РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ КОМПАНДИРОВАНИЯ С СОХРАНЕНИЕМ ФОРМЫ СИГНАЛА

Как известно ни один канал передачи или хранения сигнала звукового вещания не имеет динамического диапазона соответствующего диапазону источника звукового сигнала. Значения динамических диапазонов для разных источников сигналов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Динамический диапазон для разных источников сигналов.

Сигналы малого уровня должны быть защищены от шумов канала как минимум на 25 дБ, т.е. динамический диапазон канала должен составлять около 90 дБ при записи  или передаче симфонической музыки и 55 дБ для речевого сигнала диктора. Такие требования не выполняются ни при записи на CD диск, ни при передаче сигнала звукового вещания по цифровым каналам. Поэтому и возникла необходимость в сжатии динамического сигнала на входе канала (компандирования) и его расширения на выходе (экспандирования), т.е. в системах с компандированием [1]. В существующих системах с компандированием сигнал управления коэффициентом передачи компрессора и экспандера формируется из самого сигнала на длительности 1-2 мс при срабатывании (уменьшении коэффициента передачи) и на 400-1600 мс при восстановлении исходного коэффициента передачи. Такое регулирование не предполагает сохранения формы передаваемого сигнала и обеспечивает только субъективно относительно  высокое качество передачи с увеличением отношения сигнал – шум в паузе. Если попытаться вычесть из исходного сигнала сигнал принятый на выходе компандера, то остаток, связанный с изменением формы сигнала, составит около 30%. Поэтому при проведении испытаний согласно ГОСТ 52742 авторы предусмотрительно просят перед измерениями отключить все устройства дополнительной обработки сигнала, изменяющие его форму: автоматические регуляторы уровня, компандерные системы, шумоподавители, эквалайзеры и т.д. После проведения измерений с помощью стационарного тестового гармонического сигнала эти устройства необходимо вновь подключить и по каналу со свойствами, отличными от полученных при тестовых измерениях, передать реальный вещательный сигнал.

Сохранить форму сигнала при передаче по зашумленному каналу позволяет разработанная на кафедре ТиЗВ МТУСИ компандерная система, основанная на компрессировании и экспандировании аналитической (гильбертовской) огибающей сигнала. Известные в литературе решения обеспечивают формирование ортогонального сигнала, необходимого для синтеза аналитической огибающей с ошибкой не менее 10^-3, что не позволяет создавать устройства обработки звукового сигнала на основе предлагаемого метода. На кафедре ТиЗВ

МТУСИ предложен способ формирования ортогонального сигнала с ошибкой не превышающей 10^-5  [3], что позволило разработать компандерные системы на основе обработки аналитической огибающей.

Разработаны алгоритмы компандирования, с увеличением отношения сигнал – шум (ОСШ) в паузе, рис.1. Для такого повышения отношения сигнал – шум в паузе используются следующие операции, рис.1: исходный сигнал преобразуется в цифровой с помощью АЦП; формируется сигнал ортогональный исходному; из исходного и ортогонального сигнала формируется аналитическая огибающая и мгновенная фаза; производится компрессия огибающей; производиться восстановление уже компрессированного сигнала путем умножения косинуса фазы на огибающую; сигнал преобразуется в аналоговую форму  с помощью ЦАП, или передается по каналу непосредственно в цифровой форме. После прохождения зашумленного канала обработка сигнала производиться аналогично с использованием экспандирования вместо компрессирования.

Рисунок 1. Алгоритм увеличения ОСШ в паузе

Проведенное моделирование алгоритма с использованием реального сигнала разных жанров показало возможность повышения объективного соотношения сигнал - шум в паузе на 18 дБ при сохранении формы сигнала. Величина шума определялась после вычитания принятого сигнала из исходного. Все оценки выигрыша по соотношению сигнал – шум для существующих компандерных систем приводятся на основе оценок сформированных во время субъективно-статистических испытаний, что иногда не позволяет избежать осознанного субъективизма при интерпретации их результатов.

На рис.2 а-б приведены спектрограммы сигнала на разных этапах обработки.

Рисунок 2. Спектрограммы сигнала на разных этапах обработки

а - исходный сигнал; б - огибающая сигнала.

На рис. 3, приведен алгоритм компандирования с увеличением соотношения сигнал – шум на фоне сигнала.

Рисунок 3. Алгоритм увеличения ОСШ на фоне сигнала

Для повышения отношения сигнал – шум паузы используются следующие операции, рис.3; исходный сигнал преобразуется в цифровой с помощью АЦП; формируется сигнал ортогональный исходному; из исходного и ортогонального сигнала формируется аналитическая огибающая и мгновенная фаза; огибающая разделяется на низкочастотную (НЧ) и высокочастотную (ВЧ) составляющие; осуществляется компрессия НЧ огибающей, которая всегда определяется более мощными компонентами сигнала и экспандирование ВЧ огибающей определяемой низкоуровневыми компонентами; производиться восстановление уже компрессированного сигнала, путем умножения косинуса фазы на суммарную огибающую; сигнал преобразуется в аналоговую форму с помощью ЦАП, или передается по каналу непосредственно в цифровой форме.

После прохождения зашумленного канала обработка сигнала производиться в обратном порядке с использованием экспандирования для НЧ огибающей и копрессирования для ВЧ огибающей. Проведенное моделирование алгоритма, с использованием реальных сигналов разных жанров,  показало возможность повышения объективного соотношения сигнал - шум на фоне сигнала на 12 дБ при сохранении формы сигнала. Как и в предыдущем случае, величина шума определялась после вычитания принятого сигнала из исходного. В процессе экспериментов использовались элементы программного обеспечения аудиопроцессора АРГО [2].

Разработанные алгоритмы позволяют усовершенствовать современные компандерные системы, уменьшив величину искажений сигнала звукового вещания. С помощью сжатия и последующего экспандирования аналитической огибающей сигнала можно безынерционно  управлять коэффициентом передачи, что позволяет сохранить форму передаваемого сигнала и не требует отключения компандерных систем в момент проведения регламентных измерений.

ВЫВОДЫ

1. Оценку качества передачи сигнала звукового вещания предложено производить по сигналу разности между исходным и принятым сигналом звукового вещания.
2. Сохранить форму сигнала при передаче по зашумленному каналу позволяет разработанные на кафедре ТиЗВ МТУСИ алгоритмы, основанные на компрессировании и экспандировании аналитической (гильбертовской) огибающей сигнала.
3. Предлагаемые алгоритмы обеспечивают  увеличение соотношения сигнал – шум на 18 дБ относительно шума в паузе и 12 дБ относительно шума на фоне сигнала.

Список литературы:

1. Ковалгин Ю. А., Вологдин Э. И. Аудиотехника, Учебник для вузов. – М.: Горячая линия - Телеком, 2013. – 742 с.
2. Литвин С.А., Чернышева Т.В. Использование программной модели аудиопроцессора АРГО: Учебное пособие / МТУСИ. – М., 2015. – 19 с.
3. Попов О.Б., Рихтер С.Г. Цифровая обработка и измерения сигналов в трактах звукового вещания. М.: Инсвязьиздат, 2010, 320 с.