Многократная задержка сигнала

 

Многократная задержка сигнала может быть достигнута двумя путями: доступом к различным элементам, хранящимся в одной линии задержки, или созданием нескольких отдельных линий, имеющих различное время задержки. Первый способ используется в цифровой обработке сигналов и в магнитофонах с несколькими считывающими головками, а второй — при использовании механических и электрических линий задержки.

Многократная задержка сигнала может быть реализована как с использованием трансверсальных (с конечной импульсной характеристикой), так и с использованием рекурсивных фильтров (с бесконечной импульсной характеристикой).

 

Многократная задержка с использованием трансверсального фильтра

Блок-схема реализации многократной задержки сигнала с использованием трансверсального фильтра приведена на рисунке 3.1.1.2.

 

Рисунок 3.2.1.1 - Блок-схема реализации многократной задержки с использованием трансверсального фильтра

 

Разностное уравнение трансверсального фильтра может быть записано в виде:

                                (3.2.1.1)

В данном фильтре используются различные величины задержек входного сигнала, что не позволяет считать этот фильтр гребенчатым. Использование конечного числа линий задержки дает возможность учесть влияние ограниченного числа отражающих поверхностей.

Поскольку в трансверсальном фильтре может быть учтено только ограниченное число отражений сигнала, то его нельзя использовать для моделирования переотражений звуковой волны. Для этого следует использовать рекурсивные фильтры.

 

Многократная задержка с использованием рекурсивного фильтра

Блок-схема реализации многократной задержки с использованием простейшего рекурсивного фильтра приведена на рисунке 3.2.1.2.

 

Рисунок 3.2.2.1 – Блок-схема реализации многократной задержки с использованием рекурсивного фильтра

 

Этот фильтр может быть использован для описания переотражений звуковой волны между двумя бесконечными параллельными стенами, на одной из которых расположен излучатель плоской волны. Приемник может располагаться на любой из стен. При отражении от стены энергия звуковой волны падает в а раз. Импульсная характеристика данного фильтра представляет собой последовательность одиночных импульсов, расположенных па расстоянии D отсчетов друг от друга, причем импульс с номером п имеет амплитуду aⁿ.

Данный фильтр описывается разностным уравнением:

                                            (3.2.2.1)

и имеет передаточную функцию:

                                                          (3.2.2.2)

Более сложные звуковые эффекты

Кроме описанных выше простейших звуковых эффектов существуют и более сложные, основанные на перемещении спектральных составляющих исходного сигнала. Такой эффект может быть, например, достигнут при изменении величины задержки сигнала по определенному закону в базовой блок-схеме, приведенной на рис.3.1.2.1

 

Рисунок - Базовая блок-схема

 

В этой блок-схеме величина D_f является постоянной, а величина D_т = f_m (t) представляет собой некоторую функцию времени. Поэтому данная блок-схема реализует гребенчатый фильтр с изменяющейся во времени частотной характеристикой. Эта блок-схема имеет слишком сложную структуру, чтобы описать ее одним разностным уравнением. Выбор закона изменения величины D_m, а также значения постоянных величин a₀, a₁, a_f и D_f позволяют реализовать различные эффекты.

 

Эффект детонации

 

Эффект детонации был открыт при попытке использования вы­ходных сигналов с двух катушечных магнитофонов для создания эффекта хо­ра, который будет описан ниже. В результате возник эффект, напоминающий звук взлетающего реактивного самолета.

 

Рисунок 3.3.1- Блок-схема устройства, реализующего эффект детонации

 

Для реализации эффекта детонации в цифровых устройствах может быть использовано устройство, блок-схема которого приведена на рисунке 3.3.1.

Как видно из рисунка 3.3.1, эта блок-схема является частным случаем базовой блок-схемы, изображенной на рисунке 3.3.1. Данной блок-схеме соответствует следующее разностное уравнение:

 ,        (3.3.1)

где

Для предотвращения возникновения переполнений разрядной сетки при вычислении выходного значения коэффициент а₀ выбирается равным 0, 5, а коэффициент а₁ выбирается от -0, 5 до 0, 5. Значение параметра D, опреде­ляющего диапазон изменения задержки, обычно выбирается от 0.25 до 25 мс. Значение параметра N, определяющего частоту детонации, выбирается исхо­дя из требований, предъявляемых к выходному сигналу.

Уменьшение длины линии задержки приводит к пропорциональному подъему частот спектральных составляющих исходного сигнала, а ее уменьшение — к понижению этих частот.

 

Эффект хора

 

Другим эффектом, обогащающим звуковую палитру произведения, является эффект хора. Он позволяет создать у слушателя иллюзию, что данное произведение одновременно исполняется на нескольких одинаковых музыкальных инструментах. Хотя музыканты стараются играть синхронно, они не могут избежать небольших отклонений от общего темпа. Кроме того, неизбежны различия в настройке отдельных инструментов и в громкости исполнения.

Для создания эффекта одновременного исполнения произведения на M инструментах может быть использовано устройство, блок-схема которого приведена на рисунке 3.4.1.

Как правило, все коэффициенты при реализации эффекта задержки выбираются равными (1/M), а сами величины задержки не превышают 15—35 мс. Естественно, что каждая линия задержки должна изменять свои параметры независимо от всех остальных.

Рисунок 3.4.1 - Блок-схема устройства, реализующего эффект хора

 

При таком выборе коэффициентов моделируются только различия в темпе исполнения произведения и в настройке инструментов. То что эти различия связаны друг с другом, на слух не определяется, поскольку в реальной ситуации такая зависимость отсутствует, и слух не приспособлен для ее выделения. Для моделирования различного уровня воспроизведения достаточно сделать переменными коэффициенты фильтра, добавив к их постоянному значению некоторый случайный низкочастотный сигнал малого уровня, поскольку исполнители стараются сохранять средний уровень громкости при воспроизведении. Для простоты в качестве случайного низкочастотного сигнала может быть использован тот же самый сигнал, что и в линиях задержки.

Данной блок-схеме соответствует следующее разностное уравнение:

 ,            (3.3.1)

где

 

Эффект вибрато

 

Эффект вибрато имитирует вибрато человеческих голосов, определяющий их тембр, теплоту и выразительность, и соответствующий прием исполнения на струнных музыкальных инструментах, периодически изменяющий в небольших пределах высоту звуков. Эффект вибрато может быть получен в устройствах, реализующих эффекты детонации и хора при полном удалении входного сигнала из выходного. Величина задержки при этом выбирается таким образом, чтобы частотный сдвиг основных спектральных составляющих сигнала составлял несколько герц. Этот эффект часто путают с эффектом тремоло, где сигнал подвергается не частотной, а амплитудной модуляции. Оба эффекта используют одинаковый модулирующий сигнал. Эффекты тремоло и вибрато могут совместно использоваться для создания эффекта вращающегося диктора.

Блок-схема устройства, реализующего эффект вибрато, приведена на рисунке 3.5.1:

 

Рисунок 3.5.1 - Блок-схема устройства, реализующего эффект вибрато

 

Устройство, блок-схема которого приведена на рисунке 3.1.2.3.1, может использоваться также и для изменения основного тона диктора (например, чтобы сделать голос говорящего неузнаваемым). В этом случае величина задержки изменяется от нуля до некоторой предельной величины по линейному закону. По достижении задержки своей предельной величины она сбрасывается в ноль, и процесс возобновляется. Изменение задержки по такому закону позволяет обеспечить работу устройства в реальном времени, но в момент обнуления величины задержки слышен щелчок. Дело в том, что как раз в данный момент происходит разрыв воспроизводимого сигнала при переходе к повторному воспроизведению некоторого его участка.

Если необходимо не повысить, а понизить частоту основного тона, то величина задержки постоянно уменьшается и при достижении нуля устанавливается в свое максимальное значение. При таком переходе теряется часть входного сигнала. Для устранения щелчков, возникающих при изменении величины задержки, рекомендуется использовать фильтры нижних частот.

Более простым способом устранения щелчков является использование двух подобных устройств, фазы пилообразных модулирующих сигналов которых сдвинуты на половину периода. При этом необходимо задать весовое окно (например, окно Ханна) на периоде модулирующего сигнала. Выходные сигналы каждого устройства умножаются на отсчет весовой функции, соответствующий текущей длине линии задержки, и складываются друг с другом, что обеспечивает устранение щелчков при переходах. Если обозначить период модулирующего сигнала как N, отсчет модулирующего сигнала как f_т(п), а отсчет весовой функции как W(п), то, с использованием функции получения остатка от целочисленного деления числа M на число N, обозначаемой как mod_N(М), процедура преобразования основного тона может быть записана в форме следующего разностного уравнения:

                                                          (3.5.1)

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: