close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY8559

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 8559
(13) C1
(19)
(46) 2006.10.30
(12)
7
(51) G 11B 20/24, 20/00
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
УСТРОЙСТВО АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ
ОБРАБОТКИ ЗВУКОВОГО СИГНАЛА (ВАРИАНТЫ)
(21) Номер заявки: a 20030554 / u 20010187 (56) RAY M. DOLBY. An audio noise reduction system. Journal of the Audio Engi(22) 2001.07.26
neering Society. October 1967, vol. 15,
(71) Заявитель: Толстопятов Петр Андрееnumber 4. P. 383-386.
вич (BY)
Михайлов А., Ридико Л.. Система шумо(72) Автор: Толстопятов Петр Андреевич
понижения DOLBY B-C. - Радио, 1994. (BY)
№ 11. - С.10-12. - № 12. - С.14-17.
(73) Патентообладатель: Толстопятов Петр
SU 1788522 A1, 1993.
Андреевич (BY)
SU 1760555 A1, 1992.
SU 1282192 A2, 1987.
JP 6169292 A, 1994.
US 4490691, 1984.
BY 8559 C1 2006.10.30
(57)
1. Устройство альтернативной функциональной обработки звукового сигнала (АФО),
содержащее сумматор, первый вход которого является входом устройства АФО, а выход –
выходом устройства АФО, причем второй вход сумматора подключен к выходу канала
обработки средней частоты (СЧ) звукового сигнала, вход которого в режиме "запись"
подключен к входу устройства АФО, а в режиме "воспроизведение" подключен к инвертирующему выходу сумматора, при этом канал обработки СЧ содержит последовательно
Фиг. 1
BY 8559 C1 2006.10.30
соединенные первый фильтр высокой частоты, управляемый фильтр высокой частоты с
переменной частотой среза и усилитель, выход которого через последовательно соединенные первый частотный корректор, выпрямитель и сглаживающий фильтр соединен с
управляющим входом управляемого фильтра высокой частоты с переменной частотой
среза, отличающееся тем, что опорные входы выпрямителя и сглаживающего фильтра
соединены с выходом порогового устройства: вход канала обработки СЧ содержит первый
полосовой фильтр, выход которого соединен со входом первого фильтра высокой частоты, между управляемым фильтром высокой частоты с переменной частотой среза и усилителем введен второй фильтр высокой частоты, а выход усилителя последовательно
соединен с аттенюатором и вторым полосовым фильтром с переменным коэффициентом
передачи, выход которого является выходом канала обработки СЧ, а дополнительный выход соединен со входом линеаризующего двухстороннего ограничителя, при этом ко входу канала обработки СЧ подключены входы каналов обработки низкой частоты (НЧ)
звукового сигнала, широкой частоты (ШЧ) звукового сигнала и высокой частоты (ВЧ)
звукового сигнала, выходы которых соединены соответственно с третьим, четвертым и
пятым входами сумматора.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что канал обработки НЧ звукового сигнала
содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр, фильтр низкой частоты, управляемый фильтр низкой частоты с переменной частотой среза, фильтр высокой
частоты, усилитель, аттенюатор и второй полосовой фильтр, причем выход усилителя соединен с входом усилителя-фазовращателя, вход и выход которого соединены с входами
функционального выпрямителя, выход которого через сглаживающий фильтр соединен с
управляющим входом управляемого фильтра низкой частоты с переменной частотой среза, при этом опорные входы функционального выпрямителя и сглаживающего фильтра
соединены с выходом порогового устройства.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что канал обработки ШЧ звукового сигнала
содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр, первый фильтр высокой частоты, управляемый фильтр высокой частоты с переменной частотой среза, второй
фильтр высокой частоты, усилитель, аттенюатор и второй полосовой фильтр с переменным
коэффициентом передачи, дополнительный выход которого соединен с входом линеаризующего двухстороннего ограничителя, причем выход усилителя через последовательносоединенные второй частотный корректор, выпрямитель и сглаживающий фильтр соединены с управляющим входом управляемого фильтра высокой частоты с переменной частотой среза, при этом опорные входы выпрямителя и сглаживающего фильтра соединены
с выходом порогового устройства.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что канал обработки ВЧ звукового сигнала
содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр, первый фильтр высокой частоты, управляемый фильтр высокой частоты с переменной частотой среза, второй
фильтр высокой частоты, усилитель, аттенюатор и второй полосовой фильтр с переменным
коэффициентом передачи, дополнительный выход которого соединен с входом линеаризующего двухстороннего ограничителя, причем выход усилителя через последовательно
соединенные третий частотный корректор, выпрямитель и сглаживающий фильтр соединены с управляющим входом управляемого фильтра высокой частоты с переменной частотой среза, при этом опорные входы выпрямителя и сглаживающего фильтра соединены
с выходом порогового устройства.
5. Устройство альтернативной функциональной обработки звукового сигнала (АФО),
содержащее сумматор, первый вход которого является входом устройства АФО, а второй
вход сумматора подключен к выходу канала обработки средней частоты (СЧ) звукового
сигнала, вход которого в режиме "запись" подключен к входу устройства АФО, а в режиме "воспроизведение" подключен к инвертирующему выходу сумматора, при этом канал
обработки СЧ содержит последовательно соединенные первый фильтр высокой частоты,
2
BY 8559 C1 2006.10.30
управляемый фильтр высокой частоты с переменной частотой среза и усилитель, выход
которого через последовательно соединенные первый частотный корректор, выпрямитель
и сглаживающий фильтр соединен с управляющим входом управляемого фильтра высокой частоты с переменной частотой среза, отличающееся тем, что опорные входы выпрямителя и сглаживающего фильтра соединены с выходом порогового устройства; вход
канала обработки СЧ содержит первый полосовой фильтр, выход которого соединен с
входом первого фильтра высокой частоты, между управляемым фильтром высокой частоты с переменной частотой среза и усилителем введен второй фильтр высокой частоты, а
выход усилителя последовательно соединен с аттенюатором и вторым полосовым фильтром с переменным коэффициентом передачи, выход которого является выходом канала
обработки СЧ, а дополнительный выход соединен со входом линеаризующего двухстороннего ограничителя, при этом ко входу канала обработки СЧ подключены входы каналов
обработки низкой частоты (НЧ) звукового сигнала и широкой частоты (ШЧ) звукового
сигнала, выходы которых соединены соответственно с третьим и четвертым входами сумматора, выход которого подключен к входу делителя напряжения с переменным коэффициентом деления, выход которого в режиме "запись" подключен к входу канала обработки
высокой частоты (ВЧ) звукового сигнала и к первому входу сумматора-усилителя с переменным коэффициентом усиления, выход которого является выходом устройства АФО, а
второй вход соединен с выходом канала обработки ВЧ; в режиме "воспроизведение" инвертирующий выход сумматора-усилителя соединен с входом канала обработки звукового
сигнала ВЧ, а первый вход сумматора-усилителя соединен с входом делителя напряжения.
6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что канал обработки НЧ звукового сигнала
содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр, фильтр низкой частоты, управляемый фильтр низкой частоты с переменной частотой среза, фильтр высокой
частоты, усилитель, аттенюатор и второй полосовой фильтр, причем выход усилителя соединен с входом усилителя-фазовращателя, вход и выход которого соединены с входами
функционального выпрямителя, выход которого через сглаживающий фильтр соединен с
управляющим входом управляемого фильтра низкой частоты с переменной частотой среза, при этом опорные входы функционального выпрямителя и сглаживающего фильтра
соединены с выходом порогового устройства.
7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что канал обработки ШЧ звукового сигнала
содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр, первый фильтр высокой частоты, управляемый фильтр высокой частоты с переменной частотой среза, второй
фильтр высокой частоты, усилитель, аттенюатор и второй полосовой фильтр с переменным
коэффициентом передачи, дополнительный выход которого соединен с входом линеаризующего двухстороннего ограничителя, причем выход усилителя через последовательно
соединенные второй частотный корректор, выпрямитель и сглаживающий фильтр соединен с управляющим входом управляемого фильтра высокой частоты с переменной частотой среза, при этом опорные входы выпрямителя и сглаживающего фильтра соединены с
выходом порогового устройства.
8. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что канал обработки ВЧ звукового сигнала
содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр, первый фильтр высокой частоты, управляемый фильтр высокой частоты с переменной частотой среза, второй
фильтр высокой частоты, усилитель, аттенюатор и второй полосовой фильтр с переменным
коэффициентом передачи, дополнительный выход которого соединен с входом линеаризующего двухстороннего ограничителя, причем выход усилителя через последовательно
соединенные третий частотный корректор, выпрямитель и сглаживающий фильтр соединены с управляющим входом управляемого фильтра высокой частоты с переменной частотой среза, при этом опорные входы выпрямителя и сглаживающего фильтра соединены
с выходом порогового устройства.
3
BY 8559 C1 2006.10.30
Предлагаемое устройство альтернативной функциональной обработки (АФО) относится
к области техники передачи аналогового звукового сигнала через реальную, вносящую
шумы и помехи, физическую среду, например магнитный носитель (MH), при прохождении через которую уменьшается соотношение сигнала к шуму (с/ш), что проявляется как
уменьшение динамического диапазона (ДД) звукового сигнала, предлагаемое устройство
служит для расширения динамического диапазона выходного звукового сигнала на выходе АФО до ДД исходного аналогового звукового сигнала.
В данной области техники основным способом расширения ДД является уменьшение
уровня шумов и соответственно повышение соотношения сигнала к шуму на выходе
АФО. Для выходного сигнала с MH является важным его высокая идентичность с исходным звуковым сигналом. Назначение системы шумопонижения (СШП) является снижение
проникающих в канал звукопередачи помех различного происхождения, собственного
шума MH и шума канала записи-воспроизведения на MH.
Одним из видов эффективных систем шумопонижения в данной области техники являются компандерные системы шумопонижения (КСШП) [1], производящие сжатие (компандирование, компрессию) динамического диапазона перед записью этого сигнала на
MH и дальнейшее расширение (экспандирование, декомпрессию) при воспроизведении
его с MH до динамического диапазона, близкого к исходному.
Наибольшее практическое применение в технике звукозаписи получили билинейные
аддитивные КСШП с переменной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) [1], обрабатывающие только часть спектра звукового сигнала и осуществляющие сжатие его амплитуды
с последующим расширением только в определенном диапазоне уровней звукового сигнала. Это такие КСШП "Долби" [1, 2], как "Долби-В" [3], "Долби-С" [4], "Долби HX Pro" [5],
а также "Долби-А" [6], "Долби-SR" [7] и т.д. В литературе описаны КСШП "dbx" [8],
"High-Com" [9], ANRS [10], "Контур-20" [11] и другие [8, 12]. Эти КСШП обрабатывают
сигнал дважды как в режиме "запись", так и в режиме "воспроизведение", причем характеристики процесса сжатия при записи и расширения при воспроизведении согласованы
так, что сигнал после цикла запись-воспроизведение восстанавливается практически до
исходного [1].
Известна КСШП "Долби-А" [6, 8], предназначенная для профессиональной звукозаписи, в которой записываемый звуковой сигнал является суммой синфазных сигналов прямого канала с сигналами, проходящими через блоки регулировок, в состав которых
входит, как правило, четыре полосовых фильтра (ПФ) с полосами пропускания соответственно 30...80 Гц, 80...3000 Гц, 3000...20000 Гц и 5000...20000 Гц, четыре блока усилителей
с АРУ и с блоками ограничителей выбросов. В режиме воспроизведения в КСШП "Долби-А"
сигналы с выхода блоков регулировки суммируются с противофазным сигналом основного канала. В этом устройстве при воспроизведении происходит уменьшение уровня малых
сигналов, которые компенсируются соответствующим подъемом при записи, поэтому результирующая характеристика получается прямолинейной.
Недостатком КСШП "Долби-А" является то, что она сложна в схемной реализации,
хотя и дает эффективное шумопонижение порядка 10...15 дБ в широком диапазоне частот
различных видов шумов и помех с MH, а в случае воспроизведения записанного в этой
системе сигнала через устройство, не содержащее указанную систему, воспроизводимый
звуковой сигнал имеет заметные на слух искажения. Для восприятия эффекта шумопонижения требуется обязательное применение КСШП "Долби-А" при воспроизведении. Причем эта КСШП критична к согласованности амплитудно-частотных характеристик (АЧХ)
канала записи-воспроизведения, в режиме записи-воспроизведения и предъявляет высокие
требования к АЧХ магнитофона, которая должна быть установлена с погрешностью не
более ±(0,3...0,5) дБ от идеальной АЧХ [6, 8, 12]. Поэтому эта КСШП получила распространение преимущественно в профессиональной звукозаписи.
4
BY 8559 C1 2006.10.30
Известна КСШП "Долби-В" [1, 3, 8 ,13]. В этой КСШП, с целью упрощения разделение обрабатываемого звукового сигнала на частотные полосы не используется. В КСШП
"Долби-В" при записи звукового сигнала происходит суммирование входного сигнала канала с этим же сигналом, проходящим через канал обработки. Канал обработки осуществляет усиление сигнала с амплитудой менее минус 30 дБ в полосе частот от 1,5 до 20 кГц в
2,29 раза. В этом случае обеспечивается увеличение амплитуды выходного сигнала на выходе сумматора на 10 дБ. Входные сигналы с амплитудой более минус 30 дБ на выходе
канала обработки ограничиваются до уровня, соответствующего уровню входного сигнала
минус 30 дБ. Данное КСШП является весьма простым средством снижения уровня шумов
(например "шипение ленты") в высокочастотной части частот звукового диапазона на 10 дБ.
Внедрение КСШП "Долби-В" способствовало вытеснению катушечных магнитофонов
кассетными. Фонограммы, записанные с помощью этой КСШП, отвечают требованиям
совместимости по психоакустическим параметрам с магнитофонами, не имеющими ее.
Благодаря своей простоте КСШП "Долби-В" позволяет получить шумопонижение, но
его недостаточно для высококачественного воспроизведения копии с первичного оригинала.
Известна КСШП "Долби-С" [4, 13, 14], являющаяся модификацией КСШП "Долби-В"
и обладающая лучшими по сравнению с "Долби-В" характеристиками, обеспечивающими
выигрыш в соотношении с/ш на 20 дБ в полосе частот от 375 Гц до 10 кГц, и совместимая
с имеющимся фондом кассет, записанных по системе "Долби-В". Шумоподавитель "Долби-С" в сущности представляет собой два включенных последовательно каскада шумопонижения "Долби-В" с некоторыми измененными параметрами и дополнениями.
Следует отметить, что в КСШП типа "Долби-С" при увеличении соотношения с/ш
увеличивается величина компрессии (сжатия) сигнала, что увеличивает вероятность возникновения паразитной модуляции сигнала [8,12,13]. В КСШП "Долби-С" используются
два способа для устранения этого явления. Первый способ - это разделение частотного
диапазона сигнала на несколько диапазонов и обработка сигнала в каждом из них независимым компандером. Этот относительно дорогой способ используется в профессиональной КСШП "Долби-А" [6, 8]. Второй - плавное изменение нижней частоты сигнала в
сторону увеличения ее в зависимости от уровня и спектра обрабатываемого сигнала, применяемое, как отмечалось, в КСШП "Долби-В". Поэтому в КСШП "Долби-С" используются два каскада с плавно изменяющейся нижней граничной частотой среза, которые
работают в одном и том же частотном диапазоне, но сжимают сигналы до разных амплитудных уровней. Первый каскад снижает шумы для сигналов с относительно высоким
уровнем, а второй - для сигналов с низким уровнем.
Для уменьшения шума в диапазоне средних частот в КСШП "Долби-С" нижняя граничная частота обрабатываемого сигнала уменьшена на две октавы (с 1,5 кГц до 375 Гц).
Каждый каскад обеспечивает увеличение соотношения с/ш на 10 дБ, а совместно оба на 20 дБ. Далее имеются еще два отличия по сравнению КСШП "Долби-В". При записи на
магнитофон возможны изменения сигнала, обусловленные как трактом записи самого
магнитофона, так и MH. На низких частотах это обусловлено неравномерностью отдачи
магнитной головки (МГ), а на высоких - неправильным выбором MH или тока подмагничивания и загрязнением МГ. В результате на выход КСШП в режиме воспроизведения поступает сигнал, отличающийся от сигнала, который был на входе КСШП при записи, что
приводит к ухудшению общего психоакустического восприятия этого сигнала при воспроизведении.
Поскольку коэффициент сжатия при компандировании в КСШП "Долби-С" больше,
чем у "Долби-В", то без принятия специальных мер увеличивается вероятность рассогласования взаимообратимости работы компандера с экспандером при обработке реального
звукового сигнала. Вот почему в этой КСШП было введено дополнительное ограничение
спектра ("спектральный скос") сигнала и так называемая схема "антинасыщения" [4, 13].
5
BY 8559 C1 2006.10.30
Блок "спектрального скоса" сигнала в режиме записи включен перед компандером [4,
13]. Он вызывает спад АЧХ на высоких частотах на 10 дБ так, что компандер не реагирует
на частоты сигнала выше 10 кГц. После экспандера включен блок коррекции, создающий
подъем АЧХ (обратный "спектральный скос").
Схема "антинасыщения" осуществляет уменьшение взаимовлияющих, т.е. интермодуляционных, искажений. Спад уровня компрессии при записи сигнала со спектром выше 10 кГц
при всех уровнях сигнала обусловлен устройством "спектрального скоса", а плавный спад
равносигнальной АЧХ выше 1,5 кГц создается схемой "антинасыщения" [4, 13, 14].
Высококачественные КСШП "Долби-С", используемые в качественных магнитофонах
иностранного производства, являются достаточно дорогими, что и ограничивает их широкое применение. Производимые в СНГ микросхемы, реализующие обработку сигналов в
системе "Долби-С", имеют значительные искажения сигнала и не предназначены для использования в малогабаритной аппаратуре с автономным питанием [15].
Так как нижние граничные частоты среза фильтров в КСШП "Долби-С" в каналах обработки выбраны из компромиссных соображений, на некоторых фонограммах это ведет к
заметности искажений в области низких и высоких частот [12].
Недостатком алгоритма КСШП "Долби-С" является и то, что при прослушивании звуковой фонограммы заметны модуляционные искажения, воспринимаемые как "шумовые
хвосты и паузы", на фонограммах, имеющих импульсный характер сигнала. Эти искажения вызваны тем, что при записи фонограммы при обработке звукового сигнала на выход
КСШП приходят сигналы с выходов каналов обработки сигналов, в которых происходит
ограничение сигнала [4, 13, 14].
Ограничение сигнала приводит к увеличению времени установления сигнала на выходе КСШП "Долби-С", что воспринимается как "шумовые хвосты и паузы", и ведет к
увеличению времени возвращения сигнала в каналах обработки в исходное состояние,
что воспринимается как паразитная модуляция шума [12, 16]. Это вызвано неидентичностью высокочастотной части спектров сигнала, поступающего на запись, и сигнала воспроизведения соответственно на входе и выходе магнитофона [8, 12, 17]. Указанная
неидентичность устраняется применением специального блока, называемого "блоком
спектрального скоса". Этот блок в свою очередь осуществляет снижение динамического
диапазона записываемого звукового сигнала в его высокочастотной части и ограничение
спектральных составляющих при записи на частотах выше верхней частоты сигнала,
указанное ограничение называют "спектральным скосом". Сужение ДД при воспроизведении фонограммы, записанной на MH, из-за ослабления воспроизводимого сигнала
"спектральным скосом" на частотах выше 10 кГц, заложенное в алгоритме КСШП
"Долби-С", особенно заметно при воспроизведении фонограммы в случае, когда уровень
тембра высоких частот поднят, а из-за того, что динамический диапазон в верхнем диапазоне звуковых частот у всех MH ограничен, происходит дополнительное ограничение
ДД фонограммы при воспроизведении.
Известна КСШП "Долби-SR" [1, 2, 7, 12], имеющая сложный алгоритм обработки сигнала в зависимости от его амплитуды. Эта КСШП содержит три каскада, обрабатывающих
сигнал в режимах записи и воспроизведения, в верхнем диапазоне звуковых частот. Во
всех каскадах обработка сигнала и его ограничение проводятся раздельно для разных
уровней звукового сигнала. В этих каскадах уровни ограничения выбраны соответственно
минус 30 дБ, минус 48 дБ и минус 62 дБ. В первых двух каскадах с уровнями ограничения
сигнала минус 30 дБ и минус 48дБ обрабатываются сигналы со спектром частот менее 800 Гц.
Каскад с порогом ограничения сигнала минус 62 дБ обрабатывает сигналы со спектром
частот выше 800 Гц. В каждом из указанных выше каскадов имеется фильтр с фиксированной частотой среза и фильтр с переменной частотой среза. Указанная КСШП имеет
аналогичные с системой "Долби-С" частотные корректоры, обеспечивающие "спектральные скосы" сигнала, со всеми присущими ей недостатками.
6
BY 8559 C1 2006.10.30
КСШП "Долби-SR" из-за сложности аппаратной реализации [7] применяется в основном в профессиональных системах звукозаписи. Она позволяет получить уровень шумопонижения в полосе частот слышимого сигнала в диапазоне 15...24 дБ [12].
КСШП "Долби-SR" использует значительные аппаратные затраты для получения несколько лучших, чем в КСШП "Долби-С", характеристик [7]. Однако недостатки присущие
КСШП "Долби-С" полностью не устраняются. Применение схем частотных корректоров,
обеспечивающих "спектральные скосы", на низких и высоких частотах ведет к уменьшению относительных уровней записываемых сигналов звуковых сигналов как в диапазоне
инфранизких частот, ниже 20...40 Гц, так и высоких частот, выше 10...20 кГц. Спектральные составляющие сигнала в указанных диапазонах обеспечивают натуральность звучания фонограммы. Как отмечается специалистами экспертами, при прослушивании
фонограммы на широкополосных высококачественных акустических системах (AC) ограничение спектральных составляющих за пределами слышимого диапазона звуковых частот снижает восприятие "полетности" высоких звуковых частот и "объемности" низких
звуковых частот фонограммы. Указанная экспертами оценка является основным критерием классификации качества аппаратуры, в частности отнесение ее к классу "High-End" "высокой верности" [18, 19].
Применение блоков "спектральных скосов" в КСШП "Долби-SR" и в ее упрощенном
варианте "Долби-S" [2] приводят к общему уменьшению в выходном сигнале уровня записываемого сигнала за пределами звуковых частот - 20...20000 Гц.
Большие аппаратные затраты КСШП "Долби-SR" [7] позволяют применять ее в основном в аппаратуре профессиональной звукозаписи, в бытовой аппаратуре используются
ее упрощенные варианты, например КСШП "Долби-8" [2].
Известны и другие КСШП [1, 2, 8...12, 20...23], нашедшие применение в технике записи звука на MH. Эти системы также только частично отвечают основным требованиям
предъявляемым к КСШП звукоакустической экспертизой [8, 13].
Наиболее близкой по технической сущности и реализации к заявляемому устройству
АФО является известная КСШП "Долби-В" [13], состоящая из сумматора (Σ) и канала обработки (см. "боковая ветвь КНУ" на рис. 1, 8, 9, 10 [13]), состоящего из последовательно соединенных фильтра высокой частоты (ФВЧ-Ф), управляемого фильтра высокой частоты
(УФВЧ-ПФ), усилителя (A1) и двухстороннего ограничителя [13]. При этом выход усилителя (A1) подключен ко входу усилителя с частотной коррекцией (А2), имеющему подъем
АЧХ 6 дБ на октаву в диапазоне частот от 1,5 до 20 кГц, а выход через последовательно соединенные выпрямитель и сглаживающий фильтр (СФ) подключен к входу управления
фильтра высокой частоты (ПФ). При этом сглаживающий фильтр (СФ) имеет в зависимости
от уровня входного сигнала постоянную времени включения от 1 до 100 мс и постоянную
времени выключения, равную 100 мс [1, 3, 13]. На вторые входы выпрямителя и сглаживающего фильтра поступает пороговое напряжение с порогового устройства (см. "боковая
ветвь КНУ" на рис. 10 [13]). Увеличение напряжения на входе управления фильтра высокой
частоты увеличивает частоту его среза и уменьшает коэффициент его передачи. Сигнал
проходит через канал обработки с максимальным коэффициентом передачи, равным 2,29.
При увеличении входного сигнала выше уровня минус 30 дБ коэффициент передачи управляемого фильтра уменьшается. Максимальный коэффициент передачи сумматора равен
1 + K = 1 + 2,29 = 3,29 раз. Входной ФВЧ имеет постоянную частоту среза, равную 1500 Гц,
а УФВЧ при отсутствии сигнала имеет частоту среза 750 Гц, которая увеличивается при
увеличении уровня обрабатываемого сигнала. Сигнал с выхода ограничителя поступает на
второй вход сумматора для суммирования с входным сигналом. Ограничение в ограничителе наступает при уровне входного сигнала минус 18 дБ. В режиме воспроизведения вход
канала обработки подключается к инвертирующему выходу сумматора. При этом выходом всего устройства КСШП "Долби-В" является выход сумматора.
7
BY 8559 C1 2006.10.30
Недостатком КСШП "Долби-В" является то, что она понижает на 10 дБ только высокочастотную составляющую шумов, что недостаточно для получения выходного сигнала с
высоким качеством психоакустического восприятия фонограммы, т.е. не удается получить
фонограмму по соотношению сигнал/шум, сравнимую с первичным источником, используемым в качестве оригинала.
Из анализа уровня техники вытекает постановка задачи по созданию устройства для получения качественной копии с первичной звуковой фонограммы (копии "высокой верности")
при обработке ее в процессе прохождения через канал запись-воспроизведение магнитофона
и MH. Так помимо различных видов аддитивных помех (например фон от устройств питания,
рокот от вибрации двигателя, щелчки, высокочастотные и надтональные помехи, помехи с
MH и т.п. ). Это устройство должно подавлять модуляционные шумы, что является одной из
наиболее сложных проблем в профессиональной звукозаписи [8, 13].
На решение этой задачи направлено предлагаемое техническое решение, которое отвечает следующим требованиям:
а) должен быть обеспечен такой амплитудный динамический диапазон (ДД) воиспроизводимого сигнала, при котором шумы, паузы практически были бы незаметны на слух.
Принимая во внимание, что максимально реальный уровень среднего звукового давления
при прослушивании музыкальных программ редко превышает 95...105 дБ (больший уровень приводит к расстройству слуха), а уровень шумов реального жилого помещения
обычно не ниже 30...40 дБ, то реально используемый ДД бытового звуковоспроизводящего комплекса (в том числе и магнитофона с КСШП) находится в пределах с/ш, равных
65...75 дБ. Поскольку самые современные MH и магнитные головки (МГ) не позволяют
получить в кассетных магнитофонах ДД более 55...60 дБ, то для выполнения поставленного условия КСШП должна обеспечивать шумопонижение минимум на 15...20 дБ;
б) не должно вноситься заметных на слух нелинейных искажений при любых рабочих
уровнях реального звукового сигнала как на выходе сквозного канала записи-воспроизведения, так по возможности и при воспроизведении без КСШП, т.е. компандированых записей;
в) на реальных музыкальных программах не должна ощущаться модуляция шумов полезным сигналом, т.е. субъективное шумопонижение должно обеспечиваться в соответствии с психоакустическими особенностями слухового восприятия не только в фонограмме,
но и при наличии сигнала, спектр которого отличается от спектра шумов [12, 13, 16];
г) неидентичность сквозных амплитудных характеристик реального канала записи
воспроизведения с MH должна как можно менее влиять на психоакустическое восприятие
достоверности выходного сигнала на выходе КСШП в сравнении с исходным сигналом
звуковой фонограммы.
Ставится задача максимального использования потенциальных возможностей, заключенных в аналоговом принципе записи звуков на MH выпускаемых магнитофонов для
улучшения их потребительских параметров. Необходимо обеспечить решение следующих
задач:
- построение алгоритма КСШП более простого по технической реализации, чем в
КСШП "Долби-SR";
- построение алгоритма КСШП и ее составных частей, позволяющих получение максимального уменьшения шумовых компонентов, вносимых в передаваемый полезный звуковой сигнал, записываемый на MH;
- возможность обеспечения взаимной совместимости процесса АФО и его составных
частей с уже существующими КСШП;
- возможность применения составных частей устройства АФО в качестве как независимых КСШП, так и в качестве независимых динамических шумоподавителей высокочастотной и низкочастотной шумовой составляющей различных источников звуковой информации.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения,
является получение максимального эффекта шумопонижения при минимальном психо8
BY 8559 C1 2006.10.30
акустическом уровне интермодуляционных и шумовых помех, что выражается в следующем:
а) в уменьшении уровня психоакустических интермодуляционных искажений, вносимых в выходной сигнал устройства АФО каналами обработки звукового сигнала, за счет
уменьшения влияния как на выходные сигналы каналов обработки за счет уменьшения
психоакустической заметности на слух временных и частотных нестационарностей в обрабатываемом звуковом сигнале, так и за счет нового предлагаемого алгоритма включения каналов обработки в устройстве АФО;
б) в уменьшении взаимного влияния включения разночастотных составляющих обрабатываемого звукового сигнала во всем диапазоне частот на общий выходной сигнал устройства АФО за счет большей, чем в прототипе, суммарной крутизны АЧХ частотных
фильтров;
в) в увеличении динамического быстродействия каналов обработки и уменьшении
психоакустической заметности динамических временных изменений на слух человека,
вызванных обработкой звукового сигнала и поступающих на выход устройства АФО в
режимах записи-воспроизведения (или только в режиме записи), как за счет выбора компромиссных начальных и конечных значений частот среза управляемых фильтров частот в
каналах обработки, так и за счет компромиссных конкретных значений уровней их компрессии и порогов ограничения управляемых напряжений;
г) в уменьшении психоакустической заметности компрессии сигнала за счет формирования максимумов их АЧХ каналов обработки, приблизительно пропорциональному стандартной психометрической характеристике, определенной методикой DIN 45405/CCIR468.
Указанный технический результат, достигаемый изобретением по I- и II-му вариантам
устройства АФО, позволяет повысить качество фонограммы, так как в отличие от аналогов в режимах записи и воспроизведения качество фонограммы, широкополосность ее
частотного диапазона ограничиваются не цепями блоков устройства, а лишь параметрами
самого MH. Технический результат предложенного алгоритма работы устройства АФО и
его каналов обработки полностью определяется динамическими, интермодуляционными,
широкополосными и другими параметрами выходных звуковых сигналов каналов обработки. Только от алгоритма обработки сигнала каналами устройства АФО зависит как эффективность всей КСШП, так и психоакустическая (на слух) заметность компрессии при
записи при воспроизведении компандированной фонограммы как с устройством АФО, так
и без него.
Для пояснения сущности изобретения в соответствии с поставленной задачей получения технического результата предлагаются два варианта устройства АФО, различающихся
разным способом включения канала обработки ВЧ.
Сущность изобретения для получения технического результата по I и II-ому вариантам устройства АФО заключается в следующем:
а) в устройстве альтернативной функциональной обработки звукового сигнала (АФО)
по 1-му варианту, содержащем сумматор, первый вход которого является входом устройства АФО, а выход - выходом устройства АФО, причем второй вход сумматора подключен к выходу канала обработки средней частоты (СЧ) звукового сигнала, вход которого в
режиме "запись" подключен к инвертирующему выходу сумматора, притом канал обработки СЧ содержит последовательно соединенные первый фильтр высокой частоты,
управляемый фильтр высокой частоты с переменной частотой среза и усилитель, выход
которого через последовательно соединенные первый частотный корректор, выпрямитель
и сглаживающий фильтр соединен с управляющим входом управляемого фильтра высокой частоты с переменной частотой среза, отличающемся тем, что опорные входы выпрямителя и сглаживающего фильтра соединены с выходом порогового устройства; вход
канала обработки СЧ содержит первый полосовой фильтр, выход которого соединен со
входом первого фильтра высокой частоты, между управляемым фильтром высокой часто9
BY 8559 C1 2006.10.30
ты с переменной частотой среза и усилителем введен второй фильтр высокой частоты, а
выход усилителя последовательно соединен с аттенюатором и вторым полосовым фильтром с переменным коэффициентом передачи, выход которого является выходом канала
обработки СЧ, а дополнительный выход соединен со входом линеаризующего двухстороннего ограничителя, при этом ко входу канала обработки СЧ подключены входы каналов обработки низкой частоты (НЧ) звукового сигнала, широкой частоты (ШЧ) звукового
сигнала и высокой частоты (ВЧ) звукового сигнала, выходы которых соединены соответственно с третьим, четвертым и пятым выходами сумматора;
б) в устройстве по 1-му варианту, отличающемся тем, что канал обработки НЧ звукового сигнала содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр, фильтр
низкой частоты, управляемый фильтр низкой частоты с переменной частотой среза,
фильтр высокой частоты, усилитель, аттенюатор и второй полосовой фильтр, причем выход усилителя соединен с входом усилителя-фазовращателя, вход и выход которого соединены с входами функционального выпрямителя, выход которого через сглаживающий
фильтр соединен с управляющим входом управляемого фильтра низкой частоты с переменной частотой среза, при этом опорные входы функционального выпрямителя и сглаживающего фильтра соединены с входом порогового устройства;
в) в устройстве по 1-му варианту, отличающемся тем, что канал обработки ШЧ звукового сигнала содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр, первый
фильтр высокой частоты, управляемый фильтр высокой частоты с переменной частотой
среза , второй фильтр высокой частоты, усилитель, аттенюатор и второй полосовой
фильтр с переменным коэффициентом передачи, дополнительный выход которого соединен с входом линеаризующего двухстороннего ограничителя, причем выход усилителя
через последовательно соединенные второй частотный корректор, выпрямитель и сглаживающий фильтр соединен с управляющим входом управляемого фильтра высокой частоты
с переменной частотой среза, при этом опорные входы выпрямителя и сглаживающего
фильтра соединены с выходом порогового устройства;
г) в устройстве по 1-му варианту, отличающемся тем, что канал обработки ВЧ звукового сигнала содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр, первый
фильтр высокой частоты, управляемый фильтр высокой частоты с переменной частотой
среза, второй фильтр высокой частоты, усилитель, аттенюатор и второй полосовой фильтр
с переменным коэффициентом передачи, дополнительный выход которого соединен с
входом линеаризующего двухстороннего ограничителя, причем выход усилителя через
последовательно соединенные третий частотный корректор, выпрямитель и сглаживающий фильтр соединен с управляющим входом управляемого фильтра высокой частоты с
переменной частотой среза, при этом опорные входы выпрямителя и сглаживающего
фильтра соединены с выходом порогового устройства;
д) в устройстве альтернативной функциональной обработки звукового сигнала (АФО),
содержащем сумматор, первый вход которого является входом устройства АФО, а второй
вход сумматора подключен к выходу канала обработки средней частоты (СЧ) звукового
сигнала, вход которого в режиме "запись" подключен к входу устройства АФО, а в режиме "воспроизведение" подключен к инвертирующему выходу сумматора, при этом канал
обработки СЧ содержит последовательно соединенные первый фильтр высокой частоты,
управляемый фильтр высокой частоты с переменной частотой среза и усилитель, выход
которого через последовательно соединенные первый частотный корректор, выпрямитель
и сглаживающий фильтр соединен с управляющим входом управляемого фильтра высокой частоты с переменной частотой среза, отличающемся тем, что опорные входы выпрямителя и сглаживающего фильтра соединены с выходом порогового устройства; вход
канала обработки СЧ содержит первый полосовой фильтр, выход которого соединен с
входом первого фильтра высокой частоты, между управляемым фильтром высокой частоты с переменной частотой среза и усилителем введен второй фильтр высокой частоты, а
10
BY 8559 C1 2006.10.30
выход усилителя последовательно соединен с аттенюатором и вторым полосовым фильтром с переменным коэффициентом передачи, выход которого является выходом канала
обработки СЧ, а дополнительный выход соединен со входом линеаризующего двухстороннего ограничителя, при этом ко входу канала обработки СЧ подключены входы каналов
обработки низкой частоты (НЧ) звукового сигнала и широкой частоты (ШЧ) звукового
сигнала, выходы которых соединены соответственно с третьим и четвертым входами сумматора, выход которого подключен к входу делителя напряжения с переменным коэффициентом деления, выход которого в режиме "запись" подключен к входу канала обработки
высокой частоты (ВЧ) звукового сигнала и к первому входу сумматора-усилителя с переменным коэффициентом усиления, выход которого является выходом устройства АФО, а
второй вход соединен с выходом канала обработки ВЧ; в режиме "воспроизведение" инвертирующий выход сумматора-усилителя соединен с входом канала обработки звукового
сигнала ВЧ, а первый вход сумматора-усилителя соединен с входом делителя напряжения;
е) в устройстве по II-му варианту, отличающемся тем, что канал обработки НЧ звукового сигнала содержит последовательно соединенные первый полосовый фильтр, фильтр
низкой частоты, управляемый фильтр низкой частоты с переменной частотой среза,
фильтр высокой частоты, усилитель, аттенюатор и второй полосовой фильтр, причем
выход усилителя соединен с входом усилителя-фазовращателя, вход и выход которого соединены с входами функционального выпрямителя, выходы которого через сглаживающий фильтр соединены с управляющим входом управляемого фильтра низкой частоты с
переменной частотой среза, при этом опорные входы функционального выпрямителя и
сглаживающего фильтра соединены с выходом порогового устройства;
ж) в устройстве по II-му варианту, отличающемся тем, что канал обработки ШЧ звукового сигнала содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр, первый
фильтр высокой частоты, управляемый фильтр высокой частоты с переменной частотой
среза, второй фильтр высокой частоты, усилитель, аттенюатор и второй полосовой фильтр
с переменным коэффициентом передачи, дополнительный выход которого соединены с
входом линеаризующего двухстороннего ограничителя, причем выход усилителя через
последовательно-соединенные второй частотный корректор, выпрямитель и сглаживающий фильтр соединен с управляющим входом управляемого фильтра высокой частоты с
переменной частотой среза, при этом опорные входы выпрямителя и сглаживающего
фильтра соединены с выходом порогового устройства;
з) в устройстве по II-му варианту, отличающемся тем, что канал обработки ВЧ звукового сигнала содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр, первый
фильтр высокой частоты, управляемый фильтр высокой частоты с переменной частотой
среза, второй фильтр высокой частоты, усилитель, аттенюатор и второй полосовой фильтр
с переменным коэффициентом передачи, дополнительный выход которого соединен с
входом линеаризующего двухстороннего ограничителя, причем выход усилителя через
последовательно соединенные третий частотный корректор, выпрямитель и сглаживающий фильтр соединен с управляющим входом управляемого фильтра высокой частоты с
переменной частотой среза, при этом опорные входы выпрямителя и сглаживающего
фильтра соединены с выходом порогового устройства.
Сущность изобретения по I и II-му варианту устройства АФО и особенности его технической реализации подтверждаются и поясняются приводимыми ниже чертежами.
На фиг. 1 изображена функциональная схема 1-го варианта устройства АФО, содержащая следующие позиции:
1 - сумматор;
2 - канал обработки СЧ;
3 - канал обработки НЧ;
4 - канал обработки ШЧ;
5 - канал обработки ВЧ;
11
BY 8559 C1 2006.10.30
6 - первый полосовой фильтр (ПФ1) канала обработки СЧ;
7 - первый фильтр высокой частоты (ФВЧ1) -" -;
8 - управляемый фильтр высокой частоты (УФВЧ) - " -;
9 - второй фильтр высокой частоты (ФВЧ2) - " -;
10 - усилитель (У) - " -;
11 - аттенюатор (ATT) - " -;
12 - второй полосовой фильтр с переменным коэффициентом передачи (ПФ2) - " -;
13 - линеаризующий двухсторонний ограничитель (ЛO) - " -;
14 - первый частотный корректор (ЧК1) - "-;
15 - выпрямитель (ВЫП) -" -;
16 - сглаживающий фильтр (СФ) - "-;
17 - пороговое устройство (ПУ) - "-.
На фиг. 2 изображена функциональная схема II-го варианта устройства АФО, содержащая следующие позиции:
1 - сумматор;
2 - канал обработки СЧ;
3 - канал обработки НЧ;
4 - канал обработки ШЧ;
5 - канал обработки ВЧ;
18 - делитель напряжения с переменным коэффициентом деления;
19 - сумматор-усилитель с переменным коэффициентом усиления.
На фиг. 3 изображена структурная схема канала обработки НЧ устройства АФО, содержащая следующие позиции:
20 - первый полосовой фильтр (ПФ1) канала обработки НЧ;
21 - фильтр низкой частоты (ФНЧ) - " -;
22 - управляемый фильтр низкой частоты (УФНЧ) - " -;
23 - фильтр высокой частоты (ФВЧ) - " -;
24 - усилитель (У) - " -;
25 - аттенюатор (ATT) - " -;
26 - второй полосовой фильтр (ПФ2) - " -;
27 - усилитель-фазовращатель (УФВ) - " -;
28 - функциональный выпрямитель (ФВ) - " -;
29 - сглаживающий фильтр (СФ) - " -;
30 - пороговое устройство (ПУ) - " -.
На фиг. 4 изображена структурная схема канала обработки ШЧ устройства АФО, содержащая следующие позиции:
31 - первый полосовой фильтр (ПФ1) канала обработки ШЧ;
32 - первый фильтр высокой частоты (ФВЧ1) - " -;
33 - управляемый фильтр высокой частоты (УФВЧ) - " -;
34 - второй фильтр высокой частоты (ФВЧ2) - " -;
35 - усилитель (У) - " -;
36 - аттенюатор (ATT) - " -;
37 - второй полосовой фильтр (ПФ2) - " -;
38 - линеаризующий двухсторонний ограничитель (ЛO) - " -;
39 - второй частотный корректор (ЧК2) - " -;
40 - выпрямитель (ВЫП) - " -;
41 - сглаживающий фильтр (СФ) - " -;
42 - пороговое устройство (ПУ) - " -.
На фиг. 5 изображена структурная схема канала обработки ВЧ устройства АФО, содержащая следующие позиции:
43 - первый полосовой фильтр (ПФ1) канала обработки ВЧ;
12
BY 8559 C1 2006.10.30
44 - первый фильтр высокой частоты (ФВЧ1) - " -;
45 - управляемый фильтр высокой частоты (УФВЧ) - " -;
46 - второй фильтр высокой частоты (ФВЧ2) - " -;
47 - усилитель (У) - " -;
48 - аттенюатор (ATT) - " -;
49 - второй полосовой фильтр (ПФ2) - " -;
50 - линеаризующий двухсторонний ограничитель (ЛО) - " -;
51 - третий частотный корректор (ЧК3) - " -;
52 - выпрямитель (ВЫП) - " - ;
53 - сглаживающий фильтр (СФ) - " - ;
54 - пороговое устройство (ПУ) - " -.
На фиг. 6 изображена общая структурная схема алгоритма обработки сигналов в
КСШП.
На фиг. 7 изображена структурная схема алгоритма работы каналов устройства АФО.
На фиг. 8 изображена идеальная амплитудная характеристика (AX) каналов обработки
устройства АФО.
На фиг. 9 изображена идеальная амплитудная характеристика режима записи каналов
обработки устройства АФО.
На фиг. 10 изображена псофометрическая характеристика методики DIN 45405/
CCIR468.
На фиг. 11 изображены амплитудные характеристики каналов устройства АФО в режимах записи и воспроизведения.
На фиг. 12 изображена АЧХ канала СЧ устройства АФО.
На фиг. 13 изображена АЧХ канала НЧ устройства АФО.
На фиг. 14 изображена АЧХ канала ШЧ устройства АФО.
На фиг. 15 изображена АЧХ канала ВЧ устройства АФО.
На фиг. 16 изображена АЧХ устройства АФО по I-му варианту.
На фиг. 17 изображена АЧХ устройства АФО по II-му варианту.
На фиг. 18 изображена АЧХ устройства АФО в режиме работы каналов ШЧ и ВЧ по
II-му варианту.
На фиг. 19 изображен вариант технической реализации блоков УФВЧ каналов обработки СЧ, ШЧ и ВЧ устройства АФО.
На фиг. 20 изображен вариант технической реализации блока УФНЧ канала обработки
НЧ устройства АФО.
На фиг. 21 изображен вариант технической реализации блоков УФВЧ в каналах обработки КСШП "Долби-С".
На фиг. 22 изображена рекомендованная АЧХ блока ЧК2 канала обработки ШЧ устройства АФО.
На фиг. 23 изображена рекомендованная идеальная АЧХ блоков ЧК1 и ЧК3 каналов
обработки СЧ и ВЧ устройства АФО.
На фиг. 24 изображены варианты технической реализации двухсторонних ограничителей КСШП "Долби" и устройства АФО.
На фиг. 25 изображена амплитудная характеристика алгоритма настройки пороговых
напряжений каналов обработки устройства АФО.
Блоки, изображенные позициями на фиг. 1...5, соединены следующим образом:
а) в устройстве альтернативной функциональной обработки звукового сигнала (АФО)
по 1-му варианту, содержащем сумматор 1, первый вход которого является входом устройства АФО, а выход - выходом устройства АФО, причем второй вход сумматора 1 подключен к выходу канала обработки средней частоты (СЧ)2 звукового сигнала, вход
которого в режиме "запись" подключен к инвертирующему выходу сумматора 1, притом
канал обработки СЧ 2 содержит последовательно соединенные первый фильтр высокой
13
BY 8559 C1 2006.10.30
частоты 7, управляемый фильтр высокой частоты с переменной частотой среза 8 и усилитель 10, выход которого через последовательно-соединенные первый частотный корректор 14, выпрямитель 15 и сглаживающий фильтр 16 соединен с управляющим входом
управляемого фильтра высокой частоты с переменной частотой среза 8, отличающемся
тем, что опорные входы выпрямителя 15 и сглаживающего фильтра 16 соединены с выходом порогового устройства 17; вход канала обработки СЧ 2, содержит первый полосовой
фильтр 6, выход которого соединен со входом первого фильтра высокой частоты 7, между
управляемым фильтром высокой частоты с переменной частотой среза 8 и усилителем 10
введен второй фильтр высокой частоты 9, а выход усилителя 10 последовательно соединен с аттенюатором 11 и вторым полосовым фильтром с переменным коэффициентом передачи 12, выход которого является выходом канала обработки СЧ 2, а дополнительный
выход соединен со входом линеаризующего двухстороннего ограничителя 13, при этом ко
входу канала обработки СЧ 2 подключены входы каналов обработки низкой частоты
(НЧ)3 звукового сигнала, широкой частоты (ШЧ)4 звукового сигнала и высокой частоты
(ВЧ)5 звукового сигнала, выходы которых соединены соответственно с третьим, четвертым и пятым выходами сумматора 1;
б) в устройстве по 1-му варианту, отличающемся тем, что канал обработки НЧ 3 звукового сигнала содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр 20,
фильтр низкой частоты 21, управляемый фильтр низкой частоты с переменной частотой
среза 22, фильтр высокой частоты 23, усилитель 24, аттенюатор 25 и второй полосовой
фильтр 26, причем выход усилителя 24 соединен с входом усилителя-фазовращателя 27,
вход и выход которого соединены с входами функционального выпрямителя 28, выход
которого через сглаживающий фильтр 29 соединен с управляющим входом управляемого
фильтра низкой частоты с переменной частотой среза 22, при этом опорные входы функционального выпрямителя 28 и сглаживающего фильтра 29 соединены с входом порогового устройства 30;
в) в устройстве по 1-му варианту, отличающемся тем, что канал обработки ШЧ 4 звукового сигнала содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр 31,
первый фильтр высокой частоты 32, управляемый фильтр высокой частоты с переменной
частотой среза 33, второй фильтр высокой частоты 34, усилитель 35, аттенюатор 36 и второй
полосовой фильтр с переменным коэффициентом передачи 37, дополнительный выход
которого соединен с входом линеаризующего двухстороннего ограничителя 38, причем
выход усилителя 35 через последовательно-соединенные второй частотный корректор 39,
выпрямитель 40 и сглаживающий фильтр 41 соединен с управляющим входом управляемого фильтра высокой частоты с переменной частотой среза 33, при этом опорные входы
выпрямителя 40 и сглаживающего фильтра 41 соединены с выходом порогового устройства 42;
г) в устройстве по 1-му варианту, отличающемся тем, что канал обработки ВЧ 5 звукового сигнала содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр 43,
первый фильтр высокой частоты 44, управляемый фильтр высокой частоты с переменной
частотой среза 45, второй фильтр высокой частоты 46, усилитель 47, аттенюатор 48 и второй полосовой фильтр с переменным коэффициентом передачи 49, дополнительный выход которого соединен с входом линеаризующего двухстороннего ограничителя 50,
причем выход усилителя 47 через последовательно соединненые третий частотный корректор 51, выпрямитель 52 и сглаживающий фильтр 53 соединен с управляющим входом
управляемого фильтра высокой частоты с переменной частотой среза 45, при этом опорные входы выпрямителя 52 и сглаживающего фильтра 53 соединены с выходом порогового устройства 54;
д) в устройстве альтернативной функциональной обработки звукового сигнала (АФО),
содержащем сумматор 1, первый вход которого является входом устройства АФО, а второй вход сумматора подключен к выходу канала обработки средней частоты (СЧ)2 звуко14
BY 8559 C1 2006.10.30
вого сигнала, вход которого в режиме "запись" подключен к входу устройства АФО, а в
режиме "воспроизведение" подключен к инвертирующему выходу сумматора 1, при этом
канал обработки СЧ 2 содержит последовательно соединенные первый фильтр высокой
частоты 6, управляемый фильтр высокой частоты с переменной частотой среза 8 и усилитель 10, выход которого через последовательно соединенные первый частотный корректор 14,
выпрямитель 15 и сглаживающий фильтр 16 соединен с управляющим входом управляемого фильтра высокой частоты с переменной частотой среза 8, отличающемся тем, что
опорные входы выпрямителя 15 и сглаживающего фильтра 16 соединены с выходом порогового устройства 17; вход канала обработки СЧ 2 содержит первый полосовой фильтр 6,
выход которого соединен с входом первого фильтра высокой частоты 7, между управляемым фильтром высокой частоты с переменной частотой среза 8 и усилителем 10 введен
второй фильтр высокой частоты 9, а выход усилителя 10 последовательно соединен с аттенюатором 11 и вторым полосовым фильтром с переменным коэффициентом передачи 12,
выход которого является выходом канала обработки СЧ 2, а дополнительный выход соединен со входом линеаризующего двухстороннего ограничителя 13, при этом ко входу
канала обработки СЧ 2 подключены входы каналов обработки низкой частоты (НЧ)3 звукового сигнала и широкой частоты (ШЧ)4 звукового сигнала, выходы которых соединены
соответственно с третьим и четвертым входами сумматора 1, выход которого подключен к
входу делителя напряжения с переменным коэффициентом деления 12, выход которого в
режиме "запись" подключен к входу канала обработки высокой частоты (ВЧ)5 звукового
сигнала и к первому входу сумматора-усилителя с переменным коэффициентом усиления 19,
выход которого является выходом устройства АФО, а второй вход соединен с выходом
канала обработки ВЧ 5; в режиме "воспроизведение" инвертирующий выход сумматораусилителя 19 соединен с входом канала обработки звукового сигнала ВЧ 5, а первый вход
сумматора-усилителя 19 соединен с входом делителя напряжения 18;
е) в устройстве по II-му варианту, отличающемся тем, что канал обработки НЧ 3 звукового сигнала содержит последовательно соединенные первый полосовый фильтр 20,
фильтр низкой частоты 21, управляемый фильтр низкой частоты с переменной частотой
среза 22, фильтр высокой частоты 23, усилитель 24, аттенюатор 25 и второй полосовой
фильтр 26, причем выход усилителя 24 соединен с входом усилителя-фазовращателя 27,
вход и выход которого соединены с входами функционального выпрямителя 28, выходы
которого через сглаживающий фильтр соединен с управляющим входом управляемого
фильтра низкой частоты с переменной частотой среза 22, при этом опорные входы функционального выпрямителя 28 и сглаживающего фильтра 29 соединены с выходом порогового устройства 30;
ж) в устройстве по II-му варианту, отличающемся тем, что канал обработки ШЧ 4 звукового сигнала содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр 31,
первый фильтр высокой частоты 32, управляемый фильтр высокой частоты с переменной
частотой среза 33, второй фильтр высокой частоты 34, усилитель 35, аттенюатор 36 и второй
полосовой фильтр с переменным коэффициентом передачи 37, дополнительный выход
которого соединен с входом линеаризующего двухстороннего ограничителя 38, причем
выход усилителя 35 через последовательно соединенные второй частотный корректор 39,
выпрямитель 40 и сглаживающий фильтр 41 соединен с управляющим входом управляемого фильтра высокой частоты с переменной частотой среза 33, при этом опорные входы
выпрямителя 40 и сглаживающего фильтра 41 соединены с выходом порогового устройства 42;
з) в устройстве по II-му варианту, отличающемся тем, что канал обработки ВЧ 5 звукового сигнала содержит последовательно соединенные первый полосовой фильтр 43,
первый фильтр высокой частоты 44, управляемый фильтр высокой частоты с переменной
частотой среза 45, второй фильтр высокой частоты 46, усилитель 47, аттенюатор 48 и второй полосовой фильтр с переменным коэффициентом передачи 49, дополнительный вы15
BY 8559 C1 2006.10.30
ход которого соединен с входом линеаризующего двухстороннего ограничителя 50, причем выход усилителя 47 через последовательно соединенные третий частотный корректор 51, выпрямитель 52 и сглаживающий фильтр 53 соединен с управляющим входом
управляемого фильтра высокой частоты с переменной частотой среза 45, при этом опорные входы выпрямителя 52 и сглаживающего фильтра 53 соединен с выходом порогового
устройства 54.
Отличие схем вариантов устройства АФО (фиг. 1, 2) заключается в разном порядке
включения канала обработки ВЧ 5 (фиг. 5). Так в 1-м варианте устройства АФО при записи
и воспроизведении происходит одновременная независимая обработка звукового сигнала
всеми каналами обработки (каналами СЧ, НЧ, ШЧ и ВЧ) с аддитивным суммированием
результата действия обработки каналов на выходе устройства в сумматоре 1 (фиг. 1). Во
II-м же варианте устройства АФО на фиг. 2 для корректной работы канала обработки ВЧ 5
предложено применение дополнительных блоков 18, 19 (фиг. 5), необходимых только для
согласования уровней сигнала ("сдвига уровней"), о чем будет сказано ниже.
Работа устройства АФО происходит следующим образом.
В I-м и II-м вариантах устройства АФО сигнал с выхода канала обработки НЧ 3
(фиг. 1, 2) в результате обработки низкочастотного диапазона суммируется с выходным
сигналом в сумматоре 1 независимо от действия каналов обработки СЧ 2, ШЧ 4 и ВЧ 5, не
обрабатывающих этот низкочастотный диапазон.
В I-м варианте устройства АФО в верхнем звуковом диапазоне частот происходит
процесс суммирования результатов обработки сигнала в каналах обработки ШЧ 4, СЧ 2 и
ВЧ 5 (фиг. 1) в сумматоре 1.
Во II-ом варианте устройства АФО на фиг. 2, дающим большой уровень компрессии и,
как следствие, большой уровень шумопонижения, т.е. больший технический результат,
каналы обработки НЧ 3, ШЧ 4 и СЧ 2 включены, работают как в I-м варианте устройства
АФО (фиг. 1), а канал ВЧ 5 обрабатывает мультипликативно суммарный результат действия каналов НЧ 3, ШЧ 4 и СЧ 2, работающих как в I-м варианте устройства АФО. Каналы
обработки устройства АФО (фиг. 1, 3...5) в составе вариантов устройства (фиг. 1, 2) работают на основе алгоритма работы компандера аддитивного вида [1, 3, 8], алгоритма прохождения сквозного звукового сигнала через общую структурную схему КСШП каналов
устройства АФО в режимах записи и воспроизведения, изображенного на фиг. 6.
Так как II-й вариант устройства АФО (фиг. 2) и алгоритм его работы полностью содержит в себе принцип алгоритма работы более простого по реализации I-го варианта
(фиг. 1), то ниже будет уделено больше внимания описанию более сложного II-го варианта устройства АФО.
Схемы технической реализации блоков каналов обработки устройства АФО, изображенные на фиг. 1...5 и т.д., поясняющие работу каналов устройства АФО, позволят пояснить возможность практической реализации изобретения.
На фиг. 7 изображена схема алгоритма работы каналов обработки (фиг. 1, 3...5) в составе устройства АФО (фиг. 1, 2) отдельно в режиме записи (сжатия) и воспроизведения
(расширения). Сжатие и расширение динамического диапазона (ДД) здесь достигается
благодаря тому, что на основной сигнал аддитивно накладывается дополнительный сигнал Uс доп. с выхода канала обработки (фиг. 1, 2, 6, 7), величина которого зависит от величины входного сигнала Uc и коэффициента передачи К, зависящего от его амплитуды и
частоты сигнала (Ас, fc); Uc доп. = Uс K(Ac,fc). При этом реализуемые функции от действия
каналов обработки (фиг. 6, 7) следующие [1]:
а) выходной сигнал записи (после сжатия): Uc = [1 + K1 (Ас, fc) ] ⋅ Uс,
где K1 - коэффициент передачи канала обработки;
б) входной сигнал воспроизведения (перед расширением): Ucвопр= Uс' + S,
где S - сигнал помехи MH (фиг. 6, 7);
в) выходной сигнал воспроизведения (после расширения):
16
BY 8559 C1 2006.10.30
Uc" = (Uс' + S) - Uс" K2(Aс, fc) = (1/(1 + K2(Aс, fc))) ⋅ (Uc' + S) = Uс.
Для того, чтобы выходной сигнал Uc" каналов обработки после сжатия-расширения
устройства АФО получился в пределе точно таким, каким был на входе Uc (фиг. 6, 7), необходимо удовлетворить следующие требования: характеристики преобразования сигнала
устройства в режиме сжатия и расширения должны быть взаимообратимы, и должны быть
ничтожно малы помехи S << Uc.
При этом очень важно обеспечить алгоритм корректного декодирования от действия
управляющего сигналом Uупр. (фиг. 1, 3...5) на обрабатываемый сигнал в управляемых
фильтрах каналов устройства. Декодирование должно быть таким, чтобы параметры, характеризующие управляющий сигнал (пиковые значения, эффективные значения, диапазона частот управляемого сигнала и т.д.), при передаче были бы примерно идентичны и не
искажались [1, 8].
Для получения технического результата в предлагаемом устройстве АФО, в отличие
от устройств аналогов типа КСШП "Долби-С" и т.д., положен иной алгоритм модели временно-частотной модели представления звукового сигнала.
Отметим, что, когда уровень выходного звукового сигнала в режиме "запись" на звуковой частоте в полосе действия компрессии для одного канала обработки имеет номинальную величину, равную нулю децибел (фиг. 7, 8), сигнал с выхода канала обработки не
вносит заметную весовую добавку, равную величине компрессии "а" (фиг. 8), в выходной
сигнал устройства АФО U"c. При уменьшении уровня входного сигнала Uc в режиме "запись" ниже нуля децибел вес сигнала Uc доп. в общем выходном сигнале U"c увеличивается на величину компрессии "а", которая при дальнейшем уменьшении Uc достигает
максимальной величины а0, т.е. выбранной максимальной величины компрессии данного
канала обработки.
На фиг. 8 изображена идеальная амплитудная характеристика формирования суммарного выходного сигнала на выходе канала записи-воспроизведения для частот, обрабатываемых им. Для каждого канала обработки сигнал Uc пор. и уровень максимальной
компрессии а0 могут иметь свое конкретное значение, о выборе которых будет сказано
ниже. Алгоритм преобразования величины амплитудного уровня обрабатываемого конкретного тонального сигнала в каналах обработки в режимах "запись-воспроизведение" в
соответствии с алгоритмом работы КСШП и рассматриваемых функциональных схем
(фиг. 1, 2) приведен на фиг. 8б.
Как было отмечено выше, в первом варианте устройства АФО (фиг. 1) канал обработки ШЧ 4 обрабатывает уровни сигналов относительно широкого частотного диапазона
частот звукового сигнала в среднем от 320 Гц до 8 кГц на относительно высоком уровне
(фиг. 8, 9). Канал обработки СЧ 2 обрабатывает диапазон частот в среднем от 1,6 кГц до 8
кГц, т.е. в меньшем диапазоне частот и сигнала меньшего уровня, чем в канале ШЧ 4. Канал обработки ВЧ 5 - соответственно в диапазоне частот в среднем от 2 кГц до 8 кГц, т.е. в
еще меньшем диапазоне частот и сигнала с еще меньшим уровнем, чем в канале СЧ 2
(фиг. 8, 9). Канал НЧ 3 обрабатывает независимо от других каналов диапазон низких частот в среднем от 320 Гц вниз до 50 Гц.
Таким образом, диапазоны действия частот и уровней сигнала каналов обработки ШЧ,
СЧ и ВЧ как бы "вложены" по частоте и уровню друг в друга. При этом при записи в варианте I устройства АФО действие этих каналов обработки суммируются с обрабатываемым сигналом (фиг. 1, 6, 7, 9), проходящим через сумматор без обработки, т.е. без
ограничения уровней ("спектральных скосов") в нижнем и верхнем диапазонах обрабатываемых звуковых частот, как в КСШП "Долби-(С, SR, S)" и.т.п.
Так в варианте I исполнения устройства АФО (фиг. 1) в режиме "запись" при уменьшении уровня выходного сигнала ниже нуля децибел (фиг. 9) начинается последовательно
увеличиваться в выходном сигнале Uc вес сигналов с выходов каналов обработки, т.е. сигналов UШЧс доп. , UСЧс доп. и UВЧс доп. (фиг. 7, 8, 9). При этом начинается последовательное
17
BY 8559 C1 2006.10.30
увеличение суммарного выходного сигнала Uc от действия выходных сигналов каналов
обработки, имеющих большее значение порога Uc пор. (фиг. 9) на каждой фиксированной
частоте входного сигнала Uc. Это же относится и ко всем возможным вариантам включения каналов обработки в обоих вариантах исполнения устройства АФО (фиг. 1, 2).
В режиме же "воспроизведения" при уменьшении уровня входного сигнала Ucвосп.,
видно последовательное увеличение понижающего действия сигналов Uс.доп. с выходов
соответствующих каналов обработки на входной сигнал, т.е.. канала обработки, имеющего
большее значение порога Uc пор. (фиг. 7, 8) и большую ширину обрабатываемых звуковых
частот, т.е. "вложенных" каналов обработки по уровню и частоте. Понижение уровня
входного сигнала Ucвоспр. приводит к уменьшению уровня выходного сигнала Uc от действия каналов обработки (фиг. 6, 7, 8), т.е. от последовательного добавления действия эффекта шумопонижения каналов обработки ШЧ, СЧ, ВЧ.
Правильность принятой в устройстве АФО идеологии модели звукового динамического сигнала, т.е. "вложенности" каналов, подтверждена конечным положительным психоакустическим результатом контроля выходного реального звукового сигнала после
обработки его устройством АФО. При этом учтено, что спектр реального звукового сигнала на частотах выше 1,5 кГц имеет большую взаимную зависимость (корреляцию) [1, 8,
12, 24, 25], что учтено и при разработке КСШП "Долби" [1, 3, 4, 7, 11, 12 и т.д.], и различных высокоэффективных динамических ШП, типа DNL [26] и т.п. [1, 8].
В варианте I устройства АФО алгоритм обработки звукового сигнала устройства АФО
(фиг. 1) уровень суммарного шумопонижения определяется в каждом диапазоне звуковых
частот действием суммы сигналов с выходов каналов обработки в каждом из этих диапазонов от действия включенных при обработке каналов.
В варианте II устройства АФО (фиг. 2) каналы НЧ, ШЧ и СЧ работают по алгоритму,
как в варианте I. Сам же канал обработки ВЧ с дополнительным сумматором 19 прямого
сигнала с переменным коэффициентом передачи и с дополнительным делителем 18 с переменным коэффициентом деления, необходимыми только для согласования уровней
входных сигналов на входе канала ВЧ для корректной его работы по алгоритму КСШП
(фиг. 7, 8), построен, как и другие каналы обработки АФО, по принципу построения схемы канала обработки СЧ устройства АФО (фиг. 1, 5, 7). Канал ВЧ 5 в остальных блоках
обработки устройства АФО обрабатывающих сигналы как в режиме "запись", так и в режиме "воспроизведение" по алгоритму варианта I устройства АФО. При этом дополнительный делитель и сумматор 19 необходим только для выравнивания среднего уровня
амплитуды сигнала на входе канала обработки ВЧ, т.е. для приведения этого среднего
уровня сигнала на входе канала примерно к среднему амплитудному значению для линеаризации выходной сквозной амплитудной характеристики для более корректной декодирующей работы ВЧ канала в составе устройства АФО по идеологии "вложенных" уровней
и частот (фиг. 2, 7, 8). Этот "сдвиг" уровня в канале обработки ВЧ 5 постоянен при воспроизведении и переменен при записи (фиг. 2) в зависимости от числа включенных при
записи каналов обработки, т.е. от максимальной величины действия их суммарной компрессии сигнала блоками обработки до канала обработки ВЧ, о чем будет сказано ниже.
В КСШП "Долби-С" и т.п. в режиме "воспроизведения" последовательность обработки
сигнала происходит в обратном порядке, т.е. сначала восстанавливается действие компрессии малого уровня, полученной при записи последней, а потом - действие компрессии
большего уровня, которая при записи была первой. Устройство АФО позволяет получить
полезный эффект, т.е. алгоритм устройства дает возможность получить конечный положительный результат психоакустической незаметности компрессии при большем уровне
компрессии в каналах обработки, чем возможен в КСШП "Долби". При этом функциональная схема канала обработки СЧ вариантов устройства АФО со входящими в ее состав
блоками изображена на фиг. 1; функциональная схема канала обработки НЧ вариантов
устройства АФО со входящими в ее состав блоками изображена на фиг. 3; функциональ18
BY 8559 C1 2006.10.30
ная схема канала обработки ШЧ вариантов устройства АФО со входящими в ее состав
блоками изображена на фиг. 4; функциональная схема канала обработки ВЧ вариантов
устройства АФО с входящими в ее состав блоками изображена на фиг. 5.
Алгоритм работы каналов обработки, описанный выше, одинаков для тонального сигнала в полосе частот, обрабатываемых каждым каналом, и заключается, в идеальном случае, в ограничении уровня стационарного выходного сигнала канала обработки значением
Uc пор. (фиг. 7, 8, 9), как обычной системы автоматического регулятора усиления (АРУ)
систем автоматики [1, 8]. Рост входного сигнала в каналах обработки ведет к росту сигнала Uc доп. При определенном входном уровне Uc пор. сигнал прекращает расти из-за уменьшения коэффициента передачи УФВЧ (УФНЧ) при незначительном превышении этого
входного сигнала. Величина Uc пор. зависит от выбранной величины Uпop., поступающей на
дополнительный вход управляемых фильтров (УФ) с выходов пороговых устройств ПУ
1...4 (фиг. 1, 3...5, 8, 9).
Следует отметить, что для достижения названного выше технического результата устройства АФО в его каналах обработки в ПФ1 (поз. 6, 31, 43) значение верхней граничной
частоты выбрано, например, 8 кГц из диапазона 6...10 кГц из соображений, что до 8 кГц легко можно получить линейную АЧХ сквозного тракта записи-воспроизведения любого магнитофона на большинстве MH. При этом начало спада псофометрической чувствительности
в восприятии уха человека на высоких частотах начинается примерно после 6...10 кГц, что
следует также из анализа частотновзвешенной АЧХ (фиг. 10), рекомендованной международным консультативным комитетом по радиовещанию MKKP [4, 7, 8, 27].
Частота сопряжения каналов НЧ и ШЧ выбрана, например, равной 320 Гц из диапазона
(160...500) Гц из соображения их смежности при обработке всего диапазона звуковых частот. Это значение частоты выбрано также из соображений примерной средней границы разделения низкочастотного и среднечастотного диапазонов тембров звукового сигнала [1].
Если компандированная запись будет воспроизводиться даже без устройства АФО, то наличие компрессии при записи только НЧ или ШЧ каналом обработки будет восприниматься
естественно, как обычный немного поднятый уровень тембра НЧ ("басы") или СЧ ("эффект
присутствия"). При этом полоса звуковых частот ниже 320 Гц не доминантная (не основная)
в звуке (полоса частот, передаваемая по телефонной ЛC, принята, например, от 300 Гц до
3400 Гц), т.е. ошибки в декодировании в полосе ниже 320 Гц не сильно влияют на информативность фонограммы. В устройстве АФО сложность схемотехники каналов обработки сведена до минимума путем, как было отмечено выше, ограничения конечных нижней частоты
"скользящего окна" в управляемых фильтрах УФНЧ (фиг. 3) до нижней граничной частоты,
выбранной равной 50 Гц, и в УФВЧ (фиг. 1, 4, 5) до верхней граничной частоты 8 кГц соответственно. Это и привело к увеличению быстродействия обработки сигнала в канале НЧ,
СЧ, ШЧ и к уменьшению общего уровня интермодуляции, заметной на слух, которая часто
особенно заметна на частотах 0,5...1 кГц [12, 16, 28].
Звуковые сигналы, обрабатываемые в канале ВЧ (фиг. 1, 2, 5), лежат с частот выше
2 кГц и имеют большую взаимозависимость [12, 24], что и позволяет при обработке совместно с каналами ШЧ и СЧ реализовать описанную выше модель "вложенных" диапазонов обработки звукового сигнала. Вариант II устройства АФО (фиг. 2) может быть
применен для получения большего суммарного эффекта шумопонижения как положительного технического результата. Большое внимание в предлагаемых вариантах устройства
АФО было уделено динамическим психоакустическим свойствам сигнала, обработанного
устройством.
При нормальной корректной работе КСШП [1, 8 и т.д.] для получения наиболее линейной
сквозной амплитудной характеристики (фиг. 6...9) уровень одночастотного сигнала на выходе канала воспроизведения Ucвоспp. ≈ Uc' поступает большей величины, чем сигнал Uc на
входе в режиме "запись" на величину его компрессии, равную "а" = 201g(Uc'/Uc), т.е.
больший на величину от нуля децибел до "а0" децибел (фиг. 8) в зависимости от уровня
входного сигнала Uc.
19
BY 8559 C1 2006.10.30
В варианте II устройства АФО в режиме записи уровень сигнала после обработки в
канале ВЧ поднимается при записи в диапазоне уровней сигналов меньших по величине и
в более узкой полосе частот, чем он обрабатывался каналами ШЧ и СЧ (фиг. 1, 2, 9). В
режиме же воспроизведения каналы обработки восстановят уровни сигнала Uc до уровня,
примерно равного Uc" ≈ Uc, как это видно на фиг. 8б, путем суммарного действия от обработки каналами ШЧ и СЧ. Эти каналы обработки понизят уровень сигнала на величину
"а" дБ (фиг. 8) в своих диапазонах частот и уровней, как описано выше, т.е. каналы обработки ШЧ и СЧ вернут уровень компрессированного сигнала в пределе в исходное состояние с остатками компрессии от действия канала ВЧ, так как он лежит "под уровнями"
сигналов и в полосе частот обработки сигнала каналами ШЧ и СЧ.
Следует еще раз отметить, что так как звуковые частоты выше 1,5...4,5 кГц имеют
большую взаимную корреляцию, то это позволяет анализировать и объяснять алгоритм
суммарного действия каналов обработки устройства АФО на разных средних частотах в
полосе обработки каждого канала (фиг. 8, 9, 11), что примерно идентично анализу алгоритма модели звукового сигнала, принятого при разработке КСШП "Долби" [4, 7, 11...13].
Так для устройства АФО для анализа его алгоритма работы сквозная амплитудная характеристика от действия каналов обработки ШЧ, СЧ и ВЧ может быть изображена на фиг. 8,
9, 11 для простоты анализа для одинаковых уровней максимальной компрессии в каналах,
равных "а0".
Так как в режиме записи и воспроизведения по варианту II устройства АФО тональный сигнал после обработки каналами ШЧ и СЧ поступает на вход канала обработки ВЧ
(фиг. 2, 11б) на разном уровне, то перед обработкой сигнала для более корректной работы
декодера канала ВЧ, как видно на фиг. 8б, необходимо, как отмечалось выше, применять
при записи делитель напряжения с переменным коэффициентом деления Кд, равным не
более величины компрессии от суммарного действия примененных при записи каналов
ШЧ и СЧ и сумматора с переменным обратным коэффициентом передачи, равным 1/Кд
для максимального выравнивания сквозного коэффициента передачи канала ВЧ до величины равной единице (фиг. 2). При этом происходит более корректное преобразование
уровней сигнала для максимальной линеаризации сквозной амплитудной характеристики
в режимах записи-воспроизведения(фиг. 6...8), как для работы КСШП с одним только каналом обработки ВЧ.
При этом величина Кд зависит от режима записи устройства АФО, т.е. от величины
суммарной компрессии исходного входного сигнала Uc, величины "сдвига уровня" каналами обработки ШЧ и СЧ, включенных при записи в варианте II устройства АФО. Сигнал
записи поступает на вход канала обработки ВЧ уже скомпрессированный на величину их
суммарной максимальной компрессии а1 дБ (фиг. 2, 11б) от действия каналов обработки
ШЧ и СЧ. При этом сигнал на выходе компрессора имеет следующее значение, определяемое следующей формулой:
U'c1 = a 1 ⋅ U c = a ∑
шч, сч
⋅ U c = U c + U шч с доп. = U сч с доп. = U c + K шч ⋅ U c + K сч ⋅ U c =
= (1 + K шч + K сч ) ⋅ U c = К д ⋅ U c ,
где Кшч - коэффициент передачи канала обработки ШЧ;
Ксч - коэффициент передачи канала обработки СЧ;
К - коэффициент деления;
U'c1 - амплитуда сигнала после обработки каналами обработки ШЧ и СЧ;
а∑шч,сч = а1 - суммарный коэффициент компрессии сигнала от действия каналов ШЧ
и СЧ.
Суммарный коэффициент компрессии варианта II устройства АФО с учетом компрессии канала обработки ВЧ 5 (фиг. 2) имеет величину ао = а1⋅(Квч + 1), где Квч - коэффициент
передачи канала обработки ВЧ 5 (фиг. 2, 8, 11б).
20
BY 8559 C1 2006.10.30
Хотя обрабатываемые звуковые частоты выше 1,5...4,5 кГц имеют большую взаимную
зависимость, но из-за различия начала влияния во времени нижней части спектра полос
частот, обрабатываемых каналами устройства, моменты времени максимальной средней
интенсивности сигналов Uупр. в каналах обработки (фиг. 1, 3...5) на управляемых входах
УФВЧ (УФНЧ) во времени не совпадают [8, 9, 24, 25]. Следовательно, имеется и несовпадение времени максимальной интенсивности компрессии действия обрабатываемого каналами в устройстве АФО начала звукового сигнала. Тем более, что в устройстве АФО на
входе каналов обработки стоят полосовые фильтры ПФ1 (фиг. 1, 2...4), которые ослабляют
действие звуковых частот выше 8 кГц. Поэтому суммарная величина выбросов на выходе
устройства АФО под действием фронта широкополосного звукового сигнала меньше, чем
суммарная величина компрессии ао от действия всех "вложенных" каналов обработки ШЧ,
СЧ и ВЧ.
Графики на фиг. 11 изображают характер изменения коэффициента передачи в устройстве АФО от действия отдельно каналов ШЧ, СЧ и ВЧ и их суммарного действия
("ШЧ + СЧ + ВЧ"). Изображен характер действия каналов ШЧ и СЧ (суммарная компрессия а1) для вариантов устройства АФО. Графики "ШЧ + СЧ + ВЧ" для варианта II (фиг. 2, 11б)
шире по величине, чем для варианта I (фиг. 1, 11a), что указывает на больший уровень
шумопонижения. Для простоты рассмотрения работы устройств компрессия каналов обработки равна а0.
В варианте II устройства АФО (фиг. 2, 11б) уровень исходного записываемого входного сигнала Uc из точки 1 (фиг. 11б) после компрессии его каналом ШЧ и СЧ поднимается
на величину a1 = К∑шч,сч = a1-2 в точку 2 (U''c1, фиг. 11 б). Последующая компрессия сигнала
в канале ВЧ поднимет уровень амплитуды в точку 2 или на величину компрессии канала
ВЧ, т.е. на величину авч = a2-2' = а5-6 до уровня амплитуды U'c (фиг. 2, 8б, 11б).
При воспроизведении же входной сигнал устройства АФО будет равен Ucвоспр ≈ U'c и
после прохождения суммарного канала обработки (фиг. 2, 8б, 11б) опустится из точки 3
(U'с = Ucвопр) в точку 4 (U''c1), т.е. на ту же величину компрессии а1 = а3-4 = а1-2.
Для корректного декодирования в канале ВЧ (фиг. 2, 8б) для получения выходного
сигнала U"с ≈ Uc точку амплитудной характеристики 4 необходимо опустить в точку 4
(фиг. 8б, 11б) на величину авч = а4-4', которая равна величине а3-3' = a6-5 = а2-2'. Эта величина
декомпрессии (расширения) равна величине компрессии (сжатия) при записи сигнала
авч = а2-2'. Для корректной работы канала ВЧ, как уже отмечалось, аналогично алгоритму
для КСШП на фиг. 8 необходимо при воспроизведении уровень входного сигнала канала
ВЧ (фиг. 2), т.е. точку 4 поднять ("сдвинуть") на уровень точки 3 или на величину компрессии каналов ШЧ и СЧ, равную, a1 = а3-4 = Кдмах. Это и есть величина максимального
уровня "сдвига", т.е. величина максимального ослабления Кдмах делителя напряжения
(фиг. 2). Она равна величине максимальной компрессии включенных каналов ШЧ и СЧ,
как если бы только канал ВЧ один обрабатывал бы сигнал (Кд = 1, фиг. 11) [3, 5...8 ,11].
В варианте II устройства АФО (фиг. 2) уровень "сдвига" и коэффициент деления делителя необходимо и достаточно выбрать его величину не более следующей максимальной
величины:
Кд1мах = a1 = а∑сч,шч = 1 + (2,29)шч + (2,29)сч ≈5,6 раз,
что составляет примерно 15 дБ (фиг. 2, 11). Предлагается выбрать коэффициент деления
для канала обработки ВЧ (фиг. 2), равный, например, Кд1 = 12 дБ < Кд1мах из диапазона от
10 до 15 дБ.
При включенном только канале ШЧ или СЧ в суммарном канале варианта II устройства АФО при рекомендованных значениях компрессии а1 = Кд2мах = асч = ашч ≈10 дБ выбран
коэффициент деления, равный, например, Кд2мах > Кд2 = 10 дБ из диапазона от 6 до 10 дБ.
При включении только канала ВЧ в варианте II устройства АФО установливают
Кд3 = 0 дБ = 1 раз, как и при работе отдельно только каналов ШЧ, ШЧ, СЧ (фиг. 1, 2).
21
BY 8559 C1 2006.10.30
При этом небольшая нелинейность сквозной амплитудной характеристики (AX) при
среднем уровне сигнала с учетом импульсного характера реального сигнала [24...26] психоакустически вообще незаметна на слух.
Отдельно для каждого канала обработки устройства АФО устанавливают следующие
уровни компрессии для малого сигнала а0 (Uc<Uc пор. на рис. 9):
а) для канала СЧ (фиг. 1) на частоте 4 кГц, например, величиной а0нч ≈ 10 дБ (3,29 раз,
фиг. 12) из диапазона от 6 до 20 дБ;
б) для канала НЧ (фиг. 3) на частоте 100 Гц, например, величиной а0шч ≈ 15 дБ (примерно 5,5 раз, фиг. 13) из диапазона от 6 до 20 дБ;
в) для канала ШЧ (фиг. 4) на частоте 2 кГц, например, величиной а0сч ≈ 10 дБ (3,29 раз,
на фиг. 14) из диапазона от 6 до 20 дБ;
г) канал ВЧ (фиг. 5) на частоте 6 кГц, например, величиной а0вч ≈ 12 дБ (4 раза,
фиг. 15) из диапазона от 6 до 15 дБ.
Установленные выше уровни компрессии каналов позволяют использовать устройство
АФО для обеспечения совместимости с фонограммами, записанными с применением уже
имеющих широкое распространение КСШП [1]. Для этого устанавливаются следующие
режимы работы устройства АФО для примерного сопряжения со следующими КСШП:
а) работа канала СЧ (режим "АФО-С") с максимальным уровнем шумопонижения
10 дБ (фиг. 12) соответствует примерно КСШП "Долби-В" (10 дБ);
б) работа каналов ШЧ и ВЧ по II варианту (режим " "АФО-Ш, В2") с максимальным
уровнем шумопонижения аΣ = 10 дБ + 12 дБ = 22 дБ (фиг. 18) или каналов ШЧ, СЧ и ВЧ
по варианту I (режим "АФО-Ш, С, Bl") с максимальным уровнем шумопонижения
аΣ = 1 + 2,29 + 2,29 + 3 ≈ 8,6 раз (примерно 18 дБ) соответствует примерно КСШП
"Долби-С" (20 дБ);
в) работа каналов НЧ, ШЧ, СЧ и ВЧ по варианту I (режим "АФО-1") с максимальным
уровнем шумопонижения аΣ = 1 + 2,29 + 2,29 + 3 ≈ 8,6 раз (примерно 18 дБ, фиг. 16) или
каналов НЧ, ШЧ и ВЧ по варианту II (режим "АФО-Н, Ш, В2") с максимальным уровнем
шумопонижения аΣ = 10 дБ + 12 дБ = 22 дБ соответствует примерно КСШП типа "ДолбиSR", S" (24дБ);
г) работа каналов НЧ, ШЧ, СЧ и ВЧ по варианту II (основной режим "АФО") с максимальным уровнем шумопонижения аΣ = (1 + 2,29 + 2,29)⋅4 ≈ 5,6⋅4 (т.е. на 15 дБ + 12
дБ = 27 дБ, фиг. 17) или каналов НЧ, ШЧ и ВЧ по варианту II (режим "АФО-И, Ш, В2") с
уровнем шумопонижения на а∑ = ашч + авч ≈ 10 дБ + 12дБ = 22 дБ, что соответствует примерно КСШП "Долби-SR", S" (24 дБ).
Применение отдельно каналов НЧ, ШЧ, ВЧ (режимы "АФО-Н", "АФО-Ш", "АФО-B")
в режиме записи повышает уровень компрессии уже компандированных фонограмм. Применение же отдельно каналов НЧ и ВЧ в качестве независимых динамических фильтров
только в режиме воспроизведения (или записи) увеличивает соотношение с/ш соответственно в области НЧ или ВЧ в фонограмме.
Фильтры ФВЧ2 (поз. 9, 34, 46, фиг. 1, 4, 5) и ФВЧ поз. 23 (фиг. 3) снижают петлевое
усиление по цепям сигнала Uупр в УФВЧ (УФНЧ) каналов обработки, чтобы также уменьшить интермодуляцию инфранизкой составляющей звуковой частоты сигнала управления
Uупр через фильтры УФВЧ поз. 8, 33, 45 и УФНЧ поз. 22. При этом фильтры ФВЧ1 поз. 7,
32, 44 и фильтры ПФ1 поз. 6, 20, 31, 43 (фиг. 1, 3...5) на входах каналов обработки дополнительно уменьшают действие инфранизких подтональных составляющих, чем еще больше уменьшают уровень интермодуляции обрабатываемого звукового сигнала сигналом
управления Uупр на выходах фильтров УФНЧ и УФВЧ и выходного сигнала всего устройства АФО в целом.
На выходе же каналов обработки (фиг. 1, 3...5) полосовые фильтры ПФ2 поз. 12, 26,
37, 49 дополнительно ослабляют действие внеполосных низких и высоких частот, проходящих на выходы каналов обработки. Это еще больше уменьшает влияние внеполосных
22
BY 8559 C1 2006.10.30
низких подтональных частот на эффект заметности их психоакустически в выходном сигнале устройства АФО в результате действия работы управляемых фильтров в каналах обработки [12, 29].
Полосовые фильтры ПФ1 поз. 6, 20, 31, 43 (фиг. 1, 3...5) на выходах каналов обработки уменьшают действия высокочастотного звукового сигнала выше 8 кГц, о чем было сказано выше, что отчасти является альтернативой "спектральных скосов", применяемых в
КСШП "Долби".
Постоянные времени τф = RфСф (Rф и Сф соответственно эквивалентное сопротивление
и емкость фильтра [1] перечисленных выше фильтров определяются их частотами среза,
равными fф = 1/(2π⋅τф) и определяются выбранными диапазонами значений в каналах устройства АФО:
а) в фильтрах канала СЧ (фиг. 1):
в фильтре поз. 6 (ПФ1) это, например, τпф1вч = 1,6 мс (fпф1вч = 100 Гц) из диапазона
0,5...32 мс, τпф1нч = 20 мкс (8 кГц) из диапазона (16...27) мкс;
в фильтре поз. 7 (ФВЧ1) τфвч1 = 200 мкс (800 Гц) из диапазона (160...500) мкс;
в фильтре поз. 9 (ФВЧ2) τфвч2 = 1,6 мс (100 Гц) из диапазона на (1...3,2) мс;
в фильтре поз. 12 (ПФ2) τвчпф2 = 1,6 мс (100 Гц) из диапазона (1...3,2) мс, τнчпф2 = 5 мкс
(32 кГц) из диапазона (3...7) мкс;
б) в фильтрах канала НЧ (фиг. 3):
в фильтре поз. 20 (ПФ1) это, например, τвчпф1 = 50 мс (3 Гц) из диапазона (20...100) мс,
τнчпф1 = 100мкс (1,6кГц) из диапазона (50...150) мкс;
в фильтре поз. 21 (ФНЧ) τфнч = 0,5 мс (320 Гц) из диапазона (0,3...1) мс;
в фильтре поз. 23 (ФВЧ) τфвч = 32 мс (5 Гц) из диапазона 20...100 мс;
в фильтре поз. 26 (ПФ2) τпф2нч = 50мс (3 Гц) из диапазона (20...100) мс, τпф2вч = 40 мкс
(4к Гц) из диапазона 40...100 мкс;
в) в фильтрах канала ШЧ (фиг. 4):
в фильтре поз. 31 (ПФ1) это, например, τпф1вч = 2 мс (80 Гц) из диапазона (1,6...3) мс,
τпф1нч = 20 мкс (8 кГц) из диапазона 16...27 мкс;
в фильтре поз. 32 (ФВЧ1) τфвч1 = 2 мс (80 Гц) из диапазона (1,6...3,2) мс;
в фильтре поз. 34 (ФВЧ2) τфвч2 = 8 мс (20 Гц) из диапазона (5...16) мс;
в фильтре поз. 37 (ПФ2) τпф2вч = 8 мс (20 Гц) из диапазона (5...16) мс, τпф2нч = 5 мкс
(32 кГц) из диапазона 3...7 мкс;
г) в фильтрах канала ВЧ (фиг. 5):
в фильтре поз. 43 (ПФ1) это, например, τпф1вч = 320 мкс (500 Гц) из диапазона 0,2... 1 мс,
пф1
τ нч = 20 мкс (8 кГц) из диапазона (16...27) мкс;
в фильтре поз. 44 (ФВЧ1) τфвч1 = 50 мкс (3,2 кГц) из диапазона (27...100) мкс;
в фильтре поз. 46 (ФВЧ2) τфвч2 = 1,6 мс (100 Гц) из диапазона (1...3,2) мс;
в фильтре поз. 49 (ПФ2) τпф2вч = 3,2 мс (50 Гц) из диапазона (2...6,4)мс, τпф2нч = 5 мкс
(32 кГц) из диапазона (3...7 мкс).
Выбор постоянных времени заряда и разряда сглаживающих фильтров СФ1 поз. 16,
29, 41, 53 каналов устройства АФО (фиг. 1, 3...5) сделан из соображений компромисса между допустимой психоакустической заметностью прохождения импульсных фронтов атаки звуковой фонограммы и приемлемым уровнем затухания звукового сигнала в реальной
акустической среде, т.е. примерно 70...100 мс [1, 3, 6, 7, 8, 12, 19, 24]. Допустимая постоянная времени незаметности прохождения фронта нарастания сигнала лежит в пределах
от 0,5...1 мс до 100 мс более и зависит от частоты и амплитуды звукового сигнала.
Вариант возможной практической реализации блоков управления УФВЧ 8, 33, 45 в
каналах обработки СЧ, ШЧ, ВЧ (фиг. 1, 4, 5) приведен на фиг. 19. При работе со звуковыми сигналами различной интенсивности постоянная заряда фильтров СФ 16, 41, 53 переменна и зависит от мгновенной величины входного сигнала и от номиналов резисторов
23
BY 8559 C1 2006.10.30
R3, R4 и емкостей С1, С2 этих фильтров, построенных аналогично как в КСШП "Долби"
[1, 3, 4, 7 ]. Здесь для уменьшения пульсации управляющих напряжений Uупр. на входе УФ
рекомендовано примерное соотношение Cl ≈ 3 ⋅ С2, при Сразд.>>С1.
Постоянные времени τзар. ≈ R3⋅(С1 + C2) ≈ C1⋅(R4 + R5) и τраз. для каналов обработки
СЧ, ШЧ и ВЧ устройства АФО (фиг. 1, 4, 5, 19) имеют следующие выбранные значения:
а) для канала СЧ минимальная постоянная времени τсчзар. сглаживающего фильтра СФ
выбрана равной, например, 1 мс из диапазона 0,5...3 мс, а постоянная времени, например,
τсчразр. = 100 мс из диапазона 30...150 мс, как у КСШП "Долби-В" [3];
б) для канала ШЧ минимальная постоянная времени τшчзар. сглаживающего фильтра
СФ выбрана равной, например, 0,5 мс из диапазона 0,3...2 мс, а постоянная времени, например, τшчразр. = 50 мс из диапазона 30...150 мс, т.е. менее 70 мс [8, 19];
в) для канала ВЧ минимальная постоянная времени τвчзар. сглаживающего фильтра выбрана равной, например, 1 мс из диапазона 0,5... 3 мс, а постоянная времени, например,
τвчразр. = 100 мс из диапазона 30...150 мс.
На фиг. 20 изображен вариант технической реализации электрической схемы блоков
управления УФНЧ 22 (фиг. 3) соответственно канала НЧ. Постоянная времени заряда
τнчзар. сглаживающего фильтра выбрана равной, например, 15 мс из диапазона 3...30 мс,
постоянная времени разряда τнчразр. выбрана равной, например, 150 мс из диапазона
100...300 мс. Это примерно соответствует постоянным времени, рекомендованным в
КСШП "Долби-SR" [7].
На фиг. 19, 20 изображены варианты технической реализации электрических схем
блоков УФВЧ 8, 33, 45 и УФНЧ 22 (фиг. 1, 3...5) каналов СЧ, ШЧ и ВЧ, приведших к повышению быстродействия как положительного технического результата. Электрорадиоэлементы Rorp. и Corp. применены для ограничения предельных верхних и нижних (канал НЧ)
предельных частот среза в каналах обработки. Резистор Rl на фиг. 19 и емкость С4 на
фиг. 20 позволяют ограничить предельные низкие и верхние частоты среза в УФВЧ и УФНЧ,
что и привело, как отмечено в сущности изобретения, к увеличению динамического быстродействия.
Операционные усилители (ОУ) в блоках УФВЧ и УФНЧ и т.д. на фиг. 19, 20 можно
применять для исключения влияния нагрузки блоков на их работу, т.е. для развязки. Радиоэлементы С3, R6, R7 могут быть применены для линеаризации АЧХ этих фильтров.
Резистор R2 (R2>R1) на фиг. 19 для каналов ШЧ, СЧ и ВЧ и емкость С2 (С2<С4) на
фиг. 20 для каналов НЧ можно рекомендовать применять для уменьшения возможных
"провалов" в АЧХ и AX, например, в режиме "запись", имеющих место на выходе устройства АФО при обработке тональных сигналов малых уровней в каждом отдельном канале.
Неравномерность АЧХ может достигать уровня 4...6 дБ и более, что на реальном широкочастотном звуковом сигнале никак не обнаруживается психоакустически. При этом неравномерность АЧХ в сквозном тракте магнитофонов допускается требованиями к
неравномерности по уровню сигнала и по полосе частот [16]. Тем более, что одновременное включение всех каналов обработки в устройстве АФО взаимно компенсирует суммарную неравномерность АЧХ (фиг. 16, 17).
Эти неравномерности АЧХ являются следствием повышения суммарной крутизны
АЧХ от одновременного действия входных фильтров ФВЧ (ФНЧ) и УФВЧ (УФНЧ) в каналах обработки на фиг. 19, 20 и уменьшения уровня интермодуляционных искажений для
двухчастотного сигнала, на что было обращено также особое внимание при разработке и
КСШП "Долби-С, SR" [2, 4, 7, 12, 13].
Предложенная реализация УФВЧ и УФНЧ каналов обработки устройства АФО позволяет получать в зависимости от уровня обрабатываемого сигнала в каналах следующие
рекомендованные значения границ частот среза в следующих рекомендованных пределах:
24
BY 8559 C1 2006.10.30
а) в канале СЧ для УФВЧ поз. 8 на фиг. 1 в границах частот от, например, 1,6 кГц
(τ = 100 мкс) при допуске от (1...3) кГц до 8 кГц (20 мкс) в допустимом пределе, равном
(6...10) кГц (фиг. 12);
б) в канале НЧ для УФНЧ поз. 22 на фиг. 3 от, например, 320 Гц(0,5 мс) и пределах
(160...500) Гц до 50 Гц (3,2 мс) в пределах (50...100) Гц (фиг. 13);
в) в канале ШЧ для УФНЧ поз. 33 на фиг. 4 от, например, 320 Гц (0,5 мс) в пределах(160...500) Гц до 8 кГц (20 мкс) в пределах (5...10) кГц (фиг. 14);
г) в канале ВЧ для УФВЧ поз. 45 на фиг. 6, например, от 2 кГц (80 мкс) в пределах(1...4) кГц до 8 кГц(20 мкс) в пределах (6...10) кГц (фиг. 15).
Для сравнения со схемной реализацией УФВЧ в устройстве АФО (фиг. 19), приведшей к указанному выше положительному техническому результату на фиг. 21 изображены
функциональные схемы реализации канала высокого (фиг. 21 а) и низкого (фиг. 21 б)
уровня блоков УФВЧ, реализуемые в КСШП "Долби-С" [1, 4, 13]. Очевидно, что на
фиг. 21 при малом сигнале начальная частота среза в 375 Гц в фильтре определяется только
фильтром Ф (фиг. 21а), так как в УФ fнчуф = 1/(2π⋅τф) = l/(2π⋅Cф⋅Ry) ≈ 0 (стремится к нулю),
когда Ry ≈ ∞ и Uупр мало. При наличии же большого входного сигнала частота среза УФ
стремится в пределе в бесконечность fуфнч ≈ ∞, когда Ry ≈ 0 и Uупр. велико. Это и было
упомянуто выше как недостаток понижающих быстродействие УФВЧ.
Фиксированное же значение граничных частот в УФВЧ устройства АФО (фиг. 19) и
ведет к увеличению быстродействия и к уменьшению взаимозависимости от разночастотных сигналов в полосе рабочих частот по сравнению с КСШП "Долби" [4, 7, 11, 13].
Выбранный вариант схемного исполнения УФВЧ (фиг. 19) повлиял на упомянутый
выше конечный положительный технический результат, полученный в устройстве АФО.
Вариант возможной реализации электрической схемы блока УФНЧ канала НЧ (фиг. 3, 20)
имеет особенность подхода к получению напряжения управления Uупр. с выхода сглаживающего фильтра поз. 29. Это вызвано возможностью возникновения паразитной низкочастотной обратной связи по цепям управления УФНЧ (фиг. 20).
В канале НЧ устройства АФО (фиг. 3, 20) может применяться идеология обработки
низкочастотного сигнала с расщеплением его фазы в блоке УФВ поз. 27 примерно на 90°
и пропусканием далее обоих сигналов через квадратичные выпрямители (из состава ФВ
поз. 28 на фиг. 3, 20) для объединения их действия по закону sin2х + cos2х = 1 и тем самым
исключается влияние их входного сигнала на сигнал управления управляемым фильтром
УФНЧ, как это сделано в КСШП DBX Девида Блэкмера [2, 12, 21]. Однако это приводит к
усложнению технической реализации блоков УФВ и ФВ канала. Похожий способ применен в КСШП "Долби-SR", но это привело к сложному техническому решению реализации
канала НЧ обработки звукового сигнала [7].
В устройстве АФО для упрощения технической реализации рекомендуем применять
модель УФНЧ, приведенную на фиг. 20. При этом, как было отмечено выше, канал НЧ
обрабатывает частоты ниже верхней предельной граничной частоты среза в среднем от
320 Гц (τвчуфнч = 0,5 мс) при малом уровне входного сигнала и малом уровне Uynp. (Ry ≈ ∞,
фиг. 20) при τвчуфвч = Rф ⋅ [Согр. ⋅ C4/(Corp. + C4)] до нижней предельной граничной частоты
среза в 50 Гц (τнчуфнч = 3,2 мс) при большом уровне входного сигнала и сигнала Uynp. (Ry ≈ 0,
фиг. 20) при τнчуфнч = Rф ⋅ Согр.
Блок усилителя-фазовращателя УФВ 27 необходим для получения сдвинутых по фазе
напряжений на входе квадратичного (или просто) функционального выпрямителя ФВ 28.
Выпрямители ВЫП. поз. 15, 40, 52 каналов обработки СЧ, ШЧ и ВЧ рекомендуются
выполнить просто по схеме с удвоением напряжения для получения от входного сигнала
большего по величине отклика выходного управляющего напряжения Uyпр. и уменьшения
общего уровня пульсации.
25
BY 8559 C1 2006.10.30
В результате прохождения реального звукового сигнала в канале НЧ через фильтры ФВЧ
поз. 23 ПФ1 поз. 20 и ПФ2 поз. 26 (фиг. 3) уменьшается общий выходной уровень подтонального низкочастотного сигнала на выходе канала НЧ, что уменьшает и общее интермодуляционное влияние обработанного сигнала на выходной сигнал устройства АФО.
Особенностью схемного построения канала обработки ШЧ является применение блока
частотной коррекции ЧК2 поз. 39 (фиг. 4). Это позволяет, как отмечено выше, получить
общий максимум амплитуды сигнала АЧХ канала обработки ШЧ с учетом влияния первого полосового фильтра ПФ1 поз. 31 с верхней частотой среза, равной 8 кГц, и с учетом
влияния АЧХ частотного корректора ЧК2, равной, примерно, максимуму чувствительности
слуха человека, как у стандартной психометрической характеристики (фиг. 10) [4, 7, 8, 27].
При этом АЧХ частотного корректора ЧК2 выполнена со скоростью подъема АЧХ в
плюс 6 дБ на октаву в диапазоне частот, например, от f1 = 2 кГц [из диапазона (1,5...3) кГц]
до f2 = 8 кГц [из диапазона (6...12)кГц] и обеспечивает суммарный подъем АЧХ на частотах от f1 до f2 на 12 дБ, при этом его АЧХ до частоты f1 равномерна, а на частоте выше f2
имеется спад АЧХ от нуля до минус 6 дБ на октаву. АЧХ блока частотной коррекции ЧК2
поз. 39 канала ШЧ приведена на фиг. 22.
Особенностью схемного построения канала обработки СЧ является применение блока
частотной коррекции ЧК1 поз. 14 (фиг. 1). Это позволяет получить общий максимум амплитуды сигнала АЧХ канала обработки СЧ с учетом влияния АЧХ первого полосового
фильтра ПФ1 поз. 6 (фиг. 1) с максимумом частоты, равной, примерно, максимуму чувствительности слуха человека, как у стандартной психометрической характеристики
(фиг. 10) [4, 7, 8, 27].
При этом АЧХ частотного корректора ЧК1 выполнена со скоростью подъема АЧХ в
плюс 6 дБ на октаву в диапазоне частот, например, от f1 = 1,6 кГц [из диапазона (0,8...2,4) кГц]
до f2 = 8 кГц [из диапазона (4...12) кГц] и обеспечивает суммарный подъем АЧХ на частотах от f1 до f2 на 14 дБ, при этом его АЧХ до частоты f1 равномерна, а на частоте выше f2
имеется спад АЧХ от нуля до минус 6 дБ. Идеальная АЧХ блока частотного корректора
ЧК1 канала СЧ приведена на фиг. 23.
Особенностью схемного построения канала обработки ВЧ является применение блока
частотного коррекции ЧК3 поз. 51 (фиг. 5). Это позволяет получить общий максимум амплитуды сигнала с учетом влияния АЧХ первого полосового фильтра ПФ1 поз. 43 со
средней частотой среза, равной 8 кГц, и с учетом влияния АЧХ частотного корректора ЧК3
поз. 51 равной примерно максимуму чувствительности слуха человека, как у стандартной
псофометрической характеристики (фиг. 10) [4, 7, 8, 27].
При этом АЧХ частотного корректора ЧК3 выполнена со скоростью подъема АЧХ
плюс 6 дБ на октаву в диапазоне, например, от f1 = 4 кГц [из диапазона (2...5)кГц] до f2 = 8 кГц
[из диапазона (4…10) кГц] обеспечивает суммарный подъем АЧХ на частотах от f1 до f2
на 6 дБ, при этом АЧХ до частоты f1 равномерна, а на частоте выше f2 имеет спад АЧХ от
нуля до минус 6 дБ на октаву. Идеальная АЧХ блока частотной коррекции ЧК3 поз. 51 канала ВЧ аналогична как на фиг. 23.
Постоянная времени фильтра ФВЧ1 поз. 44 (фиг. 5, 19) в канале ВЧ поз. 5/, как отмечено ранее, равна, например, 50 мкс (3, 2 кГц) из диапазона (27...100) мкс.
Следует отметить функциональное назначение и особенности работы линеаризующих
ограничителей ЛO поз. 13, 38, 50 в каналах обработки СЧ, ШЧ, ВЧ (фиг. 1, 4, 5, 19, 24б).
Среднее значение начала ограничения сигнала в ЛO выбрано исходя из особенностей обработки в каналах устройства АФО реального звукового сигнала.
Вообще в КСШП потеря от ограничения выбросов сигнала ведет к неидентичности
сигнала на входе КСШП в режимах записи и воспроизведения, так как сигналы в фонограмме на входе экспандера при воспроизведении уже ограниченны по амплитуде и поэтому восстанавливаются с большей скоростью, т.е. уже без учета сдерживающего
26
BY 8559 C1 2006.10.30
блокирующего действия этих ограниченных сигналов. А эта не идентичность сигнала, как
отмечалось выше, особенно заметна психоакустически на динамических звуковых сигналах как интермодуляция и "провалы" в сигналах [1, 12] и требуют для уменьшения их заметности на слух и для более точного декодирования хотя бы обязательного применения
ограничения полосы верхних частот обрабатываемого сигнала при записи [4, 7, 8, 12, 17 ],
что ведет к недостаткам этих КСШП, описанным выше.
В устройстве АФО роль ограничителей выбросов выполняют линеаризованные ограничители ЛO поз. 13, 38, 50 (фиг. 1, 4, 5, 19, 24б). Функцией ЛO вообще является не ограничение выбросов реальной фонограммы, а ограничение высокочастотных составляющих
от случайных выбросов, от возможных импульсных помех [25] и от редких маловероятных случайных выбросов, возможных в реальном звуковом сигнале. Выбросы же от действия обработки реальных фронтов сигналов [8] должны проходить на выход КСШП, для
более корректной декодировки их при воспроизведении, о чем говорилось выше. Ограничивать их должен сам способ записи на MH, а не ЛO, так, чтобы в устройстве АФО из-за
меньшей критичности к импульсным помехам, как отмечено выше, дополнительное влияние действия естественных выбросов уровня сигнала от процесса обработки, практически
незаметно на слух.
В устройстве АФО в звуковом сигнале, проходящем через входные фильтры высокой
частоты ФВЧ1 (поз. 7, 32, 44) и полосовые фильтры ПФ1 (поз. 6, 20, 31, 43) (фиг. 1, 3...5),
ослабляется общее действие, как отмечалось выше, инфранизкой составляющей звукового
сигнала по цепям управления через УФВЧ (УФНЧ). Это и ведет к резкому уменьшению
модулирующего действия инфранизкой составляющей сигналов управления в УФ с выходов каналов обработки на общий выходной сигнал устройства АФО. Причем полосовые
фильтры ПФ1 в каналах обработки дополнительно понижают коэффициент интермодуляции каналов в общем выходном сигнале устройства АФО, а это ведет к тому, что при контрольном прослушивании компандированной фонограммы даже без экспандера на слух
практически незаметно интермодуляционое действие компрессии.
Учитывая реальное быстродействие каналов обработки, при случайных выбросах в
реальном обрабатываемом сигнале в устройстве АФО предлагается не его ограничение в
ЛO при возможном определенном превышении им уровня Uc пор. (фиг. 8, 9), а просто начинается его "спрямление" выше начала порога ограничения Uo (фиг. 24в), что значительно
уменьшает общий уровень нелинейных искажений. Учитывая симметричность ограничения сигнала, т.е. преобладание четных гармоник, можно надеяться на их отсутствие при
воспроизведении фонограммы в связи с тем, что основной вклад в нелинейность в сигнале
с MH вносится его третьей гармоникой [16].
Так ЛO вместе с ПФ2 на фиг. 19 может иметь схемную реализацию, как на фиг. 24б.
При этом только в верхнем диапазоне звуковых частот fc,обрабатываемых каналом, сопротивление емкости Сло до (RСло = 1/(2π⋅fc⋅Сло)) значительно меньше величины R8 (фиг. 19),
т.е. ограничение сигнала происходит только в этом диапазоне частот. Очевидно, что уровень клипирования (ограничения) и соответственно уровень нелинейных искажений для ограничителя О КСШП "Долби" (фиг. 24 а, б) выше, чем для ограничителя ЛО (фиг. 24б, в).
Следует отметить особенность выбора режимов блоков устройства и пороговых напряжений Uпор. каналов обработки устройства АФО (фиг. 9, 25), которые вытекают из возможности выбора переменной величины компрессии в каналах устройства АФО для его
специального применения. Так в КСШП "Долби-B,C" и т.д. жестко выбраны упомянутые
выше величины пороговых напряжений в каналах обработки, как это показано на фиг. 8, 9
[3, 4, 7, 8, 13]. В устройстве АФО в связи с возможным переменным уровнем компрессии
а0 в каналах обработки предложен иной алгоритм выбора режимов настройки блоков устройства и пороговых напряжений Uс пор. (фиг. 8, 9, 11, 25) для каждого отдельно включенного канала обработки.
27
BY 8559 C1 2006.10.30
Этот алгоритм основан на постоянстве пороговых уровней входных сигналов в каналах, при котором уровни компрессии при записи равны плюс 6 дБ (U6дБс пор. фиг. 25) и
имеют для каналов обработки устройства АФО следующие значения в пределах допуска,
устанавливаемые опорными напряжениями с выходов соответствующих ПУ:
U6дБ,нчс пор. = -20 дБ (± 6 дБ); U6дБ,шчс пор. = -18 дБ (± 6 дБ);
U6дБ,счс пор. = -24 дБ (± 6 дБ); U6дБ,вчс пор. = -30 дБ (± 6 дБ).
Относительно номинального уровня входного сигнала нуль децибел, одинакового для
записи и воспроизведения устройства АФО, выбираются режимы блоков и коэффициенты
передачи полосовых фильтров ПФ2 отдельно в каждом канале обработки СЧ, ШЧ и ВЧ
(фиг. 1, 4, 5, 19), при которых происходит в каждом канале (кроме НЧ) начало ограничения выходного сигнала в ЛO ((Uc = U0/v2) на фиг. 24в) без ограничения в УФ для следующих уровней входных сигналов в каналах обработки на соответствующих им контрольных
частотах входного сигнала:
а) в канале ШЧ - минус 6 дБ (± 6 дБ) на частоте 2 кГц;
б) в канале СЧ - минус 12 дБ (± 6 дБ) на частоте 4 кГц;
в) в канале ВЧ - минус 15 дБ (± 6 дБ) на частоте 6 кГц;
Для каждого отдельно включенного канала обработки для сигнала Uc < Uо для выбранного коэффициента передачи усилителей У 10, 24, 35, 47 (фиг. 1, 3...5, 19) и аттенюаторами ATT 11, 25, 36, 48 в соответствующих каналах устанавливают следующие оговоренные
выше значения уровней компрессии (фиг. 8, 9, 11, 25):
а) для канала НЧ -уровень компрессии, равный а0нч ≈ 15 дБ на частоте 100 Гц;
б) для канала ШЧ - уровень компрессии, равный а0шч ≈ 10 дБ(в 3,29 раза) на частоте 2 кГц;
в) для канала СЧ - уровень компрессии, равный а0cч ≈ 10 дБ (в 3,29 раза) на частоте 4 кГц;
г) для канала ВЧ - уровень компрессии, равный а0вч ≈ 12 дБ (в 4 раза) на частоте 6 кГц.
Далее для каждого отдельно включенного канала обработки для уровня U6дБс пор.
(фиг. 25), оговоренного выше, устанавливают опорное напряжение с выхода соответствующего ПУ 19, 30, 42, 54 (фиг. 1, 3...5), при котором уровни выходной компрессии будут
равны плюс 6 дБ на выходе устройства АФО для каждого отдельно канала обработки
(фиг. 1, 2) на упомянутых выше контрольных частотах входного сигнала.
Так для прикладных целей можно выбрать иные максимальные уровни компрессии а0
в каналах обработки изменением коэффициента передачи аттенюаторов ATT 13, 35, 36, 48
(фиг. 1,3...5) и повторной установкой уровней U6дБспор. каждом канале, как описано выше
(фиг. 25).
Таким образом, возможна настройка отдельно каждого канала устройства АФО для
любого прикладного применения для различных уровней компрессий и опорных пороговых напряжений с выходов соответствующих ПУ.
Так как в устройстве АФО значение U6дБ.вчс пор. (фиг. 9), в канале обработки ВЧ при рекомендованном а0вч = 12дБ (четыре раза) ниже уровня U6дБ.вчс.пор = - 30 дБ (фиг. 25) примерно на 10 дБ (в три раза), т.е. Uвчс пор. ≈ 40 дБ (фиг. 9), то этот уровень обрабатываемого
сигнала выше, чем в КСШП "Долби-С" (минус 48 дБ [4]) и т.п. А это является явно выше
уровня нестабильности шумовых параметров любого MH [30].
Устройство АФО позволяет получить конечный выходной аудиосигнал после воспроизведения (приема), практически психоакустически идентичный сигналу, поступающему
на вход устройства без наличия заметной шумовой интермодуляции, приближающийся к
качеству исходного сигнала вплоть до качества "High-End" -"высокой верности" и ограниченный только пределом качества записи самого (аналогового или цифрового) способа
записи аудиосигнала. Предложенное устройство АФО отвечает требованиям к КСШП [1,
8, 11, 12 ] и осуществляет решение поставленной задачи данного изобретения по достижению технического результата - получения максимального эффекта шумопонижения.
28
BY 8559 C1 2006.10.30
Качество воспроизведения у современных магнитофонов [2, 18, 31...33], и особенно с
применением способов записи типа СДП [24, 34...37], ПП [38...40] и т.п. даже с проигрывателей виниловых дисков сопоставимо с психоакустическим качеством воспроизведения
с КД, а по субъективным оценкам и качество выше при использовании КСШП. При этом
немаловажным является факт в различии психоакустического восприятия спектральных
составляющих нелинейных искажений с MH, определяющихся в основном только 3-ей
гармоникой [16]. Особо требуется упомянуть жесткие требования к параметрам усилителей низкой частоты (УНЧ) по уровню интермодуляционных искажений при работе с проигрывателями КД [17, 28, 31, 32, 41, 42], спектр которых содержит множество гармоник,
что особо неприятно на слух при реальном прослушивании фонограммы.
Широкому массовому потребителю новшество даст возможность получения качества
аудиозаписи даже на магнитофонах широкого применения на фонограммах, записанных
ранее с помощью КСШП "Долби" и т.п., или просто эффект динамического шумопонижения раздельно высокочастотных и низкочастотных шумов.
Возможно применение устройства АФО и в составе проигрывателей КД и др.
Следует особо отметить и возможность прослушивания записи по алгоритму устройства АФО на магнитофонах, неоснащенных КСШП. Применение же в полном объеме
компандера устройства АФО позволит получить шумопонижение во всем звуковом диапазоне от 15 до 27 дБ и более при необходимости специализированного применения.
Источники информации:
1. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. - M.: Мир, 1991.
2. Сухов Н. Dolby B, Dolby C, Dolby S,... dbx ? - Киев: Радио-хобби, 1998. - № 5. - С. 36, 37.
1999. - № 1...5.
3. Ray M. Dolby. An Audio Noise Reduction System // Journal of AES, October 1967. V. 15. - No 4.
4. Ray M. Dolby. A 20 db Audio Noise Reduction System for Consumer Applications //
J.AudiaEnd. Soc. -V. 31. - P. 98... 113 (1983, mar.).
5. John M. Woram. Saund Recording Hand book. Howord W. Sam Sand Company, Indiana,
USA, 1989. - P. 434...443.
6. Ray M. Dolby. An Audio Noise Reduction System. // J.Audia End. Soc. - V. 15. - P. 383...388
(1967, Okt).
7. Ray M. Dolby. The Spectral Recording Process. // J.Audia End. Soc. - V. 35. - 1987. No 3. - P. 99...117.
8. Кудрин И.Г. Устройства шумопонижения в звукозаписи. - M.: МРБ, "Энергия",
1977.
9. Wieden voth. В.: High com - Uberblick und Entwicklungsstand, 17/1981.
10. Owahi J.e.a. Further Improvements in the Discrete Four - Charnel Dise System CD-4 //
Audio End. Soc. - 1972. - No 5. - P. 361.
11. Сухов Н. Конпендерный шумоподавитель из... динамического фильтра // Радио. 1986. - № 9. - C. 42...45. - № 10.
12. Агеев С. О принципах работы шумоподавителей // Радио. - 1998. - № 2. - С. 15...17. № 3. - С. 13...15.
13. Михайлов А., Ридико Л. Система шумопонижения Dolby B-C // Радио. - 1994. № 11. - С.10...12. - № 12. - С.14...17.
14. Михайлов Г. Dolby-C - новая система шумопонижения // Радио. - 1982. - № 6. С. 57, 58.
29
BY 8559 C1 2006.10.30
15. Новаченко И.В., Телец В.А. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры: Справочник. - M.: Радио и связь, 1992. - С. 129... 134.
16. Сухов Н. Измерение основных параметров магнитофона // Радио. - 1981. - № 7,8. C. 50...53. - № 9. - C. 29...31.
17. Агеев С. Подавление надтональных помех в бытовой звукозаписи // Радио. - 1995. № 6. - С. 13...15.
18. Дьяконов В.П. Бытовая аудиотехника. - Смоленск: Русич, 1997.
19. Алдошина И.А., Войшвилло А.Г. - Высококачественные аккустические системы и
излучатели. - M.: Радио и связь, 1985.
20. Burwen R.S. Desing of a noise eliminator system. // J. Audio End Soc. - 1971. - № 11. P.906...911.
21. Патент US 3.789.143.
22. Wiedenroth B.: Highcom - Uberbick und Entwicklungstand. Funkschan, 17/1980.
23. Moortgat - Pick, W. Schiffel, R.: Rauschverminderund bei Tonubertragungen. Funkschau- Arbeisblatter, 25-26/1984, 1...2/1985.
24. Сухов Н. Динамическое подмагничивание // Радио. - 1983. - № 5. - C. 36...40.
25. Сухов Н. Безинерционный шумопонижающий фильтр // Радио. - № 2. - С. 50...52.
26. DNL Substragiend Rauschen. - Radio mentor electronic, 1972, H. 12, S.g 12.
27. Методика DIN 45405/CCIR 468 международного консультативного комитета по
радиовещанию MKKP (CCIR).
28. Лексин В. и Лексин В. О заметности нелинейных искажений усилителя мощности
// Радио. - 1984. - № 2. - C. 33...36.
29. Костин В. Психоакустические критерии качества звучания и выбор параметров
УМЗЧ // Радио. - 1987. - № 12. - С. 40...43.
30. Карнаухов Е. Аудиокассеты // Радио. - 1985. - № 5. - С 50. - № 4. - С. 82; 1995. № 8. - С. 51, 52.
31. Войтович А. За что ругают бедную цифру // Радиолюбитель. - Мн. - № 9. - 1997. С. 15, 16. - № 10. - 1987. - С. 15... 17.
32. Скулкин H. О качестве звука на компакт-дисках // Радиолюбитель. - Мн. - № 1. 1998. - С. 19.
33. Карноухов Е. Двухкассетные стационарные магнитные приставки // Радио. - М.,
1997. - С. 14, 15.
34. Сухов Н. Адаптивное подмагничивание или ... снова о динамическом // Радио. № 6. - 1991. - С. 52...56. - № 7. - 1991. - С. 55...58.
35. Сухов Н. Адаптивное динамическое подмагничивание // Радиоежегодник, - 1991. С. 7...30.
36. Сухов Н. СДП-2 // Радио. - 1987. - № 1. - С. 39...42. - № 2. - С. 34...37.
37. А.с. СССР 1448357.
38. Алейников А. Параметрическое динамическое подмагничивание // Радиоежегодник. - 1989. - С. 93...115.
39. Петров А., Петров Д. Усилитель записи высококачественного магнитофона // Радиолюбитель. - № 7. - 1993. - C. 22...24.
40. Вашкевич С. Усилители записи современного магнитофона // Радиолюбитель. 1997. - № 4. - C. 25...28.
41. Вильчинский В. Устройства преобразования аналоговых сигналов // Радио. - № 11.
- 1991. - С. 48...52. - № 12. - 1991. - С. 47...50.
42. Сухов Н. Hi-Fi правда и High-End сказки // Радио-хоби. - Киев. - 1998. - № 2. C. 18...20.
30
BY 8559 C1 2006.10.30
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
31
BY 8559 C1 2006.10.30
Фиг. 6
Фиг. 7
Фиг. 8
32
BY 8559 C1 2006.10.30
Фиг. 9
Фиг. 10
33
BY 8559 C1 2006.10.30
Фиг. 11
Фиг. 12
34
BY 8559 C1 2006.10.30
Фиг. 13
Фиг. 14
Фиг. 15
35
BY 8559 C1 2006.10.30
Фиг. 16
Фиг. 17
Фиг. 18
36
BY 8559 C1 2006.10.30
Фиг. 19
Фиг. 20
Фиг. 21
37
BY 8559 C1 2006.10.30
Фиг. 22
Фиг. 23
Фиг. 24
38
BY 8559 C1 2006.10.30
Фиг. 25
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
39
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
1 899 Кб
Теги
by8559, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа