В-третьих, в соответствии с выявленными текущими искажениями компонентов принимаемого сигнала по отношению к передаваемому, осуществляют предыскажения соответствующих компонентов предаваемого сигнала.
Например, если в точке получения звукового сообщения в области низких частот энергия компонентов сигнала ниже, чем в передаваемом сигнале источника, то в блоке обработки сигналов вводят корректирующие предыскажения на низких частотах – увеличивают уровень этих компонентов так, чтобы уровень этих компонентов в точке получения сообщения вырос на требуемую величину. В блоке обработки сигналов эта операция осуществляется автоматически.
Процесс автоматической регулировки уровней компонентов, передаваемого сообщения эквивалентен работе автоматического эквалайзера.
Работа автоматического эквалайзера в составе блока обработки сигналов осуществляется посредством работы соответствующих узлов. Работа этих узлов подробно описана в вышеуказанных патентах РФ (2038704, 2106073, 2106074, 2106075).
Кроме предыскажений уровней компонентов, в блоке обработки сигналов осуществляют фазово-частотные или время-частотные предыскажения компонентов передаваемого сигнала. Это делается также в автоматическом режиме с использованием методов корреляционной обработки сигналов.
Эти действия и работа узлов, отвечающих за этот вид предыскажений передаваемого сообщения, также подробно описаны в вышеуказанных патентах (преимущественно в патентах № 2106075, 2145446).
В результате этих действий те компоненты, которые приходят в точку получения сигнала раньше других компонентов, дополнительно задерживаются в блоке обработки сигналов.
В процессе автоматического вычисления и установки предыскажающих задержек компонентов передаваемого сообщения компоненты сигнала сообщения разных частот приходят в точку получения сообщения синхронизированными. Также как в источнике передаваемого сигнала.
За счет этих действий можно в автоматическом режиме скомпенсировать, например запаздывание низкочастотных компонентов сигнала, излучаемых низкочастотным громкоговорителем. Который установлен, например, в багажнике автомобиля – дальне от органов слуха водителя, чем среднечастотные и высокочастотные излучатели, установленные на передней панели автомобиля или в передних дверях.
В блоке обработки сигналов эти действия осуществляются в автоматическом режиме - циклически с использованием методов корреляционной обработки компонентов передаваемого и принимаемого сообщения и определенного алгоритма расчета, и формирования предыскажающих задержек компонентов сигнала (в заявке РФ № 2005105421 патентуется новый, более совершенный алгоритм расчета и установки предыскажающих задержек компонентов передаваемого сигнала).
В-четвертых, в блоке обработки сигналов осуществляется определенная процедура автоматического подбора и оптимизации энергетических и временных (фазовых) параметров сигналов передаваемого сообщения.
Эти процессы во времени должны протекать друг относительно друга с определенной скоростью и с учетом задержки сигнала в канале связи. Например, процесс автоматической оптимизации АЧХ характеристики предыскажающего фильтра должен протекать с такой скоростью и таким образом, чтобы это было незаметно для слушателя.
Эти действия над сигналами передаваемого сообщения эквивалентны оптимизации амплитудно-частотной (АЧХ) и фазово-частотной (ФЧХ) или время-частотной (ВЧХ) характеристик предыскажающего фильтра в составе блока обработки сигналов.
Итерационно, автоматически подбирая c разной скоростью АЧХ и ФЧХ (ВЧХ) блока обработки сигналов, в цепи прохождения передаваемого сигнала сообщения, удается оптимизировать параметры предыскажающего фильтра. Этот оптимизированный фильтр, можно назвать, согласованным фильтром. Его параметры позволяют компенсировать результирующий комплексный коэффициент всего канала связи и всех устройств системы связи. В результате этих действий и реализации описанных выше новых функций системы связи, заранее неизвестный, меняющийся во времени комплексный коэффициент канала связи все время стремится стать близким к единице. И весь канал связи становится почти неискажающим.
Эта оптимизация может происходить постоянно, очень часто или осуществляться циклически – время от времени, например, перед передачей сообщения, раз в секунду, час или год. Все эти действия подробно описаны в патентах РФ № 2106075, 2145446.
За счет выбора определенной скорости оптимизации АЧХ и ФЧХ (скорости настройки согласованного фильтра), удается исключить самовозбуждение системы передачи сообщений с обратной связью и в то же время достаточно быстро, в автоматическом режиме, отслеживать и компенсировать текущие искажения сигнала передаваемого сообщения во всех элементах канала связи.
В-пятых, в блоке обработки сигналов в автоматическом режиме может производиться анализ наличия помех в канале связи, и могут формироваться сигналы для автоматического, активного понижения компонентов шума.
Понижение шумовых компонентов осуществляют на тех частотах и в те моменты времени, когда отсутствуют компоненты сигнала сообщения.
Если компоненты сигнала и шума совпадают по времени и частоте, то их отделить и распознать невозможно. На этих частотах оптимальный фильтр работает в режиме автоматического эквалайзера. Он для каждой полосы анализа и обработки сигналов регулирует суммарный уровень компонентов сигнала и шума, сложенные друг с другом в каких-то фазах, до требуемого уровня. Автоматический эквалайзер работает как оптимальный (согласованный с параметрами помехи и шума) фильтр.
При кратковременных помехах, автоматический эквалайзер не успевает отслеживать вклад помехи по уровню (по энергии) и коэффициент передачи согласованного фильтра для этих частот не успевает измениться. В этой ситуации фильтр не вносит никаких искажений или необоснованных регулировок уровня сигнала, пропуская через себя быстроизменяющиеся во времени компоненты шума и сигнала. Тут уже сделать ничего нельзя.
Оптимизацию (подбор) фазы и уровней сигналов для активного понижения шума на тех частотах, где помеха и сигнал слабо коррелированны, осуществляют по общеизвестным алгоритмам, описанным в патенте РФ № 2145446.
Следует пояснить, что активные способы понижения шумов и помех в открытых системах должны учитывать геометрические параметры системы и, в частности, время задержки в системе сигналов для активного подавления помех. А также обеспечить необходимый уровень развязки между принимаемым шумовым сигналом, и, пришедшим в эту же точку пространства, сигналом для активного подавления шума.
Если для закрытых систем, например усилителей сигнала все достаточно просто и задача решается в рамках реализации оптимальной (следящей ООС), то в открытых системах передачи сообщений, для каждой конкретной системы связи, требуется учет этих моментов.
В противном случае, эффект понижения шума будет незначительным (чтобы исключить самовозбуждение системы из–за выполнения условия баланса фаз и амплитуд) или возможным только в ограниченной полосе частот, например в области низких частот.
Примеры технических решений, учитывающие эти моменты, детально, описаны в патенте РФ № 2235370, а также в заявке № 2004100094.
В результате вышеописанных действий, компоненты полезного сообщения приходят в точку получения сообщения с требуемым соотношением их уровней, синхронно по отношению к компонентам передаваемого сообщения, а часть шумов, которые можно подавить, подавляются. За счет этого повышается точность передачи сообщения из одной точки пространства в другую точку.
Увеличивая число полос анализа и обработки сигналов можно, в пределе, перейти к покомпонентному анализу и обработки сигналов. Эти действия можно реализовать аппаратным или программным способом. Перечисленная выше последовательность действий является универсальным алгоритмом для передачи сигналов любой физической природы, любых частот и сигналов любой формы.
Частным случаем является задача передачи в точку получения сообщения сигнала нулевого уровня. В физическом плане, подобная задача эквивалентна решению задачи понижения шума в заданной точке пространства. Поэтому задача понижения шума устройства или системы связи должна решаться по тем же базовым, фундаментальным принципам, что и задача повышения точности передачи сообщения – с использованием обратной связи и многополосной обработки сигналов.
Например, задачи синтеза оптимальных систем подвески транспортных средств различного назначения (автомобиля, поезда, самолета, танка и т.д.) также могут решаться с использованием кратко описанных выше основных положений теории оптимального управления.
С небольшими доработками, эта теория может быть использована, например, в экономической области.
Описанные выше действия по существу раскрывают содержание нового фундаментального закона природы – ЗАКОНА МИНИМИЗАЦИИ РОСТА ЭНТРОПИИ СИСТЕМЫ СВЯЗИ или закона “сохранения информации”.
Кавычки означают, что в этом законе речь идет не об абсолютном сохранении информации в системе связи, подобно фундаментальным, классическим законам сохранения энергии или вещества, которые сформулированы и выполняются только в рамках абстрактной, физически никогда не реализуемой модели “кругового процесса”, для которого по определению рост энтропии равен нулю. Новый закон относится ко всем реальным, физически реализуемым (промышленно применимым – патентноспособным) системам связи или передачи сообщений.
Следует пояснить, что реализация всех указанных выше новых функций системы требует определенных издержек и дополнительной потери информации, поскольку любая следящая система требует небольших отклонений от оптимального состояния – требуется ошибка слежения.
Но при решении ряда задач, эта ошибка слежения может быть на много меньше тех искажений (ошибок) передаваемого сигнала в системе, которые могут быть заранее неизвестным и непредсказуемым образом возникать в системе передачи сигнала.
Например, неравномерность АЧХ собственно канала связи – бытового помещения или салона автомобиля может быть порядка плюс/минус 20 dB, а неравномерность АЧХ вносимого грамотно сконструированным автоматическим эквалайзером может составлять не более плюс/минус 1-2 dB. Поэтому использование автоматического эквалайзера дает ощутимый (заметный на слух) положительный эффект и резко повышает качество всей звуковоспроизводящей системы.
В помещении с плохими акустическими свойствами слушатель, например вместо бубнящего звука будет слышать звуки, практически как на концерте - в зале консерватории – на уровне работы системы HI-End класса.
В отличие от фундаментальных, классических законов природы новый фундаментальный закон природы удалось запатентовать в Российской Федерации в вышеуказанной группе изобретений, поскольку он изложен не в виде абстрактной математической или физической модели (формул), которые, как известно, не являются патентноспособными объектами, а в виде промышленно применимых технических решений.
В изобретениях он описан в качестве новых способов передачи сообщений любой физической природы и новых систем и устройств.
В качестве примера такой системы связи, в этих изобретениях подробно описана система высококачественной передачи звуковых сообщений в специально не приспособленном для этого помещении и при наличии помех.
Изложенное выше позволяет считать решенной в самом общем виде центральную задачу теории информации – задачу повышения точности передачи информации в любом реальном, физически реализуемом канале связи.
Системы с обратной связью и многополосной обработкой сигналов могут быть построены по одноканальной или многоканальной схеме. Возможна реализация широкополосных или многополосных систем связи.
Двухканальные (стерео) звуковоспроизводящие системы, могут быть выполнены в виде двух раздельных каналов, каждый из которых выполняется многополосным с раздельным усилением и излучением различных компонентов сигнала, например на высоких средних и низких частотах. Причем излучение этих компонентов может осуществляться с различных расстояний по отношению к слушателю.
Самонастройка подобных систем может осуществляться по самим полезным сигналам сообщений, например с использованием кратковременного стробирования сигнала сообщения, в одном из каналов на определенных частотах. Самонастройка системы может также осуществляться в паузах – между компонентами полезных сигналов и по вспомогательным, шумоподобным сигналам, генерируемым системой, например перед передачей полезного сообщения - для ее первичной самонастройки.
В последние годы ряд технических решений, описанных в указанных выше изобретениях, используют в составе своей продукции крупнейшие промышленные корпорации мира (ALPINE система F#1 Status, BLAUPUNKT система San Francisco CD 70; CLARION – DRX 960 R 7 R; ряд систем фирмы PIONEER, Eclipse 8053 от Fujitsu Ten и др.). Указанные фирмы представляют эту продукцию на крупных международных выставках и салонах, занимают там призовые места.
Публикации об этих видах продукции содержатся в ряде рекламных проспектах и журналах (см. “Мастер 12 Вольт, февраль-март 2001г. стр.13,15; “Автозвук” № 12 за тот же год; “Мастер 12 Вольт” март-апрель 2005 г.;”Мастер 12 Вольт”, 2002, февраль-март, стр 62 и др.).
Активное освоение крупнейшими зарубежными фирмами этих изобретений непосредственно доказывает их высокий коммерческий потенциал, а также перспективность данного научно-технического направления. Такого же мнения придерживаются ряд высококомпетентных ученых из РАН РФ, ведущих вузов страны, патентно-юридических фирм из РФ, Кореи и Японии, международных научно-технических центров.
Подтверждением высокого качества передачи сообщений в подобных системах связи являются премии на многочисленных выставках и салонах.
Вместе с тем анализ промышленной продукции, производимой крупнейшими зарубежными корпорациями, показывает, что в настоящее время отдельные виды продукции не совсем точно реализуют вышеописанные принципы синтеза оптимальных систем и устройств. Эта продукция не повышает точность передачи сообщений, а наоборот снижает ее. Вместо снижения энтропии (или СКО сигналов) в звуковоспроизводящей системе происходит ее рост.
Например, одним из примеров таких ошибочных, на мой взгляд, подходов является принцип борьбы с шумами за счет автоматического регулирования громкости автомобильного CD ресивера San Francisco CD 70 фирмы Blaupunkt (BOSCH) (журнал “Автозвук” № 12, декабрь 2001 г. стр.108-115).
В результате автоматического регулирования громкости, например пропорционального повышения уровня громкости с ростом шума, слушатель получает звуковую информацию в искаженном виде. Сигналы звукового сообщения в этом устройстве модулируются усредненным уровнем шума, что заметно на слух, раздражает взыскательного слушателя неустойчивостью громкости звучания.
В результате работы такой системы в широкой полосе частот суммарный уровень сигнала и шума может резко возрастать, и рост уровня громкости отстает по времени от момента времени появления шума. Это приводит к утомляемости водителя. Аварийность на автотранспорте повышается.
Главная ошибка такого подхода заключается в том, что вместо избирательного (частотно и фазово-зависимого) формирования сигналов для активного понижения шума и реальным его снижением, стараются замаскировать шум за счет увеличения уровня громкости. Эти действия осуществляются в широкой полосе частот. Что принципиально не верно. Формальное сохранение соотношения сигнал/шум не приводит к улучшению потребительских свойств продукта, а ухудшает их.
По всей видимости, этот подход связан с тем, что вопросы активного понижения шумов можно считать самыми сложными и не остаточно исследованными в корпорации Вlaupunkt. Этим вопросам при проведении НИОКР по проекту следует уделить центральное значение.
Остальные технические решения, описанные в упомянутой выше группе изобретений, применяются специалистами из корпорации Blaupunkt правильно - в соответствии с современными положениями теории информации. Абсолютно правильным можно считать реализацию автоматического эквалайзера в форме двухканального (стерео) устройства. У некоторых других производителей, автоматический эквалайзер реализован как одноканальное устройство, что в корне не соответствует современным положениям теории оптимальной передачи звуковых сообщений для человека с двумя работоспособными органами слуха.
Следует также отметить, что в настоящее время в состав бытовой звуковоспроизводящей аппаратуры, как правило, включено достаточно большое число абсолютно бесполезных для простого потребителя устройств, которые не позволяют повысить точность передаваемой информации, а только снижают ее. Например, эквалайзеры с ручным управлением, фильтры с фиксированными АЧХ и т.д.
Подобные устройства отвлекают водителя от управления автомобилем и повышают аварийность.
Общеизвестно, что ручным эквалайзером можно осмысленно пользоваться только по определенной методике с использованием дополнительной измерительной аппаратуры (с применением: генераторов сигнала или шума, анализатора спектра, осциллографа, вольтметра и специального студийного (калиброванного) микрофона). Крутить наугад ручки или нажимать на кнопки ручного эквалайзера без специальной подготовки и комплекса аппаратуры нет никакого смысла. Это абсолютно бесполезное и бесперспективное занятие. Точно выставить АЧХ таким способом невозможно.
Ручной эквалайзер в составе бытовой аппаратуры, это классический пример не вполне некорректного маркетинг приема. Смысл, которого состоит в том, чтобы больше ввести яко бы полезных функций, без которых потребителю не обойтись, и за счет этого убедить покупателя приобрести данный продукт.
Повысить качество бытовой радиоэлектронной продукции и снизить аварийность на автотранспорте можно за счет использования технических решений, описанных в указанной выше группе изобретений – в соответствии с новым фундаментальным законом природы.