Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 21
Текст из файла (страница 21)
В отличие от первоначальной схемы здесь легко регулировать длительность процесса реверберации, а время реверберации можно сделать зависящим от частоты сигнала [113]. Все вышеприведенные системы моделировались на машине 1ВМ 7090, которая по сегодняшним стандартам обладает крайне низким быстродействием. Машина не обеспечивала обработку сигнала в реальном масштабе времени, поэтому короткие отрывки музыки записывались в цифровом виде и затем создавалась реверберация. Это ограничивало объем экспериментов [110]. Опираясь э;тмз~ н То есть чтобы отношения задержек не были рациональными дробями.— Прим, аерев.
иа собственный опыт слушателя, Шредер сделал вывод, что искусственная реверберация ничем не отличалась от естественной даже для таких трудных сигналов, как щелчки и белый шум. Повторение опытов Логэна и Шредера на специализированной вычислительной машине [108], описанной ниже, показало, что для чистых музыкальных тонов создание искусственной реверберации таким способом не дает адекватных результатов. Рассмотрим, например, ноту, воспроизведенную на флейте.
Частота звука помечена на оси частот рис. 2.15 черточкой. При реверберации вблизи этой частоты могут возникнуть два заметных резонанса, обозначенных на графике как два полюса. Введение искусственной реверберации создает в мелодии характерную модуляцию огибающей, частота которой равна разносу полюсов по частоте.
Этот эффект называется вибрирующим эхо и по своему звучанию напоминает звук, образующийся в коридорах или пустых комнатах с твердыми стенками. При естественной реверберации плотность размещения собственных тонов весьма высока, и в хороших концертных залах не наблюдается такой регулярной модуляции, обусловленной преобладанием пары полюсов. Наоборот, модуляция огибающей носит случайный характер, и ширина полосы спектра модулирую- Рис. 2.14.
Полная схема системы искусственной реверберации (но щредеру). Четыре рецпркулятора обеспечивают долговременную реверберацию, а две последующие Ъеепропускающие цепи — требуемую плотность потока эхо-сигналов в начальный период Реверберационного сигнала. (Воспроизведено с разрешения общества звукотехники из его журнала, т.
23, № 9 1и51.) 9О Глава 2 Цифровая обработка звуковых сигналов 91 щего процесса составляет 10 — ЗО Гц. В модельных экспериментах„ проведенных Шредером и Логэном, использовалось много частот с огибающими, модулируемыми периодическими сигналами с частотой от 1 до 4 Гц. Это явление легко воспринимается на слух и оставляет неприятное впечатление. Рис, 2,15. Эффекты при моделировании реверберации, вызванные очень низкой плотностью размещения собственных тонов. а — э-плоскость с показанными на ней двумя доминирующими резонансами, расположенными вблизи частоты ы, музыкального тона; б — огибающая отрезка тона с частотой ы,, на которой наблюдаются пульсации с частотой, равной разности частот двух резонансов; в — пример очень высокой плотности собственных тонов (резонансов) прн естественной реверберации; г — огибающая музыкального тона, отличающаяся от экспоненциаль~ной кривой только наличием слабых флуктуаций с высокой частотой, Для создания звукообрабатывающих систем, полностью основанных на электронных устройствах, потребовалось интенсивное исследование принципов формирования искусственной реверберации.
Это ускорило разработку специализированных вычислительных машин, позволяющих обрабатывать музыку в реальном времени ~115]. В исследованиях, направленных на создание искусственной реверберации, одна из основных трудностей связана с созданием цифровой системы, обладающей одновременно и высокой универсальностью, и хорошим быстродействием, которое обеспечивало бы возможность обработки музыки в реальном времени. Для моделирования реверберации с использованием вышеприведенных методов можно построить специализированные устройства, позволяющие работать в реальном масштабе времени. Но в подобные системы с фиксированной логической структурой очень трудно вносить какие бы то ни было существенные изменения.
Универсальные ЦВМ намного удобнее для решения задач моделирования. Однако высокая скорость поступления информации плохо согласуется с возможностями подобных ЦВМ. Для высококачественно- го представления музыки необходимо, чтобы отсчеты следовали примерно через каждые ЗО мкс. Таким образом, за ЗО мкс ЦВМ должна успеть выполнить все операции по программе и к моменту прихода следующего отсчета быть готовой к выполнению следующего цикла операций. В описанной схеме моделирования на протяжении одного интервала дискретизации выполняются 6 задержек, 10 умножений, 13 сложений и различные команды по пересылке чисел. В обычной ЦВМ, где все команды хранятся в памяти, тактовый интервал составляет 1 мкс, но операция умножения, выполняемая в специализированном блоке, длится от ЗО до 300 мкс.
Архитектура большинства ЦВМ больше подходит для сложных расчетов или для операций с различными информационными массивами, чем для обработки сигналов. Вследствие этого для экспериментов по обработке музыкальных сигналов была создана специализированная мини-ЦВМ [115]. При ее разработке была поставлена цель — достигнуть быстродействия. которое вдвое превышало бы потребности простой реверберационной системы Шредера — Логэна. Увеличение быстродействия потребовалось для введения фильтров в цепь обратной связи, охватывающей линию задержки, с тем чтобы сделать время реверберации зависящим от частоты сигнала.
Быстродействие, однако, зависит не только от скорости выполнения команд, но и от числа команд, необходимых для проведения конкретных операций. Так, если программа задержки состоит из семи команд, каждая из которых выполняется за 100 нс, то вся операция задержки займет 700 нс. Машина с другой структурой, где для той же цели требуются лишь три команды, будет обладать большим быстродействи' ем, даже если каждая команда выполняется за 200 нс. В результате оптимизации структуры машины применительно к задачам обработки музыки была разработана ЦВМ, структура и взаимосвязи элементов которой показаны на рис. 2.16. Машина содержит запоминающие устройства двух типов.
Основное ЗУ емкостью 16 К слов используется для выполнения операций задержки, а сверхоперативное ЗУ вЂ” для хранения программы и промежуточных результатов. Основное ЗУ позволяет получать задержки, превышающие 400 мс, но длительность его цикла Довольно велика.
Однако низкая скорость ЗУ не ухудшает быстРодействия всей системы, поскольку в структуре ЦВМ предусмотрено разделение адресации и процесса пересылки данных. После того как в цикле обращения к памяти будут выполнены начальные операции, машина может продолжать работать по другим командам основной программы, пока из ЗУ не поступят нужные Данные. В отличие от основного ЗУ сверхоперативное ЗУ имеет емкость всего в 512 слов, но оно построено на быстродействующих элементах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) . Все арифметические операции выполняются в регистрах А и В, аго для умножений используется регистр М. Для занесения данных Глава 2 92 Ци4ровая обработка звуковых сигналов Сеерноаератионое УУ гя .Чрира осенне гв кг Мресньн7 регасатр + Деньата 1 Основное аУсрерньтн Регаслгр ,УУ т4б аыхосноа регаслргУ Схема аеренато- нгнан Сорос 7ере- нос 3апросР1 РиксациаР1 ЮГ/ ул Снует с ндексныи Т1А ег аоот яюс тат Ю ему тюа Д'А тюl хов х м~г Блан умнажения Рис.
2.16, Структура специализированной вычислительной машины, предназначенной для моделирования систем искусственной реверберации, На схеме приведены только основные линии передачи сигналов, (Воспроизведено из статьи [115] с разрешения Общества звукотехники.) в эти регистры и дальнейшего выполнения требуемых операций применяются последовательно выполняемые команды. Эффективная скорость их исполнения повышается, однако, за счет того, что код команды состоит из двух частей, каждая из которых может содержать самостоятельную команду. Например, во время выполнения арифметической операции можно заносить данные во входной регистр.
За счет применения структуры с элементами поточной обработки и сдвоенных команд эффективное быстродействие повышается вдвое. Перемножение двух 16-разрядных чисел обычно занимает много времени. Однако для представления музыки не требуется той точности, которую обеспечивает 16-разрядное квантование. Как правило, если динамический диапазон сигнала велик, то для представления сигнала достаточна точность в доли децибела.
По рис. 2.17. Пример программы для специализированной вычислительной машины, создающей искусственную реверберацию. Сверху приведена логическая схема операции смешивания двух сигналов с адновремснным их ослаблением. В машине эта операция выполняется за 8 тактов по программе, записанной внизу. Заметим, что в программе не участвуют б полукоманд, которые можно использовать одновременно для выполнения других операций, Таким образом, эффективная продолжительность операции равна 1 мкс, (Перепечатано ~из статьи (115] с разрешения Общества звукотехники.) 1. Сьв ьАК а Очистить регистр В, занестн в регистр А содержимое ячейки сверхоперативного ЗУ ." адресом а, куда в ходе предыдущих операций был записан отсчет сигнала (музыки) Л .
2. — — — ьМь Ь Занести в регистр М число нз ячейки сверхоперативного ЗУ, имеющей адрес Ь. В эту ячейку ранее был записан коэффициент Кь 3. Мць — — — Умножить отсчет из регистра А (записанный туда в первом машинном цикле) на четыре младших разряда числа, находящегося в регистре М. 4. Зсь ьАК с Выполнить масштабирование числа, находящегося в регистре А, в соответствии со следующими четырьмя разрядами числа из регистра М и результат прибавить к содержимому регистра В. Поскольку в первом цикле, согласно команде Сьв, регистр В был очищен, то теперь там будет находиться произведение Тп.Кь Одновременно занести в регистр А число из ячейки сверхоперативного ЗУ с адресом с, куда ранее был записан отсчет ЛЬ. 8.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
