Главная > Разное > Применение цифровой обработки сигналов
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

2.3.3. Искусственная реверберация

Для выполнения многих операций в процессе монтирования музыкальной записи необходимы специализированные устройства (например, системы для создания искусственной реверберации,

сжатия динамического диапазона, шумоподавления). Эти операции обычно выполняются с помощью аналоговых устройств, но цифровые методы дают выигрыш и в качестве, и в гибкости обработки сигналов. В настоящее время для монтажа записей почти везде применяют аналоговые системы, и такое положение сохранится в ближайшем будущем, поэтому специализированные цифровые устройства должны согласовываться с аналоговой частью системы с помощью стандартных преобразователей. По тем же причинам цифровая аппаратура должна обеспечивать обработку в реальном масштабе времени. К сожалению, необходимое быстродействие не обеспечивают не только существующие мини-ЦВМ, но и большинство более крупных машин. Это стимулировало разработку специализированных быстродействующих процессоров, архитектура которых оптимальным образом приспособлена к задаче обработки звуковых сигналов.

Было бы полезно, чтобы регулировки на пульте машины соответствовали естественным параметрам музыки; в частности, нежелательно, чтобы звукооператор вводил программу с помощью устройства типа пишущей машинки. На пульт следует вывести такие регулируемые параметры, которые связаны с привычными физическими или психоакустическими величинами, причем преподчтительнее второй вариант. Конструктору не просто выполнить данное требование, ибо для этого нужно глубоко понимать особенности выполняемой обработки и в то же время знать, как она влияет на восприятие музыки человеком. Эти проблемы рассматриваются ниже при обсуждении вопроса о реверберации.

Звуки, которые мы слышим, сильно зависят от акустических особенностей окружающего нас пространства или помещения. Звуковая энергия, излученная в пространство, отражается от различных поверхностей, так что слушатель воспринимает суммарный звук, образованный многочисленными отражениями, приходящими с разных направлений и постепенно ослабевающими из-за потерь энергии. Человеку очень неприятно находиться в безэховой камере, где полностью отсутствует реверберация, и наоборот, в большом соборе возникает приятное ощущение огромного пространства, связанное с очень высоким уровнем реверберации. В промежуточных случаях слушатель также воспринимает акустику окружающего пространства, но делает это не совсем осознанно. Тем не менее для человеческого слуха реверберация является очень важным фактором. Разница между великолепным концертным залом и посредственной аудиторией почти полностью связана с наличием и силой реверберации.

Ощущение пространства зависит от времени прихода отраженных звуковых волн, скорости их затухания, направленности отдельных отражений. Изменение всех этих параметров в пространстве и времени создает впечатление, что слушатель находится в большом зале, а изменение какого-либо одного параметра такого

впечатления не создает. В комнатах жилых домов обычно не образуется сильного реверберационного поля, характерного для концертного зала, поэтому при прослушивании музыки в домашних условиях замечают, что реверберация в записях наблюдается только со стороны громкоговорителей. Поскольку бытовые музыкальные системы основаны на применении двух раздельных каналов, то реверберация слышится только с этих двух направлений. Далее будет показано, как с помощью системы имитации акустики большого зала можно создать отражения звуковых сигналов с такими запаздываниями и направленностью, которые отсутствуют в двухканальных системах. Тем самым у слушателя создается впечатление, что он находится в большом зале. В настоящем разделе рассматриваются способы получения реверберации в записанном сигнале.

Необходимость создания искусственной реверберации обычно бывает вызвана тем, что во время первоначальной записи микрофон располагается рядом с исполнителем. При многодорожечной записи для каждого инструмента или группы инструментов устанавливается свой микрофон, что улучшает отношение сигнал/шум и позволяет лучше разделить отдельные сигналы. Но это мешает записывать естественную реверберацию, существующую в помещении. При записи популярной музыки также целесообразно применять многодорожечную запись, поскольку различные исполнители могут записывать свои партии в разное время. Любой из исполнителей может при необходимости записать свою партию заново, не привлекая других участников. Это не только выгодно экономически, но и дает звукооператору более широкие возможности при составлении окончательного варианта записи. Таким образом, в популярной музыке часто вообще не бывает «исходного исполнения» как такового. Однако в небольших студиях, где чаще всего записывают подобную музыку, реверберация отсутствует или очень слаба. Многие специальные эффекты вводятся уже после того, как все исполнители запишут свои партии. Имеется не один пример, когда исполнителя поочередно записывали на ряде дорожек, а затем создавали законченное произведение, исполненное «оркестром одного музыканта».

Классическую музыку часто записывают с искусственной реверберацией. Это делается как с целью регулирования уровня реверберации, содержащейся в окончательной записи, так и для снижения фонового шума. Если расположить микрофоны в партере, то звук будет естественным, но к нему неизбежно прибавится фоновый шум, вызванный работой вентиляторов, лифтов, движением транспорта, пролетающими самолетами и (если запись делается во время концерта) людьми, находящимися в зале. Установка микрофонов на сцене снижает фоновый шум, так как громкость звука вблизи оркестра примерно на 20 децибел больше, чем в зале. Находящиеся в зале люди не только создают шум, но и

оказывают влияние на реверберацию. В пустом зале время реверберации бывает на 20—30% больше, чем в заполненном. Конечно, акустические условия, при которых получается «естественный» результат, существуют только во время настоящих концертов, но из-за сопутствующего шума в это время невозможно сделать высококачественную запись.

Проблема фонового шума является еще более острой при записи звука для телевизионных фильмов и кино. Съемочная аппаратура и обслуживающие съемку люди создают шум, который можно уменьшить с помощью микрофонов с узкой диаграммой направленности или производя озвучивание отснятых пленок. Кроме того, декорации часто ухудшают акустические свойства съемочной площадки.

В настоящее время применяются три метода создания искусственной реверберации:

1) акустические камеры [98];

2) листовые ревербераторы [96];

3) пружинные ревербераторы [97].

Там, где возможно, для создания реверберации используется помещение с отражающими стенами, иногда заполняемое предметами нерегулярной формы. «Сухой» сигнал проигрывается через громкоговорители, размещенные в реверберирующем помещении, и звук, воспринимаемый в другой части помещения, смешивается на записи с исходным сигналом. Предметы помещают в камеру для того, чтобы исказить регулярную волновую структуру, характерную для прямоугольных помещений. Если все рассчитано правильно, то акустические камеры создают удовлетворительную реверберацию. Однако характеристики камеры почти не поддаются изменению. В более распространенных системах используются механические колебания в пластинах из сплавов золота [94, 95] Вибратор, находящийся в одной точке пластинки, возбуждает в ней колебания, а датчик, расположенный в другой точке, воспринимает акустические колебания, пришедшие к нему сквозь пластину по различным путям. В аналогичных системах используют также неоднородные пружины. Но все эти методы не обеспечивают достаточно хорошего качества звука.

Создание подобных механических систем очень сложно и граничит с искусством. Оно даже приобретает некоторый оттенок колдовства, когда конструктор пытается преодолеть резко выраженные недостатки устройств. На пружине, например, необходимо сделать нерегулярные проточки, чтобы в ней было много резонансов и возникали квазислучайные отражения. Параметры пластин, изготавливаемых из сложных и дорогих сплавов, должны выдерживаться с исключительной точностью. Но даже при очень совершенной технологии производства подобные механические системы Очень плохо работают на высоких частотах, когда из-за малой длины волны и высокой скорости ее распространения получаются

очень сильное затухание сигнала и малый динамический диапазон системы.

В течение последних 15 лет проводились исследования, направленные на создание электронных систем искусственной реверберации, основанных на цифровых методах. Чтобы понять, как создаются подобные системы, следует разобраться в механизме возникновения естественной реверберации.

Звуковая волна, излученная в комнате, частично отражается от всевозможных поверхностей до тех пор, пока не будет поглощена вся ее энергия. Коэффициенты отражения волны от любых поверхностей всегда меньше единицы, поэтому энергия звуковой волны уменьшается после каждого отражения. Большинство строительных материалов имеет низкую отражательную способность для волн высокой частоты, а поглощение в воздухе приводит к дополнительным потерям. При теоретическом анализе процесс реверберации полностью описывается формой эхо-сигнала или структурой импульсного отклика помещения. Весь процесс, конечно, линеен, и сцену можно рассматривать как вход, а кресло слушателя — как выход линейной системы. Преобразование Фурье от импульсного отклика помещения является еще одним видом описания процесса реверберации.

Однако детальная структура эхо-сигнала достаточно сложна и ее трудно измерить, поэтому невозможно получить исчерпывающее описание процесса реверберации. Производились попытки измерить импульсный отклик помещения, возбуждая звук искровым разрядом (фактически получался двойной щелчок) и записывая эхо-сигнал в местах расположения слушателей. Но чтобы уровень сигнала был выше уровня фонового шума, необходимо повышать мощность разряда, а это приводит к нелинейным явлениям в воздухе. Кроме того, плотность эхо-сигналов столь велика, что любые воздушные потоки и обычное затухание звука в воздухе приводят к неповторяемости результатов от измерения к измерению, а это не позволяет воспользоваться статистическими методами анализа (усреднением) результатов измерений. Аппроксимации начальной части реверберационного процесса были получены на масштабных моделях бостонского симфонического зала [60]; вычисления, основанные на лучевом методе и проведенные на ЭВМ, дали аналогичные результаты [99].

Слуховое восприятие процесса реверберации, по-видимому, зависит не от конкретных особенностей тонкой структуры процесса, а от его общих свойств. Поэтому нужно детально моделировать не конкретный процесс реверберации, а только те его физические свойства, которые влияют на процесс слухового восприятия. Данные, описывающие восприятие реверберации, отсутствуют; есть только результаты, относящиеся к некоторым частным аспектам. Поэтому в процессе разработки системы часто приходится делать

некоторые предположения, а затем экспериментально проверять их справедливость.

Исследования в области физической акустики показывают, что средняя плотность потока эхо-сигналов в прямоугольной комнате выражается формулой

где V — объем комнаты, а с — скорость звука. Для помещения неправильной формы это выражение изменяется, но имеет тот же характер, если определяющим является статистический аспект процесса. Начальная часть эхо-сигнала определяется конкретными особенностями формы помещения. Беранек, изучавший концертные залы всего мира, отмечает [65] , что во всех залах, оцениваемых экспертами на пять с плюсом, задержка между прямым звуком и первым отражением составляет от 10 до 20 мс. Такая величина задержки, по-видимому, обусловливает ощущение «интимности».

Иногда реверберационные системы характеризуют величиной интервала времени, за который плотность потока эхо-сигналов достигает значения В высококачественных системах это время близко к Такой параметр использовался для оценки систем искусственной реверберации [100, 64], но его не применяли для предсказания акустических характеристик концертных залов. Рэтер и Мейер [101] предложили определять «чистоту» звука как отношение энергии реверберационного сигнала за начальные 50 мс к полной его энергии. В такой характеристике не учитывается структура начальной части эхо-сигнала, а вместо этого берется величина энергии, отраженной от стен и перекрытий зала в начальной части процесса. Для нью-йоркского концертного зала Эвери Фишер-холл это отношение составило —3 дБ [102], причем было найдено, что изменение его на несколько децибел резко изменяет акустику зала [63].

В нормальных условиях мощность процесса реверберации должна экспоненциально убывать с течением времени. В работе [107], посвященной исследованию процесса реверберации в помещениях неправильной геометрической формы, показано, что он действительно затухает экспоненциально. Однако при некоторых формах зала может наблюдаться неэкспоненциальное затухание. Время, за которое мощность процесса уменьшается до уровня —60 дБ, называется временем реверберации Эта величина является, по всей видимости, наиболее важной характеристикой, определяющей субъективную оценку качества акустики помещения. В соборе, например, время реверберации очень часто может Доходить до 5 с, а в гостиной обычного дома оно, как правило, Не превышает 1 с. По сообщению Беранека [60], в лучших

концертных залах среднее время реверберации, оцененное на средних звуковых частотах, составляло 1,9 с.

Методом прослушивания, однако, было обнаружено, что ощущение объемности и время реверберации при исполнении непрерывного музыкального произведения в основном определяются затуханием звука в первые 160 мс [114], т. е. доминирующую роль играет начальная стадия процесса реверберации. Следует поэтому различать слышимую реверберацию (running reverberance) и полную реверберацию (stopped reverberance). При исполнении музыкального произведения слушатель на фоне музыки может уловить только начальную (слышимую) часть процесса реверберации, соответствующего отдельной ноте. С другой стороны, если нота внезапно обрывается, то в паузе слышен весь (полный) сигнал реверберации.

Анализ в частотной области (в отличие от вышеприведенных соображений, относящихся к анализу во временной области) позволяет взглянуть на процесс реверберации с других позиций, связанных с понятием окрашивания спектра музыки. Зал с присущими ему акустическими свойствами действует как линейный фильтр, ослабляющий одни частоты и усиливающий другие. Общепринято полагать, что при исполнении музыки было бы желательно, чтобы частотная характеристика этого фильтра была равномерной. Однако даже значительные отклонения частотной характеристики концертного зала от равномерной совсем не обязательно будут заметны на слух. Дело в том, что выбросы характеристики, как правило, достаточно узки, так что даже самые чистые тона занимают по нескольку пиков и провалов характеристики.

Степень нерегулярности спектра можно описать статистическими параметрами. Действительную и мнимую части частотной характеристики зала будем рассматривать как гауссовские случайные процессы. Тогда плотность вероятности логарифма мощности сигнала (в децибелах) равна

где -плотность вероятности, случайная величина, описывающая звуковое давление [106]. Оказалось, что среднее квадратическое отклонение характеристики от ее среднего значения составляет 11 дБ. Таким образом, для 70% всех частот отклонения от среднего коэффициента пропускания не будут превышать И дБ. Другие экспериментальные данные, собранные в 19 концертных залах, показывают, что средняя разность уровней последовательных максимумов и минимумов близка к 9 дБ и не зависит от объема зала и времени реверберации [105]. Было выяснено, что разнос соседних максимумов по времени равен где — время реверберации.

Поскольку во всех этих концертных залах у слушателей не возникало ощущения неестественности звучания музыки, можно сделать вывод, что неравномерность частотной характеристики не является вредным фактором и, даже наоборот, она естественным образом связана с процессом реверберации. Причиной неравномерности является то, что в большом зале существует много резонансных частот, или собственных тонов (полюсов). Для залов правильной формы плотность пиков частотной характеристики определяется соотношением

где V — объем зала, с — скорость звука, частота в герцах. В среднем все резонансы имеют высокую добротность которая пропорциональна времени реверберации. Если собственные тона зала очень редки (т. е. частотная характеристика имеет низкую плотность пиков), что характерно для залов с долгой реверберацией, то каждый резонанс будет очень острым, а спектр музыки сильно окрашенным. Примером такого окрашивания вследствие низкой плотности собственных топов и долгой реверберации может служить акустика плавательного бассейна.

Были проведены исследования [103] с целью определения величины плотности расположения собственных тонов, необходимой для систем искусственной реверберации. В одном из экспериментов реверберация возбуждалась импульсами белого шума со спектром шириной в октаву. Затем прямой сигнал был подавлен, а реверберационный сигнал сжат так, чтобы его уровень был постоянным. Слушателей спрашивали, находят ли они какое-нибудь различие между этим и исходным сигналами. Результаты исследования показали, что необходима плотность расположения собственных тонов порядка на низких частотах и на частоте По-видимому, это было наиболее серьезное исследование необходимого значения плотности пиков частотной характеристики помещения. В другом, более простом эксперименте стационарным белым шумом возбуждали гребенку фильтров; результат анализа показал, что для получения минимального окрашивания необходимо иметь плотность пиков Эта методика исследования больше связана с окрашиванием, вызванным слышимой реверберацией, а предыдущая методика скорее относится к исследованию (полной реверберации. В дальнейшем станет ясно, что этих данных все же недостаточно для определения расчетных критериев, необходимых для создания электронных ревербераторов.

Шредер и Логэн [109] опубликовали предварительные результаты работ по моделированию естественной реверберации на цифровых вычислительных машинах. Было замечено, что на выходе

Рис. 2.12. Моделирование процесса реверберации с помощью линии задержки, охваченной обратной связью. Одиночный импульс, поступающий на вход, создает последовательность импульсов, повторяющихся через интервал, равный времени задержки. Амплитуда импульсов убывает экспоненциально со скоростью, зависящей от коэффициента обратной связи.

системы с линией задержки, охваченной обратной связью (рис. 2.12), создается процесс, подобный реверберации. Импульсная характеристика такой системы состоит из ряда импульсов с уменьшающейся амплитудой, повторяющихся через интервал, равный времени задержки. Частотная характеристика системы напоминает характеристику гребенки фильтров, причем частотный разнос фильтров равен обратной величине от времени задержки. Время реверберации равно

где — коэффициент обратной связи, длительность задержки. Рассмотренная простая система малопригодна для моделирования реверберации, так как высокая плотность потока эхо-сигналов здесь сопровождается низкой плотностью расположения собственных тонов. Однако можно взять несколько таких систем и включить их последовательно. При этом плотность потока эхо-сигналов увеличивается согласно формуле где — число

Рис. 2.13. (см. скан) Всепропускающая (фазосдвигающая) система с равномерной частотной характеристикой. Она отличается от рециркулятора (рис. 2.12) тем, что входной сигнал поступает как на вход, так и (без задержки) на выход.


последовательных рециркуляторов. Разнос пиков частотной характеристики, соответствующих собственным тонам, здесь равен обратной величине от полной задержки всей системы.

В принципе подобная цепочка рециркуляторов может давать хорошую аппроксимацию естественной реверберации. Однако в структуре, составленной из дискретных блоков, может оказаться, что некоторые собственные тона будут общими для нескольких рециркуляторов и на этих частотах будут наблюдаться очень сильные резонансы. Другие же частоты могут подвергаться многократному ослаблению. Шредер заметил, что каждый из рециркуляторов можно превратить во всепропускающую (фазосдвигающую) систему с плоской частотной характеристикой, если часть входного сигнала подвести к выходу линии задержки, как показано на рис. 2.13.

Передаточная функция такой системы описывается выражением

где — коэффициент обратной связи, а Т - длительность задержки. Достоинством системы с равномерным коэффициентом пропускания является то, что сигналы, отстоящие далеко от резонансов и поэтому не подвергающиеся сильной реверберации, проходят без ослабления к следующим блокам, где они могут вызвать реверберацию. В результате каждый резонанс будет возбуждаться с одинаковой интенсивностью. Если бы в схеме не было цепей для непосредственной передачи сигнала с входа на выход, обеспечивающих равномерность частотной характеристики, то в общей характеристике преобладало бы лишь несколько резонансов. После многочисленных опытов Шредер остановился на схеме с пятью всепропускающими блоками (типа изображенной на рис. 2-13); задержки в блоках равнялись 100, 68, 60, 19,7 и а коэффициент обратной связи составлял 0,7. В итоге плотность размещения собственных тонов получилась равной что является удовлетворительным с точки зрения окрашивания звука по критерию слышимой реверберации. Плотность потока эхо-сигналов в системе нарастает со временем как т. е. быстрее, чем при естественной реверберации.

Позднее Шредер усовершенствовал исходную схему и получил систему, показанную на рис. 2.14 [111, 112]. Та часть системы, которая определяет основные характеристики процесса реверберации, не содержит всепропускающих цепей, так как все четыре рециркулятора возбуждаются параллельно. Длительности задержек в системе были, однако, недостаточно велики для получения большой плотности потока эхо-сигналов. Для повышения этой плотности применяются всего два всепропускающих блока. Они же одновременно сглаживают неравномерность частотной характеристики гребенчатого фильтра. Длительности задержек в четырех рециркуляторах находятся в интервале и выбираются так, чтобы они были в максимальной степени «несоизмеримыми». 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 IBM 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 Опираясь

на 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 модулирующего


Рис. 2.14. (см. скан) Полная схема системы искусственной реверберации (по Шредеру). Четыре рецгфкулятора обеспечивают долговременную реверберацию, а две последующие Ъсепропускающие цепи — требуемую плотность потока эхо-сигналов в начальный период Реверберационного сигнала. (Воспроизведено с разрешения Общества эвукотехники из его журнала, т. 23, № 9 [115].)

процесса составляет 10—30 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 - s-плоскость с показанными на ней двумя доминирующими резонансами, расположенными вблизи частоты музыкального тона; б — огибающая отрезка тоиа с частотой на которой наблюдаются пульсации с частотой, равной разности частот двух резонансов; в — пример очень высокой плотности собственных тонов (резонансов) при естественной реверберации; — огибающая музыкального тоиа, отличающаяся от экспоненциальной 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 обр аботки 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 высококачественного

представления музыки необходимо, чтобы отсчеты следовали примерно через каждые 30 мкс. Таким образом, за 30 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 30 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 не, то вся операция задержки займет 700 не. Машина с другой структурой, где для той же цели требуются лишь три команды, будет обладать большим быстродействием, даже если каждая команда выполняется за 200 не. 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 — 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, Но для умножений используется регистр М. Для занесения данных

Рис. 2.16. (см. скан) 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 одновременным их ослаблением. В машине эта операция выполняется за 8 тактов по программе, записанной внизу. Заметим, что в программе не участвуют 6 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. а Очистить регистр В, занести в регистр А содержимое ячейки сверхоперативного ЗУ с адресом а, куда в ходе предыдущих операций был записан отсчет сигнала (музыки)

2. Занести в регистр М число ячейки сверхоперативного ЗУ, имеющей адрес В эту ячейку ранее был записан коэффициент

3. Умножить отсчет из регистра А (записанный туда в первом машинном цикле) на четыре младших разряда числа, находящегося в регистре М.

4. с Выполнить масштабирование числа, находящегося в регистре соответствии со следующими четырьмя разрядами числа из регистра М и результат прибавить к содержимому регистра В. Поскольку в первом цикле, согласно команде регистр В был очищен, то теперь там будет находиться произведение Одновременно занести в регистр А число из ячейки сверхоперативного ЗУ с адресом с, куда ранее был записан отсчет

5. Занести в регистр М новый коэффициент, находящийся в сверхоперативном ЗУ в ячейке с адресом В эту ячейку при выполнении предшествующей части программы был записан коэффициент

6. Умножить отсчет сигнала музыки, занесенный на машинном цикле в регистр А на 4 младших разряда числа из регистра М.

7. Выполнить масштабирование числа в регистре А в соответствии с четырьмя старшими разрядами числа из регистра М и результат прибавить к числу, хранящемуся в регистре В. Поскольку в регистре В находился взвешенный отсчет первого сигнала, то в нем получится искомая сумма обоих взвешенных сигналов. Переслать число из регистра В в ячейку сверхоперативного ЗУ с адресом .

команде выполняется умножение на 4-разрядный множитель, лежащий в интервале от 0,97 до 0,5. Дополнительная команда SCL (scale — нормировать) позволяет изменить число в раз. Любая из команд и исполняется за один машинный цикл продолжительностью 200 не. Более того, поскольку каждая из этих команд записывается в половине полного кода команды, она может исполняться одновременно с другими операциями.

На рис. 2.17 (вверху) приведен пример простой операции по обработке сигналов. Сложение двух взвешенных (ослабленных) сигналов занимает и выполняется по программе, записанной на рис. 2.17 внизу.

Заметим, что несколько полукоманд в этой программе не заняты и могут быть отведены лад другие действия. Если удастся это сделать, то эффективное время исполнения всей операции будет равно Этот результат является очень хорошим даже Для самых быстродействующих из современных ЦВМ.

В общем списке команд есть отдельная группа команд, обеспечивающих моделирование линий задержки. Обращение к

кольцевому накопителю осуществляется с помощью трех особых команд, которые превращают основное ЗУ в эквивалент линии задержки. Для получения отвода от линии задержки дополнительно затрачивается всего лишь 200 не. Основную память можно разбить на произвольное число линий задержки. Для каждой из них в программе используются по четыре полукоманды.

На такой ЭВМ была построена модель системы с 15 линиями задержки, в которой выполняются 35 умножений, 48 сложений и ряд вспомогательных операций. Модель обеспечивала обработку музыки в реальном масштабе времени (т. е. на полную обработку каждого отсчета сигнала затрачивалось не более 30 мкс). С помощью подобных машин можно испытывать различные сложные схемы искусственной реверберации. В результате проведенных исследований была построена система искусственной реверберации [80]. В ней имеется квадрафонический выход, причем выходные сигналы между собой некоррелированы, время реверберации можно менять от 0,3 до 4,5 с, на низких и высоких частотах время реверберации зависит от частоты, задержка между прямым и первым отраженным сигналами регулируется, а отношение сигнал/шум превышает 70 дБ. Такие характеристики явно выходят за рамки возможностей любых механических систем. Можно ожидать, что с понижением стоимости цифровых элементов подобные системы полностью вытеснят механические устройства искусственной реверберации.

Возможность регулирования параметров, непосредственно связанных с особенностями слухового восприятия (например, времени реверберации как функции частоты), обеспечивает высокую гибкость и универсальность описанной системы, а также позволяет моделировать акустику разных помещений. Оператор может управлять переменными, соответствующими размеру зала, поглощающей способности стен, расстоянию от исполнителя до слушателя. Механические системы, напротив, имеют лишь одну регулировку скорости затухания механических волн.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление