CC BY
34
МЕТОДЫ КОМПАКТНОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ, ОЦЕНКИ И ОБРАБОТКИ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ИХ КОМПЛЕКСНОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10230
Тактакишвили Владимир Георгиевич,
МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Попов Олег Борисович,
МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Абрамов Валентин Александрович,
МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Борисов Андрей Александрович,
МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Предметом исследования является комплексное представление звуковых сигналов. Целью работы являются предложения по разработке методов контроля, обработки и компактного представления звуковых сигналов на основе их комплексного представления. Показано, что практически все каналы, передающие звуковой сигнал, адаптивно меняют свои характеристики в соответствии со свойствами сигнала, что не позволяет сохранить его форму. Выяснено, что алгоритмы, используемые при компактном представлении звукового сигнала, его обработке и объективной оценке качества звучания, достигли предельных возможностей, достижимых при существующих способах представления сигнала во временной и частотной областях. В связи с этим актуальной является задача по разработке новых способов представления звуковых сигналов, которые основаны, в частности, на комплексном представлении сигнала, позволяющего проводить раздельное описание и обработку таких его модуляционных параметров, как аналитическая (Гильбертовская) огибающая, мгновенная фаза и ее первая производная - мгновенная частота. Показано, что основные трудности связаны с необходимостью обеспечения высокой точности формирования ортогонального сигнала, что затруднительно для широкополосных звуковых сигналов.
Выяснено, что допустимая ошибка при синтезе ортогонального сигнала не должна превышать 10-5. Обращается внимание на то, что точность синтеза ортогонального сигнала во многом определяется правильным подбором используемой при БПФ оконной функции. Минимальным уровнем боковых лепестков, из известных функций, обладает окно Наттолла, однако, поскольку это окно при любом коэффициенте перекрытия не обеспечивает единичного коэффициента передачи, необходимо введение дополнительной компенсирующей функции после ОБПФ. Показано, что представление звукового сигнала в виде аналитической огибающей и косинуса мгновенной фазы позво-
Ключевые слова: звуковой сигнал, комплексное представление сигнала, ошибка ортогонального преобразования, преобразование Гильберта широкополосного сигнала, окно Наттолла, амплитудная огибающая и мгновенная частота, безынерционный способ регулирования, неискажающее компандирование, способ адаптивной фильтрации, три ступени модуляционного разложения, объективная оценка качества.
лило разработать оригинальный, практически безынерционный способ регулирования уровней звукового сигнала, дающий возможность существенно повысить его относительную среднюю мощность без изменения динамического диапазона сигнала, что недостижимо для существующих аналогов. Решение, которое позволило снять проблему возникновения искажений при регулировании, состоит в разделении аналитической огибающей на низкочастотную (НЧ) и высокочастотную (ВЧ) составляющие. Разработанный алгоритм неискажающего компанди-рования позволяет снизить уровень передаваемого сигнала, как минимум, в два раза - с запасом на искажения реального канала, т.е. уменьшить его мощность в четыре раза, одновременно ОСМ компрессированного сигнала возрастет в 2,5 раза. На основе использования усредненной мгновенной частоты сигнала, выделенной в результате комплексного представления этого звукового сигнала, разработан новый способ адаптивной фильтрации.
Разработан способ компактного представления звукового сигнала путем формирования из параметров мгновенной частоты и Гильбертовской амплитудной огибающей квазипостоянных и переменных сигналов на первой, второй и третьей ступенях модуляционного разложения. Показано что использование модуляционных параметров при комплексном представлении сигнала, позволяет повысить эффективность алгоритмов объективной оценки качества передачи сигнала звукового вещания в трактах без сохранения формы, какими являются все современные аналоговые и цифровые тракты. Результаты работы, направленные на разработку новых методов и алгоритмов контроля, обработки и компактного представления звуковых сигналов на основе их комплексного представления позволяют внести как теоретический так и практический вклад в отношении систем формирования, воспроизведения, передачи и хранения звуковых информационных сигналов.
Информация об авторах:
Тактакишвили Владимир Георгиевич, Московский технический университет связи и информатики, аспирант, Москва, Россия Попов Олег Борисович, Московский технический университет связи и информатики, к.т.н., профессор, Москва, Россия Абрамов Валентин Александрович, Московский технический университет связи и информатики, к.т.н., доцент, Москва, Россия Борисов Андрей Александрович, Московский технический университет связи и информатики, аспирант, Москва, Россия
Для цитирования:
Тактакишвили В.Г., Попов О.Б., Абрамов В.А., Борисов А.А. Методы компактного представления, оценки и обработки звуковых сигналов на основе их комплексного представления // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Том 13. №2. С. 11-17.
For citation:
Taktakishvili V.G., Popov O.B.h, Abramov V.A., Borisov A.A. (2019). Compact methods for submitting, appraising, and processing sound signals based on their integrated presentation. T-Comm, vol. 13, no.2, pр. 11-17. (in Russian)
У
Эффективность систем воспроизведения, передач» и хранения звукового сигнала, в том числе в каналах звукового вещания и связи во многом определяются способом представления Этого сигнала. На сегодня практически все каналы, передающие звуковой сигнал в аналоговой или цифровой форме, адаптивно меняют свои характеристики в соответствии со свойствами сигнала, что не позволяет сохранить его форму. Это проявляется как в сохранении только субъективного качества звучания, так н в ухудшении этого качества. Поэтому существующие способы контроля звуковых сигналов, основанные на оценке изменения их формы, не позволяют полноценно контролировать современные каналы и качество данных сигналов.
К настоящему времен и алгоритмы, используемые при компактном представлении звукового сигнала, его обработке и объективной оценке качества звучания, достигли предельных возможностей, достижимых при существующих способах представления сигнала во временной и частотной областях. В связи с этим актуальной является задача гю разработке новых способов представления звуковых сигналов, которые основаны, в частности, на комплексном представлении сигнала, позволяющего проводить раздельное описание и обработку таких его модуляционных параметров как аналитическая (Гильбертовская) огибающая, мгновенная фаза и ее первая производная - мгновенная частота [ I |. В большинстве публикаций по данной тематике для реализации комплексного представления предлагается использовать искусственно Синтезированный ортогональный Сигнал, при этом основные трудности связаны с необходимостью обеспечения высокой точности его формирования, что затруднительно для широкополосных вещательных сигналов [2].
Необходимая точность реализации ортогонального преобразования исходного звукового сигнала определяется, в конечном итоге, свойствами слуха по заметиости искажений модуляция сигнала. Это позволяет связать параметры допустимых, для восприятия на слух, искажении модуляции звуковых сигналов по амплитуде н частоте, с допустимой ошибкой ортогонального преобразования |5]. Графики пороговой чувствительности периферического слухового анализатора к амплитудной модуляции сигнала с различной глубиной т показаны на рис. I, к частотной с разными индексами модуляции и модулирующей частотой 4 Гц на рис, 2. Приведенные данные позволили сформировать оценки относительных изменении модулирующих функций: амплитудной огибающей {¿д = ААп°р°г )
А
(6(0=Л0,пор^
и мгновенной частоты
со
) - от частоты тестового сигнала, для порого-
вой чувствительности слухового анализатора при уровне прослушивания 80 дБ, рис, 3. Заметно, что пороговая чувствительность слуха к частотной модуляции выше, чем к амплитудной. Допустимые погрешности формирования ортогонального сигнала уточнены аналитически. К тестовому колебанию, синтезированному с заданной частотой и амплитудой, аддитивно подмешивался белый шум, с определенным соотношением сигнал-шум (ОО П). Далее вычислялись дтя каждого ОСШ относительные среднеквадратические отклонения (ОСКО) вычисленных модулирующих функций от их заданных значений в тестовом сигнале. ОСКО на вы-
борке в /V отсчетов определялось в соответствии с формулой (1) для дискретного сигнала.
ЦдБ
0,03 0,12 0,5 1 2 4 8
1, кГц
Рис. I. Кривые порогов чувствительности к АМ при различной глубине модуляции т
Ц дБ
0,03 0,12 0.5 1 2 4 8 кГц
Рис. 2. Кривые пороговых значений индекса модуляции при ЧМ. Модулирующая частота 4 Гц
0,10 0,08 0,06 0.04 0,02
\
\
V
\ \
\ \
\ \ к
\ к
\ - &1) ~
0,03 0,12 0,5 1 2 4 8 Г, кГц
Рис. 3, Относительные изменения модулирующих функций, соответствующие пороговым чувствительиостям слухового анализатора при уровне прослушивания 80 дБ
ОСШ, дБ
80 70 60 50 40 30 20 10
По кЛГН ове нно Й Ч( юте >те
Пс Оп 1ба ощ
И
/
0,03 0,12 0,5 1 2 4 8 Р, кГц
Рис. 4. ОСШ .тля ортогонального сигнала, соответствующие пороговым заметностям в изменении модулирующих функций
оско =
[N-1
Z(Xi-x,)2
R, дБ
n-1
X(*i)
¡=0
(1)
где Х| , х ¡ - отсчеты сигнала и его оценки, соответственно
Используя зависимости, приведенные на рис. 2 выбираются ОСШ, соответствующие пороговой заметности модуляций на слух. Результаты приведены на рис, 4. Из графиков видно, что точность синтеза ортогонального сигнала должна быть существенно выше, если необходимо работать с мгновенной частотой, а не с огибающей сигнала.
Допустимая ошибка при синтезе ортогонального сигнала не должна превышать ] 0 .
Для реализации преобразования Гильберта (ПГ) широкополосного сигнала существуют два основных способа. Согласно первому широкополосный звуковой сигнал преобразуется в узкополосный путем его амплитудной модуляции на высокочастотной несущей и дальнейшим поворотом фазы уже узкополосной боковой полосы частот [1]. Достижимая точность невелика, ошибка составляет 10", а на участках нестационарности сигнала до 10"2, что недостаточно для решения поставленных задач.
По второму способу широкополосный звуковой сигнал подвергается ПГ непосредственно в занимаемом спектре, без переноса в высокочастотный спектр. В рассматриваемом варианте, предлагается формировать ортогональный сигнал в процессе прямого и обратного быстрого преобразования Фурье (Ы1Ф и ОБ11Ф), с поворотом фазы на 90" перед ОБПФ.
В этом случае точность синтеза ортогонального сигнала (ОС) во многом определяется правильным подбором, используемой при БПФ, оконной функции. Очевидно, что чем ниже уровень боковых лепестков функции окна в частотной области, тем выше точность преобразования. Однако уменьшение боковых лепестков сопровождается увеличением ширины основного лепестка.
Поскольку коэффициенты реальной и сопряженной частей спектра изменяются по фазе в противоположные стороны, наибольшим искажениям будут подвергаться сигналы, отображаемые первыми и последними коэффициентами БПФ. Минимальным уровнем боковых лепестков, из известных функций, обладает окно Наттолла (или минимальное четырехчленное Блэкмана-Хэрриса). Результаты измерений отношения энергии заданного коэффициента к энергии остальных коэффициентов, расположенных выше по частоте показаны на рис. 5, где приведены результаты анализа искажений для первых пяти коэффициентов для четырех наиболее широко используемых оконных функций.
I"1 i=1 b
I Е|
Ык+1
где Е[ - энергия /-го коэффициента; ¿ — номер коэффициента, к спектральной энергии выше которого относилась энергия всех коэффициентов.
0 1 2 3 4 5 Рис. 5. Rt для четырех оконных функций
Rfc определяет максимальную теоретическую ошибку синтеза ОС, для синусоидального колебания отображаемого k-м коэффициентом, и определяемую свойствами окна, В приведенных на рис. 5 графиках Rk для четырех окон: Наттолла, Хемминга, треугольного и прямоугольного, — промежуточные точки (соответствующие долям бина) получены интерполяцией. (Для последних коэффициентов реальной части спектра, графики будут аналогичными). Для первых двух коэффициентов окно Наттолла уступает а защитном отношении сигнал-шум другим окнам и значительно превосходит их на коэффициентах больших номеров. Па 4-м коэффициенте значение достигает величины приблизительно 85,7 дБ и далее почти не изменяется.
На рисунке 6 представлены иллюстрации использования оконной функции для перекрывающихся последовательностей, сглаженных окном (if), и схема алгоритма синтеза ортогонального сигнала (б). Точки cud соответствуют входу и выходу из алгоритма, причем внутри блока - между точками к и / - может быть произвольное требуемое преобразование сигнала
Представленные на рис. 7 ошибки формирования ортогонального сигнала вычислялись для синусоидального сигнала с частотой равной частоте заданного коэффициента БПФ.
Из рисунка видно, что ОСШ„ в пределах бина меняется, достигая минимума меджу бинами. Минимальное ОСШ,, реализуется на крайних коэффициентах, что ограничивает возможности использования такого способа преобразования в области низких и высоких частот, где зависимости аналогичны. На практике при работе с реальным звуковым сигналом, для обеспечения минимальных искажений сигнала на краях частотного диапазона, увеличивается длинна выборки и коэффициенты, расположенные за пределами спектра ЗС не используются. Данные рис. 7 получены при использовании окна Натголла на длительности 8 ] 92 точек. Заметим, что поскольку это окно при любом коэффициенте перекрытия не обеспечивает единичного коэффициента передачи, необходимо введение компенсирующей функции (см. рис. 6, б). В подобных задачах предпочтительны оконные функции с минимальным уровнем боковых лепестков, например окно Наттола (или минимальное 4-х членное Блэкмана-Хэрриса). Расширение основного лепестка, характерное для таких окоп, можно скомпенсировать увеличением длительности выборки.
7Т\
У
не меняя Общего динамического диапазона сш нала. Оросительная средняя мощность увеличивается на 40-100% при передаче сигналов звукового вещания и моакег быть увеличена до 350% а системах массового оповещения.
Рис- Аудио ri pot leecop APTO, видспереди и сигнал до и после Ы»ра!Н1ткц
Естественно, при та КОН регулировании не учш пишется снетематичесгая задержка сигнала и целом, необходимая для накопления массива данных для Н1Ф н о цен к» ОСМ сигнала которая определяет изменение формы амплитудной характеристики регулирования. В дайной задаче заведомо изменяется форма сигнала, поэтому качество регулирования оценивается но результатам СуИмКГНШО стаj логических Испытании и обогащению спектра сигнала, с использование см специально разработанного алгоритма спеклрадытгп анализ е точностью Егрнблнжсиной к точности слухового анализатора человека ¡5].
Такой же подЧОД НСпоЛЬЗОШН при разработке алгоритма не искажающе Lo комнанднровапня сигнала ïayKO&Olo вещания (С36) к каналах передачи с недостаточным лниамиче-скнм диапазоном, МЧ огибающая всегда соответствует Наиболее мощным компонентам сигнала перед передачей компрессируется, а ВЧ, соответствующая слабым, жсланднру-етея, lia приеме производится обратная обработка- Поскольку рассматриваемая система сохраняет форму сигнала, шумовой компонент пл ее выходе можно он|>елеллть непосредственным вычитанием исходного с ¡i тала из прошедшего программную модель ¡pata а передвчи. н илюрпн к компрессированному сигналу подмешивался белый шум с заданным уровнем. г>т позволяет использовать для оценки )ффек1 шптеш
работы алгоритма относительное ервднеквадротические значение шума (ОСКЗш). А именно, эффективность обработки Может оцениваться по разнице ОСКЗш сигнала, прошедшей компандерную Обработку, н сигнала, не подвергавшегося обработке. Важным показателем эффективности компрессирования ЗВС является также степень увеличения ОСМ.
При указанных выше ot ним нзн posai тых параметрах обработки в результате моделирования был получен относительный выигрыш [иНХ'К'Зш в 2,3.-.2.5 раза т> сравнению с ¿^обработанным сигналом при уровне шума -46 и -40 дБ-Результаты изменения ОСМ после компрессирования CT В приведены в табл. 1 [5].
Таким образом, алгоритм Hei [сражающего ком л лидирования позволяет ейиэитъ уровень передаваемого сиг нала, как минимум, в дна раза - с запасом на искажения реального канала, i.e. уменьшить его мощность в четыре раза. Одновременно ОСМ компрессированного сигнала возрастет в
раза, следовательно, результирующее изменение мшино-егн сигнала составит t,5 раза.
Таблица I
Результаты компрессирования t'JU
Тип сигнала Увеличен не ОСМ, раз
Речь 2.Í
Сичи^оннческдя музыка 12
'Зет рад uta музыка i.a
Основные принципы, положенные в основу рассмотренного алгоритма регулирования, позволяют сохранить от ектшиюе качество сш нала. В ш>м случае глубина регулирования ограничивается допусками, регламентируемыми ГОСТ Р>2742-2007 [К|, В частности, величиной допустимых искажений с Шпала, которые не должны превышать 1,4...2,8% - нрн передаче сигнала с полосой частот до 1 > кГц. Следует отметить, ЧТО метод оценки допустимых искажении как ошибки между входным н выходным реальными вещательными сигналами, приводит к завышению требований к устройству, >то объясняется тем. что допустимые, согласно ГОСТ [И], искажения определяются, исходя из заметностн искажений одн оком нонен того lecioBoto сигнала с минимальным маскирующим действием, в то время как допустимые нскажсння реальною сигнала веншння, но критерию заметностн его изменений для слушателя, в несколько раз вы lu е. Заметим, что тнумонодавнтелн системы Delhi обеспечивают выигрыш около 20 дЬ (согласно рек.заме) lio Субъективному восприятию без сохранения формы cm tiала. При ненск&к&Ющсч командировании обсспсчива-ося выигрыш около 10 дЬ, ни ни объективным измерениям формы сигнала, рис. 9. Î0,
На основе использования усредненной мгновенной частоты сигнала, выделенной в результате комплексного представления этого звукового сигнала, разработан новый способ адаптивной фильтрации. Он позволяет перестраивать узконилоеные фильтры по частоте, отслеживал локальные максимумы вгибающей амплитудного спектра сигнала, согласованные со свойствами периферического слухового анализатора,
Gl
6.ào ■ ■'JM.VO 1 т "лЛ.го'1 1 vn.lo ' -иЛ ^ ^
U.Lrtj iui3u 'JiHJU j О) ,я 41fl.HI
Al lAf РЛЛ.^АА*.!!!.!1^ /■ .'i M*. Л Jh ■ ■ r.hf. ■-■ t. t. Л.1 - rt Й.Д Л ДЛД hvaaVV : . ini.wVTv tК, ЧгИ \ ■.■ .к»;зи I 1 I 'Чкиг>VV v-г.
Рв с. Формирование ОС и ее на 114 и !!Ч сосодляюшн*
Рис, 10. Уменьшение влияния шумов при командировании с ОС (а - исходны» сигнал, б - сигнал с компрессированной НЧ ОС
и эксгтаяднрованной ВЧ ОС. в - сигнал после прохождения зашумленпого канала)
Способ обеспечивает высокую концентрацию энергии в малом наборе субполосных сигналов и позволяет сохранить форму сигнала. Это, в свою очередь, позволяет его использовать при оценке качества передачи па основе существующих методик.
С использованием комплексного представления сигнала разработан способ компактного представления звукового сигнала на основе формирования с помощью ПЕ из сигнала квазипостояппых н переменных сигналов на первой, второй п третьей ступенях модуляционного разложения связанных с параметрами мгновенной частоты и гильбертовской амплитудной огибающей сигнала. Выделенные на трех ступенях модуляционного разложения параметры после оцифровки передаются на приемную сторону, где по Ним осуществляется восстановление звукового сигнала [4]. Способ обеспечивает достаточно высокий коэффициент сжатия (около 4) при сохранении формы сигнала, а следовательно и качества исходного звукового сигнала;
Использование модуляционных параметров, при комплексном представлении сигнала, позволяет повысить эффективность алгоритмов объективной оценки качества передачи сигнала звукового вещания в трактах без сохранения формы сигнала, каковыми являются все современные аналоговые и цифровые -факты [5]. Рассматриваемые модуляционные параметры звуковых сиг налов хорошо отражают некоторые аспекты эмоционального содержания вещательных программ. По результатам исследования можно сделать следующие выводы.
Комплексное представление звукового сигнала позволяет расширить возможности алгоритмов Компактного представления, обработки и оценки качества передачи звукового сигнала по каналу связи. Основное препятствие для использования такого представления - низкая точность синтеза ортогонального сигнала, преодолевается в ходе синтеза ортогонального Сигнала с помощью БПФ, при использовании оконной функции Наттола, дополненного компенсирующим окном на выходе преобразователя. Ошибка синтеза ортогонального сигнала не превышает Ю"5 уже на длительности выборки в 4000 точек. Такая точность достаточна для созда-
ния алгоритмов и устройств по обработке, анализу и компактному представлению звукового сигнала.
Точное комплексное представление звуковою сигнала позволяет реализовать его компактное представление в виде суммы узко пол ос пых сигналов формируемых с помощью перестраиваемых по частоте фильтров отслеживающих локальные максимумы огибающей амплитудного спектра сигнала.
Анализ свойств аналитической огибающей и мгновенной частоты позволяет разработать новые способы объективной оценки качества звучания в каналах передачи без поддержания формы сигнала, обеспечивающих как субъективно достаточно высокое качество звучания, так и ухудшение этого качества [5]. С помощью анализа формы аналитической огибающей удается выявить ритмические свойства сигнала и его изменения в канале передачи, во многом определяющие его эмоциональное воздействие па слушателя.
Безынерционное регулирование сигнала позволяет поддерживать уровень сигнала практически со скоростью следования звуковых объектов, что недостижимо для существующих аналогов [3] и дает возможность уменьшить деградацию сигнала, определяемую используемыми способами снижения скорости передачи. Сохранение формы сигнала при его представлении частными модулирующими функциями гарантирует высокое качество передачи при снижении объема сигнала.
В процессе проведения исследований и разработки практических приложений комплексною представления звукового сигнала, был предложен оригинальный метод для измерений мгновенных и средних значений абсолютной и относительной мощности дискретизированных звуковых сигналов па коротких временных интервалах [6]. Предложен метод для формирования оценки спектра с точностью приближенной к возможностям периферического слухового анализатора [7]. Разработан способ передачи и приема сигналов, представленных параметрами ступенчатого модуляционного разложения [4]. Разработано Оригинальное программное обеспечение, для оценки параметров сигнала, представленного в комплексной форме и позволяющей прогнозировать оценку качества передачи слушателем «Estim» [8],
Литература
1. Ишуткин Ю.М.. Уваров В. К. Основы модуляционных преобразований звуковых сигналов / Под ред. Уварова В.К. СПб.: СПбГУКиТ. 2004. 102 с.
2. Уваров В.К.. Редька Л.Ю. Модуляционным анализ-синтез звуковых cm налов и перспективы его использования в целях шумопонижения // Фундаментальные исследования. 2015. № 6-3. С. 51К-522.
3. Попов О.Б.. Рихтер С.Г. Патент РФ №2408976БИ №1. 10.01.2011 «Способ автоматического регулирования пиковых значений электрических вещательных сигналов на заданный уровень при стабилизации относительной средней мощности и устройство для его реализации».
4. Абрамов В.А., ПоповОЛ Патент № 2584462 ВИ № 14 от 20.05.2016 Способ передачи и приема сигналов, представленных параметрами ступенчатого модуляционного разложения и устройство для его осуществления.
5. Попов ОБ., Рихтер С.Г, Цифровая обработка и измерения сигналов в трактах звукового вещания. М.: Ипсвязьиздат, 2010. 292 с,
6. Абрамов В.А., Попов О.Б., Рихтер С.Г. Патент № 2458340, БИ № 10 от 10.04.2012 Способ измерения мгновенных и средних значений абсолютной и относительной мощности акустических сигналов и устройство для его осуществления.
7. Абрамов В.А.. Попов ОБ, Патент RU2573248 С2, БИ №2 ог 20.01.2016. Способ измерения спектра информационных акустических сигналов телерадиовещания и устройство для его осуществления.
8. Абрамов В.А.. Ождихин Г.М.. Попов О.Б., Черников К.В., Молов А.В. Свидетельство о государственной регистрации программы дня ЭВМ № 2013616645 Дата гос. Регистрации 15.07.2013. Анализ параметров сигналов звукового вещания «ESTIM».
COMPACT METHODS FOR SUBMITTING, APPRAISING, AND PROCESSING SOUND SIGNALS
BASED ON THEIR INTEGRATED PRESENTATION
Vladimir G. Taktakishvili, Moscow Technical University of communications and Informatics, Moscow, Russia, [email protected] Oleg B. Popov, Moscow Technical University of communications and Informatics, Moscow, Russia, [email protected] Valentin A. Abramov, Moscow Technical University of communications and Informatics, Moscow, Russia, [email protected] Andrei A. Borisov, Moscow Technical University of communications and Informatics, Moscow, Russia, [email protected]
Abstract
The subject of the research is a complex representation of audio signals. The purpose of the work are proposals for the development of methods of control, processing and compact presentation of sound signals on the basis of the integrated presentation. It has been shown that almost all the channels that transmit a sound signal, adaptively change their characteristics in accordance with the properties of the signal, which makes it difficult to keep its shape. Found that the algorithms used in compact view, sound processing and objective evaluation of audio quality, reached the limits, achievable with existing methods of submission signal in the temporary and frequency domains. In this regard, the urgent task is to develop new ways of presenting audio signals that are based, in particular, on the integrated presentation of the signal, allowing for the separate description and processing of such modulation options analysis (Hilbert's) envelope, instantaneous phase and its first derivative-the instantaneous frequency. It has been shown that the main difficulties associated with the need to ensure high precision forming orthogonal signaling that is difficult for broadband acoustic signals. Found that the permissible error synthesis of orthogonal signal must not exceed 10-5. Attention is drawn to the fact that the accuracy of the synthesis of orthogonal signaling is largely determined by the correct selection of used in the FFT window function. Minimum sidelobe level of known functions has Nuttall window. However, since this window when any overlap coefficient does not provide a single transfer coefficient, you need an additional compensating function. It is shown that the representation of the sound signal in the form of analytical and cosine envelope instant phase allowed us to develop original, almost instantaneous way to regulate the levels of the audio signal, giving an opportunity to significantly enhance its relative high power without changing the dynamic range of the signal, that is unattainable for the existing analogues. The decision, which allowed the problem of occurrence of distortion when regulation is the separation of analytical baseband on low-frequency (LF) and radio frequency (RF) components. The algorithm neiskazhajushhego Companding helps reduce the level of the signal being transmitted at least twice-with the misrepresentation of the channel, i.e., to reduce its capacity by four times, at the same time OSM concise signal increase in 2.5 times. Through the use of average instantaneous frequencies allocated as a result of the integrated presentation of the audio signal, a new method of adaptive filtering. Through the use of the integrated presentation of the signal developed a way to compact the presentation of an audio signal by formation of the parameters of instantaneous frequency and amplitude envelope of Hilbert's semi-permanent and signal variables on the first, second and third levels of the moduljacionnogo. It is shown that the use of modulation parameters in the integrated presentation of the signal allows to increase the efficiency of algorithms to objectively assess the quality of the audio signal broadcasting in tracts without saving the form, what are all modern analog and digital circuits. The results of the work aimed at the development of new methods and algorithms of control, processing and compact presentation of sound signals based on their integrated views allow you to make both theoretical and practical contributions regarding systems of formation, storage, transmission and playback of sound information signals.
Keywords: beep, the integrated presentation of the signal error orthogonal transform, Hilbert transform broadband signal, Nuttall window, the gain envelope and instantaneous frequency, instantaneous method of regulation, Companding, neiskazhajushhee way to adaptive filtering, three stages of decomposition moduljacionnogo, objective quality assessment.
References
1. Ishutkin Yu.M., Uvarov V.K. (2004). Fundamentals of modulation change beeps. Spb.: SPbGUKiT.102 p.
2. Uvarov V. Red'ko A.Yu. (2015). Moduljacionnyj analysis-synthesis sound signals and the prospects of its use for the purpose of noise reduction. Basic research. No. 6-3, pp. 518-522.
3. Popov O.B., Richter S.G. Patent RF № 2408976 BEE # 1. 10.01.2011 automatic control method of electric peak broadcasting signals at specified level stabilization relative to average power and device for its realization.
4. Abramov V.A., Popov O.B. Patent No. 2584462 BI # 14 from 20.05.2016 method for transmitting and receiving signals submitted parameters step decomposition moduljacionnogo and device for its realization.
5. Popov O.B., Richter S.G. (2010). Digital processing of signals and measuring circuits audio broadcast. Moscow: Insvjazizdat. 292 p.
6. Abramov V.A., Popov O.B., Richter, S.G. Patent No. 2458340, no. 10 from the Tuesday BI method for measuring instantaneous and averages absolute and relative power of acoustic signals and device for its realization.
7. Abramov V.A., Popov O.B. Patent RU2573248 C2, BI # 2 from 20.01.2016. Method of measuring the range of information broadcasting of acoustic signals and device for its realization.
8. Abramov V.A., Ozhdihin G.M., Popov O.B., Chernikov K.V., Malov A.V. The certificate on the State registration of computer programs no. 2013616645 Date. Registration 15.07.2013. Analysis of parameters of sound broadcasting signals ESTIM.
9. Dynamic range Converters audio signals based on modulating functions. Kharitonov V., candidate of technical sciences, Professor, J.K. Zirova, postgraduate student, Chair of Phonics, St. Petersburg State University of film and television. MACHINERY Magazine Publisher: Union of public associations " international scientific and technical society of America and metrologists " (Moscow) ISSN: 2071-7865
Information about authors:
Vladimir G. Taktakishvili, graduate student, Moscow Technical University of communications and Informatics, Moscow, Russia Oleg B. Popov, Ph.d., Professor, Moscow Technical University of communications and Informatics, Moscow, Russia Valentin A. Abramov, Ph.d., Associate Professor, Moscow Technical University of communications and Informatics, Moscow, Russia Andrei A. Borisov, graduate student, Moscow Technical University of communications and Informatics, Moscow, Russia
Г Г\
9. Харитонов В.Б.. Зирова ЮЖ. Преобразователи динамического диапазона звуковых сигналов на основе модулирующих функций. Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения // Приборы. ISSN: 2071-7865
