Устройство частотного компандирования звуковых сигналов Советский патент 1993 года по МПК H04B1/66 

Изобретение относится к радиотехнике и связи и предназначено для передачи звуковых сигналов высокого качества по значительно более узкополосному, чем типовые, каналу связи..

Цель изобретения .- уменьшение искажений результирующего сигнала за счет повышения точности выделения функций максимумов и функций минимумов и за счет выделения одинаковых соответствующих функций максимумов в компрессоре и в экспандере.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема передающей части предлэ-. гаемого устройства; на фиг. 2 -структурная электрическая схема приемной части предлагаемого устройства; на фиг. 3 - осциллограммы, поясняющие работу устройства.

Предлагаемое устройство содержит входной ФНЧ 1, амплитудный ВЧ-корректор 2, первый делитель частоты (ДЧ) 3 на два, первый и второй частотные компрессоры 4,.блок 5 уплотнения каналов, полосовой фильтр (ПФ) 6, усилитель 7, ДЧ 8, второй ДЧ 9 на два, блок частотного разделения (ЧР) 10, вычитатель 11, корнеизвлекатель 12, сумматор 13, инвертор 14, канальный ФНЧ 15, блок задержки (БЗ) 16, блок 17 выделения функции минимумов, блок 18 выделения функции максимумов, блок 19 разделения каналов, частотный экспандер 20, умножитель частоты (УЧ) 21, аттенюатор 22, умно: житель частоты на два (УЧ) 23,

00

mm

ь

ттЛ

О 00

формирователь 24 модуля, квадратор 25, амплитудный НЧ-корректор 26 и выходной ФНЧ27.

Передающая часть (фиг. 1) содержит последовательно соединенные входной ФНЧ

I, вход которого является входом передающей части, и ВЧ-корректор 2. Для упрощения на фиг. 1 показаны лишь две цепи, содержащие последовательно соединенные первый ДЧ 3 на два и частотный комп- рессор 4, показан еще один частотный компрессор 4 последней составляющей исходного сигнала. Передающая часть содержит также последовательно соединенные блок 5 уплотнения каналов и ПФ 6, выход которого является выходом передающей части. В каждом компрессоре 4 показано три канала преобразования, каждый из которых содержит последовательно соединенные усилитель 7, отсутствующий в первом кана- ле, ДЧ 8 и ЧР 10. Каждый ДЧ 8 содержит несколько последовательно соединенных вторых ДЧ 9 на два, содержащих последовательно соединенные сумматор 13 , управляемый корнеизвлекатель 12 и инвертор 14. Первый ДЧ 3 содержит последовательно соединенные вычитатель 11, корнеизвлекатель 12 и инвертор 14. ЧР 10 содержит ка- нальный ФНЧ 15, последовательно соединенные БЗ 16 и вычитатель 11, другой вход которого соединен с выходом ФНЧ 15, который, являясь НЧ-выходом ЧР 10, соединен с входом 1 блока 5 уплотнения каналов. Вход ФНЧ 15, являясь входом ЧР 10, соединен с входом БЗ 16, а выход вычитателя 11 является ВЧ-выходом ЧР 10. ВЧ-выход ЧР 10 канала 1 соединен с входом усилителя Т второго канала, выход которого соединен с входом II блока 5. Последний канал частотного компрессора 4 вместо ЧР 10 содержит только ФНЧ 15, выход которого соединен с входом III блока 5.

В первый ДЧ 3 введены первый. БЗ 16, включенного на входе перед вычитателем

II,-второй БЗ 1.6, включенный между вычи- тателем 11 и корнеизвлекателем 12, и блок 18 выделения функции максимумов, вход которого соединен с выходом вычитателя ,11, а выход - с управляющим входом корне- извлекателя 12. Во второй ДЧ 9 введены БЗ 16, включенный на входе перед сумматором 13, и блок 18 выделения функции максимумов, вход которого соединен с входом БЗ 16, а выход - с другим входом сумматора 13 и с управляющим входом корнеизвлекателя 12. На передающей стороне соответственно количеству ДЧ 3 показаны два введенных последовательно соединенных блока 17 выделения функции минимумов, вход первого из которых соединен с выходом ВЧ-корректора 2, а выход последнего - с входом последнего компрессора 4. Вход каждого из блоков 17 соединен с входом первого БЗ 16 каждого ДЧ 3, а выход - с другим входом вычитателя 11 каждого из этих ДЧ 3,

Приемная часть (фиг. 2) содержит блок 19 разделения каналов, вход которого является входом приемной части. Соответственно количеству компрессоров 4 на фиг. 2 показано три частотных экспандеров 20, каждый из которых содержит три канала преобразования, Приемная часть содержит также последовательно соединенные выходной сумматор 13, амплитудный НЧ-корректор 26 и выходной ФНЧ 27, выход которого является выходом приемной части, Каждый канал экспандера 20 содержит последовательно соединенные -БЗ 16, сумматор 13, отсутствующие в канале III, УЧ 21 и аттенюатор 22, отсутствующий в канале 1. УЧ 21 содержит столько последовательно соединенных УЧ на два 23, сколько ДЧ на два содержит соответствующий канал в компрессоре 4. Вход каждого канала экспандера 20 соединен с одним из выходов I, II и III блока 19 разделения каналов, а выход всех экспандеров 20 соединен с одним из входов выходного сумматора 13. Все УЧ на два 23 содержат последовательно соединенные управляемый квадратор 25 и вычитатель 11.

В УЧ 23 введены последовательно соединенные формирователь 24 модуля и БЗ 16, включенные на входе перед квадратором 25, и блок 18 выделения функции максимумов, вход которого соединен с выходом- формирователя 24, а выход - с управляющим входом квадратора 25 и с другим входом вычитателя 11.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Исходный звуковой сигнал определенного уровня поступает на вход ФНЧ 1, частота среза которого определяется спектром частотных составляющих, подлежащих преобразованию. В амплитудном ВЧ-корректо- ре 2 происходит выравнивание уровня НЧ- и ВЧ-срставляющих выходного сигнала ФНЧ 1, что необходимо для повышения надежности срабатывания ДЧ на малых уровнях ВЧ-составляющих. Результирующий сигнал корректора 2 поступает на вход блока .17 выделения функции максимумов и на вход первой БЗ 16 первого ДЧ 3 на два.

На фиг. За показан примерный вид осциллограммы достаточно общего, с точки зрения последующих преобразований, сигнала, действующего в узле 28. На этой осци- лограмме показан сравнительно резкий переход по частоте от звука е к.звуку нь. На выходе 29 блока 17 выделяется функция

минимумов (фиг, 36), которая отдельно показана и на фиг. Зм, Она поступает на вход вычитателя 11, на другой вход которого поступает задержанный при помощи первой БЗ 16, сигнал (фиг. За). На выходе вычитателя 11 получается простой (не составной) сигнал - первая составляющая исходного сигнала. Этот сигнал получается зафиксированным всеми своими минимумами над осью времени. Он поступает на вход блока 18 и, задержанный вторым БЗ 13, на сигнальный вход управляемого корнеизвлека- теля 12. На выходе 30 блока 18 выделяется функция максимумов (фиг. Зв) сигнала, полученного на выходе вычитателя 11. Она показана как принадлежащая сигналу (фиг, Зг) потому, что благодаря управляемости кор- неизвлекателя 12 сигнал фиг. Зг на его выходе 31 имеет также эту функцию. На выходе 32 инвертора 14 получается поделенный по частоте на два сигнал фиг. Зд.

Из осциллограммы сигнала фиг. Зд отчетливо видно, что поделенный сигнал остается простым процессом, функция максимумов и функция минимумов которого одинаковы и равны функции максимумов фиг. Зв исходного для ДЧ 3 сигнала.

Сигнал фиг. Зд поступает на вход блока 18 и, задержанный при помощи БЗ 16, на. вход сумматора 13 второго ДЧ 9. На выходе 33 блока 18 выделятся функция максимумов (фиг. Зе), неравная функции фиг. Зв. Этот сигнал поступает на второй вход сумматора 13 и на управляющий вход корнеизвлекате- ля 12. На выходе этого сумматора получается зафиксированный всеми своими минимумами над осью времени сигнал, который на выходе 34 корнеизвлекателя 12 вызывает сигнал фиг. Зж, а на выходе 35 инвертора 14 получается сигнал фиг. Зз, поделенный по частоте на четыре.

Аналогично работают остальные ДЧ 9 на два. На выходе 36 последующего ДЧ 9 на два получается сигнал фиг. Зи, поделенный по частоте на восемь. Из осциллограммы фиг. За видно, что средние частоты звуков е и нь отличаются приблизительно в два раза. Если предположить, что частота звука нь близка к 8 кГц, то частота звука е получается 4 кГц. Следовательно, частотный диапазон этого сигнала, требующий соответствующую полосу канала связи, равен 4 кГц. Поделенный по частоте на восемь сигнал фиг. Зи имеет соответственно частоты 0,5 и 1 кГц, а частотный диапазон 0,5 кГц, Увеличением количества ДЧ 9 на два, т.е. увеличением коэффициента деления частоты ДЧ 8, этот диапазон соответственно уменьшается, но полоса частот поделенного сигнала фиг. Зи, как и любого частотно-модулированного сигнала, определяется не только диапазоном изменения (девиацией) частоты, но и полосой модулирующей функции, которая в нашем случае обусловлена 5 свойствами исходного сигнала (фиг. За), в основном скоростью изменения частоты перехода с одного звука к другому. Здесь становится очевидным факт существования некоторого предела увеличения коэффици- 0 ента деления частоты ДЧ 8, выше которого по разным причинам в этом увеличении не имеет смысла, Величина этого предела зависит не только от свойств исходного звукового сигнала, но и от условий конкретной

5 технической задачи. Например, при имеющейся возможности снижения требований к точности восстановления исходного сигнала за счет сознательного уменьшения указанной скорости изменения частоты,

0 увеличение коэффициента деления частоты приведет к дополнительному сокращению спектра..

Сигнал фиг. Зи поступает на вход канального ФНЧ 15 и БЗ 16 , входящие в ЧР

5 10. На выходе ФНЧ 15 выделяется первый узкополосный сигнал-параметр (фиг, Зк), который поступает на вход 1 блока 5 уплотнения каналов и на другой вход вычитателя 11, БЗ 16 компенсирует задержку сигнала в

0 ФНЧ 15, поэтому на входах вычитателя 11 сигналы (фиг, Зи и фиг. Зк) достаточно син- фазны. На выходе вычитателя 11 получается первый сигнал-остаток (фиг. Зл) со значительно меньшей спектральной энергией,

5 чем энергия исходного сигнала (фиг. За) - это главный положительный эффект использования ДЧ как частотного компрессора.

Сигнал фиг, Зл поступает на вход второго канала, в котором преобразования анало0 гичны рассмотренным. В результате, на входе II блока 5 получается второй узкополосный сигнал-параметр, а на ВЧ-выходе ЧР 10- второй сигнал-остаток, который поступает на вход третьего канала, на выходе

5 которого ФНЧ 15 выделяет третий узкополосный сигнал-параметр, поступающий на .вход III блока 5. Благодаря малости спектральной энергии получаемых сигнал-остатков, нет надобности использовать в

0 компрессоре более двух-трех каналов преобразования.

Выделенная функция минимумов (фиг. Зм) в общем случае является составным про- 5 цессом со своей функцией минимумов (фиг, Зн), но она содержит меньше составляющих, чем исходный сигнал,. В результате воздействия сигнала фиг, Зм на вход 29 второго блока 17 на его выходе 37 выделяется эта функция минимумов (фиг. Зо).

Если сигнал фиг. Зо окажется простым процессом, то на этом разложение прекращается. Этот сигнал - последняя составляющая исходного сигнала - поступает на вход последнего частотного компрессора 4. Количество составляющих зависит от структуры исходного сигнала, а количество выделяемых составляющих - и от постановки задачи проектирования конкретного устройства частотного компандирования.

В ДЧ 3 предпоследнего частотного компрессора 4 из сигнала фиг. Зм, в результате вычитания из него сигнала фиг. Зо, выделяется предпоследняя составляющая исходного сигнала. Преобразования в предпоследнем и в последнем компрессорах аналогичны рассмотренным, в результате на их выходах образуются еще нескрлько узкополосных сигналов-параметров.

Все сигналы-параметры в блоке 5 уплотнения каналов образуют единый компрессированный сигнал, который через ПФ 6 передается по значительно более узкополосному, чем типовые, каналу связи.

На приемной стороне (фиг. 2) принятый компрессированный сигнал поступает на вход блока 19 разделения каналов. На его выходах получаются практически такие же узкополосные сигналы-параметры, которые были получены на выходах каждого компрессора. Каждый из этих сигналов поступает на соответствующий вход экспандеров 20 , преобразования в которых строго обрат- ны преобразованиям в компрессорах, что является необходимым условием высококачественного частотного компандирования.

Третий сигнал-параметр первой составляющей исходного сигнала, подобный сигналу фиг. Зк, поступает по каналу til на вход блока 24 формирования модуля. На выходе 38 блока М , входящего в УЧ на два 23, получается униполярный сигнал, подооныи сигналу фиг. Зп, имеющего такое же количество экстремумов, какое имел исходный сигнал последнего ДЧ 9 на два, входящего в ДЧ 8 канала ill. Именно из такого сигнала была выделена функция максимумов, подобная функции фиг. Зр, блоком 18, входящим в .этот ДЧ 9.

Сигнал, подобный сигналу фиг. Зп, поступает на вход блока 18 и после задержки в БЗ 16 на вход квадратора 25, входящего в УЧ на два 23. На выходе 39 блока 18 выделяется функция максимумов, подобная функции фиг. Зр, которая (при одинаковых блока 18 в ДЧ 9 и в УЧ на два 23) строго равна той функции максимумов, которая была выделена в ДЧ 9. Сигнал, подобный сигналу фиг. Зр, поступает на управляющий вход квадратора 25 и на другой вход вычитателя 11, на выходе 40 которого получается биполярный сигнал, подобный сигналу фиг. Зз с удвоенной частотой по отношению к частоте сигнала фиг. Зк,

В последующих УЧ на два 23, входящих вУЧ21, происходят преобразования, аналогичные рассмотренным. В результате на выходе УЧ 21 получается сигнал, подобный сигналу фиг. Зл, а на выходе 41 аттенюатора

0 22, компенсирующего усиления усилителя 7, получается восстановление второго сигнал-остатка первой составляющей исходно- го сигнала.

Второй сигнал-остаток поступает на

5 один из входов сумматора 13, на другой вход которого, после задержки в БЗ 16, поступает второй сигнал-параметр, подобный сигналу фиг. Зк, переданный по каналу II. На выходе сумматора 13 канала II получается

0 сигнал, подобный сигналу фиг. Зи, который, после умножения частоты вУЧ 21, на выходе 42 аттенюатора 22 вызывает восстановленный с большой точностью первый сигнал-остаток (фиг. Зл), который поступает на один

5 из входов сумматора 13 канала 1. На другой вход этого сумматора, после задержки в БЗ 16, поступает первый сигнал-параметр (фиг. Зк), На выходе этого сумматора получается достаточно точно восстановленный сигн ал

0 фиг. Зи, который поступает на йход УЧ 21

канала 1, на выходе которого получается

достаточно точно восстановленная первая

составляющая исходного сигнала фиг. За..

Аналогично восстанавливаются осталь5 ные составляющие исходного сигнала в экс-, пандерах 20, Все восстановленные составляющие поступают на вход выходного сумматора 13, на выходе которого получается достаточно точно восстановленный

0 исходный сигнал фиг. За. В НЧ-корректоре 26 восстанавливаются уровни НЧ и ВЧ составляющих его, а ФНЧ 27 удаляет возможные ВЧ-продукты преобразований. Формула изобретения

51. Устройство частотного компандирования звуковых сигналов, содержащее на передающей стороне последовательно соединенные входной фильтр нижних частот и амплитудный высокочастотный корректор,

0 К цепей (), состоящих из последовательно соединенных первого делителя частоты на два и первого частотного компрессора второго частотного компрессора, последо- вательно соединенные блок уплотнения ка5 налов и полюсовой фильтр, причем каждый частбтный компрессор состоит из параллельных каналов преобразования, каждый из которых содержит последовательно соединенные вторые делители частоты на два, причем на входе каждого канала преобразования, кроме первого, включен усилитель, а на выходе каждого канала преобразования, кроме последнего, включен блок частотного разделения, низкочастотный выход которого соединен с соответствующим входом блока уплотнения каналов, а высокоча- стотный выход соединен с входом усилителя последующего канала преобразования, на выходе последнего канала преобразования включен фильтр нижних частот, выход которого подключен к входу блока уплотнителя каналов, первый делитель частоты на два содержит последова- .тельно соединенные вычитатель, . управляемый корнеизвлекатель и инвертор, а каждый второй делитель частоты на два содержит последовательно соединенные сумматор, управляемый корнеизвлекатель и инвертор, на приемной стороне устройство содержит блок разделения каналов К-+1 частотных экспандеров, последовательно соединенные выходной сумматор, амплитудный низкочастотный корректор и выходной фильтр нижних частот, каждый частотный экспандер состоит из параллельных каналов преобразования, каждый из которых содержит последовательно соединенные умножители частоты на два, причем на входе каждого канала преобразо-. вания, кроме последнего,включены последовательно соединенные блок задержки, вход которого соединен с соответствующим выходом блока разделения каналов, и сумматор, а на выходе каждого канала преобразования, кроме первого, включен аттенюатор, выход которого подключен к второму входу сумматора предыдущего ка- нала преобразования, при этом каждый умножитель частоты на два содержит последовательно соединенные управляемый квадратор и вычитатель, отличающееся тем, что, с целью уменьшения искажений результирующего сигнала, в первые делители частоты на два введены .блок выделения функции максимумов и два блока задержки, первый из которых включен между входом амплитудного высокочастотного корректора и входом еычитателя, а другой - между выходом вычитателя и входом корнеизвлекателя, управляющий вход которого соединен с выходом вычитателя через блок выделения функции максимумов,

во второй делитель частоты на два введены блок задержки, включенный между входом частотного компрессора и входом сумматора, и блок выделения функции максимумов, 5 вход которого объединен с входом блока задержки, а выход подключен к второму входу сумматора и к управляющему входу корнеизвлекателя, на передающей стороне введены также последовательно соединен0 ные блоки выделения функции минимумов, вход .первого из которых соединен с выходом высокочастотного корректора, а выход последнего блока выделения функции минимумов соединен с входом последнего час5 тотного компрессора, вход каждого блока выделения функции минимумов соединен с входом первого блока задержки каждого первого делителя частоты на два, а выход - с вторым входом вычитателя соответствую0 щего делителя частоты, на приемной стороне в каждый умножитель частоты на два введены последовательно соединенные формирователь модуля и блок задержки, включенные между входом умножителя час5 тоты на два и входом квадратора, и блок выделения функции максимумов, вход которого соединен с выходом формирователя модуля, а выход - с управляющими входом квадратора и вторым входом сумматора.

0

2. Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что блок частотного разделения содержит канальный фильтр нижних частот, : выход которого является низкочастотным

5 выходом блока частотного разделения, последовательно соединенные блок задержки и вычитатель, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, вход которого соединен с входом блока частотно0 , го разделения и входом блока задержки, выход вычитателя является высокочастотным выходом блока частотного разделения.

3. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что блок выделения функции макси- 5 мумов содержит последовательно соединенные блок выборки максимальных , значений и адаптивной интерполятор.

4. Устройство по п, 1, о тл и ч а ю щ ее-, ся тем, что.блок выделения функции мини- 0 мумов содержит последовательно соединенные блок выборки минимальных значений и адаптивный интерполятор.

в

X

л

PJ

Использование: в радиотехнике и связи для передачи звуковых сигналов высокого качества по значительно более узкополосному, чем типовые, каналу связи. Сущность изобретения: устройство содержит на передающей стороне один фильтр нижних частот (ФНЧ), один амплитудный ВЧ-корректор, два блока выделения функции минимумов, К первых делителей частоты на два, К+1 первых частотных компрессоров, один блок уплотнения каналов, один полосовой фильтр, К цепей состоящих из N. каналов, где (I, II, III), N-1 усилителей, N делителей частоты , mN вторых делителей частоты на два, IM-1 блоков частотного разделения, N вычитателей, N+1 корнеизвлекателей, N сумматоров, N+1 инверторов, N канальных ФНЧ, 2N+1 блоков задержки, ISH-1 блоков выделения функции максимума. Устройство содержит на приемной стороне один блок разделения каналов, К частотных экспандеров, один сумматор, один амплитудный НЧ-корректор, один выходной ФНЧ, К цепей, содержащих N каналов, где (I, II, III), IMm вычитателей, N-1 сумматоров, (N-1+m N) блоков задержки, Nm блоков выделения функции максимумов, N умножителей частоты, N-1 аттенюаторов, m умножителей частоты на два, Nm формирователей модуля, Nm квадраторов. 3 з.п.ф-лы, 3 ил. ел с

|у

Т

АО.

О {г