Способ автоматического регулирования пиковых значений электрических вещательных сигналов на заданный уровень при стабилизации относительной средней мощности и устройство для его реализации

Реферат

 

Способ и устройство для его реализации обеспечивают безынерционное ограничение и компандирование вещательных сигналов без обогащения их спектра, значительное повышение относительной средней мощности (ОСМ), расширение громкостного динамического диапазона и эффективное выравнивание громкости разнохарактерных программ. Это обеспечивается тем, что автоматическое регулирование пиковых значений осуществляют в трактах низко- и высокочастотной составляющих огибающей входного сигнала с использованием заданного порогового уровня и заданного уровня относительной средней мощности. Способ и устройство для его реализации обеспечивают стабилизацию заданного уровня ОСМ, что гарантирует равную громкость воспроизведения разнохарактерных звуковых программ; значительное (в 1,5-4 раза) повышение ОСМ преобразуемого сигнала при сохранении его пикового уровня, обеспечивая в системах радиовещания возможность уменьшения мощности радиовещательного передатчика в 1,5-2 раза при сохранении той же зоны обслуживания с сохранением субъективного высокого качества звучания, а в системах массового оповещения - снижение стоимости систем озвучения вдвое при увеличении разборчивости речевых сообщений на 10-15% в условиях высокого уровня шумов и помех. 2 с.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к технике передачи сигналов и может быть использовано при записи и воспроизведении звуковых сигналов.

Известен способ [1] автоматического регулирования пиковых значений электрических вещательных сигналов на заданный уровень при стабилизации относительной средней мощности, включающий в себя преобразование входного аналогового сигнала в цифровой и обратное преобразование цифрового сигнала в выходной аналоговый, а также операцию управления коэффициентом передачи звена в канале вещательного сигнала, при этом сигнал управления вырабатывают из входного и выходного сигнала, для чего выделяют огибающую сигнала, осуществляют ее фильтрацию, а регулирование коэффициента передачи по заданному закону выполняют при превышении сигналом определенного порогового уровня. Как правило [1], для сигнала управления используется огибающая, полученная путем выпрямления вещательного сигнала и последующей низкочастотной фильтрации.

В силу инерционности такого способа регулирования возникают искажения вещательных сигналов и, в частности, большие перепады громкости в момент стыка разнохарактерных по спектру (например, речь - музыка) программ, одинаковых по пиковому уровню. Кроме того, регулирование таким способом не позволяет в достаточной степени увеличить относительную среднюю мощность (ОСМ) звукового сигнала, не внося в него заметных на слух изменений.

Наиболее близкой разновидностью к предлагаемому является способ безынерционного преобразования динамического диапазона звукового сигнала [2], в соответствии с которым регулирование осуществляют с использованием нелинейного преобразования аналитической (гильбертовской) огибающей звукового сигнала. Однако жесткая характеристика регулирования, неадаптируемая к свойствам вещательного сигнала, приводит к нарушениям художественного соответствия переходов громкостей и не обеспечивает достаточное увеличение ОСМ сигнала. Кроме этого, такому способу регулирования свойственны значительный уровень нелинейных искажений и, как следствие, - расширение спектра сигнала.

Известно также устройство [3] реализации известных способов при преобразовании динамического диапазона звуковых сигналов, содержащее блок формирования ортогонального сигнала, блок выделения огибающей, блок сигнала управления, содержащий схему коррекции и пороговый вход устройства, и блоки регулирования коэффициента передачи.

К недостаткам известного устройства следует отнести жесткую характеристику регулирования, неадаптируемую к свойствам вещательного сигнала (что приводит к нарушениям художественного соответствия переходов громкостей); недостаточное увеличение ОСМ сигнала; значительный уровень нелинейных искажений и расширение спектра входного сигнала.

Известные способ и устройство могут рассматриваться как прототип. Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных выше недостатков, а именно: - безынерционное ограничение, компрессирование и компандирование вещательных сигналов при отсутствии обогащения их спектра; - значительное повышение ОСМ сигнала; - выравнивание громкости разнохарактерных программ (речь - музыка), то есть адаптивное регулирование по громкости; - расширение громкостного динамического диапазона.

Поставленная задача решается тем, что в способе автоматического регулирования пиковых значений электрических сигналов звукового вещания на заданный уровень при стабилизации ОСМ, включающем в себя операции: аналого-цифрового преобразования сигнала звукового вещания во входную цифровую последовательность Zвх, функциональной обработки и цифроаналогового преобразования выходной цифровой последовательности Zвых в выходной аналоговый сигнал, при этом сигнал управления коэффициентом передачи в тракте обработки вырабатывают из входной и выходной цифровых последовательностей, для чего выделяют огибающую сигнала, осуществляют ее фильтрацию, а регулирование коэффициента передачи по заданному закону выполняют при превышении сигналом вещания определенного порогового уровня, согласно изобретению из последовательности Zвх с помощью N-точечного преобразования Гильберта формируют ортогональный сигнал, вычисляют огибающую и косинус мгновенной фазы входного сигнала, огибающую разделяют на низко- и высокочастотную составляющие, которые раздельно регулируют под воздействием сигнала управления, после чего огибающую восстанавливают суммированием преобразованных составляющих и получают выходную цифровую последовательность Zвых путем перемножения восстановленной огибающей с косинусом мгновенной фазы, при этом для формирования сигнала управления последовательно на каждом отрезке, содержащем kN отсчетов, определяют пиковые значения входной |Zвх|макс и выходной |Zвых|макс последовательностей и относительную среднюю мощность PОСМ.вых. выходной последовательности, причем сигнал управления формируют, с одной стороны, при сравнении цифровых пиковых значений |Zвх|макс входного сигнала с цифровым пороговым уровнем напряжения Zпор, а с другой стороны, при сравнении PОСМ.вых с пороговым уровнем относительной средней мощности PОСМ.пор таким образом, что при выполнении неравенства |Zвх|макс > Zпор сигнал управления изменяет коэффициент передачи в тракте обработки, реализуя операцию экспандирования огибающей, если PОСМ.вых > PОСМ.пор, или операцию ее компрессирования, если PОСМ.вых < PОСМ.пор, причем степень экспандирования или компрессирования определяют в соответствии с величиной разности PОСМ.вых - PОСМ.пор, а при выполнении неравенства |Zвх|макс Zпор сигналом управления устанавливают коэффициент передачи, равный единице, при этом пороговые значения Zпор и PОСМ.пор, а также параметры k и N устанавливают в соответствии с требованиями к качественным характеристикам выходного аналогового сигнала.

Предложенный способ, таким образом, осуществляет автоматическое регулирование пиковых значений вещательных сигналов в трактах низкочастотной (НЧ) и высокочастотной (ВЧ) составляющих огибающей входного сигнала, что обеспечивает безынерционность управления и отсутствие "паразитного" обогащения спектра вещательного сигнала. Введение двух пороговых уровней: Zпор - по уровню пиковых значений входного сигнала и PОСМ.пор - по уровню ОСМ выходного сигнала обеспечивает значительное повышение ОСМ, выравнивание громкости разнохарактерных программ и позволяет расширить громкостной динамический диапазон.

Поставленная задача решается также тем, что устройство автоматического регулирования пиковых значений электрических вещательных сигналов на заданный уровень при стабилизации относительной средней мощности, содержащее блок формирования ортогонального сигнала, блок выделения огибающей, блок сигнала управления, содержащий схему коррекции и пороговый вход устройства, и блоки регулирования коэффициента передачи, согласно изобретению дополнительно включены блоки аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования, блок разделения огибающей на низко- и высокочастотную составляющие, измеритель коэффициента передачи, блок восстановления огибающей, блок восстановления сигнала, а блоки регулирования коэффициента передачи включены не в тракты исходного и ортогонального сигналов, а в тракты низко- и высокочастотной составляющих огибающей, причем блок сигнала управления дополнительно снабжен входами для подключения входного и выходного сигналов устройства и для установки порогового уровня относительной средней мощности выходного сигнала.

Предложенное устройство позволяет реализовать предложенный способ автоматического регулирования пиковых значений вещательных сигналов на заданный уровень при стабилизации ОСМ.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ В дальнейшем изобретение поясняется осциллограммами и чертежами, на которых: фиг. 1 изображает совмещенные на одном графике исходный сигнал Zвх и выходной сигнал Zвых, а также сформированный с помощью преобразования Гильберта, ортогональный исходному сигнал фиг. 2 изображает гильбертовскую огибающую сформированную из исходного Zвх и ортогонального сигналов; фиг. 3 изображает мгновенную фазу сформированную из исходного Zвх и ортогонального сигналов; фиг. 4 изображает низкочастотную Sнч(t) и высокочастотную Sвч(t) составляющие огибающей S(t) = Sнч(t) + Sвч(t); фиг. 5 изображает компрессирующую 1, экспандирующую 2 и линейную 3 характеристики регулирования составляющей Sнч(t) огибающей; фиг. 6 - структурная схема предлагаемого устройства; фиг. 7 - структурная схема известного устройства [3], в котором: 1 - блок формирования ортогонального сигнала, 2 - блок выделения огибающей, 3 - блок сигнала управления, содержащий схему коррекции и пороговый вход 4 устройства, 5 - блок регулирования коэффициента передачи; фиг. 8 изображает совмещенные осциллограммы сигналов до и после регулирования с увеличенной ОСМ музыкального сигнала; фиг. 9 изображает совмещенные осциллограммы сигналов до и после регулирования при улучшении соотношения "речь - музыка"; фиг. 10 иллюстрирует увеличение ОСМ речевого сигнала для систем массового оповещения.

Предлагаемый способ реализуется последовательным выполнением следующих операций: 1. Формирование из последовательности Zвх с помощью N-точечного преобразования Гильберта [1, 4] сигнала ортогонального исходному Zвх, т.е. сопряженного с ним по Гильберту [1, разд. 4.3] (иллюстрируется осциллограммой фиг. 1).

2. Формирование гильбертовской огибающей (фиг. 2) и косинуса мгновенной фазы cos (t) = Zвх/S(t) из исходного Zвх и ортогонального сигналов.

3. Разделение огибающей S(t) на низкочастотную (НЧ) Sнч(t) и высокочастотную (ВЧ) Sвч(t) составляющие (фиг. 4а, б).

4. Регулирование НЧ-составляющей Sнч(t) в регулирующем звене, амплитудная характеристика которого в зависимости от полярности и величины сигнала управления являются компрессирующей или экспандирующей. Если сигнал управления равен нулю, то амплитудная характеристика - линейная (фиг. 5).

5. Регулирование ВЧ-составляющей Sвч(t) в регулирующем звене, линейная амплитудная характеристика которого определяется коэффициентом передачи звена, регулирующего НЧ-составляющую, и масштабным коэффициентом , не определяемым требованиями к качественным характеристикам выходного аналогового сигнала.

6. Восстановление огибающей путем суммирования сформированных НЧ- и ВЧ-составляющих: Sвст(t) = Sнч.вст(t) + Sвч.вст(t).

7. Получение выходной цифровой последовательности путем выполнения операции перемножения Zвых = Sвст(t)cos(t).

8. Адаптивное формирование сигнала управления с учетом заданного уровня входного сигнала (задается цифровым пороговым напряжением Zпор) и заданной величины ОСМ выходного сигнала (задается цифровым пороговым уровнем PОСМ.пор).

В процессе регулирования осуществляют измерение пиковых значений входного сигнала |Zвх|макс и ОСМ выходного сигнала PОСМ.вых. Измерения производятся последовательно на каждом временном отрезке, длительность которого устанавливают равной kNIF 40 мс (F - частота дискретизации) для информационного вещания и приблизительно 160 мс - для художественного. Параметры k, N и F определяются требованиями к качественным характеристикам выходного аналогового сигнала. Так, например, для регулирования вещательного сигнала с верхней граничной частотой спектра, равной 10 кГц, выбирают k = 7, N = 512, F = 22 кГц.

При превышении пиковым значением сигнала |Zвх|макс заданного порога Zпор и в случае отклонения PОСМ.вых от заданной величины PОСМ.пор в результате регулирования НЧ-составляющая огибающей умножается либо на компрессирующую (если PОСМ.вых < PОСМ.пор), либо на экспандирующую (если PОСМ.вых > PОСМ.пор) амплитудную характеристику регулирующего звена. При этом ВЧ-составляющая огибающей изменяется по линейному закону пропорционально изменению НЧ-составляющей на интервале регулирования и с учетом величины масштабного коэффициента , который выбирают равным 0,5 - для компандерных систем междугородных каналов звукового вещания, 1,0 - для систем художественного вещания и 1,5 - для систем информационного вещания и массового оповещения.

Устройство для автоматического регулирования пиковых значений вещательных сигналов на заданный уровень при стабилизации ОСМ представлено на фиг. 6. Оно содержит блок аналого-цифрового преобразования 1, блок 2 формирования ортогонального сигнала, блок выделения огибающей и косинуса мгновенной фазы сигнала 3, блок разделения огибающей на низко- и высокочастотную составляющие 4, блок регулирования коэффициента передачи составляющих 5, измеритель коэффициента передачи 6, блок восстановления огибающей 7, блок восстановления сигнала 8, блок цифроаналогового преобразования 9, блок сигнала управления 10.

Устройство в соответствии с предлагаемым способом работает следующим образом. Входной аналоговый вещательный сигнал преобразуют аналого-цифровым преобразователем 1 в цифровую последовательность Zвх, которую подают на входы блоков формирования ортогонального сигнала 2, выделения огибающей и косинуса мгновенной фазы 3 и сигнала управления 10. В блоке 2 с помощью N-точечного преобразования Гильберта формируют сигнал ортогональный исходному (фиг. 1). Формирование ортогонального сигнала осуществляют с помощью специальной, вычислительно достаточно простой процедуры синтеза такого сигнала в частотной области на основе БПФ [4]. Этим обеспечивают высокую точность формирования в блоке 3 гильбертовской огибающей (фиг. 2) и косинуса мгновенной фазы cos(t) = Zвх/S(t) вещательного сигнала. В блоке 4 огибающую разделяют на низкочастотную Sнч(t) и высокочастотную Sвч(t) составляющие (фиг. 4) и по отдельности регулируют в блоках 5 под воздействием сигнала управления, после чего огибающую восстанавливают, суммируя составляющие в блоке 7. Выходную цифровую последовательность Zвых получают в блоке 8 путем перемножения восстановленной огибающей и косинуса мгновенной фазы Zвых = Sвст(t)cos(t). Цифроаналоговым преобразованием в блоке 9 получают выходной аналоговый сигнал.

Коэффициенты передачи Kнч(Vу) и Kвч(Vу) блоков 5 определяют характер регулирования соответственно НЧ- и ВЧ-составляющих огибающей: Sнч.р = Kнч(Vу)Sнч и Sвч.р = Kвч(Vу)Sвч, где индексы соответствуют составляющим огибающей на входе и выходе регулирующих блоков 5.

Компрессирование или экспандирование НЧ-составляющей огибающей, то есть функция Kнч(Vу) (фиг. 5), определяется величиной и знаком сигнала управления Vу, вырабатываемого блоком 10. Изменение амплитуды ВЧ-составляющей пропорционально выходному сигналу измерителя коэффициента передачи 6, то есть Kвч(Vу) = Kнч(Vу).

НЧ-составляющая (фиг. 4а) содержит инфразвуковые частоты, спектр которых расположен ниже спектра вещательного сигнала. Поэтому медленное изменение коэффициента передачи Kнч(Vу) не приводит к "паразитному" обогащению спектра сигнала. Линейное (пропорциональное) изменение ВЧ-составляющей в процессе регулирования также не сопровождается искажениями спектра сигнала.

В блоке 10 осуществляют адаптивное формирование сигнала управления по заданному уровню пиковых значений входного сигнала |Zвх|макс и заданной величине ОСМ выходного сигнала. При этом заданный уровень пиковых значений входного сигнала определяется цифровым порогом Zпор, а уровень ОСМ выходного сигнала - цифровым порогом PОСМ.пор.

Сигнал управления Vу формируют, с одной стороны, при сравнении цифровых пиковых уровней сигнала |Zвх|макс с порогом Zпор, а с другой стороны, при сравнении цифровых значений ОСМ выходного сигнала PОСМ.вых с другим пороговым уровнем PОСМ.пор таким образом, что при выполнении неравенства |Zвх|макс > Zпор сигнал управления изменяет коэффициент передачи, включая операцию экспандирования огибающей, если PОСМ.вых > PОСМ.пор, или операцию ее компрессирования, если PОСМ.вых < PОСМ.пор, причем степень экспандирования или компрессирования определяют в соответствии с величиной разности PОСМ.вых - PОСМ.пор, а при выполнении неравенства |Zвх|макс Zпор сигналом управления устанавливают коэффициент передачи, равный единице. Пороговые значения Zпор и PОСМ.пор, а также параметры k, N и устанавливают в соответствии с требованиями к качественным характеристикам выходного аналогового сигнала.

На фиг. 7 приведена структурная схема известного устройства [3] динамического сжатия вещательного сигнала. Сравнение схем на фиг. 6 и 7 иллюстрирует принципиальное различие устройств.

Авторами выполнено экспериментальное моделирование заявленных способа и устройства на его основе на реальных вещательных сигналах. Моделирование было проведено на персональной ЭВМ последнего поколения, дополненной специализированными платами. Иллюстрации моделирования представлены на совмещенных осциллограммах сигналов до и после регулирования: фиг. 8 - увеличение ОСМ музыкального сигнала, фиг. 9 - пример улучшения соотношения "речь - музыка", фиг. 10 - большое увеличение ОСМ речевого сигнала для систем массового оповещения.

По мнению авторов, предлагаемые способ и устройство обеспечивают: - безынерционное ограничение вещательных сигналов; - отсутствие обогащения спектра, что делает их применимыми для широкого класса сигналов; - обработку вещательных сигналов со студийным качеством, что является следствием высокой точности формирования ортогонального сигнала; - возможность использования в компандерных системах междугородных каналов звукового вещания; - стабилизацию заданной ОСМ, что гарантирует равную громкость воспроизведения разнохарактерных звуковых программ; - значительное (в 3...4 раза) повышение ОСМ преобразуемого сигнала при сохранении его пикового уровня, что позволяет в системах массового оповещения увеличить разборчивость речевых сообщений (на 10...15% - по сравнению с сигналами, обработанными известными авторам устройствами регулирования) в условиях высокого уровня шумов и помех; - повышение громкости вещательных передач, эквивалентное увеличению мощности радиопередающих устройств и акустических излучателей в 1,5...2 раза.

Предложенные способ и устройство могут быть широко использованы на всех трактах звукового вещания нашей страны и за ее пределами. Это позволит значительно поднять качество услуг звукового вещания.

Литература 1. Звуковое вещание. /А.В. Выходец, П.М. Жмурин, И.Ф. Зорин и др.: Под ред. Ю.А. Ковалгина: Справочник. - М.: Радио и связь, 1993, 464 с.

2. Ишуткин Ю.М., Плющев В.М. Преобразование огибающей звуковых сигналов //Техника кино и телевидения. - 1983, N 4, с. 3-6.

3. Авторское свидетельство СССР N 1058077, кл. H 04 B 1/64. Ишуткин Ю.М. , Плющев В.М., Уваров В.К. Устройство для преобразования динамического диапазона звуковых сигналов.

4. Марпл. -мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, 584 с.

Формула изобретения

1. Способ автоматического регулирования пиковых значений электрических сигналов звукового вещания на заданный уровень при стабилизации относительной средней мощности, включающий в себя операции формирования сигнала управления и регулирования коэффициента передачи по заданному закону при превышении заданного порогового уровня, отличающийся тем, что осуществляют аналого-цифровое преобразование входного сигнала звукового вещания в цифровую последовательность zвx, из которой с помощью N-точечного преобразования Гильберта формируют ортогональный сигнал zвx орт, затем zвx и zвx орт используют для формирования огибающей и косинуса мгновенной фазы сигнала, далее огибающую разделяют на низкочастотную и высокочастотные составляющие, которые раздельно регулируют, при этом формирование сигнала управления на интервале регулирования, содержащем kN отсчетов, осуществляют определяя пиковые значения входной |zвх|макс и выходной |zвых|макс последовательностей и относительную среднюю мощность РОСМ.вых выходной последовательности, причем сигнал управления формируют с учетом сравнения цифровых пиковых значений |zвх|макс с цифровым пороговым уровнем напряжения zпор и РОСМ.вых с пороговым уровнем относительной средней мощности РОСМ.пор таким образом, что при выполнении неравенства |zвх|макс > zпор сигнал управления изменяет коэффициент передачи низкочастотной составляющей огибающей, реализуя операцию ее экспандирования, если РОСМ.вых > РОСМ.пор, или операцию ее компрессирования, если РОСМ.вых < РОСМ.пор, причем степень экспандирования или компрессирования определяют по величине разности РОСМ.вых - РОСМ.пор, а при выполнении неравенства |zвх|макс zпор сигнал управления устанавливает коэффициент передачи низкочастотной составляющей, равный единице, причем коэффициент передачи высокочастотной составляющей огибающей изменяют пропорционально изменению коэффициента низкочастотной составляющей с учетом масштабного коэффициента , после чего огибающую восстанавливают суммированием преобразованных составляющих и получают выходную цифровую последовательность zвых путем перемножения восстановленной огибающей с косинусом мгновенной фазы, а затем осуществляют цифроаналоговое преобразование последовательности zвых в выходной аналоговый сигнал, при этом пороговые значения zпор и РОСМ.вых, а также параметры k, N и устанавливают в соответствии с требованиями к качественным характеристикам выходного аналогового сигнала.

2. Устройство автоматического регулирования пиковых значений электрических вещательных сигналов на заданный уровень при стабилизации относительной средней мощности, содержащее блок формирования ортогонального сигнала, блок сигнала управления с пороговым входом, блоки регулирования коэффициента передачи, отличающееся тем, что дополнительно включены блок аналого-цифрового преобразования (АЦП), преобразующий входной аналоговый вещательный сигнал в цифровую последовательность, блок выделения огибающей и косинуса мгновенной фазы, который формирует огибающую и косинус мгновенной фазы cos(t) = zвх/S(t), где zвх и соответственно цифровая последовательность, формируемая АЦП, и сигнал, сформированный в блоке формирования ортогонального сигнала, блок разделения огибающей на низко- (НЧ) и высокочастотную (ВЧ) составляющие, причем блоки регулирования коэффициента передачи, раздельно регулируют НЧ и ВЧ составляющие и обеспечивают характер регулирования соответственно НЧ и ВЧ составляющих огибающей Sнч.р = Kнч(Vу) Sнч и Sвч.р = Kвч(Vу) Sвч, где Kнч(Vу) и Kвч(Vу) соответственно коэффициенты передачи НЧ и ВЧ составляющих, Vу - сигнал управления, формируемый блоком сигнала управления, S и Sр - огибающие на входе и выходе блоков регулирования коэффициентов передачи, причем Kвч(Vу) = Kнч(Vу), где - масштабный коэффициент, который устанавливают в соответствии с требованиями к качественным характеристикам выходного аналогового сигнала, блок восстановления огибающей, суммирующий НЧ и ВЧ составляющие после регулировки, блок восстановления сигнала, в котором получают выходную последовательность путем перемножения восстановленной огибающей и косинуса мгновенной фазы, цифроаналоговый преобразователь, в котором получают выходной аналоговый сигнал, при этом цифровую последовательность zвх подают на входы блока формирования ортогонального сигнала и блока выделения огибающей и косинуса мгновенной фазы сигнала, а блок сигнала управления формирует сигнал управления при сравнении цифровых пиковых уровней входного сигнала |zвх|макс с порогом zпор и при сравнении цифровых значений относительной средней мощности выходного сигнала РОСМ.вых с пороговым уровнем РОСМ.пор таким образом, что при выполнении неравенства |zвх|макс > zпор сигнал управления изменяет коэффициент передачи Kнч(Vу), включая операцию экспандирования огибающей, если РОСМ.вых > РОСМ.пор, или операцию ее компрессирования, если РОСМ.вых < РОСМ.пор, а при выполнении неравенства |zвх|макс zпор сигналом управления устанавливают коэффициент передачи равный единице.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10