления темброблоком только в одной полосе частот, к n-полосному информационному входу блока управления подключены n полосовых выходов темброблока, служащих для раздельного вывода информации в каждой полосе частот, а n-полосный эталонный вход блока управления является эталонным входом процессора, служащим для задания формы спектра выходного сигнала.