Уральская академия государственной службы;doc

Материалы Международной научно-технической конференции,
1 – 5 декабря 2014 г.
МОСКВА
INTERMATIC – 2 0 1 4, часть 5
МИРЭА
УСТРОЙСТВО ИЗМЕНЕНИЯ ЧАСТОТЫ ДИСКРЕТИЗАЦИИ С МИНИМАЛЬНЫМИ
ИСКАЖЕНИЯМИ В КАНАЛЕ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
© 2014 г.
О.Б. ПОПОВ , О.В. УШКОВА
Московский технический институт связи и информатики
Необходимость в изменении частоты дискретизации возникает при аналогоцифровом и цифро-аналоговом преобразовании, а также при передаче сигнала по каналу звукового вещания.
Как известно, канал вещания состоит из тракта формирования программ, первичного и вторичного их распределения, в каждом из которых используются разные
частоты дискретизации, изменение которых осуществляется с переходом к аналоговому сигналу и повторным его аналого-цифровым преобразованием. При этом возникают
искажения сигнала, связанные с повторным квантованием. На рисунке представлена
структурная схема канала звукового вещания, а также показана зависимость снижения
соотношения сигнал/шум от числа переприемов (Рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема канала звукового вещания. ЦМ – цифровой магнитофон, ЛП – лазерный проигрыватель, РД – радиодом, СЛ – соединительная
линия, МКЗВ – междугородний канал звукового вещания, Пер – передатчик.
Одновременно, за счет аналоговой фильтрации, ухудшается равномерность
амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик. В результате цифровой сигнал по качеству не будет отличаться от аналогового. С появлением цифровых трансмультиплексоров величина искажений несколько снизилась, но даже для лучших из
них, как будет показано далее, искажения сигнала весьма существенны.
206
С появлением последних поколений АЦП и ЦАП, в которых используется повышение частоты дискретизации до 2-3 МГц, задача минимизации искажений передискретизации становится еще более актуальной.
Были разработаны способы изменения частоты дискретизации, обеспечивающие необходимое качество, в том числе, и в моменты нестационарности сигнала. При
этом передискретизация осуществляется с помощью представления и фильтрации
сигнала в частотной области. В основу данной работы положено авторское свидетельство кафедры. Мною произведены расчеты, подтвердившие эффективность данного
метода.
В работе было проведено моделирование канала вещания, включающего в себя
тракты и звенья с разными частотами дискретизации и осуществлен анализ накопления искажений. Исследования были проведены на простом гармоническом сигнале, а
также на реальном вещательном сигнале. По ГОСТ 11515 допускаются искажения не
более 2 %. Проведенное исследование показало, что эта величина значительна больше (Рис. 2).
Рис. 2. Спектр сигнала а – исходного (выше); б – ошибки передискретизации.
Мною была осуществлена разработка алгоритма изменения частоты дискретизации с минимизацией искажений в программной среде Mathcad (Рис. 3).
Синтез входного сигнала
Наложение оконной
функции
Дискретное преобразование Фурье
(ДПФ)
Манипуляция отсчетами спектра
Обратное дискретное преобразование
Фурье (ОДПФ)
Рис. 3. Структурная схема алгоритма неискажающего
изменения частоты дискретизации.
207
Преимуществом данного метода является обработка сигнала в частотной области, причем основные операции осуществляются на частотах выше верхней частоты
сигнала, что позволяет минимизировать искажения передискретизации. Кроме того,
реализация цифровой фильтрации в частотной области осуществляется с использованием БПФ, что позволяет резко снизить вычислительную сложность алгоритма, по
сравнению с нерекурсивными цифровыми фильтрами.
Для представления сигнала в частотной области использовали дискретное преобразование Фурье. Манипуляция отсчетами спектра основывается на том, что количество отсчетов в спектральной области совпадает с количеством отсчетов во временной области. Поэтому, удалив или добавив необходимое число частотных коэффициентов, можно сразу получить новую частоту дискретизации. Если же необходимо повысить частоту дискретизации, в спектр добавляются дополнительные нулевые отсчеты.
Отбрасывание отсчетов приводит к потере части энергии звуковых сигналов и
их искажению. Для минимизации искажений применяют наложение на сигнал оконной
функции. В работе были использованы окна Наттолла, Ханна, Хэмминга, треугольного
окна.
С использованием разработанной математической модели алгоритма осуществлено моделирование процесса изменения частоты дискретизации. На Рис. 4.1 показаны этапы изменения частоты дискретизации на примере перехода от 44,1 к 48 кГц.
Для наглядности этот процесс приведен для гармонического сигнала.
Были исследованы возможности снижения искажений передискретизации. Показано, что кроме правильного выбора оконной функции, необходимо оптимизировать
длину используемой выборки (Рис. 4.2).
Результаты эксперимента, проведенного в работе:
Рис. 4.1. Ошибка передискретизации. а – без наложения оконной функции; б, в, г, д – при
использовании окна Наттолла, треугольного, Ханна и Хэмминга соответственно.
208
Рис. 4.2. Зависимость ошибки передискретизации от интервала наблюдения.
На рис.4.1 ‫׀‬yn - hn ‫ ׀‬и ‫׀‬y3n – h3n‫ – ׀‬абсолютная разница между исходным сигналом и сигналом после передискретизации.
На рис.4.2 р – ошибка передискретизации; t, мс - интервал наблюдения.
По этому графику, задавшись нужной точность, можно определить необходимое
количество отсчетов. Кроме того, на данном рисунке приведены результаты эксперимента, проведенного в работе. Получили, что искажения очень малы и составляют сотые доли процента. А это удовлетворяет ГОСТу. Поэтому можно сделать вывод, что
разработанный алгоритм является эффективным и его следует применять для передискретизации на стыках трактов и звеньев канала звукового вещания, а также в современных АЦП и ЦАП с повышением частоты дискретизации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 11515-91. Каналы и тракты звукового вещания. Основные параметры качества. Методы измерения.
2. Патент РФ № 2405262 «Способ изменения скорости передачи цифрового звукового
сигнала телерадиовещания и устройство для его осуществления». Опубл. БИ №33
27.11.2010. - 13 с.
3. Попов О.Б., Рихтер С.Г. Цифровая обработка сигналов в трактах звукового вещания. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. – 341 с.
209