Способ и устройство шумопонижения звуковых сигналов
Владельцы патента RU 2474956:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения" (СПбГУКиТ) (RU)
Группа изобретений относится к области приборостроения и предназначена для шумопонижения звуковых сигналов, главным образом, для автоматизации процесса шумопонижения за счет отсутствия операции выбора порога при передаче звуковых сигналов. Технический результат состоит в повышении качества звучания сигналов, передаваемых с помощью аналоговых каналов связи, в повышении разборчивости речевых сигналов, передаваемых при наличии мешающих шумов. Способ шумопонижения звуковых сигналов заключается в том, что входной сигнал транспонируют вверх по частотному диапазону, ограничивают по амплитуде, подвергают частотному детектированию с помощью полосового фильтра, подключенного к выходу частотного детектора, выделяют колебания мгновенной частоты входного сигнала, которые имеют частоты выше звукового диапазона частот, их амплитудно детектируют и с помощью фильтра низких частот и компаратора формируют из них сигнал управления, который равен нулю, когда высокочастотный сигнал есть, и равен единице, когда высокочастотного сигнала нет, этот сигнал управления перемножают со входным сигналом, который задерживается для синхронной работы. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Группа изобретений относится к области приборостроения и предназначена для шумопонижения звуковых сигналов, главным образом, для повышения разборчивости речевых сигналов, передаваемых при наличии мешающих шумов. Известен способ, позволяющий увеличивать отношение сигнал/шум при передаче звуковых сигналов, реализованный в пороговых экспандерах динамического диапазона, используемых как в составе компандерных систем (например, компандерах Долби), так и в виде отдельных пороговых устройств шумопонижения [1, с.178-181].
К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании известного способа, относится то, что:
- в компандерных системах пороги срабатывания экспандеров должны быть согласованы с порогами срабатывания компрессоров и поэтому изменяться не могут;
- в экспандерах, используемых в виде отдельных пороговых устройств шумопонижения, звукооператор или звукорежиссер имеет возможность изменять порог шумопонижения, но не может этого делать оперативно, когда уровень звукового сигнала постоянно изменяется; поэтому он вынужден устанавливать такие значения порога шумопонижения, которые наименее заметно искажают фонограмму, жертвуя при этом эффективностью шумопонижения.
Известен способ, позволяющий повысить отношение сигнал/шум на выходе устройства, реализованный в устройстве по А.С. СССР №714473.
К причинам, препятствующим достижению требуемого результата с помощью известного способа шумопонижения на основе обработки его мгновенной частоты, относится:
- необходимость выделения мгновенной частоты в виде пропорционального напряжения;
- обработка выделенного напряжения с помощью корректирующих цепей;
- восстановление требуемого сигнала по его мгновенной частоте
Выделение мгновенной частоты происходит с помощью математических операций над входным сигналом:
где s - входной сигнал, 
- сигнал, сопряженный с ним по Гильберту, штрихом обозначена производная по времени.
Известно [2], что мгновенная частота сигнала может принимать бесконечные значения. При возведении в степень и дифференцировании образуются промежуточные результаты с большим динамическим диапазоном, что приводит к искажениям и потере части информации.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному способу является способ, реализованный в устройстве по А. С.СССР №1443182.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному устройству является устройство по А. С.СССР №1443182.
К причинам, препятствующим достижению требуемого результата с помощью известного способа шумопонижения и устройства для его осуществления, принятых за прототип, относится следующее:
- наличие в прототипе порога частотного шумопонижения: при уровне входного сигнала меньшем либо равном уровню шума не происходит шумопонижения и сигнал на выходе устройства отсутствует; устанавливать величину порога частотного шумопонижения в прототипе предполагалось вручную, что нельзя считать удачным решением, так как это требует постоянного участия человека в работе прибора;
- наличие в прототипе полосового фильтра: ширина полосы пропускания, изменяясь в соответствии с изменением мгновенной частоты, остается достаточно широкой, что способствует появлению дополнительного шума на выходе устройства.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Единая задача, на которую ориентировано предлагаемая группа изобретений, состоит в повышении качества звучания сигналов, передаваемых с помощью аналоговых каналов связи, и, главным образом, в повышении разборчивости речевых сигналов, передаваемых при наличии мешающих шумов. Повышение разборчивости речи при наличии мешающих шумов достигается за счет выделения полосовым фильтром колебаний мгновенной частоты входного сигнала, которые имеют частоты выше диапазона спектральных частот полезного речевого сигнала. Колебания, выделенные полосовым фильтром, соответствуют шумовому сигналу, так как известно [1], что модулирующие частоты звуковых сигналов всегда меньше, чем частоты колебаний, создаваемых в процессе модуляции в спектре самого звукового сигнала. Таким образом, наличие на выходе полосового фильтра колебаний, достаточно больших, то есть таких, которые создают напряжение по величине больше порога в двухпороговом компараторе, позволяет определить моменты времени, когда по каналу передается шумовой сигнал. Поэтому из них формируется сигнал управления, уменьшающий шум пауз.
Единый технический результат, который может быть получен при реализации группы изобретений, заключается в увеличении отношения сигнал/шум на выходе.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-способу достигается тем, что, как и в известном способе, входной сигнал транспонируется вверх по частотному диапазону, ограничивается по амплитуде, подвергается частотному детектированию, но в отличие от прототипа с помощью полосового фильтра, подключенного к выходу частотного детектора, выделяют колебания мгновенной частоты входного сигнала, которые имеют частоты выше звукового диапазона частот, их амплитудно детектируют и с помощью фильтра низких частот и компаратора формируют из них сигнал управления, который равен нулю, когда высокочастотный сигнал есть, и равен единице, когда высокочастотного сигнала нет, этот сигнал управления перемножают со входным сигналом, который задерживается для синхронной работы.
В качестве примера реализации заявляемого способа предлагается устройство.
Указанный единый технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известное устройство, которое включает в себя генератор несущей частоты, амплитудный детектор, однополосный модулятор, вход модулирующего сигнала которого является входом устройства, вход несущей частоты соединен с выходом генератора несущей частоты, а выход соединен с входом амплитудного ограничителя, совмещенного с фильтром низких частот, двухпороговый компаратор, частотный детектор и перемножитель сигналов, выход которого является выходом устройства, дополнительно снабжено полосовым фильтром, фильтром низких частот и линией задержки, причем амплитудный ограничитель, частотный детектор, полосовой фильтр, амплитудный детектор, фильтр низких частот, двухпороговый компаратор и перемножитель сигналов соединены последовательно, а второй вход перемножителя через линию задержки соединен со входом устройства.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог как для способа, так и для устройства, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам как способа, так и устройства заявленной группы изобретений, а определение из числа выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков позволило определить совокупность существенных по отношению к техническому результату признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует требованию «новизна» действующего законодательства.
Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявителем проведен дополнительный поиск решений с целью выявления признаков, совпадающих с признаками, отличительными от прототипа, результаты которого показали, что каждый из объектов изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень» действующего законодательства.
На рис.1 представлена структурная схема заявляемого устройства, где 1 - однополосный модулятор; 2 - генератор несущей частоты; 3 - амплитудный ограничитель; 4 - частотный детектор; 5 - полосовой фильтр; 6 - линия задержки; 7 - амплитудный детектор; 8 - фильтр низких частот; 9 - двухпороговый компаратор; 10 - перемножитель аналоговых сигналов.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В качестве математической модели входного сигнала принимается модель:
где Sвх(t) - входной сигнал; S(t), φ(t) - соответственно огибающая и текущая фаза этого сигнала.
В паузах речи входной сигнал (2) можно считать одной из реализаций белого шума в полосе пропускания канала передачи.
Входной сигнал (2) поступает на вход модулирующего сигнала однополосного модулятора 1, на вход несущей частоты которого от генератора несущей частоты 2 поступает колебание
при этом частота ω0 должна быть такой, чтобы сигнал на выходе однополосного модулятора можно было бы считать узкополосным, то есть для звука обычно ω0≈200 кГц.
На выходе однополосного модулятора формируется узкополосное колебание
которое поступает на вход амплитудного ограничителя 3, который совмещен с фильтром низких частот (на рисунке не показан). На его выходе имеем сигнал вида:
где Uогр - амплитуда напряжения ограниченного сигнала, которая не меняется во всем динамическом диапазоне работы прибора.
Сигнал (5) поступает на вход частотного детектора 4, который выполнен, например, по схеме на расстроенных контурах. На выходе частотного детектора формируется напряжение, пропорциональное мгновенной частоте (1) входного сигнала, которое поступает на полосовой фильтр 5. Назначение полосового фильтра 5 состоит в том, чтобы выделять такие колебания мгновенной частоты, величина частоты которых превышает значения спектральных частот входного звукового сигнала. Изменяя ширину и положение полосы частот полосового фильтра на оси частот, можно изменять величину порога срабатывания шумоподавителя. Сформированные на выходе полосового фильтра 5 колебания амплитудно детектируются амплитудным детектором 7. Амплитудный детектор 7 может быть выполнен по двухполупериодной схеме с нагрузкой в виде фильтра низких частот 8. Ширина полосы пропускания фильтра низких частот 8 будет определять скорость срабатывания прибора. При появлении на выходе фильтра низких частот 8 напряжения, превышающего порог срабатывания двухпорогового компаратора 9, на выходе последнего формируется сигнал нулевого уровня, перемножение с которым задержанного входного сигнала в перемножителе аналоговых сигналов 10 приводит к уменьшению его уровня. При появлении на выходе фильтра низких частот 8 напряжения меньше второго порога срабатывания двухпорогового компаратора 9 на выходе последнего формируется сигнал высокого уровня, перемножение с которым задержанного входного сигнала в перемножителе аналоговых сигналов 10 не приводит к уменьшению его уровня.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующих условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, именно в технике связи и аналоговой звукотехнике;
- для заявленного изобретения, в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «промышленная применимость» по действующему законодательству.
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. Кудрин И.Г. Устройства шумоподавления в звукозаписи. - М.: Энергия, 1977. - 234 с.
1. Способ шумопонижения звуковых сигналов, при котором входной сигнал транспонируется вверх по частотному диапазону, ограничивается по амплитуде, подвергается частотному детектированию, отличающийся тем, что с помощью полосового фильтра, подключенного к выходу частотного детектора, выделяют колебания мгновенной частоты входного сигнала, которые имеют частоты выше звукового диапазона частот, их амплитудно детектируют и с помощью фильтра низких частот и компаратора формируют из них сигнал управления, который равен нулю, когда высокочастотный сигнал есть и равен единице, когда высокочастотного сигнала нет, этот сигнал управления перемножают со входным сигналом, который задерживается для синхронной работы.
2. Устройство шумопонижения звуковых сигналов, содержащее генератор несущей частоты, амплитудный детектор, однополосный модулятор, вход модулирующего сигнала которого является входом устройства, вход несущей частоты соединен с выходом генератора несущей частоты, а выход соединен с входом амплитудного ограничителя, совмещенного с фильтром низких частот, двухпороговый компаратор, частотный детектор и перемножитель сигналов, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено полосовым фильтром, фильтром низких частот и линией задержки, причем амплитудный ограничитель, частотный детектор, полосовой фильтр, амплитудный детектор, фильтр низких частот, двухпороговый компаратор и перемножитель сигналов соединены последовательно, а второй вход перемножителя через линию задержки соединен со входом устройства.
