Розробка процесора реставрації музичних сигналів

Структурна схема процесора реставрації музичних сигналів наведена на рис.4.

Для сучасних систем характерно, що фільтрація проводиться з використання відомостей про шум, а не відомостей про сигнал. Даний підхід можна назвати фільтрацією з використанням виявлення, тобто за деякою ознакою (амплітудний спектр) приймається рішення про наявність чи відсутність процесу (шуму).

На рис.4. також можна виділити гілку керування і гілку опрацювання сигналу. Формуванням частотної характеристики фільтра шумоподавлення керує пристрій, який порівнює амплітудні спектри сигналу, що обробляється з стандартними вибірками. При такому підході, як поріг при прийнятті рішення про значення модуля коефіцієнта передачі в даному діапазоні частот використовується потужність шуму еталонної вибірки у відповідній області спектру. Можливий варіант, коли поріг визначається автоматично. При такому підході „шумовими” компонентами спектру, що підлягають подавленню признаються компоненти, потужність яких менша цього динамічного порогу. Для синтезу гармонік з сигналу може бути виділена смуга верхніх чи нижніх частот.

На синтезатор гармонік поступає сигнал, який крім корисних спектральних складових містить і не подавлені на стадії шумоподавлення продукти нелінійних спотворень, компоненти шумів. Тобто, після сумування вхідного сигналу з вихідним сигналом синтезатора гармонік вхідний спектр збагачується новими шумовими складовими.

Головними і найскладнішими вузлами процесора є вузли ШПФ і синтезатора гармонік. У випадку, якщо частота сигналу, що поступає буде співпадати з частотою однієї з еталонних гармонік (синусоїд), на виході ШПФ буде спектр у виді одиночного піка. При неспівпадінні частот графік спектру буде мати вигляд, що наведений на рис.5. Знизу під графіком наведені умови його формування.

Рис. 5. Спектр ШПФ синусоїдального сигналу у випадку не співпадіння його частоти з жодною зі еталонних частот ШПФ.

На рис.6 наведений спектр ШПФ синусоїдального сигналу у випадку співпадіння його частоти з однією з еталонних частот і попереднім віконним опрацюванням.

Аналіз рис.5 і рис.6 показує, що при використанні реальних сигналів на виході ШПФ можуть появлятися піки. При змішуванні сигналів з вузлів ШПФ шуму і ШПФ корисного сигналу вдається отримати сигнал максимально наближений до реального сигналу. Приклад як змінюється графік ШПФ спектру у часі наведений на рис.7.

Рис.6. Спектр ШПФ синусоїдального сигналу у випадку співпадіння його частоти з однією з еталонних частот і попереднім віконним опрацюванням.

Рис. 7. Графік ШПФ звукового сигналу скрипки.

По осі Х - частота, по Y - час і в "третьому вимірі" - амплітуда синусоїд, з яких, за результатами ШПФ, складається сигнал. Складний з погляду цифрового спектрального аналізу за методом ШПФ сигнал суб'єктивно відчувається як монолітний, цільний і "простий" звук певної висоти (частоти). З рис.7 можна зробити висновок про доцільність змішування сигналу і шуму для відтворення музичних сигналів.

Гармонійні синтезатори

Для реалізації синтезатора музичних звуків використовуєтося кілька методів:

1. Метод хвильового табличного синтезу - в пам'ять синтезатора записується оцифрований звук музичного інструмента, який у потрібний момент часу зчитається. Допустимо вихідний сигнал дискретизований із частотою 44.1 КГц. Тепер якщо ми будемо відтворювати його на подвоєній частоті дискретизації 88.2 КГц, тобто у два рази швидше, то висота звуку зросте на октаву. Якщо ж відтворювати сигнал на зниженій частоті дискретизації, то висота звуку відповідно зменшитися. Таким чином, якщо відтворювати сигнал на зміненій відповідним чином частоті дискретизації можна одержати звук будь-якої висоти. Однак у такого методу є недоліки. По-перше, зробити високостабільний плавно пере налаштований генератор частоти дискретизації в багато разів важче, ніж стандартний стабілізований кварцом генератор. По–друге, Одночасно зі зсувом величини тактової частоти і висоти звуку буде змінюватися тривалість атаки й швидкість загасання сигналу. Так якщо ми збільшимо тактову частоту у два рази, то висота звуку зросте у два рази, одночасно у два рази зменшитися загальний час звучання сигналу (тому що він буде програватися у два рази швидше) і, отже, у два рази скоротиться тривалість атаки й у два рази зросте швидкість загасання звуку. Це викличе перекручування загального враження про звук. Відбудуться й більше серйозні зміни в тембрі відтвореного сигналу (зсув формант).

2. Гармонійні синтезатори – звук є дуже якісним, але вимагають величезних обчислювальних потужностей. Вихідний сигнал обчислюється як сума декількох десятків синусоїдальних коливань із амплітудами, що змінюються в часі, частотами й фазами. При такому синтезі враховується "негармонійність" гармонік частоти основного тону, тремтіння фаз гармонік, зміна співвідношення високочастотних і низькочастотних компонентів залежно від стадії атаки, підтримки й загасання, а також і інші "тонкі" ефекти, властиві звуку реальних музичних інструментів. Синтезатори цього типу застосовуються в основному в дуже дорогих проектах і в наукових дослідженнях.

3. Синтезатори на основі:

- частотної модуляції;

- моделювання фізичних процесів та інші.

При побудові гармонійних синтезаторів використовуються методи цифрового опрацювання сигналів.