СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ АДАПТИВНОЙ ЧАСТОТНОЙ КОРРЕКЦИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК H03G5/16 G05B11/01 G05B13/04 

Изобретение относится к области радиотехники и технической кибернетики и может быть использовано при построении устройств автоматического управления формой спектра сигнала, например, для автоматической регулировки тембра звука в аудиоаппаратуре при помощи эквалайзера.

В настоящее время под частотной коррекцией понимают компенсацию искажений сигнала, возникающих по причине неодинакового усиления различных участков спектра этого сигнала. Частотные искажения возникают при прохождении сигнала через цепи, коэффициент передачи которых зависит от частоты в диапазоне частот, занимаемом полезным сигналом. Для устранения искажений вводят дополнительные корректирующие цепи, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которых подбирается таким образом, чтобы внесенные ранее искажения по возможности компенсировались дополнительным усилением или ослаблением. Независимо от того, куда вводят корректирующие цепи, непосредственно в искажающее устройство или после него, механизм коррекции остается прежним. В первом случае уже много лет применяют способ, предусматривающий охват искажающего устройства (тракта) частотно-зависимой отрицательной обратной связью [Цыкин Г.С. Электронные усилители. М.: Связь, 1965, стр.291-295]. В результате синтезируется тракт, АЧХ которого в заданной области частот близка к идеальной плоской или находится в допустимых пределах неравномерности. Применение обратной связи в устройствах, считающихся устройствами (системами) автоматического управления, также является всего лишь способом реализации требуемой АЧХ [Красовский А.А., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики. М.: Госэнергоиздат, 1962, стр.168-171, 188-195].

Приведенные примеры являются иллюстрацией смысла частотной коррекции в классическом виде. Позже частотную коррекцию стали применять не только для выравнивания АЧХ, но и наоборот, для создания областей подъемов и/или спадов, причем нередко регулируемых. Управление таким путем формой спектра сигнала осуществляют в эквалайзерах [Кисель В.А. Аналоговые и цифровые корректоры. М.: Радио и связь, 1986 г., стр.131-132; Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике: Пер. с нем. М.: Мир, 1991 г., стр.155-162], где вручную задают значения коэффициента передачи в ряде областей диапазона частот. Способ частотной коррекции сводится к воздействию на исходный сигнал таким образом, что различные спектральные составляющие усиливаются или ослабляются в строгом соответствии с заданными значениями коэффициента передачи К(jω). В этом случае на выходе тракта можно получить сигнал с заданной формой спектра X_вых(jω), если известен спектр X_вх(jω) входного сигнала, то есть X_вых(jω)=X_вх(jω)K(jω). Подчеркнем, что здесь X_вых(jω) и X_вх(jω) являются комплексными спектрами одной реализации и зависят от длительности реализации. На практике при анализе случайных сигналов удобно пользоваться усредненными характеристиками, мало зависящими от времени. Далее, если не будет оговорок, под спектрами мы будем подразумевать только величины, полученные в результате статистического усреднения. Связь между спектрами средневыпрямленных значений на входе эквалайзера S_вх(ω) и выходе S_вых(ω) имеет аналогичный вид S_вых(ω)=S_вх(ω)|K(jω)|, а между энергетическими спектрами на входе G_вх(ω) и выходе G_вх(ω) соответственно G_вх(ω)=G_вх(ω)|K(jω)|².

Способ, реализуемый в эквалайзерах, как в графических, так и в параметрических, эффективен как способ выравнивания АЧХ тракта, чем и оправдывает термин «эквализация». В то же время, исходя из того, что немалая часть современных средств частотной коррекции служит в устройствах звукового диапазона для удовлетворения требований слушателей музыкальных программ, приходится учитывать еще и психофизиологические особенности слушателей, а также акустические свойства среды и помещения прослушивания. По этой причине вводят дополнительную коррекцию, призванную учесть особенности восприятия акустических сигналов. В таких случаях АЧХ звуковоспроизводящего тракта формируют не идеально плоской (и даже не стремятся к этому), а такой, чтобы происходила компенсация тех субъективных и объективных искажений, которые появляются уже за пределами электрической части тракта. Казалось бы, задача решается просто: если параметры электроакустических излучателей и среды не меняются, то можно единожды определить экспериментальным путем необходимые коррективы, ввести их в амплитудно-частотный корректор (эквалайзер) и считать, что проблема решена. Так обычно и поступают. Однако при таком подходе не учитываются спектральные особенности сигналограмм, и сигналы с разными спектрами подвергаются одной и той же частотной коррекции, так как коэффициент передачи K(jω) после настройки не меняется. В результате при смене сигналограммы, не говоря уже о смене источника сигнала, нарушается ранее созданная звуковая картина, так как нарушается тональный баланс. Нередко это приводит еще и к значительным нелинейным искажениям, в частности, к низкочастотным хрипам, которые трудно маскируются.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу автоматической адаптивной частотной коррекции является способ управления спектром звукового сигнала, реализованный в максимайзере - устройстве из арсенала рок-музыкантов [Чернецкий М. Психоакустические процессоры. - Звукорежиссер, 2002, №4, стр.4]. Согласно способу-прототипу в исходном сигнале выделяют среднечастотный и высокочастотный участки спектра, сравнивают их, затем формируют сигнал сравнения, зависящий от результата сравнения, и далее, используя сигнал сравнения, изменяют долю высокочастотных составляющих в спектре выходного сигнала. В отличие от ранее рассмотренных способов коррекции, настоящий делает процесс коррекции автоматическим и зависящим от спектра входного сигнала, но в то же время он не позволяет проводить автоматическую коррекцию по всей ширине спектра, и что особенно важно, в соответствии с произвольно заданными требованиями.

Технический результат, достигаемый при использовании любого из изобретений заявленной группы, заключается в обеспечении автоматической частотной коррекции по всей ширине спектра в соответствии с произвольно заданными требованиями.

Технический результат достигается тем, что в способе автоматической адаптивной частотной коррекции (вариант 1) согласно изобретению определяют спектр исходного сигнала, формируют эталонный спектр, сравнивают спектр исходного сигнала и эталонный спектр, вырабатывают сигналы сравнения, зависящие от результатов сравнения, и далее, используя сигналы сравнения, воздействуют на исходный сигнал для изменения соотношений между его спектральными составляющими.

Технический результат достигается тем, что в способе автоматической адаптивной частотной коррекции (вариант 2) согласно изобретению формируют эталонный спектр, определяют спектр сигнала после коррекции, сравнивают эталонный спектр и спектр после коррекции, формируют сигналы сравнения, зависящие от результатов сравнения, и далее, используя сигналы сравнения, воздействуют на исходный сигнал для изменения соотношений между его спектральными составляющими.

Технический результат достигается тем, что в способе автоматической адаптивной частотной коррекции (вариант 3) согласно изобретению определяют нормированный спектр исходного сигнала, формируют нормированный эталонный спектр, сравнивают нормированный спектр исходного сигнала и нормированный эталонный спектр, вырабатывают сигналы сравнения, зависящие от результатов сравнения, и далее, используя сигналы сравнения, воздействуют на исходный сигнал для изменения соотношений между его спектральными составляющими.

Технический результат достигается тем, что в способе автоматической адаптивной частотной коррекции (вариант 4) согласно изобретению формируют нормированный эталонный спектр, определяют нормированный спектр сигнала после коррекции, сравнивают нормированный эталонный спектр и нормированный спектр после коррекции, формируют сигналы сравнения, зависящие от результатов сравнения, и далее, используя сигналы сравнения, воздействуют на исходный сигнал для изменения соотношений между его спектральными составляющими.

Спектр исходного сигнала или спектр сигнала после коррекции и эталонный спектр можно сравнивать путем вычисления разности спектральных составляющих, соответствующих n точкам спектра (n - целое, конечное число). В простом случае при обработке звуковых сигналов со средним качеством можно принять n=10.

Спектр исходного сигнала, спектр сигнала после коррекции и эталонный спектр могут являться спектрами средневыпрямленных значений или энергетическими спектрами.

Сущность предложенных технических решений поясняется графическим материалом. На фиг.1 приведены графики, поясняющие принцип автоматической адаптивной частотной коррекции; на фиг.2 - обобщенная функциональная схема автоматического адаптивного корректора (адаптивного эквалайзера).

Графики по фиг.1 содержат в диапазоне частот от ω_н до ω_в:

- спектр S(ω) средневыпрямленных значений входного сигнала, представленный в логарифмическом виде U(ω) (фиг.1а);

- эталонный спектр U₀(ω) средневыпрямленных значений (фиг.1б);

- разность функций ΔU(ω) (фиг.1в) с выделенными областями усиления «+» и ослабления «-».

Функциональная схема (фиг.2) адаптивного эквалайзера, реализующего способ по первому варианту, содержит амплитудно-частотный корректор 1, спектроанализатор 2 и блок 3 сравнения. Вход амплитудно-частотного корректора 1 объединен со входом спектроанализатора 2 и является сигнальным входом адаптивного эквалайзера, выходом которого служит выход амплитудно-частотного корректора 1, управляющий вход которого соединен с выходом блока 3 сравнения, первый вход которого соединен с выходом спектроанализатора, а второй вход является эталонным входом адаптивного эквалайзера.

Для иллюстрации сути предложенных способов положим, что спектр S(ω) исходного сигнала в логарифмическом представлении U(ω)=lgS(ω) имеет вид, показанный на фиг.1а. Требуется после коррекции получить сигнал со спектром, максимально близким к эталонному U₀(ω)=lgS₀(ω) (фиг.1б). Нетрудно понять, что для преобразования спектра U(ω) в спектр U₀(ω) их необходимо сравнить для получения количественной оценки степени различия. Простейшим приемом сравнения является вычисление разности (фиг.1в)

которую и используют для воздействия на исходный сигнал. Изменение формы спектра происходит за счет ослабления или усиления отдельных участков спектра, как это показано на фиг.1в. На участке, где ΔU(ω)>0, спектральные составляющие ослабляют, а в областях, соответствующих ΔU(ω)<0, наоборот, усиливают. Разумеется, так следует поступать только в частотном случае, когда сравнивают спектры по формуле (1).

Останавливаясь на выражении (1), можно записать

Учитывая, что модуль коэффициента передачи определяется из отношения спектров, то есть

|K(jω)|=K(ω)=S₀(ω)/S(ω),

то значит

lg[S(ω)/S₀(ω)]=-lgK(ω).

Следовательно, принимая во внимание (2), имеем

Из выражения (3) видно, что приращение спектра ΔU(ω) численно равно с обратным знаком коэффициенту передачи К(ω), выраженному, так же как и ΔU(ω), в логарифмических единицах. Таким образом, изменяя коэффициент передачи К(ω), можно получить спектр, задаваемый эталоном U₀(ω). Задача коррекции сводится к задаче управления величиной К(ω) через приращение ΔU(ω), которое, являясь вероятностным параметром, должно мало зависеть от времени, что в свою очередь определяется характером зависимости от времени спектра U(ω), входящего в (1).

Требование независимости от времени спектра U(ω), его стационарности как статистического показателя, обусловлено недопустимостью модуляции коэффициента передачи К(ω) быстроменяющимся мгновенным спектром. Именно поэтому спектр исходного сигнала и должен определяться либо путем статистического усреднения, либо любым другим методом, дающим оценку, не зависящую или мало зависящую от времени. Получить оценку спектра U(ω), абсолютно не зависящую от времени, на практике невозможно, для этого понадобится интервал усреднения, размеры которого будут равны длительности самой сигналограммы. Понятно, что оценка, аппаратурно вычисленная по окончании музыкального произведения, не имеет никакой ценности, так как подвергать частотной коррекции будет уже нечего. Следовательно, в реальности при небольших интервалах усреднения величина ΔU(ω) будет меняться, и это нормально, так как в ΔU(ω) заложена информация о корректирующих воздействиях. Необходимо лишь обеспечить условия, при которых корректирующие воздействия будут изменять коэффициент передачи К(ω) только в том случае, когда изменения спектра исходного сигнала существенны для конкретной задачи и могут повлиять на тональный баланс, что и определяется статистическим анализом. К сожалению, музыкальные программы являются в большинстве случаев нестационарными случайными процессами и поэтому некоторые паразитные колебания величины ΔU(ω), а следовательно, и К(ω) во времени будут. Однако незначительные изменения величины К(ω) на результатах слухового восприятия сложных музыкальных программ не должны сказываться. Добавим также, что совсем не обязательно проводить непрерывную коррекцию. Можно непрерывно отслеживать изменения, происходящие в спектре, а сигналы управления коэффициентом передачи посылать импульсно, например, в те моменты, когда звуковым образам будет нанесен минимальный ущерб. Вопросы импульсного управления амплитудно-частотными корректорами рассмотрены в работах [Пат. РФ №2237964. Опубл. в Бюл. №28, 2004 г., Пат. РФ №2239278. Опубл. в Бюл. №30, 2004 г.], там же приведены и примеры реализации заявленных способов.

В самом общем виде автоматический частотный корректор с управлением вперед, который можно считать и адаптивным эквалайзером, показан на схеме по фиг.2. Управление коэффициентом передачи К(ω) происходит в амплитудно-частотном корректоре 1 сигналами сравнения, поступающими с выхода блока 3 сравнения, на входы которого подают спектр U(ω) исходного сигнала с выхода спектроанализатора 2 и эталонный спектр U₀(ω).

Устройство (фиг.2) реализует способ по п.1 формулы изобретения. Что же касается способа, представленного в п.5 формулы, то он отличается от первого, главным образом, передачей управляющих воздействий по контуру обратной связи (управление назад). В этом случае анализируют спектр не исходного сигнала, а сигнала на выходе, то есть прошедшего коррекцию. Такой принцип управления реализован в адаптивном эквалайзере, описанном в [Пат. РФ №2237964. Опубл. в Бюл. №28, 2004 г.].

Отметим, что в том случае, если уровень исходного сигнала по каким-либо причинам может сильно меняться (при смене сигналограмм, изменениях параметров источника сигнала и т.д.), полезно пользоваться нормированными спектрами (см. п.9, 10 формулы изобретения). Нормированный спектр F(ω) сигнала определяют как отношение спектра S(ω) сигнала к величине S(ω₀), полученной на фиксированной частоте ω₀

F(ω)=S(ω)/S(ω₀)

или любым другим путем, позволяющим получить относительную оценку, не зависящую от абсолютного значения уровня сигнала. Таким же образом задают и значения эталонного спектра. В устройствах звукового диапазона значение величины ω₀ обычно выбирают соответствующим частоте 1 кГц. Вместо функций (спектров) S(ω) и S(ω₀) могут быть и другие величины. Во всех случаях, охватываемых изложенными в независимых пунктах формулы изобретения способами, под спектрами следует подразумевать не только спектр средневыпрямленных значений или энергетический спектр, но и любые другие физические величины, описывающие спектральные свойства сигналов, степень зависимости которых (величин) от времени позволит реализовать выбранный способ в каждом конкретном случае. Например, если исходным сигналом является периодический сигнал, то нет смысла проводить статистическое усреднение по времени и спектральный анализ значительно упрощается. Однако, учитывая, что реальные аудиосигналы являются процессами случайными, то в большинстве случаев все же придется выбирать характеристики в той или иной степени, основанные на статистическом материале.

Предложенные в работе способы, в отличие от известных способов частотной коррекции, учитывают спектральные особенности исходного сигнала, что позволяет сохранять относительное постоянство спектра выходного сигнала при изменениях спектра исходного, поступающего от источника. Высокий прагматический эффект от применения предложенных способов ожидается при коррекции звуковых сигналов, например, при воспроизведении музыкальных произведений, записанных на различных носителях, разными звукорежиссерами и в разных условиях. В этих случаях рассмотренные способы частотной коррекции помогут сохранить созданный в соответствии с индивидуальными психоакустическими и эстетическими требованиями тональный баланс, независимо от особенностей сигналограмм, причем без вмешательств извне, осуществляя адаптивную коррекцию в автоматическом режиме.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при построении устройств автоматического управления формой спектра сигнала, например, для автоматической регулировки тембра звука в аудиоаппаратуре при помощи эквалайзера. Достигаемый технический результат - стабилизация спектра сигнала путем автоматической адаптивной частотной коррекции в соответствии с произвольно заданными требованиями. Изобретение основано на сравнении спектров исходного и эталонного сигналов и далее коррекции соотношений между спектральными составляющими исходного спектра с использованием результатов сравнения. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ автоматической адаптивной частотной коррекции, отличающийся тем, что формируют эталонный спектр, определяют спектр исходного сигнала, сравнивают спектр исходного сигнала и эталонный спектр, вырабатывают сигналы сравнения, зависящие от результатов сравнения, и далее, используя сигналы сравнения, воздействуют на исходный сигнал для изменения соотношений между его спектральными составляющими.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что спектр исходного сигнала и эталонный спектр сравнивают путем вычисления разности спектральных составляющих, соответствующих n точкам спектра, где n - целое конечное число.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что спектр исходного сигнала и эталонный спектр являются спектрами сред невыпрямленных значений.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что спектр исходного сигнала и эталонный спектр являются энергетическими спектрами.5. Способ автоматической адаптивной частотной коррекции, отличающийся тем, что формируют эталонный спектр, а для изменения соотношений между спектральными составляющими исходного сигнала используют сигналы сравнения, зависящие от результатов сравнения эталонного спектра и спектра сигнала после коррекции.6. Способ по п.5, отличающийся тем, что спектр сигнала после коррекции и эталонный спектр сравнивают путем вычисления разности спектральных составляющих, соответствующих n точкам спектра, где n - целое конечное число.7. Способ по п.5, отличающийся тем, что спектр сигнала после коррекции и эталонный спектр являются спектрами средневыпрямленных значений.8. Способ по п.5, отличающийся тем, что спектр сигнала после коррекции и эталонный спектр являются энергетическими спектрами.9. Способ автоматической адаптивной частотной коррекции, отличающийся тем, что формируют нормированный эталонный спектр, определяют нормированный спектр исходного сигнала, сравнивают нормированный спектр исходного сигнала и нормированный эталонный спектр, вырабатывают сигналы сравнения, зависящие от результатов сравнения, и далее, используя сигналы сравнения, воздействуют на исходный сигнал для изменения соотношений между его спектральными составляющими.10. Способ автоматической адаптивной частотной коррекции, отличающийся тем, что формируют нормированный эталонный спектр, а для изменения соотношений между спектральными составляющими исходного сигнала используют сигналы сравнения, зависящие от результатов сравнения нормированного эталонного спектра и нормированного спектра сигнала после коррекции.