Аппаратура повышения разборчивости.
- 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.
| Данная схема лежит в основе любого устройства, характеристика которого приведена в таблице 1. Отличия устройств друг от друга обусловлены лишь схемотехническими решениями, применяемыми для реализации алгоритма адаптивной фильтрации в конкретном изделии и объемом сервисных функций , заложенных в нем. |  |
Рис. 1 Блок -схема адаптивного фильтра |
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).
- 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.
| Производитель | Электрозавод | ПАРУС | ЦРТ | ЦРТ |
| Название | АФ-512 | Фильтр-Н | Золушка-Микро-2 | Золушка-31 |
| Модель | ||||
| Технические характеристики | ||||
| Режимы обработки | ||||
| Одноканальный | + | + | + | + |
| Двухканальный | - | - | - | + |
| Алгоритмы вычисления коэфф. Адаптации | ||||
| минимум среднеквадрат. ошибки (МСКО) | + | н/д | н/д | + |
| минимум среднего модуля ошибки (ММО) | - | н/д | н/д | + |
| Режимы фильтрации | ||||
| Непрерывная адаптация | + | н/д | н/д | + |
| Фиксированные коэффициенты | + | н/д | н/д | + |
| Пороговая адаптация | - | н/д | н/д | + |
| Максимальное число коэфф. адаптации | 512 | 256 | 1024 | 5600 |
| Возможность изменять число коэфф. | - | - | - | + |
| Регулировка скорости адаптации | + | н/д | н/д | + |
| Подавление синусоид. сигнала 1.0кГц, дБ | >=50 | >=50 | >=50 | >=55 |
| Подавление белого шума ( 2 кан. обр.) | - | - | - | >=50 |
| Характеристики тракта АЦП-ЦАП | ||||
| Разрядность АЦП-ЦАП | 12 | 16 | н/д | 16 |
| Коэффициент нелинейных искажений, % | <=0.2 | н/д | н/д | <=0.1 |
| Макс. полоса (мин. коэфф.) рабочих частот, Гц | 200-5000 | 200-8000 | 40-6300 | 20-9900 |
| Отношение сигнал/шум, дБ | >=65 | >=60 | >=65 | >=65 |
| Дополнительный сервис | ||||
| Кольцевой повторитель, сек | - | - | 11 | + |
| Псевдостерео, мс | - | - | - | до 16 |
| АРУ вход/АРУ выход, дБ | - | - | 30/30 | н/д |
| Питание от аккумулятора, В/А | - | - | 12/0.3 | - |
| Управление от ПЭВМ | - | - | - | RS232 |
| Габаритные размеры, мм | 300х200х50 | 190х120х45 | 200х170х80 | 430х320х110 |
| Вес, кг | <=1.0 | <=0.8 | <=0.5 | <=4.5 |
| Потребляемая мощность, сеть 220В, Вт | н/д | н/д | <=4.0 | н/д |
| Ориентировочная стоимость, $ US | 650 | н/д | 790 | 4650 |
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.
| Производитель | DAC | DAC | DAC | DAC |
| Название | MicroDac | MicroDac II | MicroDac III | DAC32000 |
| Модель | DAC1024MU | DAC4096MU | DAC4500MU | DAC32000 |
| Технические характеристики | ||||
| Режимы обработки | ||||
| одноканальный | + | + | + | + |
| двухканальный | - | + | + | + |
| Алгоритмы вычисления коэфф. адаптации | ||||
| минимум среднеквадрат. ошибки (МСКО) | + | + | + | + |
| минимум среднего модуля ошибки (ММО) | - | - | - | - |
| Режимы фильтрации | ||||
| непрерывная адаптация | + | + | + | + |
| фиксированные коэффициенты | - | + | + | + |
| пороговая адаптация | - | - | - | + |
| Максимальное число коэфф. адаптации | 1024 | 4096 | 4096* | 32000 |
| Возможность изменять число коэффициентов | + | + | + | + |
| Регулировка скорости адаптации | + | + | + | + |
| Подавление синусоид. сигнала 1.0кГц, дБ | >=55 | >=60 | >=55 | н/д |
| Подавление белого шума ( 2 кан. обр.) | - | >=55 | >=55 | н/д |
| Характеристики тракта АЦП-ЦАП | ||||
| Разрядность АЦП-ЦАП | 16 | 18 | 16 | 18 |
| Коэфф. Нелинейных искажений,% | н/д | н/д | н/д | н/д |
| Макс. Полоса (мин. коэфф.) рабочих частот, Гц | 5000 | 20000 | 5000 | 20000 |
| Отношение сигнал/шум, дБ | >=80 | >=90 | >=80 | н/д |
| Дополнительный сервис | ||||
| Кольцевой повторитель, сек | - | - | - | - |
| Псевдостерео, мс | - | - | - | - |
| АРУ вход/АРУ выход, дБ | - | - | - | - |
| Питание от аккумулятора, В/А | 10-14/0.75 | 10-16/1.5 | 10-16/1.5 | - |
| Управление от ПЭВМ | - | - | - | RS232 |
| Габаритные размеры, мм | 216х273х44 | 287x345x44 | 216х394х44 | 436x445x178 |
| Вес, кг | 1,80 | 2,72 | 2,57 | 11,3 |
| Потребляемая мощность, сеть 220В, Вт | <=8.0 | <=15 | <=15 | <=150 |
| Ориентировочная стоимость, $ US | 5600 | 9900 | 11900 | 32500 |
н/д - нет данных;
* - данное устройство содержит два каскада адаптивных фильтров. Первый имеет максимальное число коэффициентов 4096, а второй-512.
- 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.
- 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.
- 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.
| Производитель | ФСБ РОССИИ | ЦРТ | DAC |
| Название | "Ярмарка" | "ИКАР-1К" | PCDF4096 |
| Модель | |||
| Функциональные возможности | |||
| адаптивная фильтрация | + | + | + |
| фильтрация с фиксированными коэфф. | |||
| ФНЧ | + | + | + |
| ФВЧ | + | + | + |
| полосовой фильтр | + | + | + |
| одиночный режекторный | + | + | + |
| гребенчатые фильтры | + | - | + |
| эквалайзер | - | + | + |
| спектральный инверсный фильтр | + | + | + |
| фильтр с произвольной характеристикой | + | - | + |
| псевдостерео | + | - | - |
| обнаружитель речи | + | - | - |
| удаление импульсных помех | - | + | - |
| анализатор спектра | + | + | - |
| запись, чтение и обработка аудиофайлов | + | + | - |
| Адаптивная фильтрация | |||
| алгоритм (МСКО/ММО) | +/- | +/- | +/- |
| режим адаптации (непр./фиксир./пороговый) | +/+/+ | +/+/+ | +/н.д./н.д |
| режим обработки ( 1кан./2кан.) | +/+ | +/- | +/+ |
| максимальное число коэфф. адаптации | 512 | 512 | 4096 |
| возможность изменять число коэфф. | + | + | + |
| регулировка скорости адаптации | + | + | + |
| Характеристики тракта АЦП-ЦАП | |||
| Разрядность АЦП-ЦАП | 16 | 16 | 16 |
| Коэфф. Нелинейных искажений, % | <=0.1 | <=0.1 | н/д |
| Макс. Полоса (мин. коэфф.) рабочих частот, Гц | 100-10000 | 20-20000 | 35-7000 |
| Отношение сигнал/шум, дБ | >=75 | >=75 | >=85 |
| Требования к ПЭВМ | |||
| процессор | 486DX2-66 и старше | 486DX2-66 и старше | 386 и старше |
| ОЗУ, Мб | 4 и более | 4 и более | 1 и более |
| монитор | SVGA | SVGA | CGA |
| жесткий диск, Мб | более 500 | более 840 | н/д |
| шина расширения | ISA | ISA | ISA |
| операционная система | DOS 6.22 | DOS 5.0 и старше | DOS 3.3 и старше |
| Программное обеспечение | * | * | * |
| Конструктивное исполнение | |||
| блок ввода-вывода | + (выносной) | + (выносной) | + (выносной) |
| плата обработки | + (устан. в ПЭВМ) | + (устан. в ПЭВМ) | + (устан. в ПЭВМ) |
| плата дополнительной обработки | - | + (устан. в ПЭВМ) | - |
| Ориентировочная стоимость, $ US | 7500** | 4170** | 14400 |
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.
- “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.
- “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.
- 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.
Статья опубликована на сайте: 11.06.1999