Исследование компандерной системы шумопонижения

Лабораторная работа №5

Исследование компандерной

системы шумопонижения

Цель работы: изучить принцип действия компандерной системы шумопонижения, исследовать её параметры и выполнить субъективную оценку её работы.

1.    Задание к лабораторной работе

−        изучить принцип действия компандерной системы шумопонижения;

−        изучить возможности программного продукта (ПП) Sound  Forge для преобразования (сжатия и расширения) динамического диапазона ЗС, с целью понижения в нём шумов;

−        на основе анализа алгоритма работы систем шумопонижения (СШП) и свойств звуковых сигналов выбрать статические и динамические характеристики СШП для оптимальной обработки речевого и музыкального сигналов;

−        исследовать статические и динамические характеристики СШП в отсутствии шума и при его наличии;

−        измерить эффективность работы системы шумопонижения;

−        уменьшить шумы в звуковом сигнале (ЗС) и оценить работу СШП на слух.

2.    Теоретические указания

к самостоятелной подготовке

В процессе преобразования, записи и передачи звуковых сигналов   неизбежно появляются шумы: акустические (запись на открытом воздухе), фон, шумы квантования,  шумы канала передачи (если канал аналоговый). Прослушивание такого ЗС может не только не доставлять удовольствие, но и при некоторых его параметрах может даже раздражать. Малое значение уровня собственных шумов может даже снижать разборчивость. В силу этих обстоятельств приходится дополнительно обрабатывать такой ЗС, уменьшая его динамический диапазон (ДД) и содержащиеся в нём шумы. Для этого применяются такие устройства (или инструменты программного продукта) как сжиматель (компрессор), компандерные системы (шумопонижения) и фильтры (в том числе динамические). В следствие того, что эти устройства срабатывают не на мгновенное значение сигнала, а на его уровень, то их относят к автоматическим регуляторам уровня (АРУр).

2.1. Статические характеристики компрессора

и экспандера компандерной СШП

На рис. 5.1приведены амплитудные (а) и регулировочные (б) характеристики, для компрессора и экспандера компандерной СШП, построенные в зависимости от уровня входного сигнала.

Компрессор и экспандер могут иметь линейную (1) или билинейную (2) амплитудную характеристику (АХ), рис.5.1.а. В первом случае, зависимость 1, коэффициент передачи, рис.5.1.б, меняется во всём диапазоне изменения уровня Nвх входного сигнала. При билинейной АХ коэффициент передачи имеет два линейных участка, зависимость 2 на рис.5.1.б. При больших уровнях входного сигнала, от 0дБ до -40дБ, коэффициент передачи равен единице (0дБ). Изменение коэффициента передачи происходит лишь при низких уровнях входного сигнала, когда его значение ниже порогового  Nп (в случае, показанном на рис.5.1 - Nп=-40дБ), причём у компрессора коэффициент передачи возрастает, а у экспандера - уменьшается. Благодаря этому первый сжимает (уменьшает)  ДД ЗС, а второй – расширяет (увеличивает). Компандер с линейной АХ можно считать частным случаем компандера с билинейной АХ, у которого Nп =0дБ.

Рис.5.1. Амплитудные характеристики (а) и зависимости

коэффициента передачи от уровня входного

сигнала (б) для компрессора и экспандера

Если амплитудная характеристика компандера описывается показательной функцией (что близко к действительности), то в диапазоне входных уровней, когда Nвх<Nп амплитудная характеристика компрессора и экспандера  описывается одной и той же формулой [2,3]:

                            Uвых= Uγвх,                                                                                                                (5.1)

где Uвх и Uвых - напряжения, соответственно,  входного и выходного сигнала, γ – коэффициент сжатия (расширения) ДД ЗС.

              Удобнее пользоваться амплитудными характеристиками, представленными через входные и выходные уровни. Они получаются после логарифмирования левой и правой частей уравнения (5.1). В результате получим компандер с линейной, в логарифмических координатах, передаточной характеристикой:

Nвых =γ∙Nвх,                                                                                                  (5.2)

где Nвых - уровень выходного сигнала, Nвх - уровень входного сигнала, γ – коэффициент пропорциональности.

Так как компрессор сжимает ДД сигнала, то его коэффициент пропорциональности (коэффициент сжатия) γк меньше единицы. Из формулы (5.2) видно, что 1/γк показывает во сколько раз уровень выходного сигнала меньше входного, (по абсолютному значению) в диапазоне, когда Nвх<Nп.

Экспандер наоборот,  расширяет ДД сигнала. Поэтому его коэффициент пропорциональности (коэффициент расширения) γэ больше единицы и показывает во сколько раз уровень выходного сигнала больше входного (по абсолютному значению), при значениях Nвх<Nп.

У компандерной СШП характеристики компрессора и экспандера должны быть комплементарны (согласованы). Это означает, их АХ  должны иметь одинаковое значение порогового уровня и произведение коэффициентов сжатия, γк и расширения, γэ должно быть равно единице:

                            γк ∙ γэ=1.                                                                                                                (5.3)

В этом случае уровни выходных сигналов экспандера будут равны уровням входных сигналов компрессора. Обычно значения коэффициента сжатия лежат в пределах 0,5≤ γк ≤0,8 и следовательно: 1,25≤ γэ ≤2.

АХ широко распространённой системы шумопонижения Dolby Stereo аппроксимируется тремя линиями.

2.2. Динамические параметры компандерной СШП

Приведённые на рис.5.1 характеристики являются статическими. В диапазоне входных уровней выше порогового, где коэффициент передачи равен  0 дБ (единице) и не зависит от уровня входного сигнала, переходных процессов нет. В диапазоне входных уровней, где коэффициент передачи определяется уровнем входного сигнала, его изменение происходит не мгновенно, а за некоторый промежуток времени. Причём у одного и того же АРУр увеличение и уменьшение коэффициента передачи происходит за разные интервалы времени. Эти процессы называют динамическими (переходными) характеристиками АРУр. При их выборе учитывают свойства слухового восприятия ЗС  и характеристики самого сигнала. Поэтому динамические характеристики определяются функциональным назначением АРУр и несколько различаются для речевого и музыкального ЗС.

Динамические характеристики измеряют по реакции АРУр на скачкообразное изменение огибающей входного напряжения на 10дБ относительного порогового значения. В зависимости от назначения АРУр и характера перепада Nвх (увеличивается или уменьшается относительно порогового) в выходном сигнале различают время установления (коэффициента передачи) – tу   и время его восстановления - tв. В табл. 3.1 лабораторной работы №3, приведены типовые значения tу и tв различных авторегуляторов [3].

В работе автоматических регуляторов уровня, в основном учитывают два свойства слухового восприятия ЗС: время адаптации слуха на громкость и время адаптации слуха на нелинейные искажения. Время адаптации слуха на громкость составляет (150…200) мс [3].  В СШП время срабатывания, устанавливается меньше этого значения, во всех  остальных АРУр – значительно больше.  Время адаптации слуха на нелинейные искажения составляет (10…20) мс. Поэтому время срабатывания, при росте уровня сигнала, выбирается меньше этого значения. Реализация слишком большого значения приводит к обрезанию фронта в ЗС. У разных музыкальных инструментов его длительность лежит в пределах (0,5…5) мс.  Однако слишком маленькое время срабатывания приводит к появлению щелчков в выходном сигнале и ложному срабатыванию АРУр при наличии импульсных помех в ЗС.

Программный продукт  Sound  Forge содержит настраиваемый АРУр: Dynamics. Изменяя его амплитудную характеристику можно получить практически любой  АРУр, включая компрессор, экспандер, компандерную СШП (КСШП) и динамический шумоподавитель. Панель настроек АРУр Dynamics с АХ компрессора (а) и экспандера (б) приведены на рис.5.2.

На панели настройки авторегулятора устанавливают статическую (амплитудную) характеристику - курсором «мыши», порог срабатывания (пороговый уровень) и коэффициент усиления регуляторами: Threshold и Output gain. Динамические параметры устанавливаются регуляторами: Attack и Release:

                                          а)                                                                                                  б)

Рис.5.2. Панель настроек  Dynamics в режимах:

а - компрессора и б – экспандера

−       attack time (время срабатывания на увеличение уровня входного сигнала);

−       release time (время отпускания или точнее время срабатывания на уменьшение уровня входного сигнала).

АРУр Dynamics позволяет реализовать СШП двухстороннего действия - компандерную. С помощью КСШП динамический диапазон ЗС предварительно уменьшают (сжимают) на входе канала передачи, т.е. сигнал компрессируют,  а на приёмной стороне, при воспроизведении – расширяют (экспандируют). Для минимизации искажений, вносимых КСШП,  статические и динамические параметры компрессора и экспандера должны быть согласованы:

−        пороговые уровни компрессора и экспандера должны быть одинаковы;

−        должно выполняться условие (5.3);

−        компрессор и экспандер должны иметь одинаковые динамические параметры.

На рис.5.1 и рис.5.2 приведёны согласованные статические характеристики компрессора и экспандера.

Динамические параметры, attack time и  release time, у согласованных компрессора и экспандера должны иметь одинаковые значения. Уменьшение уровня сигнала, при уровнях ниже порогового, приводит к росту коэффициента передачи компрессора, а у экспандера – к уменьшению, рис.5.1.б. При увеличении уровня входного  сигнала, если уровень ещё ниже порогового, коэффициент передачи компрессора уменьшается, а экспандера – растёт. При уровнях входного сигнала больше порогового коэффициент передачи и компресссора и экспандера принимает  значение  0дБ (единица) и не изменяется, рис.5.1.б. Поэтому динамические параметры проявляются только при тех уровнях входного сигнала, когда Nвх<Nп.

Компрессирование ЗС применяется, также, и самостоятельно для повышения разборчивости речевых ЗС, табл. 3.1.

3.    Порядок выполнения работы

3.1.    Подготовительный этап

3.1.1.     Исследование амплитудной характеристики КСШП будем выполнять в следующей последовательности:

−        формирование амплитудной характеристики компрессора;

−        обработка тестовых сигналов компрессором; измерение их уровня и сохранение этих сигналов;

−        формирование амплитудной характеристики экспандера;

−        обработка экспандером выходных сигналов компрессора;

−        измерение уровня сигналов на выходе экспандера;

−        сопоставление полученных сигналов.

Для исследования работы компрессора и комплементарного (согласованного) с ним экспандера необходимо сформировать их амплитудные характеристики, т.е. задать значения коэффициентов γк и γэ (5.3), порогового уровня Nп и  времени срабатывания tу и tв. Значение Nп выбрать из пределов (-30дБ…-40)дБ.

3.1.2.     Для проведения исследований компрессора, экспандера и всей КСШП понадобятся испытательные сигналы. Их параметры определяются статическими (амплитудной и амплитудно-частотной) и динамическими характеристиками устройства. Будем считать, что исследуемые устройства широкополосные. В этом случае все исследования можно выполнить на одной частоте. Её значение, равное   2000Гц, возьмём из стандарта ОСТ 45.138 – 99 [4]. Исследования амплитудной характеристик будем выполнять на трёх сигналах с уровнями: Nвх1=0дБ,  Nвх2= Nп  и Nвх3=(Nп-20)дБ.

3.1.3.     Для формирования испытательного сигнала запустите программу Sound  Forge и создайте файл сигнала в окне данных, последовательно выбрав: File→New. В открывшемся окне установите параметры создаваемого сигнала: частота дискретизации 44100Гц - стандартная частота для CD, количество разрядов квантования (Bit-depth) равным 16bit  и каналы - моно. Нажмите ОК. Выберите последовательно в основном меню: Tools→Synthesis→Simple.  В открывшейся панели меню выберите: в выпадающем меню набора предустановок→Untitled, форму волны→Sine (синусоидальная), длительность→10 секунд, частота→2000Гц, вставить новое колебание→Start of file, установите уровень сигнала равным 0 дБ. Нажмите ОК.

Сохраните сформированный сигнал под именем: Синус 0.wav (в формате *.wav - Microsoft) в папку тестовые сигналы, создав её в папке с номером своей группы на диске D компьютера.

3.1.4.     Аналогично,  см. п.3.1.3, сформируйте ещё два гармонических сигнала частотой 2000Гц и уровнями:

−      равным Nп, сохранив синтезированный сигнал под именем:  Синус Nп.wav;

−      на 20 дБ ниже выбранного порогового, т.е. N=(Nп-20) дБ, сохранив синтезированный сигнал под именем:  Синус Nп-20.wav.

3.2.    Обработка тестовых сигналов КСШП

3.2.1.         Исследование АХ компрессора.

Активируйте курсором «мыши» первый испытательный сигнал «Синус 0.wav». Обработайте его компрессором. Для этого вызовите панель настроек Dynamics, рис.5.2.а, выбрав в основном меню Effects→Dynamics→Graphic. Откроется панель настроек параметров, позволяющая превращать устройство в компрессор, усилитель или экспандер путём изменения амплитудной характеристики. На ней можно выбрать предустановленные параметры в выпадающем меню. В нашем случае выберите Untitled и установите вручную, выбранные в п.3.1.1 параметры статических характеристик, т.е. амплитудную характеристику: курсором «мыши» установите значение уровня выходного сигнала при входном равном -84дБ, а регулятором Threshold – значение выбранного порогового уровня Nп=(-30…-40)дБ. Установите усиление компрессора (Output gain) – 0дБ. Динамические характеристики компрессора установите регуляторами, учитывая соображения, приведённые в п.2.2. Нажмите клавишу ОК. Сохраните полученный сигнал, добавив в конце его имени букву «к». В первом случае сигнал будет иметь имя «Синус 0к.wav». Включите воспроизведение полученного файла. Запишите показания измерителя уровня (ИУ).