Аппаратура повышения разборчивости.

Аппаратура повышения разборчивости.

Аппаратура повышения разборчивости.

1. Общие положения.

В процессе получения и регистрации аудиоинформации возможно возникновение помех и шумов, вызываемых различными причинами: шум улицы, дождя, шумы и помехи от различных электробытовых и промышленных устройств, музыка и т.п.

Основным средством для очистки аудиоинформации от вышеуказанных шумов и помех являются устройства адаптивной фильтрации, а также аппаратно-программные комплексы, в основе функционирования которых заложена возможность реализации алгоритма адаптивной фильтрации.

Блок -схема адаптивного фильтра приведена на рис. 1.

Адаптивный фильтр действует по принципу оценивания статистических параметров поступающего сигнала и подстройки собственной переходной характеристики таким образом, чтобы минимизировать ошибку e(n).

Если предположить, что на вход Y(n) поступает смесь речевого сигнала и помехи, а на вход S(n) -сигнал помехи, то параметры программируемого фильтра будут изменяться в соответствии с алгоритмом адаптации таким образом, что на выходе Yf(n) будет присутствовать сигнал, приблизительно равный сигналу помехи, а на выходе e(n)-очищенный речевой сигнал.

Устройства реализующие блок схему рис.1 называются двухканальными адаптивными фильтрами или адаптивными компенсаторами помех.

Если на вход программируемого фильтра подавать сигнал с задающего входа , т.е. выполнить условие S(n)=Y(n), то данная реализация блок-схемы называется одноканальным адаптивным фильтром, или просто адаптивным фильтром.

Алгоритм адаптации определяет закон, в соответствии с которым происходит настройка программируемого фильтра, где в качестве параметра используется величина, определяющая скорость изменения параметров программируемого фильтра.

Обычно используется два закона настройки:

• минимум среднего квадрата ошибки (МСКО);
• минимум модуля ошибки (ММО).

Параметр, определяющий скорость настройки , обеспечивает точную подстройку адаптивного фильтра под ту или иную помеху, поэтому для эффективной борьбы с помехами желательно, чтобы в устройствах была заложена возможность изменения этого параметра в достаточно широких пределах.

В качестве программируемого фильтра часто используются фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтры или FIR-фильтры, в англоязычном варианте.). Размерность такого фильтра определяет количество коэффициентов адаптации.

Так как в основе всех без исключения аппаратных реализаций адаптивного фильтра лежат цифровые методы обработки сигналов, то большое влияния на качество обработки оказывают характеристики тракта АЦП-ЦАП (разрядность, нелинейные искажения, динамический диапазон , полоса рабочих частот).

2. Сравнительный анализ устройств адаптивной фильтрации.

В таблице 1 приведены характеристики устройств адаптивной фильтрации ( в дальнейшем все устройства использующие для обработки адаптивный алгоритм будем для краткости называть адаптивными фильтрами) производимые как в нашей стране, так и за рубежом.

Можно видеть, что существует достаточно широкий спектр устройств этого класса, позволяющий решать различные задачи по борьбе с помехами и шумами.

Аппаратуру адаптивной фильтрации можно разделить на две группы:

• профессиональная аппаратура, рассчитанная на подготовленных пользователей, которыми являются в основном работники силовых структур.
• аппаратура коммерческого применения.

Таблица 1. Адаптивные фильтры.

Профессиональная аппаратура характеризуется широким набором функциональных возможностей, основные из которых приведены ниже:

• наличие как одноканального, так и двухканального режимов обработки;
• возможность установки различных режимов фильтрации;
• допустимость изменения в широких пределах как числа коэффициентов адаптации, так и рабочей полосы обработки;
• возможность работы с большим числом коэффициентов (более 1024);
• наличие разнообразных сервисных возможностей.

Аппаратура коммерческого применения рассчитана на неподготовленного или малоподготовленного пользователя и обладает существенно меньшими функциональными возможностями, но достаточно проста в эксплуатации , не требует специальных знаний, а также имеет существенно более низкую стоимость ( в несколько раз), чем профессиональная аппаратура.

Таблица 1 (продолжение). Адаптивные фильтры.

н/д — нет данных;

* — данное устройство содержит два каскада адаптивных фильтров. Первый имеет максимальное число коэффициентов 4096, а второй-512.

1. Профессиональная аппаратура.

К этой группе можно отнести следующие устройства:

• “Золушка-31”, фирма ЦРТ, г. Санкт-Петербург, Россия:
• “MicroDac II,” “MicroDac III”, “DAC32000”, фирма DAC, США.

Оптимальным выбором для российского пользователя является аппаратура “Золушка-31”, не уступающая по техническим и функциональным характеристикам зарубежным аналогам фирмы DAC, но продающаяся по существенно более низким ценам.

Приведенные в таблице 1 характеристики, показывают, что по таким существенным техническим параметрам, как подавление синусоидального сигнала и белого шума аппаратура “Золушка-31” почти не уступает аппаратуре “MicroDac II,” “MicroDac III” фирмы DAC, но в то же время существенно превосходит ее по уровню сервисных возможностей ( псевдостерео, кольцевой повторитель, возможность управления от ПЭВМ.

Примечания:

• режим псевдостерео предназначен для улучшения комфортности и разборчивости при прослушивании монофонических сигналов;
• кольцевой повторитель обеспечивает возможность многократного прослушивания небольшого участка фонограммы (длительность 4-10сек).

Необходимо отметить также, что на передней панели аппаратуры “Золушка-31” установлен жидкокристаллический дисплей, отображающий различную информацию (уровень сигнала, значения параметров обработки и т.п.), существенно упрощающую работу оператора.

Еще одним устройством, на которое хотелось бы обратить внимание профессиональных пользователей, является DAC32000.

С помощью данного устройство возможно устранение огромного количества всевозможных помех и шумов, возникающих при работе со звуковыми, акустическими или вибро-сигналами.

DAC32000 имеет 8 входных каналов и 6 выходных, что обеспечивает до 16 различных режимов обработки. Максимальное число коэффициентов адаптации, обеспечиваемое данным устройством в рабочей полосе 8кГц-32768.

Устройство имеет жидкокристаллический дисплей для отображения уровней входного сигнала и значений параметров различных режимов обработки.

2. Аппаратура коммерческого применения.

К этой группе относятся следующие устройства:

“Фильтр-Н”, “АФ-512”, “Золушка-Микро 2”, “MicroDac”.

Характерной особенностью этих устройств является одноканальность (отсутствует опорный канал), что не позволяет эффективно бороться с нестационарными широкополосными помехами типа белого шума ( примером белого шума является шум магнитофонной ленты в паузе).

Тем не менее можно достичь довольного ощутимого подавления стационарных помех (сетевая, гармоническая, “плавная” музыка и т.п.).

Лучшим представителем в данной группе (по соотношению цена/качество) является аппаратура “Золушка-Микро 2”, фирмы ЦРТ, которая при существенно более низкой цене, чем ее аналог “MicroDac”, фирмы DAC, обеспечивает не только практически те же самые технические характеристики, но имеет дополнительные функциональные возможности — кольцевой повторитель на 11секунд и АРУ по входу и выходу.

Характерной особенностью вышеуказанных изделий является возможность работы от аккумулятора и низкая потребляемая мощность, что является оптимальным для использования этой аппаратуру , например, в автомобиле.

Как “MicroDac”, так и “Золушку-Микро 2” отличает минимальное количество органов управления, что позволяет с успехом использовать данную аппаратуру даже непрофессиональному пользователю.

Аппаратура “АФ-512” несколько уступает по техническим параметрам вышеописанным устройствам (см. таблицу 1), но обладает наиболее низкой ценой среди аппаратуры данной группы.

3. Аппаратно-программные комплексы.

Аппаратно программные комплексы (АПК) являются мощным средством в борьбе с помехами и шумами, так как используют вычислительные и интерфейсные возможности ПЭВМ, на базе которых они создаются.

Отличительным свойством АПК является наличие развитого программного обеспечения. В таблице 2 приведены основные технические и функциональные параметры аппаратно-программных комплексов..

Таблица 2. Аппаратно-программные комплексы.

н/д — нет данных;

* — см. далее по тексту;

** — со стоимостью ПЭВМ.

Как правило, в состав АПК входят (см. таблицу) следующие составляющие:

• блок ввода/вывода, обеспечивающий согласование с внешними источниками сигнала. Обычно выполняется в виде отдельного устройства, состыкованного с платой обработки соединительным кабелем.
• плата цифровой обработки сигнала, устанавливаемая в слот ПЭВМ, обеспечивающая как непосредственно обработку , так и передачу данных в ПЭВМ.
• ПЭВМ, обеспечивающая отображение результатов обработки, а также их хранение .
• программное обеспечение, позволяющее оператору выбирать различные режимы и способы обработки сигналов, а также осуществлять прослушивание, наблюдать спектрограммы и т.п.

Так как АПК предназначены для профессиональных пользователей, то основным требованием к АПК является возможность реализации алгоритма адаптивной фильтрации в совокупности с другими алгоритмами (ФНЧ, ФВЧ, подавитель импульсной помехи, эквалайзер и т.п.) в реальном масштабе времени.

Рассмотрим подробнее представленные в таблице 2 АПК.

1. “Ярмарка”. Разработчик и производитель ФСБ России.

Уникальное программное обеспечение, функционирующее в среде MS DOS кроме указанных в таблице 2 возможностей позволяет также:

• регулировать уровень записи и громкости прослушиваемого сигнала;
• проводить обработку речевых сигналов и одновременно выводить обработанный сигнал на головные телефоны и на аналоговые выходы в режимах моно, псевдостерео и стерео;
• сохранять на дисковом накопителе ПЭВМ параметры фильтров и загружать их в память платы обработки сигналов;
• выводить на экран спектры и временные реализации обрабатываемых сигналов;
• составлять стенограммы обработанных аудиозаписей с помощью встроенного текстового редактора.

Высокие технические характеристики, широкий выбор алгоритмов обработки, гибкий и удобный программный интерфейс, говорят о том, что среди представленных АПК “Ярмарка” является наиболее удачным выбором для пользователей, профессионально работающих в области повышения разборчивости зашумленных речевых сигналов.

К недостаткам данной аппаратуры можно отнести отсутствие программного обеспечения, работающего в среде Windows 95.

2. “ИКАР-1К”. производитель- фирма “ЦРТ”.

По своим техническим и функциональным характеристикам близок к АПК “Ярмарка”, но предназначен для решения более широкого круга задач:

• биоакустика;
• лингвистические исследования;
• исследования в области слуха;
• патология голоса и речи;
• идентификация и верификация дикторов по голосу;
• диагностика психофизиологического состояния человека по голосу;
• повышение разборчивости.

Программное обеспечение включает в себя следующие компоненты:

• пакет анализа и обработки звукозаписей SIS 4.5;
• программа адаптивной цифровой фильтрации реального времени;
• программа многополосного ( до 2000 полос) эквалайзера и спектроанализатора реального времени;
• программа оперативного документирования звукозаписей “Цезарь-SOFT”.

Как и все многофункциональные системы, перекрывающие широкий спектр задач, данный комплекс не лишен недостатков, связанных с громоздкостью интерфейса, не позволяющего оператору быстро устанавливать нужный режим обработки, а также видеть результаты обработки.

3. PCDF4096. Производитель — фирма “DAC”.

Технические характеристики и функциональные возможности близки к вышеописанным АПК.

В состав программного обеспечения входит несколько пакетов:

• DFWS ( Digital Filter Work Station) — рабочая станция проектировщика цифровых фильтров. Позволяет реализовать в реальном масштабе времени различные цифровые фильтры, включая адаптивные ( как одно, так и двухканальные).
• PC-EDGE ( Enhanced Digital Graphic Equalizer) — улучшенный цифровой графический эквалайзер. Позволяет реализовать эквалайзер с любой, задаваемой пользователем, амплитудно-частотной характеристикой.
• PC-SIF ( Spectral Inverse Filter) — реализация фильтра, инверсного по спектру сигналу.

Следует отметить, что аппаратура PCDF4096, не имея по техническим, функциональным и программным возможностям существенным преимуществ перед отечественными АПК, однако имеет значительно более высокую стоимость.