И. В. Косяк

Размещено на http://www.allbest.ru/

40

ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2003, Т. 5, № 4 33

Применение синус-косинусной демодуляции в обработке интерферометрических сигналов при считывании звуковой информации с фонографических цилиндров

И.В. Косяк, Институт проблем регистрации информации НАН Украины

Аннотация

интерферометрический сигнал фонографический цилиндр

Рассмотрены методы обработки интерферометрических сигналов, получаемых при считывании звуковой информации с фонографических цилиндров, их недостатки и достоинства. Предложена реализация метода синус-косинусной демодуляции при вычислении фазы интерференционного сигнала.

Ключевые слова: фонографический цилиндр, интерферометрический сигнал, градиент фазы, обработка сигнала, амплитуда сигнала

Введение

В 1877 году американский изобретатель Томас А.Эдисон запатентовал устройство для записи и воспроизведения звука, которое он назвал фонографом. Принцип его действия заключался в том, что акустические колебания оказывали давление на мембрану, а связанная с ней пишущая игла выдавливала на оловянной фольге, обернутой вокруг валика, канавку переменной глубины. При проигрывании валика воспроизводящая игла повторяла все колебания пишущей, заставляя вибрировать мембрану. Впоследствии для изготовления звуконесущих валиков (фонографических цилиндров) начали применять композиционный материал на основе воска.

Быстрому распространению в мире фонографа оказали содействие его возможности как записывать, так и воспроизводить звук. Очень быстро была создана целая индустрия звукозаписи. На протяжении почти 60 лет со времени изобретения фонограф служил для собирания фольклорной музыки и песен, записи голосов выдающихся деятелей культуры и истории. За это время в мире накопилось огромное количество восковых фонографических цилиндров (несколько сот тысяч), которые в подавляющем большинстве сохраняются во многих библиотеках и архивах мира.

Актуальной задачей, имеющей огромное научное и культурное значение, является создание систем воспроизведения звуковой информации с раритетных носителей -- восковых фонографических цилиндров Эдисона, перезапись их на современные носители. Из-за отсутствия аппаратуры качественного воспроизведения звука эти бесценные образцы звукового культурного наследия мало или вообще недоступны исследователям, любителям и знатокам народного творчества.

При создании методов воспроизведения записей, сделанных на фонографических цилиндрах, необходимо решить две основные проблемы: во-первых, воспроизвести записи, сделанные на достаточно мягком материале, без его повреждения, а, во-вторых, отделить полезную информацию от шумов. Наибольший вред информационной поверхности создают многоразовые воспроизведения звука методами, при которых создается большое давление на поверхность цилиндра.

Применение оптических технологий при создании методов и аппаратуры неразрушающего воспроизведения с раритетных носителей звуковой информации оказалось весьма эффективным и по качеству воспроизводимого звука позволило значительно превзойти традиционные пьезоэлектрические и электродинамические методы.

В результате анализа причин, искажающих качество воспроизведенного сигнала, существующей аппаратуры и принципов воспроизведения, в Институте проблем регистрации информации НАН Украины был реализован принципиально новый метод высококачественного воспроизведения звука с фонографических цилиндров Эдисона [1, 2]. Было предложено в качестве звукоснимателя применить лазерную интерферометрическую систему и воспроизведение звука осуществлять на пониженной скорости вращения цилиндра (0,2 об/сек вместо 2-4 об/сек).

В качестве системы съема профиля звуковой дорожки предложена, разработана и исследована комбинированная оптико-механическая интерферометрическая система, построенная на классической схеме интерферометра Майкельсона. Профиль звуковой дорожки цилиндра отслеживается при помощи иглы. С иглой жестко связан оптический элемент измерительного плеча интерферометра -- уголковый отражатель, перемещение которого соответствует профилю звуковой дорожки. Оптические сигналы, соответствующие профилю, образованы в интерферометре за счет режима смешанных волн, т.е. интерференции лучей, отраженных от подвижного, связанного с поверхностью цилиндра, и неподвижного отражателей.

Обработка интерференционных сигналов

При воспроизведении фоноцилиндра вертикальные колебания иглы звукоснимателя передаются уголковому отражателю, который является подвижным элементом интерферометра, изменяя разность хода между интерферирующими лучами. Разность хода, всегда однозначным образом связанная с разностью фаз, в интерферометре Майкельсона определяется выражением [3]

= 2(х0 - х1) = 2х, (1)

где х0, х1 -- координаты точек пространства, х -- значение величины перемещения иглы звукоснимателя.

При перемещении уголкового отражателя с двух фотоприемников интерферометра снимаются сигналы, близкие к синусоидальным, которые отличаются один от другого по фазе на /2, что необходимо для определения направления перемещения иглы. Тогда выходные сигналы первого и второго фотоприемников будут равняться:

; (2)

, (3)

где -- разность фаз; -- постоянная составляющая; -- максимальная амплитуда сигнала.

Задача состоит в определении значений х по измеренному значению интерференционного сигнала U1 и U2 . С математической точки зрения эта задача являтся нелинейной обратной задачей. Разность хода и соответственно значение величины перемещения х определяется из выражений (2) и (3) в виде

, (4)

где k = / -- порядок интерференции.

Фактически необходимый звуковой сигнал, который соответствует глубинному профилю канавки фоноцилиндра, находится из выражения

. (5)

Главная проблема состоит в аппаратурной реализации тригонометрической функции arctg(U1/U2) с заданной точностью и диапазоном вычисления аргумента до четырех квадрантов.

Известны различные способы преобразования интерференционных сигналов с целью определения величины и направления перемещения объекта [3, 4], в нашем случае иглы звукоснимателя. Для получения более качественного воспроизведения звукового сигнала в разработанной высокоразрешающей системе считывания фонографических цилиндров был использован метод на основе алгоритма определения аргумента вектора [6], позволяющий произвести аналоговое вычисление функции арктангенса в (5).

Одна из трудностей, которая возникает при обработке интерференционных сигналов обусловлена периодичностью функции арктангенса в (5), вследствие чего с учетом знаков квадратурных составляющих (2) и (3) однозначное восстановление фазы возможно только в границах одного фазового цикла рад. Поэтому для извлечения звуковой информации из интерференционных сигналов, необходимо делать преобразование значений приведенной фазы на интервалах [ ] в непрерывную смену значений полной фазы. Это преобразование осуществляется с помощью умножителя время-импульсного типа. Алгоритм работы устройства преобразования сводится к умножению приведенного к бинарному виду одного из квадратурных интерференционных сигналов U1 или U2 на вычисленный сигнал функции арктангенса (5), который перед умножением дифференцируется и ограничивается по амплитуде. После операции умножения исходный сигнал поступает на ФНЧ второго порядка.

На рис. 1 представлены временные диаграммы работы устройства обработки интерференционных сигналов с использованием метода на основе алгоритма определения аргумента вектора, где:

U1 и U2 -- интерференционные сигналы с выхода первого и второго фотоприемников соответственно;

U(t) -- вычисленное значение функции арктангенса;

U3 -- продифференцированный и ограниченный по амплитуде сигнал U(t);

U4 -- приведенный к бинарному виду интерференционный сигнал U1;

U5 -- сигнал с выхода умножителя;

Uвых -- сигнал с выхода ФНЧ, соответствующий звуковому сигналу.

И. В. Косяк

Размещено на http://www.allbest.ru/

40

ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2003, Т. 5, № 4 33

Рис. 1

При эксплуатации оптико-механической системы воспроизведения звука с фонографических цилиндров Эдисона с использованием электронной обработки интерференционных сигналов, построенной на основе алгоритма определения аргумента вектора, был выявлен ощутимый недостаток. При воспроизведении фоноцилиндров, записанных в профессиональных студиях, а потому имеющих наибольший уровень записи амплитуды сигнала и которые были сделаны в производственных условиях методом тиражирования, в местах с наибольшим уровнем амплитуды сигнала было хорошо слышно ограничение звукового сигнала. Проведенные исследования и анализ показали, что, как было указано выше, при обработке интерференционных сигналов с вычислением функции арктангенса, однозначное восстановление фазы возможно только в границах одного фазового цикла рад. Для восстановления большего диапазона изменений полной фазы интерференционного сигнала необходимо делать соответствующие преобразования значений приведенной фазы, которые, безусловно, приводят к увеличению погрешности в обработке интерференционных сигналов.

Также при восстановлении звука из последовательности импульсов в аналоговую форму возникает проблема сглаживания ступенчатой формы сигнала и подавления гармоник, вносимых операцией умножения. Из-за неидеальности АЧХ фильтров может происходить либо недостаточное подавление этих помех, либо избыточное ослабление полезных высокочастотных составляющих. Плохо подавленные побочные гармоники искажают форму аналогового сигнала.

Для решения этих проблем был предложен алгоритм, не требующий использования функции арктангенса при вычислении фазы интерференционного сигнала. Алгоритм создан на основе известного метода дифференциальной синус-косинусной демодуляции [7]. Сущность метода заключается в следующем.

Выходные сигналы первого и второго фотоприемников (2) и (3) подвергаются дифференцированию по независимой переменной, которая может быть представлена временем (t) и перекрестному умножению и вычитанию согласно выражению

. (6)

Это приводит к выражению непосредственно для градиента фазы

(7)

Так как величина является постоянной составляющей сигнала, то она посредством электрических преобразований может быть сведена к нулю. Тогда

. (8)

Важной особенность этого уравнения является то, что градиент фазы найден непосредственно из двух сигналов интерферометра, отличающихся один от другого сдвигом по фазе на /2, без необходимости вычисления функции арктангенс.

Интегрирование выражения (8) по независимой переменной позволяет найти значение полной фазы в любой точке. Так как разность хода всегда однозначным образом связана с разностью фаз, то соответственно можем определить и значение величины перемещения иглы звукоснимателя х

. (9)

Теоретически при использовании метода синус-косинусной демодуляции воспроизводимый сигнал может иметь неограниченный динамический диапазон, но практически он будет ограничен динамическим диапазоном работы электронной схемы.

На рис. 2 изображена блок-схема устройства обработки интерференционных сигналов методом синус-косинусной демодуляции. В разработанной электронной схеме значения производных получаются с помощью дифференциаторов, собранных на операционных усилителях с применением RC-цепей. Операции перекрестного умножения производятся посредством интегральных аналоговых перемножителей. Для получения результата умножения с правильным алгебраическим знаком, т.е. произведения двух сомножителей любого знака, в электрической схеме используются четырехквадрантные перемножители типа 525ПС3. Высокоточный аналоговый перемножитель 525ПС3 изготовляется по технологии с лазерной подгонкой точности схемы и имеет погрешность перемножения менее 0,5 %, что позволяет исключить применение схемы балансировки [8]. В качестве интегратора применен ФНЧ первого порядка.

И. В. Косяк

Размещено на http://www.allbest.ru/

40

ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2003, Т. 5, № 4 33

Рис. 2

На рис. 3 иллюстрируются временные диаграммы работы электронной схемы рассмотренного устройства обработки интерференционных сигналов с использованием метода синус-косинусной демодуляции, где:

U1 и U2 -- интерференционные сигналы с выхода первого и второго фотоприемников соответственно;

U3 -- продифференцированный сигнал U1;

U4 -- продифференцированный сигнал U2;

U5 -- сигнал на выходе первого перемножителя ;

U6 -- сигнал на выходе второго перемножителя ;

-- проинвертированый результирующий сигнал, соответствующий градиенту фазы в выражении (8);

-- сигнал с выхода интегратора, соответствующий звуковому сигналу.

И. В. Косяк

Размещено на http://www.allbest.ru/

40

ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2003, Т. 5, № 4 33

Рис. 3

Чтобы оценить линейность и динамический диапазон воспроизводимого сигнала, были произведены два контрольных считывания одного и того же фонографического цилиндра с использованием описанных выше методов обработки интерференционных сигналов. Для проведения исследования был отобран фонографический цилиндр профессионального изготовления с высоким уровнем амплитуды записи, имеющий отличное состояние рабочей поверхности звуковых канавок.

На рис. 4 представлены результаты считывания в виде гистограмм распределения, которые показывают относительные количества звуковых отсчетов, соответствующих каждому значению уровня громкости. Анализ гистограмм звуковых сигналов показал заметное расширение динамического диапазона воспроизводимого сигнала при обработке с использованием метода дифференциальной синус-косинусной демодуляции (рис. 4,б). На графике рис. 4,б видно многочисленное присутствие отсчетов уровней сигнала, значения которых меньше -25 дБ, а также увеличения количества отсчетов имеющих уровень сигнала более -14 дБ. Тогда как на гистограмме воспроизводимого сигнала (рис. 4,а), обработанного с использованием метода на основе алгоритма определения аргумента вектора, отражено сужение области распределения количества отсчетов по уровням сигнала, что говорит о сравнительном уменьшении динамического диапазона.

Рис. 4

Предварительное прослушивание фонограмм считанной информации показало заметное улучшение качества воспроизведения звука при использовании метода дифференциальной синус-косинусной демодуляции в обработке сигналов интерферометра. Фрагменты записи, имеющие большой уровень сигнала воспроизводились с минимальными искажениями.

Для сравнения на рис. 5 представлена волновая форма реальных звуковых сигналов, обработанных различными методами, позволяющая судить о качестве обработки интерференционных сигналов, где:

U1 и U2 -- интерференционные сигналы с выхода первого и второго фотоприемников соответственно;

U3 -- волновая форма звукового сигнала, полученная после обработки с использованием метода на основе алгоритма определения аргумента вектора;

U4 -- волновая форма звукового сигнала, полученная после обработки с использованием метода дифференциальной синус-косинусной демодуляции.

И. В. Косяк

Размещено на http://www.allbest.ru/

40

ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2003, Т. 5, № 4 33

Рис. 5

Проведем анализ формы огибающей звукового сигнала, показанных на графиках U3 и U4 (рис. 5), в характерных областях А и В. Видна очевидная разница -- кривая на графике U3 ограничивает размах амплитуды по сравнению с графиком U4. Также видно, что форма колебаний, показанная на графике U3, далека от правильной. Это и составляет основную проблему при воспроизведении громких звуков.

К сожалению, провести более глубокие инструментальные исследования и анализ параметров сигнала воспроизведения невозможно по причине отсутствия тестового фонографического цилиндра. Поэтому основой для оценки качества сигнала является субъективное восприятие звуковой информации. Следует отметить, что орган слуха человека обладает свойствами частотного анализатора и дискретным восприятием по частотному и динамическому диапазонам.

Выводы

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что использование метода дифференциальной синус-косинусной демодуляции позволяет существенно повысить динамический диапазон воспроизведения звукового сигнала и, следовательно, считывать без заметных искажений звуковую информацию с фонографических цилиндров, имеющих высокий уровень амплитуды записи. При этом увеличивается субъективно ощущаемая громкость и глубина звука. Также в силу того, что нахождение градиента фазы происходит непосредственно из сигналов интерферометра, для полного восстановления звуковой информации достаточно использовать в качестве интегратора ФНЧ первого порядка. Это позволяет умень- шить частотные искажения за счет расширения полосы воспроизведения, тем самым, повышая качество звукового сигнала.

Литература

1. Petrov V.V., Onishenko O.S., Kryuchin A.A., Shanoylo S.M., Rуabokon I.P. Optomechanical Method of Edison Cylinders Sound Reproduction / An Audio Engineering Society Preprint 4491 (M 4). Presented at 102-d Convention. -- Munich (Germany). -- 1997, March 22-25.

2. Shanoylo S., Kosyak I., Petrov V., Kryuchin A. Reading and Рrocessing of Аudio information reproduced from Edison phonograph cylinders by method of laser interferometry // Proc. SPIE. -- Vol. 4402 -- Laser Techniques and Systems in Art Conservation, Renzo Salimbeni; Ed. -- 10/2001. -- P. 194-201.

3. Нагибина И.М. Интерференция и дифракция света. -- Л.: Машиностроение, 1985. -- 332 с.

4. Преснухин Л.Н. Фотоэлектрические преобразователи информации. -- М.: Машиностроение, 1974. -- 376 с.

5. Гуров И.П. Методы и техника автоматической обработки сигналов в интерференционных измерительных системах // Измерения, контроль, автоматизация. -- М.: Имформприбор, 1990. -- Вып. 2 (74). -- С. 69-79.

6. А.с. 763917 СССР, МКИ G 06 G 7/22. Устройство для определения аргумента вектора / И.П. Рябоконь. -- № 2600646/18-24; Заявлено 03.04.78; Опубл. 15.09.80, Бюл. № 34. -- 4 с. -- ил.

7. Singh H., Sircis J.S. Direct Еxtraction of Рhase gradients from Fourier-transform and phase-step fringe patterns // Appl. Opt. -- 1994. -- Vol. 33, N 22.

8. Якубовский С.В., Ниссельсон Л.И. и др. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. -- М.: Радио и связь, 1990. -- 496 с.

Размещено на Allbest.ru