Устройство частотного компандирования звуковых сигналов

(я)5 Н 04 В 1/6 ВТОРСКО ВИДЕТЕЛЬСТ ые кор 27 - 31 к радиотехнике я передачи звуества по значиу, чем типовые,Изобрет и связи и пр ковых сигнал тельно более каналу связи ение относитс едназначено д ов высокого ка узкополосно0 Од- уменьшение искао сигнала за счет по- деления функций минимумов и за счет х соответствующих компрессоре и в эксизобретенияультирующегточности вов и функцийя одинаковьмаксимумов в Цель жений ре вы щения максимум выделени функцийпандере.На фирическаягаемого уэлектриче турная электчасти предла - структурная й части пред. 1 приведена стру хема передающей тройства; на фиг, 2 кая схема приемно ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(54) УСТРОЙСТВО ЧАСТОТНОГО КОМПАНДИРОВАНИЯ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ(57) Использование: в радиотехнике и связидля передачи звуковых сигналов высокогокачества по значительно более узкополосному, чем типовые, каналу связи. Сущностьизобретения: устройство содержит на передающей стороне один фильтр нижних частот(ФНЧ), один амплитудныйВЧ-корректор, два блока выделения функции минимумов, К первых делителей частоты на два, К+1 первых частотныхкомпрессоров, один блок уплотнения кана 18141 уЗ А лов, один полосовой фильтр, К цепей состоящих из М каналов, где И=З (1, И, 11), (ч - 1 усилителей, й делителей частоты, щй вторых делителей частоты на два, й - 1 блоков частотного разделения,(ч вычитателей,(ч+1 корнеизвлекателей, (ч сумматоров, К+1 инверторов, (ч канальных ФНЧ, 2 М+1 блоков задержки, И+1 блоков выделения функции максимума, Устройство содержит на приемной стороне один блок разделения каналов, К частотных экспандеров, один сумматор, один амплитудный НЧ-корректор, один выходной ФНЧ, К цепей, содержащих (ч каналов, где (ч=3 (1,1, Ш), Игл вычитателей, И - 1 сумматоров, (й - 1+гп М) блоков задержки, йгп блоков выделения функции максимумов, М умножителей частоты, М - 1 аттенюаторов, щ умножителей частоты на два, Йв формирователей модуля, йа квадраторов. 3 з.п,ф-лы, 3 ил,лагаемого устройства; на фиг, 3 граммы. поясняющие работу устПредлагаемое устройство входной ФНЧ 1, амплитудный тор 2, первый делитель частоть два, первый и второй частотные ры 4, блок 5 уплотнения каналов фильтр (ПФ) 6, усилитель 7, ДЧ 8 9 на два, блок частотного разд 10, вычитатель 11, корнеизвл сумматор 13, инвертор 14, кана 15, блок задержки (БЗ) 16, блок ния функции минимумов, блок 18 функции максимумов, блок 19 каналов, частотный экспандер 2 тель частоты (УЧ) 21, аттенюато житель частоты на два- осциллоройства.содержитВЧ-коррек-(ДЧ) 3 на компрессополосовой второй ДЧ еления (ЧР) екатель 12, льный ФНЧ17 выделе- выделения разделения О, умножир 22, умно-,формирователь 24 модуля, квадратор 25, амплитудный НЧ-корректор 26 и выходнойФНЧ 27,Передающая часть(фиг. 1) содержит последовательно соединенные входной ФНЧ 1, вход которого является входом передающей части, и ВЧ-корректор 2. Для упрощения на фиг, 1 показаны лишь две цепи, содержащие госледовательно соединенные первый ДЧ 3 на два и частотный компрессор 4, показан еще один частотный компрессор 4 последней составляющей исходного сигнала. Передающая часть содержит также последовательно соединенные блок 5 уплотнения каналов. и ПФ 6, выходкоторого является выходом передающей части. В каждом компрессоре 4 показано три канала преобразования; каждый из которых содержит последовательно соединенные усилитель 7, отсутствующий в первом канале, ДЧ 8 и ЧР 10. Каждый ДЧ 8 содержит несколько последовательно соединенных вторых ДЧ 9 на два, содержащих последовательно соединенные сумматор 13, управляемый корнеизвлекатель 12 и инвертор 14. Первый ДЧ 3 содержит последовательно соединенные вычитатель 11, корнеизвлекатель 12 и инвертор 14. ЧР 10 содержит канальный ФНЧ 15, последовательно соединенные БЗ 16 и вычитатель 11, другой вход которого соединен с выходом ФНЧ 15, который, являясь НЧ-выходом ЧР 10, соединен с входом 1 блока 5 уплотнения каналов; Вход ФНЧ 15, являясь входом ЧР 10, соединен с входом БЗ 16, а выход вычитателя 11 является ВЧ-выходом Ч Р 10. ВЧ-выход Ч Р 10 канала 1 соединен с входом усилителя 7 второго канала, выход которого соединен с входомблока 5. Последний канал частотного компрессора 4 вместо ЧР 10 содержит только ФИЧ 15, выход которого соединен с входомблока 5.В первый ДЧ 3 введены первый БЗ 16, вкпб ючен ного на входе перед вы читателем 11, второй БЗ 16, включенный между вычитателем 11 и корнеизвлекателем 12, и блок18 выделения функции максимумов, входкоторого соединен с выходом вычитателя 11, а выход - с управляющим входом корнеизвлекателя 12, Во второй ДЧ 9 введены БЗ 16, включенный на входе перед сумматором 13, и блок 18 выделения функции максимумов, вход которого соединен с входом БЗ . 16, а выход - с другим входом сумматора 13 и с управляющим входом корнеизвлекателя 12, На передающей стороне соответственно количеству ДЧ 3 показаны два введенных последовательно соединенных блока 17 выделения функции минимумов, вход первого из которых соединен с выходом ВЧ-корректора 2, а выход последнего - с входом последнего компрессора 4. Вход каждого из блоков 17 соединен с входом. первого БЗ 16.каждого ДЧ 3, а выход - с другим входом 5 вычитателя 11 каждого из этих ДЧ 3,Приемная часть (фиг, 2) содержит блок19 разделения каналов, вход которого является входом приемной части, Соответственно количеству компрессоров 4 на фиг. 2 "0 показано три частотных экспандеров 20,каждый из которых содержит три канала преобразования, Приемная часть содержит также последовательно соединенные выходной сумматор 13, амплитудный НЧ-кор ректор 26 и выходной ФНЧ 27, выходкоторого является выходом приемной части,Каждый канал экспандера 20 содержит последовательно соединенные БЗ 16, сумматор 13, отсутствующие в канале , УЧ 21 и 20 аттенюатор 22, отсутствующий в канале 1.УЧ 21 содержит столько последовательно соединенных УЧ на два 23, сколько ДЧ на два содержит соответствующий канал в компрессоре 4, Вход каждого канала экспандера 20 соединен с одним из выходов ,иблока 19 разделения каналов, а выход всех экспандеров 20 соединен с одним из входов выходного сумматора 13, Все УЧ на два 23 содержат последовательно соединенные 30 управляемый квадратор 25 и вычитатель 11.В УЧ 23 введены последовательно соединенные формирователь 24 модуля и БЗ 16, включенные на входе перед квадратором 25, и блок 18 выделения функции мак симумов, вход которого соединен с выходом.формирователя 24, а выход - с управляющим входом квадратора 25 и с другим входом вычитателя 11.Предлагаемое устройство работает сле дующим образом.Исходный звуковой сигнал определенного уровня поступает на вход ФНЧ 1, частота среза которого определяется спектром частотных составляющих, подлежащих пре образованию, В амплитудном ВЧ-корректоре 2 происходит выравнивание уровня НЧ.- и ВЧ-составляющих выходного сигнала ФНЧ 1, что необходимо для повышения надежности срабатывания ДЧ на малых уров нях ВЧ-составляющих. Результирующийсигнал корректора 2 поступает на вход блока 17 выделения функции максимумов и на вход первой БЗ 16 первого ДЧ 3 на два.На фиг. За показан примерный вид ос циллограммы достаточно общего, с точкизрения последующих преобразований, сигнала, действующего в узле 28, На этой осцилограмме показан сравнительно резкий переход по частоте от звука "е" к,звуку "нь", На выходе 29 блока 17 выделяется функцияминимумов (фиг, Зб), которая отдельно по- дулированного сигнала, определяется не казана и на фиг, Зм, Она поступает на вход только диапазоном изменения (девиацией) вычитателя 11; на другой вход которого по- частоты, но и полосой модулирующей функ- ступает задержанный при помощи первой ции, которая в нашем случае обусловлена БЗ 16, сигнал(фиг,За). На выходе вычитате свойствами исходного сигнала (фиг. За), в ля 11 получается простой(не составной) сиг- основном скоростью изменения частоты пенал - первая составляющая исходного рехода с одного звука к другому, Здесь стасигнала. Этот сигнал получается зафиксиро- новится очевидным факт существования ванным всеми своими минимумами над некоторого предела увеличения коэффициосью времени. Он поступает на вход блока 10 ента деления частоты ДЧ 8, выше которого 18 и, задержанный вторым БЗ 16, на сиг- по разным причинам в этом увеличении не нальный вход управляемого корнеизвлека- имеет смысла, Величина этого предела зателя 12. На выходе 30 блока 18 выделяется висит не только от свойств исходного звуко- функция максимумов(фиг. Зв) сигнала, пол- вого сигнала, но и от условий конкретной ученного на выходе вычитателя 11, Она по технической задачи. Например, при имеюкаэана как принадлежащая сигналу(фиг, Зг) щейся возможности снижения требований к потому, что благодаря управляемости кор- точности восстановления исходного сигнанеизвлекателя 12 сигнал фиг, Зг на его вы- ла за счет сознательного уменьшения укаходе 31 имеет также эту функцию. На занной скорости изменения частоты, выходе 32 инвертора 14 получается поде увеличение коэффициента деления частоты ленный по частоте на два сигнал фиг, Зд, приведет к дополнительному сокращениюИз осциллограммы сигнала фиг. Зд от- спектра.четливо видно, что поделенный сигнал оста- Сигнал фиг. Зи поступает на вход кается простым процессом, функция нального ФНЧ 15 и БЗ 16, входящие в ЧР максимумов и функция минимумов которого 25 10, На выходе ФНЧ 15 выделяется первый одинаковы и равны функции максимумов узкополосный сигнал-параметр(фиг,Зк), кофиг. Зв исходного для ДЧ 3 сигнала. тарый поступает на вход 1 блока 5 уплотнеСигнал фиг. Зд поступает на вход блока ния каналов и на другой вход вычитателя 11, 18 и, задержанный при помощи БЗ 16, на БЗ 16 компенсирует задержку сигнала в вход сумматора 13 второго ДЧ 9. На выходе 30 ФНЧ 15, поэтому на входах вычитателя 11 33 блока 18 выделятся функция максимумов сигналы (фиг, Зи и фиг. Зк) достаточно син(фиг. Зе), неравная функции фиг. Зв. Этот фазны. На выходе вычитателя 11 получается сигнал поступает навторойвходсумматора первый сигнал-остаток (фиг, Зл) со значи 13 и3 и на управляющий вход корнеизвлекате- тельно меньшей спектральной энергие й, ля 2, На выходе этого сумматора получает чем энергия исходного сигнала (фиг. За) - ся зафиксированный всеми своими это главный положительный эффектиспольминимумами над осью времени сигнал, ко- зования ДЧ как частотного компрессора. торый на выходе 34 корнеизвлекателя 12 Сигнал фиг, Зл поступает на вход вто ор вызывает сигнал фиг. Зж, а на выходе 35гоканала,вкоторомпреобргзованияаналоинвертора 14 получается сигнал фиг. Зэ, по гичны рассмотренным, В результате, на деленный по частоте на четыре, входе блока 5 получается второй узкопоАналогично работают остальные ДЧ 9 лосный сигнал-параметр, а на ВЧ-выходе на два. На выходе 36 последующего ДЧ 9 на ЧР 10 - второйсигнал-остаток, который подва получается сигнал фиг. Зи, поделенный ступает на вход третьего канала, на выходе по частоте на восемь, Из осциллограммы 45 которого ФНЧ 15 выделяет третий узкопофиг, За видно, что средние частоты звуков лосный сигнал-параметр, поступающий на "е" и "нь" отличаются приблизительно в два,вход 11 блока 5. Благодаря малости спектраза, Если предположить, что частота звука ральной энергии получаемых сигнал-остат"нь" близка к 8 кГц, то частота звука "е" ков, нет надобности использовать в получается 4 кГц, Следовательно, частот компрессоре более двух-трех каналов преный диапазон этого сигнала, требующий со- образования.ответствующую полосу канала связи, равен4 кГц. Поделенный по частоте на восемь, Выделенная функция минимумов (фиг, ты 05 и 1 кГсигнал фиг. Зи имеет соответственно часто- Зм) в общем случае является сос тавным проты, и к ц, а частотный диапазон 0,5 кГц, 55 цессом со своей функцией минимумов (фиг, Увеличением количества ДЧ 9 на два, т,е, Зн), но она содержит меньше составляю- увеличением коэффициента деления часто- щих, чем исходный сигнал,.В результате ты ДЧ 8, этот диапазон соответственно воздействия сигнала фиг, Зм на вход 29 втоуменьшается, но полоса частот поделенного рого блока 17 на его выходе 37 выделяется сигнала фиг, Зи, как и любого частотно-мо- эта функция минимумов(фиг, Зо).Если сигнал фиг. Зо окажется простым процессом, то на этом разложение прекращается, Этот сигнал - последняя составляющая исходного сигнала - поступает на вход последнего частотного компрессора 4, Количество составляющих зависит от структуры исходного сигнала, а количество выделяемых составляющих - и от постановки задачи проектирования конкретного устройства частотного компандирования,В ДЧ 3 предпоследнего частотного компрессора 4 из сигнала фиг. Зм, в результате вычитания из него сигнала фиг, Зо, выделяется предпоследняя составляющая исходного сигнала, Преобразования в предпоследнем и в последнем компрессорах аналогичны рассмотренным, в результате на их выходах образуются еще нескрлько узкополосных сигналов-параметров,Все сигналы-параметры в блоке 5 уплотнения каналов образуют единый компрессированный сигнал, который через ПФ 6 передается по значительно более узкополосному, чем типовые, каналу связи.На приемной стороне (фиг. 2) принятыйкомпрессированный сигнал поступает на вход блока 19 разделения каналов, На его выходах получаются практически такие же узкополосные сигналы-параметры, которыебыли получены на выходах каждого компрессора, Каждый из этих сигналов поступает на соответствующий вход экспандеров 20, преобразования в которых строго обратны преобразованиям в компрессорах, что является необходимым условием высококачественного частотного компандирования,Третий сигнал-параметр первой составляющей исходного сигнала, подобный сигналу фиг. Зк, поступает по каналуна вход блока 24 формирования модуля, На выходе38 блока 24, входящего в УЧ на два 23, получается униполярный сигнал, подоОныи сигналу фиг, Зп, имеющего такое же количество экстремумов, какое имел исходный сигналпоследнего ДЧ 9 на два, входящего в ДЧ 8канала . Именно из такого сигнала былавыделена функция максимумов, подобнаяфункции фиг. Зр, блоком 18, входящим вэтот ДЧ 9.Сигнал, подобный сигналу фиг, Зп, поступает на вход блока 18 и после задержки в БЗ 16 на вход квадратора 25, входящего в УЧ на два 23, На выходе 39 блока 18 выделяется функция максимумов, подобная функции фиг. Зр, которая (при одинаковых блока 18 в ДЧ 9 и в УЧ на два 23) строго равна той функции максимумов, которая была выделена в ДЧ 9. Сигнал, подобный сигналу фиг. Зр, поступает на управляющий вход квадратора 25 и на другой вход вычи тателя 11, на выходе 40 которого получается биполярный сигнал, подобный сигналу фиг. Зз с удвоенной частотой по отношению к частоте сигнала фиг. Зк,В последующих УЧ на два 23, входящих в УЧ 21, происходят преобразования, аналогичные рассмотренным. В результате на выходе УЧ 21 получается сигнал, подобный 5 10 15 сигналу фиг. Зл, а на выходе 41 аттенюатора 22, компенсирующего усиления усилителя 7, получается восстановление второго сигнал-остатка первой составляющей исходного сигнала. Второй сигнал-остаток поступает на один из входов сумматора 13, на другой вход которого, после задержки в БЗ 16, поступает второй сигнал-параметр, подобный сигналу фиг, Зк, переданный по каналу . На выходе сумматора 13 каналаполучается сигнал, подобный сигналу фиг. Зи, который, после умножения частоты в УЧ 21, на выходе 42 аттенюатора 22 вызывает восстановленный с большой точностью первый сигнал-остаток (фиг, Зл), который поступает на один из входов сумматора 13 канала 1. На другой вход этого сумматора, после задержки в БЗ 16, поступает первый сигнал-параметр (фиг. Зк), На выходе этого сумматора получается достаточно точно восстановленный сигнал фиг. Зи, который поступает на вход УЧ 21 канала 1, на выходе которого получается достаточно точно восстановленная первая составляющая исходного сигнала фиг. За,.Аналогично восстанавливаются остальные составляющие исходного сигнала в экс-. пандерах 20, Все восстановленные составляющие поступают на вход выходного сумматора 13, на выходе которого получается достаточно точно восстановленный исходный сигнал фиг. За, В НЧ-корректоре 26 восстанавливаются уровни НЧ и ВЧ составляющих его, а ФНЧ 27 удаляет возможные ВЧ-продукты преобразований.Формула изобретения 1, Устройство частотного компандирования звуковых сигналов, содержащее на передающей стороне последовательно соединенные входной фильтр нижних частот и амплитудный высокочастотный корректор, К цепей (К=З), состоящих из последовательно соединенных первого делителя частоты 20 25 30 35 40 45 50 55 на два и первого частотного компрессора .з второго частотного компрессора, последо- вательно соединенные блок уплотнения каналов и полюсовой фильтр, причем каждый частотный компрессор состоит из параллельных каналов преобразования, каждый из которых содержит последовательно сое- диненные вторые делители частоты на два, причем на входе каждого канала преобразо1814193 во второй делитель частоты на два введены блок задержки, включенный между входом частотного компрессора и входом сумматора, и блок выделения функции максимумов, вход которого объединен с входом блока задержки, а выход подключен к второму входу сумматора и к управляющему входу корнеизвлекателя, на передающей стороне введены также последовательно соединен-.ные блоки выделения функции минимумов, вход. первого из которых соединен с выходом высокочастотного корректора, э выход последнего блока выделения функции минимумов соединен с входом последнего час тотного компрессора, вход каждого блокавыделения функции минимумов соединен свходом первого блока задержки каждого первого делителя частоты на два, а выход -с вторым входом вычитателя соответствующего делителя частоты, на приемной стороне в каждый умножитепь частоты на два введены последовательно соединенные формирователь модуля и блок задержки, включенные между входом умножителя частоты на два и входом квадратора, и блок выделения функции максимумов, вход которого соединен с выходом формирователя модуля, а выход - с управляющими входом квадратора и вторым входом сумматора. которого соединен с соответствующим входом блока уплотнения каналов; а высокоча 10 20 25 вания, кроме последнего,включены последовательно соединенные блок задержки, . 35 40 первые делители частоты на два введеныблок выделения функции максимумов и два 45блока задержки, первый из которых включен между входом амплитудного высокочастотного корректора и входом вычитателя, адругой - между выходом вычитателя и входом корнеизвлекателя, управляющий вход 50которого соединен с выходом вычитателячерез блок выделения функции максимумов,вания, кроме первого, включен усилитель, а на выходе каждого канала преобразования, кроме последнего, включен блок частотного разделения, низкочастотный выход статный выход соединен с входом усилителя последующего канала преобразования, на выходе последнего канала преобразования включен фильтр нижних частот, выход которого подключен к входу блока уплотнителя каналов, первый делитель частоты на два содержит последова тельно соединенные вычитатель,управляемый корнеизвлекатель и инвертор,а каждый второй делитель частоты на два содержит последовательно соединенные сумматор, управляемый корнеизвлекатель и инвертор, на приемной стороне устройство содержит блок разделения каналов К+1 частотных зкспандеров, последовательно соединенные выходной сумматор,амплитудный низкочастотный корректор и выходной фильтр нижних частот, каждый частотный зкспандер состоит из параллельных каналов преобразования, каждый из которых содержит последовательно соединенные умножители частоты на два,причем на входе каждого канала преабразовход которого соединен с соответствующим выходом блока разделения каналов, и сумматор, э на выходе каждого канала преобразования, кроме первого, включен аттенюатор, выход которого подключен к второму входу сумматора предыдущего ка нала преобразования, и ри этом каждый умножитель частоты на два содержит последовательно соединенные управляемый квадратор и вычитатель. о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью уменьшения искажений результирующего сигнала, в 2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что блок частотного разделения содержит канальный фильтр нижних частот, выход которого является низкочастотным выходом блока частотного разделения, последовательно соединенные блок задержки и вычитатель, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, вход которого соединен с входом блока частотного разделения и входом блока задержки, выход вычитателя является высокочастотным выходом блока частотного разделения.3. Устройство по и, 1, о т л и ч э ю щ е ес я тем, что блок выделения функции максимумов содержит последовательно соединенные блок выборки максимальных значений и адаптивной интерполятор,4, Устройство по п, 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что.блок выделения функции минимумов содержит последовательно соединенные блок выборки минимальных значений и адаптивный интерполятор.1814193 Составитель Н.,ПетроваТехред М.Моргентал Корректор еда ктор ро акаэ 1833 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета.по изобретениям и открытия 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 при ГКНТ СС оиэводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10