CC BY
29
СТАТИСТИКА ЗВУКОВОГО СИГНАЛА, ПРЕДСТАВЛЕННОГО КОМПЛЕКСНЫМИ МОДУЛИРУЮЩИМИ ФУНКЦИЯМИ
Абрамов Валентин Александрович,
Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, [email protected]
Попов Олег Борисович,
Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, [email protected]
Борисов Андрей Александрович,
Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, [email protected]
Черников Кирилл Вячеславович,
Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, [email protected]
Ключевые слова: звуковые вещательные сигналы, модуляционные функции, устранение избыточности, мгновенная частота и гильбертовская амплитудная огибающая, разложение на модуляционные параметры, пары квазипостоянных и переменных сигналов, комплексные разностные сигналы.
Предметом исследования является представление звуковых вещательных сигналов в виде модуляционных функций. Целью работы является разработка метода уменьшения скорости передачи информационных сигналов на основе устранения избыточности в модуляционных параметрах (мгновенной частоте и гильбертовской амплитудной огибающей) данных сигналов. Показано, что большинство существующих способов уменьшения скорости передачи информационных звуковых сигналов основаны на уменьшении их избыточности путем воздействия на спектральные или временные параметры данных сигналов. При этом уменьшение избыточности осуществляется на основе операций разложения и восстановления информационных сигналов в базисе суммы. Предлагается способ уменьшения скорости передачи информационных звуковых сигналов, основанный на устранении избыточности в модуляционных параметрах данных сигналов. При этом уменьшение избыточности осуществляется на основе операций разложения и восстановления информационных сигналов в базисе произведения. Показано, что модуляционные функции содержат квазипостоянную составляющую и инфра-низкие частоты, которых не было в частотном спектре исходного сигнала, а ширина спектра, как гильбертовской амплитудной огибающей, так и мгновенной частоты могут быть примерно равны ширине спектра исходного сигнала. Выяснено, что огибающая и мгновенная частота, полученные при модуляционном представлении сигнала, могут быть повторно разложены на модуляционные параметры. Алгоритм модуляционного разложения сигнала начинается на первом уровне с формирования из исходного звукового сигнала сопряженного ему по Гильберту сигнала и получение комплексного сигнала, из которого выделяются сигналы мгновенной частоты и гильбертовской амплитудной, из которых, в свою очередь, выделяются пара квазипостоянных и пара переменных сигналов. При этом на втором уровне модуляционного разложения предложено осуществлять формирование двух комплексных сигналов из двух переменных сигналов первого уровня разложения и выделять из двух сформированных мгновенных частот и двух гильбертовских амплитудных огибающих -четырех квазипостоянных и четырех переменных сигналов. Аналогичным образом модуляционное разложение предложено осуществляется на третьем уровне, после чего выделенные на первом, втором и третьем уровнях модуляционного разложения параметры в виде 14 квазипостоянных сигналов после оцифровки передаются на приемную сторону, где по ним осуществляется восстановление исходного звукового сигнала. Показано, что на основе разработанного способа точного формирования ортогонального звукового сигнала, с ошибкой не более 10-5, позволила рассмотреть возможность его представления в виде ограниченного набора комплексных разностных сигналов, Выяснено, что для медленно меняющихся функций резко повышается эффективность разностных методов кодирования с представлением их в виде огибающей и мгновенной частоты, что позволяет прогнозировать общую скорость передачи около 64 кБит/с при сохранении объективного качества студийного сигнала. Данный метод позволяет существенно снизить скорость передачи цифровых сигналов звукового вещания. Оригинальность предлагаемого метода подтверждена патентом и статьями.
Информация об авторах:
Абрамов Валентин Александрович, Московский технический университет связи и информатики, доцент, Москва, Россия Попов Олег Борисович, Московский технический университет связи и информатики, профессор, Москва, Россия Борисов Андрей Александрович, Московский технический университет связи и информатики, аспирант, Москва, Россия Черников Кирилл Вячеславович, Московский технический университет связи и информатики, аспирант, Москва, Россия
Для цитирования:
Абрамов В.А., Попов О.Б., Борисов А.А., Черников К.В.. Статистика звукового сигнала, представленного комплексными модулирующими функциями // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №6. С. 29-32 .
For citation:
Abramov V.A., Popov O.B., Borisov A.A., Chernikov K.V. (2017). Sound signal statistics submitted to the occurrence of complex functions. T-Comm, vol. 11, no.6, рр. 29-32. (in Russian)
T-Comm Vol. 1 1. #6-201 7
Большинство существующих способов уменьшения скорости передачи информационных звуковых сигналов основаны на уменьшении их избыточности путем воздействия на спектральные или временные параметры данных сигналов. При этом уменьшение избыточности осуществляется на основе операций разложения и восстановления информационных сигналов в базисе суммы. Предлагается способ уменьшения скорости передачи информационных звуковых сигналов, основанный на устранении избыточности в модуляционных параметрах (мгновенной частоте и гильбертовской амплитудной огибающей) данных сигналов. При этом уменьшение избыточности осуществляется на основе операций разложения и восстановления информационных сигналов в базисе произведения.
Формы модуляционных функций (гильбертовской амплитудной огибающей и мгновенной частоты) фрагмента речевого сигнала показаны на рис. I.
Рис, I. Формы модуляционных функций фрагмента речевого сигнала
Модуляционные функции обладают следующими свойствами:
- Элементы модуляционных функций имеют нелинейную форму и поэтому содержат гармоники основных частот.
- Модуляционные функции содержат квазипостоянную составляющую и инфранизкие частоты, которых не было в частотном спектре исходного сигнала.
- Ширина спектра, как гильбертовской амплитудной огибающей, так и мгновенной частоты могут быть примерно равны ширине спектра исходного Сигнала.
- Огибающая и мгновенная частота, полученные при модуляционном представлении сигнала, могут быть повторно разложены на модуляционные параметры.
Метод разложения исходного аналогового сигнала в виде модуляционных функций может быть осуществлен следующим образом [1]. Из исходного аналогового звукового сигнала производится формирование сопряженного ему по Гильберту сигнала и получение первого комплексного сиг-пала первого уровня разложения.
Далее, из этого комплексного сигнала производится выделение первой пары модуляционных функций первого уровня разложения в виде сигнала первой мгновенной частоты и сигнала первой гильбертовской амплитудной оги-
бающей. После чего из сигнала первой мгновенной частоты и сигнала первой гильбертовской амплитудной огибающей выделяется первая пара квазипостоянных модуляционных сигналов и первая пара переменных модуляционных сигналов в виде, соответственно, первого и второго квазипостоянных модуляционных сигналов и первого и второго переменных модуляционных сигналов первого уровня разложения, Каждый из этих двух переменных модуляционных сигналов первого уровня разложения в некоторой степени соответствует исходному аналоговому звуковому сигналу.
После этого из первого и второго переменных модуляционных сигналов первого уровня разложения формируются соответствующие, сопряженные им по Гильберту сигналы, подобно тому как это делалось в отношении исходного аналогового сигнала [1]. Из полученных таким образом второго и третьего комплексных сигналов второго уровня разложения, осуществляется выделение двух {второй и третьей) пар модуляционных сигналов второго уровня разложения. Эти вторая и третья пары состоят, соответственно, из сигнала ¡порой мгновенной частоты и сигнала второй гильбертовской амплитудной огибающей, сигнала третьей мгновенной частоты и сигнала третьей гильбертовской амплитудной огибающей. Далее из второй и третьей пары модуляционных сигналов выделяются вторая и третья нары квазипостоянных модуляционных сигналов, а также вторая и третья пары переменных модуляционных сигналов в виде, соответственно, третьего и четвертого, пятого и шестого квазипостоянных модуляционных сигналов и третьего и четвертого, пятого и шестого переменных модуляционных сигналов второго уровня разложения. Каждый из этих четырех переменных модуляционных сигналов второго уровня разложения в некоторой степени соответствует исходному аналоговому сигналу.
После этого из этих четырех переменных модуляционных сигналов второго уровня разложения могут быть сформированы модуляционные си гнал ы третьего уровня разложения []]. В качестве информационных сигналов, подлежащих передаче на приемную сторону, предлагается использовать квазипостоянные модуляционные сигналы либо первого и второго уровней разложения, либо первого, второго и третьего уровней разложения, в зависимости требуемого качества восстановления информационных сигналов. Данные квазипостоянные модуляционные сигналы после от-цифровки передаются па приемную сторону, где по ним осуществляется восстановление исходного аналогового сигнала. Данный метод позволяет существенно снизить скорость передачи цифровых сигнапов звукового вещания.
Частным случаем предложенного метода являются результаты исследования [2] эффективности представления звукового сигнала с помощью частных модулирующих функций полученных с использованием адаптивных узкополосных фильтров. В результате исследования показана возможность представления звукового сигнала со студийным качеством при использовании цифрового потока со скоростью 240 кВ/с. Разработка на кафедре ТиЗВ способа точного формирования ортогонального звукового сигнала, с ошибкой формирования не более 10"5 [3-5], позволила рассмотреть возможность его представления в виде ограниченного набора комплексных разностных сигналов (рис. 2).
T-Comm Том 1 1. #6-20 1 7
7Т>
т
Рис, 2. Звуковой сигнал представленный комплексным разностным сигналом
ектор разности между векторами А;иА| представляется в виде комплексной разности, представленным на рис. 2.
Известно, что по любому каналу восприятия внешних возбуждений человек способен фиксировать не более семи стимулов, 13 частном случае в качестве таких стимулов могут быть использованы предлагаемые комплексные модулирующие функции.
На рисунке 3, показана разрядность представления разностного сигнала с вероятностью появления сигнала 95%,
Можно ожидать, что сами модулирующие функции, определяемые свойствами звукового сигнала в пределах существования звуковых объектов, будут достаточно низкочастотны. Исследования подтвердили низкочастотный характер спектра модулирующих функций и возможность их передачи в полосе с верхней частотой не более 125 Гц.
| Р мод функция |
Рис, 3, Разрядность представления необходимая для кодирования первых семи комплексных модулирующих функций
Для медленно меняющихся функций резко повышается эффективность разностных методов кодирования с представлением их в виде огибающей и мгновенной частоты, что позволяет прогнозировать общую скорость передачи около 64 кБит/с при сохранении объективного качества студийного сигнача.
Основные результаты исследования:
1. Предложен способ уменьшения скорости передачи информационных звуковых сигналов, основанный на устранении избыточности в модуляционных параметрах (мгновенной частоте и гильбертовской амплитудной огибающей) данных сигналов.
2. Выявлена возможность представления звукового сигнала в базисе его комплексных разностей.
3. Предложен способ формирования звукового сигнала представленного в комплексной форме с использованием комплексных разностных сигналов.
4. Разработана математическая модель, позволяющая реализовать предложенный способ представления звукового сигнала и провести предварительную оценку объема сигнала необходимого для сохранения его объективного качества.
Литература
1. Абрамов В.Л., Попов ОБ. Способ передачи и приема сигналов, представленных параметрами ступенчатого модуляционного разложения и устройство для его осуществления. Патент №2584462, Опубликован: 20.05.2016, БИ№ 14.
2. Донцова Г.А. Исследование и разработка методов анализа и обработки сигнала звукового вещания с использованием комплексного представления. Автореф, диссерт. канд. техн. наук. М.: МТУСИ, 2001.46 с.
3. Попов О.Б., Рихтер С.Г. Цифровая обработка и измерения сигналов в трактах звукового вещания. М.: И не вязь из дат, 2010, 292 с,
4. Абрамов В.А.. Попов О.Б., Касьянов A.A. Обработка звуковых вещательных сигналов в трактах передачи. Международный форум информатизации (МФИ-2015). М: МТУСИ, 2015. С. 53-54.
5. Абрамов В. А., Попов ОБ.. Рихтер С. Г. Аудио процессорная обработка сигналов цифрового вещания и ее последствия // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 2016, №6, С. 17-20.
T-Comm Vol. 1 1. #6-201 7
T
ELECTRONICS. RADIO ENGINEERING
SOUND SIGNAL STATISTICS SUBMITTED TO THE OCCURRENCE OF COMPLEX FUNCTIONS
Valentin A. Abramov, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia,
Oleg B. Popov, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia,
Andrei A. Borisov, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia,
Kirill V. Chernikov, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia,
Abstract
The subject of the research is to present audio broadcast signals in the form of modulation functions. The aim of the work is to develop a method of reducing the speed of transmission of information signals by eliminating redundancy in the modulation parameters (instantaneous frequency and amplitude envelope of Hilbert's) data signals. Shows that most of the existing ways to reduce information transfer rate audio signals based on decreasing redundancy by influencing the spectral or temporary data options signals. When this is done on the basis of redundancy reduction operations and recovery information signals decomposition in the base amount. Proposed way of reducing transmission speed of information based on sound signals, eliminating redundancy in the data parameters of modulation signals. When this is done on the basis of redundancy reduction operations and recovery information signals decomposition in basis works. It is shown that the modulation functions contain a quasi-permanent component and infranizkie frequencies that were not present in the original signal frequency spectrum, and the width of the spectrum as Hilbert's gain envelope and instantaneous frequency can be roughly equal to the width of the spectrum of the source signal. Found that envelope and instantaneous frequency, the signal received at the main tonic view can be laid out on the modulation parameters. Moduljacionnogo signal Decomposition algorithm starts at the first level with the formation of the original sound signal conjugate it Hilbert signal and receive integrated signal from which allocated signals and Hilbert's instantaneous frequency amplitude from which, in turn, are a pair of semipermanent and variable pair signals. On the second level of decomposition suggested moduljacionnogo the formation of two complex signals from two variables first-level signal decomposition and allocation of two formed instantaneous frequency and amplitude envelope gil'bertovskih two-four semi-permanent and four variables of the signals.
Similarly, the modulation proposed is carried out on the decomposition of the third level, and then allocated to the first, second and third levels moduljacionnogo decomposition as a semi-permanent 14 signals after digitizing is transmitted to the receiving side, where it is carried out to restore the original audio signal. It is shown that based on how accurate forming orthogonal sound with an error not exceeding 10-5, allowed to consider his submission in the form of a limited set of integrated differential signals, found that for slowly varying functions dramatically increases the efficiency of differential coding techniques with the presentation in the form of the bypass and instantaneous frequency that allows to predict the overall transfer speed of about 64 Kbps while maintaining the objective of studio-quality signal. This method allows you to significantly reduce the transmission speed of digital signals sound broadcasting. The originality of the proposed method has been confirmed by a patent and articles.
Keywords: Sound broadcasting signals, modulation functions, eliminating redundancy, instantaneous frequency and amplitude envelope, Hilbert's decomposition on modulation parameters and variables of semi-permanent pairs of signals, complex differential signals.
References
1. Abramov V.A., Popov O.B. (2016). Method of transmitting and receiving signals submitted parameters step decomposition moduljacionnogo and device for its realization. Patent No. 2584462, Issued: 20.05.2016, bi # 14. (in Russian)
2. Dontsova G.A. (2001). Research and development of methods of analysis and signal processing of sound broadcasting using the integrated presentation. Dissert. Cand. Tech. Sciences. Moscow: MTUCI, 46 p. (in Russian)
3. Popov O.B., Richter S.G. (2010). Digital processing of signals and measuring circuits audio broadcasting. Moscow: Insvjaz'izdat, 292 p. (in Russian)
4. Abramov V.A., Popov O.B., Kasyanov A.A. (2015). Processing sound broadcasting signals in transmission paths. International Informatization Forum (MFI-2015). Moscow: MTUCI, pp. 53-54. (in Russian)
5. Abramov V.A., Popov O.B., Richter S.G. (2016). Audioprocessornaja signal processing digital broadcasting and its consequences. T-Comm, no. 6, pp. 17-20 (in Russian)
Information about authors:
Valentin A. Abramov, Moscow Technical University of Communications and Informatics, senior lecturer, Moscow, Russia Oleg B. Popov, Moscow Technical University of Communications and Informatics, the professor, Moscow, Russia Andrei A. Borisov, Moscow Technical University of Communications and Informatics, the post-graduate student, Moscow, Russia Kirill V. Chernikov, Moscow Technical University of Communications and Informatics the post-graduate student, Moscow, Russia
