Способ настройки тракта воспроизведения сигналограммы и устройство для его осуществления

Способ настройки тракта воспроизведения сигналограммы и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для автоматизации процессов настройки звуковоспроизводящих комплексов, функционирующих с магнитными или оптическими носителями информации.

В подавляющем большинстве случаев настройка тракта воспроизведения сигналограммы бывает вызвана необходимостью получить желаемый тембр звучания аудиозаписей и не допустить заметных на слух нелинейных искажений. В свою очередь, управление тембром путем управления формой амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) тракта обусловлено как объективными, так и субъективными причинами. Первая группа причин - это частотные искажения, вносимые неидеальным звуковоспроизводящим трактом в оригинальную музыкальную программу, в результате чего нарушается исходный тональный баланс. Вторая группа причин определяется психофизиологическими особенностями и эстетическими требованиями слушателя. Причем последние причины в настоящее время, учитывая высокие качественные показатели современной аудиоаппаратуры, являются определяющими. Казалось бы, слушатель, имея в своем распоряжении эффективные средства настройки звуковоспроизводящих фактов, может единожды установить требуемую, правильную, на его взгляд, форму АЧХ тракта и более к этому процессу не возвращаться. Однако записи музыкальных программ отличаются как по тональному балансу, так и по содержанию. В результате, настройки, произведенные в одном случае на конкретной сигналограмме и верные с точки зрения слушателя, оказываются неправильными в других случаях. Причем происходит это по причине отсутствия связи между АЧХ тракта и сигналограммой. Указанный подход, ввиду своей относительной простоты, достаточно широко применяется как в бытовой, так и в профессиональной аудиотехнике, см., например [Радиовещание и электроакустика. / Под ред. Ю.А.Ковалгина. - М.: Радио и связь, 2000, стр.355].

Для упрощения и ускорения процесса перенастройки аудиотракта в зависимости от конкретной сигналограммы в [Пат. Великобритании №2280340, 1994, G11B 20/00, H03G 5/16] предложено записывать информацию о жанрах произведений непосредственно в сигналограмму. При воспроизведении необходимая информация автоматически извлекается и далее используется для управления АЧХ тракта. Основу устройства, реализующего данный способ (прототип), составляют управляемый темброблок и блок памяти. При этом способ позволяет лишь автоматически включить одну из нескольких настроек, соответствующих жанру произведения, но никак не учитывает индивидуальные требования слушателя и особенности конкретного звуковоспроизводящего тракта. Разумеется, применяя способ-прототип, невозможно в автоматическом режиме получить желаемый тембр звучания, так же как и невозможно осуществить индивидуальную коррекцию АЧХ конкретного тракта.

Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в обеспечении режима автоматической настройки тракта воспроизведения сигналограммы в соответствии с произвольно заданными требованиями.

Технический результат по первому варианту достигается тем, что в способе настройки тракта воспроизведения сигналограммы, предусматривающем управление амплитудно-частотной характеристикой тракта воспроизведения, согласно изобретению перед началом воспроизведения сигналограммы задают эталонный спектр, производят тестовое воспроизведение сигналограммы со скоростью, превышающей рабочую скорость воспроизведения сигналограммы, определяют спектр полученного сигнала, указанный спектр сравнивают с эталонным спектром, вырабатывают сигналы сравнения, зависящие от результатов сравнения, далее сигналы сравнения используют для управления амплитудно-частотной характеристикой тракта воспроизведения.

Для достижения технического результата при воспроизведении сигналограммы, содержащей музыкальную программу, эталонный спектр можно задавать исходя из психоакустических требований.

Для достижения технического результата спектр полученного сигнала и эталонный спектр можно сравнивать путем вычисления разности спектральных составляющих, соответствующих n точкам спектра (n - целое, конечное число), или путем вычисления их отношения.

Для достижения технического результата спектр полученного сигнала и эталонный спектр могут являться спектрами, определенными методом дискретного преобразования Фурье.

Технический результат по второму варианту достигается тем, что в способе настройки тракта воспроизведения сигналограммы, предусматривающем управление амплитудно-частотной характеристикой тракта воспроизведения, согласно изобретению перед началом воспроизведения сигналограммы задают нормированный эталонный спектр, производят тестовое воспроизведение сигналограммы со скоростью, превышающей рабочую скорость воспроизведения сигналограммы, определяют нормированный спектр полученного сигнала, указанный спектр сравнивают с нормированным эталонным спектром, вырабатывают сигналы сравнения, зависящие от результатов сравнения, далее сигналы сравнения используют для управления амплитудно-частотной характеристикой тракта воспроизведения.

Для достижения технического результата при воспроизведении сигналограммы, содержащей музыкальную программу, нормированный эталонный спектр можно задавать исходя из психоакустических требований.

Для достижения технического результата нормированный спектр полученного сигнала и нормированный эталонный спектр можно сравнивать путем вычисления разности спектральных составляющих, соответствующих n точкам спектра (n - целое, конечное число), или путем вычисления их отношения.

Для достижения технического результата нормированный спектр полученного сигнала и нормированный эталонный спектр могут являться спектрами, определенными методом дискретного преобразования Фурье.

Для достижения технического результата устройство для настройки тракта воспроизведения сигналограммы, содержащее управляемый темброблок, выход которого является выходом устройства, согласно изобретению содержит спектроанализатор, блок управления и демультиплексор, информационный вход которого является информационным входом устройства, вход темброблока соединен с первым выходом демультиплексора, второй выход которого соединен со входом спектроанализатора, блок управления предназначен для сравнения спектра полученного при помощи спектроанализатора и эталонного спектра, а также для непосредственного управления темброблоком по результатам сравнения спектров, адресный вход демультиплексора является входом выбора режима работы устройства.

Для достижения технического результата управляемый темброблок может быть выполнен в виде многополосного графического эквалайзера с электронным управлением.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом.

На фиг.1 показана функциональная схема устройства для настройки тракта воспроизведения сигналограммы; на фиг.2 показаны графики, иллюстрирующие способ настройки тракта; на фиг.3 приведена функциональная схема одного из возможных вариантов реализации блока управления.

Функциональная схема по фиг.1 содержит демультиплексор 1, управляемый темброблок 2, анализатор спектра 3 и блок 4 управления. Входом устройства для настройки тракта служит информационный вход демультиплексора 1, первый выход которого соединен с информационным входом управляемого темброблока, выход которого является выходом устройства, N управляющих входов темброблока 2 соединены с соответствующими N выходами блока 4 управления, информационный вход S_т(ω) которого соединен с выходом анализатора 3 спектра, а эталонный вход S₀(ω) служит для подачи на него сигнала, несущего информацию об эталонном спектре, вход анализатора 3 спектра соединен со вторым выходом демультиплексора 1, адресный вход которого служит входом М выбора режима работы устройства.

На графиках (фиг.2) показаны эталонный спектр S₀(ω) (спектральная плотность) и спектр S_т(ω) (спектральная плотность) входного сигнала, полученный при тестовом воспроизведении сигналограммы; ω - круговая частота.

Функциональная схема по фиг.3 содержит блок 5 вычитания, сумматор 6, адресный счетчик 7, дешифратор 8 адреса, группу 9 регистров 9-1÷9-N, линейку 10 преобразователей 10-1÷10-N цифрового кода в сигналы управления блоком 2 и элемент 11 ИЛИ. Первый вход блока 5 вычитания является первым информационным входом S_т(nΔω) блока 4, предназначенным для соединения с выходом анализатора 3, второй вход блока 5 вычитания служит эталонным входом S₀(nΔω) блока 4, выход блока 5 вычитания соединен с первым входом сумматора 6, второй вход которого является входом кода смещения Y, выход сумматора 6 соединен с объединенными информационными входами DI регистров группы 9, выходы которых соединены с соответствующими входами преобразователей группы 10, выходы которых составляют N-канальный выход блока 4 сравнения, тактовые входы С регистров группы 9 подключены к соответствующим N выходам дешифратора 10, вход которого соединен с разрядным выходом Q счетчика 7, выход переноса Р которого соединен с первым входом элемента 11 ИЛИ, второй вход которого является входом RST обнуления (начальной установки) блока 4 управления, синхровходом CLK которого является тактовый вход счетчика 7.

Рассмотрим идею настройки тракта на примере конкретного устройства, показанного на фиг.1. Будем считать, что данное устройство входит в состав звуковоспроизводящего тракта и включено между источником сигнала и предварительным усилителем. До начала работы с устройством необходимо задать эталонный спектр S₀(ω), который будет определять форму спектра выходного сигнала (на выходе темброблока 2). Положим, что эталонный спектр задан и имеет вид, показанный на фиг.2 (сплошная линия).

В режиме настройки тракта на адресном входе М демультиплексора (он же вход выбора режима) устанавливают уровень логической единицы (М=1), в связи с чем сигнал со входа демультиплексора 1 подается на вход анализатора 3 спектра. В данном режиме на вход устройства (демультиплексора 1) подают сигнал, полученный в результате тестового воспроизведения сигналограммы с повышенной скоростью, увеличенной в m раз по сравнению с рабочей скоростью воспроизведения сигналограммы. Увеличение скорости необходимо для ускоренного анализа спектральных свойств сигнала, который позже предстоит воспроизвести для прослушивания. За время, равное примерно t_р/m (t_p - длительность звучания сигналограммы) в блоке 4 происходит сравнение эталонного спектра S₀(ω) со спектром S_т(ω), полученным в результате воспроизведения сигналограммы с повышенной скоростью. По результатам сравнения вырабатывают сигналы сравнения, которые поступают на управляющие входы темброблока 2 и приводят к изменению формы АЧХ темброблока 2 таким образом, что спектр сигнала на выходе темброблока 2 стремится к эталонному спектру. Для этого отдельные участки спектра входного сигнала S(ω) в режиме воспроизведения избирательно усиливают и ослабляют (фиг.2). После того как получены сигналы сравнения и произведена соответствующая им настройка темброблока 2 устройство готово к функционированию в обычном рабочем режиме воспроизведения протестированной сигналограммы.

В рабочем режиме М=0 на вход демультиплексора 1 подают сигнал, полученный в результате воспроизведения сигналограммы с нормальной рабочей скоростью, при которой происходит ее прослушивание. При М=0 сигнал со входа демультиплексора коммутируется на его выход, соединенный со входом управляемого темброблока 2, где и происходит необходимая частотная коррекция в соответствии с ранее полученными результатами сравнения спектров. С выхода темброблока 2 сигнал направляется к последующим каскадам усиления.

Необходимо отметить, что спектр S(ω), полученный при воспроизведении сигналограммы с нормальной скоростью в рабочем режиме, отличается от спектра S_т(ω), полученного в тестовом режиме при воспроизведении со скоростью, повышенной в m раз. Между указанными спектрами существует известная связь

которую следует обязательно учитывать как при формировании эталонного спектра, так и при управлении темброблоком 2. Это означает, что для конкретного сравнения спектров необходимо промасштабировать и эталонный спектр, если последний получен как спектр реального аудиосигнала. В этом случае исходный спектр, который будет использован как эталонный, следует расширить в m раз, а модуль спектральной плотности уменьшить в m раз, по аналогии с вышеприведенным выражением. Можно поступить и иначе: подвергать масштабированию не спектр, который должен выполнить функции эталонного, а спектр S_т(ω) путем его сужения и увеличения амплитуды спектральных составляющих. При таком подходе на входы блока 4 управления для сравнения будут подаваться спектры, представленные в реальном масштабе.

Из вышеизложенного видно, что на блок 4 управления возложены как функции сравнения спектров, так и формирования сигналов управления, которые можно было бы использовать для непосредственного управления темброблоком 2. Количество полос управляемого темброблока 2, диапазон регулировок и полосу рабочих частот выбирают исходя из конкретных требований, предъявляемых к устройству для настройки тракта, и с учетом возможностей их выполнения. В качестве управляемого темброблока можно использовать многополосный графический эквалайзер с электронным управлением. Если положить, что управление в каждой полосе эквалайзера осуществляется напряжением, от значения которого зависит коэффициент передачи тракта в этой полосе, то блок 2 может быть непосредственно связан с блоком управления, схема которого приведена на фиг.3.

Структура блока 4 управления по фиг.3 предложена в предположении, что анализатор спектра 3 является цифровым устройством, на выходе которого имеем последовательность отсчетов - амплитуд гармоник S_т(nΔω), вычисленных, например, методом дискретного преобразования Фурье при условии, что n=1, 2,...N (N - общее число гармоник), а Δω - шаг расположения отсчетов по оси частот. В аналогичной форме представляют и эталонный спектр S₀(nΔω).

Будем считать, что отсчеты S_т(nΔω) и S₀(nΔω) появляются одновременно в двух каналах и сопровождаются синхроимпульсами CLK и, кроме того, смена отсчетов в каждом из каналов также происходит с тактовой частотой CLK. В блоке 5 вычитания вычисляется разность S_т(nΔω)-S₀(nΔω), после чего в сумматоре 6 добавляется постоянная Y и затем N полученных величин

ΔS(nΔω)=S_т(nΔω)-S₀(nΔω)+Y

распределяются по N регистрам группы 9. Занесенные в регистры 9-1÷9-N двоичные коды N величин ΔS(nΔω) являются первичными кодами управления и направляются в преобразователи 10-1÷10-N. Последние служат для перевода полученных сигналов непосредственно в сигналы управления темброблоком 2, и в частном случае, например, если темброблок 2 устройство аналоговое и управляется аналоговыми входными сигналами, то в качестве преобразователей 10 можно использовать цифроаналоговые преобразователи. Разумеется возможны ситуации, когда от преобразователей 10 можно и отказаться.

Управляет поочередной записью кодов ΔS(nΔω) в регистры 9 узел, состоящий из адресного счетчика 7 и дешифратора 8. Причем модуль пересчета счетчика 7 выбирают на единицу больше количества отсчетов N. Это позволяет использовать обнуленное состояние счетчика как исходное и запрещающее запись данных в регистры 9. С появлением первого синхроимпульса CLK счетчик 7 устанавливает на выходе Q код единицы и активизирует таким образом выход дешифратора 8 с порядковым номером «1» (нумерация выходов дешифратора 8 начинается с нуля; нулевой выход не используется). Поскольку данный процесс протекает скачкообразно, то положительный перепад напряжений на выходе «1» дешифратора 8, передаваемый на динамический тактовый вход регистра 9-1, разрешает запись информации о первом отсчете ΔS(ω) в регистр 9-1. Далее с приходом второго синхроимпульса счетчик переходит в следующее состояние, соответствующее числу «2», и процесс происходит аналогичным образом. После того, как в регистр 9-N будет записан последний отсчет, счетчик 7 обнулится и на этом цикл первой записи данных закончится. Все последующие циклы аналогичны первому и служат для обновления информации в регистрах 9. Вход RST предназначен для первоначального обнуления блока сравнения. Код смещения Y необходим для задания необходимого постоянного напряжения смещения, управляющего темброблоком 2. Значение его выбирают исходя из диапазона изменений величины ΔS(nΔω), диапазона требуемых регулировок и параметров управляющих цепей темброблока 1. Значение кода Y должно быть таким, чтобы при S_т(nΔω)-S₀(nΔω)=0 напряжение смещения, подаваемое на каждый из управляющих входов темброблока 2, соответствовало бы режиму пропускания сигнала без изменений его амплитуды.

Коды со значением спектральных компонент S₀(nΔω) можно хранить в запоминающем устройстве, например в ППЗУ (не показано), и извлекать при сравнении спектров под контролем синхроимпульсов CLK. Получить необходимые значения S₀(nΔω) можно как путем их вычисления, исходя из реальной формы эталонного спектра, так и эмпирически при помощи дополнительного анализатора спектра. В последнем случае экспериментально определяют спектр образцового сигнала, который, по мнению слушателя, удовлетворяет его психоакустическим и эстетическим требованиям, после чего значения спектральных компонент запоминают и хранят как значения S₀(nΔω) эталонного спектра. Возможен и третий вариант - ручной ввод при помощи ползунковых регуляторов по аналогии с управлением АЧХ графических эквалайзеров. Положения выведенных на переднюю панель ручек ползунковых регуляторов, расположенных параллельно друг другу и сориентированных вдоль оси частот ω (фиг.2), будут определять примерную форму огибающей эталонного спектра при условии, что положение каждого регулятора жестко связано со значением управляющего напряжения, изменяющего коэффициент передачи в данной полосе частот. Для сопряжения с цифровым блоком управления указанные управляющие напряжения потребуется преобразовать в двоичные коды.

В отдельных случаях для корректного сравнения может потребоваться нормирование спектров, например в случае, если уровни сигналов, полученные в результате воспроизведения различных сигналограмм, отличаются. Под нормированными спектрами подразумеваются вычисленные относительные величины Y₁(ω) и Y₂(ω), выражаемые формулами

где ω₀ - некоторая фиксированная средняя частота в пределах полосы рабочих частот (в звуковой технике ω₀ обычно выбирают соответствующим частоте 1 кГц).

Применение предложенных идей в устройствах настройки трактов звуковоспроизведения с точки зрения инженера позволит:

- непосредственно управлять тональным балансом, а не АЧХ, в отличие от известных устройств похожего назначения;

- уменьшить нелинейные искажения выходного сигнала и предотвратить перегрузку оконечных устройств за счет стабилизации формы спектра.

С точки зрения аудиофила будут получены следующие достоинства:

- автоматическое поддержание заданного тембра и характера звуковых образов независимо от спектральных особенностей входного сигнала;

- повышение качества музыкальных программ;

- сокращение разницы между качеством старых аудиозаписей и современных;

- облегчение управления аудиотехникой за счет появления новой автоматической операции (функции) настройки АЧХ тракта.

1. Способ настройки тракта воспроизведения сигналограммы, предусматривающий управление амплитудно-частотной характеристикой тракта воспроизведения, отличающийся тем, что перед началом воспроизведения сигналограммы задают эталонный спектр, который будет определять форму спектра выходной сигналограммы, производят тестовое воспроизведение сигналограммы со скоростью, превышающей рабочую скорость воспроизведения сигналограммы, определяют спектр полученного сигнала, указанный спектр сравнивают с эталонным спектром, вырабатывают сигналы сравнения, зависящие от результатов сравнения, далее сигналы сравнения используют для управления амплитудно-частотной характеристикой тракта воспроизведения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при воспроизведении сигналограммы содержащей музыкальную программу, эталонный спектр задают исходя из психоакустических требований.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что спектр полученного сигнала и эталонный спектр сравнивают путем вычисления разности спектральных составляющих, соответствующих n точкам спектра (n - целое конечное число).

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что спектр полученного сигнала и эталонный спектр сравнивают путем вычисления отношения спектральных составляющих, соответствующих n точкам спектра (n - целое конечное число).

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что спектры полученного и эталонного сигналов являются спектрами, определенными методом дискретного преобразования Фурье.

6. Способ настройки тракта воспроизведения сигналограммы, предусматривающий управление амплитудно-частотной характеристикой тракта воспроизведения, отличающийся тем, что перед началом воспроизведения сигналограммы задают нормированный эталонный спектр, который будет определять форму спектра выходной сигналограммы, производят тестовое воспроизведение сигналограммы со скоростью, превышающей рабочую скорость воспроизведения сигналограммы, определяют нормированный спектр полученного сигнала, указанный спектр сравнивают с нормированным эталонным спектром, вырабатывают сигналы сравнения, зависящие от результатов сравнения, далее сигналы сравнения используют для управления амплитудно-частотной характеристикой тракта воспроизведения.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что при воспроизведении сигналограммы содержащей музыкальную программу, нормированный эталонный спектр задают исходя из психоакустических требований.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что нормированный спектр полученного сигнала и нормированный эталонный спектр сравнивают путем вычисления разности спектральных составляющих, соответствующих n точкам спектра (n - целое конечное число).

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что нормированный спектр полученного сигнала и нормированный эталонный спектр сравнивают путем вычисления отношения спектральных составляющих, соответствующих n точкам спектра (n - целое конечное число).

10. Способ по п.6, отличающийся тем, что нормированные спектры полученного и эталонного сигналов являются спектрами, определенными методом дискретного преобразования Фурье.

11. Устройство для настройки тракта воспроизведения сигналограммы, содержащее управляемый темброблок, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены спектроанализатор, блок управления и демультиплексор, информационный вход которого является информационным входом устройства, вход темброблока соединен с первым выходом демультиплексора, второй выход которого соединен со входом спектроанализатора, блок управления предназначен для сравнения спектра, полученного при помощи спектроанализатора и эталонного спектра, а также для непосредственного управления темброблоком по результатам сравнения спектров, адресный вход демультиплексора является входом выбора режима работы устройства.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что управляемый темброблок выполнен в виде многополосного графического эквалайзера с электронным управлением.