Алгоритмы для поправки на эффект Доплера?

Question

[eegmak]

Какие существуют алгоритмы чтобы делать поправку (смещение) частоты, чтобы при приеме сигнала нивелировать эффект Доплера?

Comments

[Сергей Соколов]

в общем случае никак не отличить сигнал движущегося источника от его же записи, играющей из статичного динамика. Есть ли какие-то доп. условия?

[eegmak]

Сергей Соколов, Сигнал "звук двигателя" движущегося равномерно автомобиля, записанный стоящим снаружи человеком и сидящим внутри отличаются.
А какие дополнительные условия могут быть?
Я предполагаю, что звук двигателя уезжающего от меня равномерно быстро автомобиля можно привести к исходному звуку записаннному изнутри автомобиля применив некоторую функцию.
Например можно разбить аудиофайл на отрезки по сто метров и на каждый следующий отрезок применять функцию "смещения системы координат" или пропорционально каждый отрезок звукового файла понижать частоты на шаг*частота

[Василий Банников]

О каком сигнале речь?

[eegmak]

Василий Банников, аналоговом (звук двигателя из коментария выше), цифровом(?), смешанном.

[Василий Банников]

eegmak, речь только о звуке?
А известно заранее, с какой скоростью движется источник звука?
А известны характеристики среды?

[eegmak]

Василий Банников, на мой взгляд скорость источника сигнала и характеристики среды это вопрос второстепенный, который можно скорректировать на этапе реализации алгоритма подстановкой в переменную нужного значения. К тому же, интуитивно кажется, что скорость можно получить из самого сигнала.
Вопрос концептуальный.
Выше уже упоминал звук двигателя записанный стоящим снаружи человеком, в котором можно 1)принять любую точку звукового файла за положение машины напротив микрофона.
2) вычислить момент где машина приближалась а потом начала удаляться так же можно(достижимо) для эмпирического установления точки "0"
А дальше от точки ноль вносить изменения в звуковой файл дабы нивелировать искажения от доплеровского эффекта.
Поправьте если где то ошибаюсь.
Проблема которую могу предложить, которая относится к алгоритму: если разбить файл на кусочки эквивалентные расстоянию которое проехала машина, в сто метров и каждый кусочек трасформировать, то возникнут "щелчки" однако файл измененный возможно будет меньше отклоняться от "идеально записанного" изнутри машины

[Василий Банников]

eegmak,

К тому же, интуитивно кажется, что скорость можно получить из самого сигнала.

При условии что известен исходный сигнал и характеристики среды)
+ Двигатель в движущейся машине издаёт не те же самые звуки, что и двигатель стоящей на месте машины.
+ К звукам двигателя добавятся звуки других агрегатов, в тч колёс - они могут быть даже громче в некоторых случаях.
+ А ещё звук возникает от самого факта что машина движется в воздухе

Я бы попробовал сначала попробовать определить момент, когда машина проехала мимо нас.
Затем, предположив, что машина до и после нас движется с одинаковой скоростью - можно будет найти "не искажённый" сигнал.

[eegmak]

Василий Банников, а где вы нашли стоящую на месте машину, такой нет. Есть равномерное движение и запись звука изнутри(микрофоном прикрепленным к движущейся системе отсчета) и стоящим снаружи микрофоном.
Единственное отличие это амплитуда. Звук двигателя по громкости в одном случае неизменен, а вдругом максимальный в момент когда машина проезжает мимо стационарного микрофона.

[eegmak]

Василий Банников, в проезжающей мимо машине в какой то момент пик громкости, значит в этот момент полезный сигнал поступает без помех, а дальше полезный сигнал будет искажаться и одновременно терять амплитуду

[eegmak]

Василий Банников, какую среду не возьми (кроме космос-космос) везде будет затухание сигнала при увеличении расстояния

[Василий Банников]

eegmak, величина затухания будет меняться. Если пытаться без перебора считать

[U235U235]

Вейвлет-анализ не рассматривали? На скейлограмме эффект Доплера должен быть хорошо различим.

[hint000]

Примерно так будет меняться смещение частоты звука при приближении и удалении автомобиля.
Желтая линия - микрофон рядом с дорогой (минимальное расстояние до проезжающего автомобиля 1 метр),
красная линия - микрофон в 5 метрах от дороги,
синяя линия - микрофон в 10 метрах от дороги. Цифры условные. При нулевом минимальном расстоянии будет идеальная ступенька.

[Валентин]

Рекомендую почитать стандарты GSM в части радио, там решается эта проблема.

[eegmak]

U235U235, кажется ваш коментарий принесет больше всего пользы, почитаю про это

[eegmak]

Валентин, что значит в части радио?
Разве gsm не целиком про радио?

[mordo445]

Поправка на эффект Доплера была для спутника? SDR при этом не используется, такое решается схемотехникой приемника, минимально это снижение добротности входного контура + гетеродинная схема.

[eegmak]

mordo445, если вы приведете блоксхему вашего схемотехнического решения, значит существует математическая модель выразимая в матлабе, а матлаб умеет переводить в код, алгоритм. Оформите ответ, если он подходит к спутникам значит подойдет и к звуку и к чему угодно

[mordo445]

Всё таки поправка на эффект Доплера не для спутника. Схема радиоприемника не подойдет для звука, приемник настроен на определенный участок спектра, узкий относительно доступного ему диапазона. Автоматическая подстройка частоты и снижение селективности будут работать вокруг центра этого спектра (ну или с края, если SBC). Микрофон же захватывает относительно широкий участок диапазона частот, ваш алгоритм должен ожидать звук определенной высоты, известной заранее, опорной и приводить спектр вокруг него к сдвигу. Это сработает, если вы обрабатываете звук пролета калиброванных комаров, но оступится на двух одинаковых автомобилях, пусть из разницы будет лишь то, что у одного окна открыты. Структурную схему супергетеродина можно посмотреть на той же википедии, но вы ее вряд ли алгоритмизируете. Принципиальная схема может быть алгоритмизирована с некоторыми допущениями, но мне задача представляется непростой. Например схема из книги "построение радиоприемных устройств" 80-к...

[eegmak]

mordo445,

Схема радиоприемника не подойдет для звука,

потому что

алгоритм должен ожидать опорной

Все верно, именно поэтому алгоритмы, которые калибруются по опорной частоте не подойдут, потому что звук автомобиля не имеет в своем составе опорной частоты (в вашем понимании) на которую можно подстроиться

[eegmak]

mordo445, антенна ничем не отличается от микрофона и так же захватывает

относительно широкий участок диапазона частот

[eegmak]

mordo445, такая мысль еще пришла, что в радиоприемниках автоподстройка больше нужна изза нестабильности радиокомпонентов, предполагается, что опорная частота не подвергается эффекту доплера. Поправьте если не так. В звуке с этими нестабильностями покомфортнее для практически реализуемых алгоритмов

[mordo445]

Антенна принимает широкий участок спектра, а вот входной контур настраивается на узкий, в звукозаписи нет такого контура. Автоподстройка нужна по многим причинам, в наземной связи да, нестабильность компонентов передатчика и приемника, в спутниковой добавляется доплеровское смещение, если спутник не геостационарный.

[eegmak]

mordo445, вы абсолютно правы, но хотелось бы использовать программирование, а не пайку там, где без пайки можно обойтись.
Не потому что у кода есть какие то преимущества перед аппаратурными решениями (скорее тут наоборот).
Логику тестирования алгоритма, который действует в диапазоне волн, "разрешенном" для восприятия человеческим мозгом/сознанием(чем не входной контур) реализовывать проще.
Что интересно, некоторые эффекты (не доплера) искажения смысла полезного сигнала, корректируются на этапе восприятия, а вот доплера не корректируются. Хотя трудно сказать, что сам по-себе эффект доплера несёт для человека какую то информацию, полезную для жизнедеятельности, ведь ни одно животное не может так быстро бегать, чтобы возникли такие искажения

Answer 1

[Александр Скуснов]

Буфер сигнала, преобразование Фурье, сдвиг частоты (вот насколько, не знаю), обратное преобразование.

Comments

[eegmak]

Допустим, первый буфер будет сдвинут по частоте на 5 герц, а второй буфер на 10 герц, однако помеха линейна.. что делать?

[Александр Скуснов]

Это очень быстрая скорость. Делайте маленькие приращения. Выбирайте буфер исходя из длительности, допустим, 100 мс.
Кстати, сдвиг меняется от ускорения, а если скорость постоянна, то и сдвиг будет постоянен, так что проблемы нет.

Answer 2

[Griboks]

Нивелировать эффект Доплера не получится - это уже свершённый факт, являющийся неотъемлемой частью вашего сигнала. Вы можете выделить из сигнала другой сигнал. Но какой? У вас ничего об этом не написано.

Например, если вы хотите получить звук работающего двигателя без смещения частоты, то достаточно зациклить отрезок дорожки с громкостью > 90% (потому что период работы двигателя много меньше этого времени).

Или вы можете поставить доплеровский фильтр (обратное преобразование времени сигнала - замедление + ускорение), но в результате получится другой эффект равномерного движения (из-за разной громкости).

Comments

[eegmak]

Нивелировать эффект Доплера не получится - это уже свершённый факт, являющийся неотъемлемой частью вашего сигнала.

Это смотря как посмотреть, относительно процесса "получения сигнала".
В общем случае, если сигнал "под помехой" от эф. Доплера "помещается" в частотный диапазон записи микрофона, тогда разницы между обработкой звукового файла в записи и реалтайм нет.

[eegmak]

Т.е. если на микрофон установлены фильтры, чтобы записывать "басы" , то эффект Доплера "скрежет" часть полезного сигнала, т.к. сигнал выйдет за границы частотного диапазона записи микрофона. - в этом случае нивелировать- значит подкрутить частотный фильтр, чтобы сигнал целиком умещался.
"Подкручивая" фильтры, мы изменяем нижнюю частоту среза, которая становится нулем и одновременно изменяем верхнюю частоту

[Griboks]

eegmak,

нивелировать- значит подкрутить частотный фильтр, чтобы сигнал целиком умещался

Тогда просто уберите частотный фильтр, и сигнал полностью уместится на вашей записи. Но вы это, наверное, и так знаете. Но в чём заключается вопрос?

[Griboks]

eegmak,

Это смотря как посмотреть, относительно процесса "получения сигнала".

В классическом понимании "нивелировать" означает передать исходный сигнал без сдвига частоты, т. е. передвигать приёмник вместе с источником.

[eegmak]

Griboks,

передать исходный сигнал без сдвига частоты, т. е. передвигать приёмник вместе с источником.

Верно, только не обязательно двигать физически приемник.

Тогда просто уберите частотный фильтр, и сигнал полностью уместится на вашей записи.

Частотный фильтр упомянут для наглядности того, что во время записи сигнала эффект доплера может привести к безвозвратным потерям сигнала.
Границы всегда есть в которых "находится звук двигателя" либо любой другой полезный сигнал. В звуковой файл не записывают ультразвук и инфразвук, потому что в этом нет смысла.
Уточню, что имею в виду частотный фильтр, который срезает всё что выше и ниже полезного сигнала

[eegmak]

Griboks, избыточность во время записи сигнала конечно решит проблему безвозвратных потерь.
Но задача уменьшить помехи в уже записанном файле все равно останется.

[eegmak]

Griboks, к примеру, у вас есть песня, которую равномерно повысили по частоте..
Каким алгоритмом вернуться обратно, возможно ли это?
(Звук хранится в массиве, как обычно)
Еще такая пришла наглядная мысль: в магнитофоне равномерно увеличивали скорость на кассете, это записали в массив- вроде подходит под задачу о эффекте доплера

[Griboks]

eegmak, вы хотите формулу сдвига частоты? Не понимаю, в чем заключается вопрос.

в магнитофоне равномерно увеличивали скорость на кассете, это записали в массив

В этом случае проще всего будет изменить частоту дискретизации (задержку между воспроизведением значений в массиве) пропорционально скорости магнитофона.

[eegmak]

Griboks,

В этом случае проще всего будет изменить частоту дискретизации (задержку между воспроизведением значений в массиве) пропорционально скорости магнитофона.

То о чем вы написали, частота дискретизации, не добавляет задержек между значениями в массиве.
Вы хотите добавить в массив(wav файл) между значениями нули, чтобы из ускоренной записи получить замедленную?
Вы отвечаете на вопрос, который не понимаете?

[eegmak]

Griboks,

вы хотите формулу сдвига частоты?

Честно говоря, даже не знаю, какие в формулах обозначения для циклов, перевода из дробного значения в целое и т.п.
Хотя, наверное такое можно в матлабе написать, матлаб ведь генерирует код, так что почему бы и нет, всё подойдет, что решает задачу

[Griboks]

eegmak,

Вы хотите добавить в массив(wav файл) между значениями нули, чтобы из ускоренной записи получить замедленную?

Я бы сделал так (python):

speed = 2 # конечная скорость воспроизведения магнитофона, 2х
record = [10,15,2,0,36,...] # асимметричный массив записанных уровней напряжения в микрофоне - wav файл
t = 60 # длительность wav файла

T0 = t/len(record) # начальная задержка воспроизведения записанных уровней напряжения из wav файла
T1 = T0*speed # конечная задержка воспроизведения записанных уровней напряжения из wav файла
k = (T1-T0)/(len(record)-1) # коэффициент линейного ускорения воспроизведения
for i, u in enumerate(record):
    T = k*i+T0 # задержка воспроизведения с учётом линейного ускорения
    set_speaker_voltage(u)
    sleep(T0/2) # не забываем помахать диафрагмой в обратную сторону
    set_speaker_voltage(-u)
    sleep(T) # реализуем линейное ускорение воспроизведения

[eegmak]

Griboks, не совсем ясна логика, когда "значение из массива" устанавливается на время T1/2.
T1 судя по вашему комментарию, это конечная задержка, однако в цикле не меняется это значение, хотя (наверное) должно.
Т.е. у вас есть растущая пауза между уровнями из массива, а время которое длиться каждый уровень постоянно, так задуманно?

[Griboks]

eegmak, это не относится к основной логике, это всего лишь способ воспроизведения через напряжение диафрагмы. Суть в том, что мы должны за T успеть отклонить диафрагму сначала в одну сторону, затем в другую.

По непонятным причинам я предположил, что эти манипуляции можно заменить на:
1. отклонить диафрагму в одну сторону
2. подождать минимальный полупериод
3. отклонить диафрагму в другую сторону
4. подождать период

Очевидно, что это не очень "правильный" способ воспроизведения звука, но передаёт общий смысл.

Я бы даже использовал какую-нибудь библиотеку, которая позволяет заменить всё это на что-то вроде:

for i, u in enumerate(record):
    play(u, duration=k*i+T0)

p.s.
Там должно быть T0/2 при замедлении воспроизведения wav, исправил выше.

[eegmak]

Griboks, идею я понял про диафрагму.
А вот про длительность значения и длительности паузы.
Как мне кажется, когда мы делаем sleep(time) то уровень сигнала на звуковой карте неизменяется (либо уходит в ноль, наверное от оборудования зависит)

[eegmak]

Griboks, может преобразовывать массив в массив? Учитывая, что значения это импульсная кодировка, где частота дискретизации постоянна и расстояние между импульсами постоянно, а значения могут быть положительными и отрицательными (pcm)

[eegmak]

Griboks, можно еще добавить, что если взять, например, 44100 частоту дискретизации, то мы не успеем "уложить" первый квант из массива в движение мембраны динамика туда и обратно. Динамик, обычно 20000 , поэтому, интуитивно, в 44100 два соседних кванта не могут быть экстремумами с отрицательными значениями, но не уверен в этом

[Griboks]

eegmak,

Как мне кажется, когда мы делаем sleep(time) то уровень сигнала на звуковой карте неизменяется

Я тоже так думаю.

может преобразовывать массив в массив

Я пользуюсь библиотеками, которые работают по принципу "буфер+частота", т.е. воспроизводят отрезок с заданной частотой. Но всё это вопрос удобства, который принципиально ничего не изменяет.

мы не успеем "уложить" первый квант из массива в движение мембраны динамика туда и обратно

Это зависит от драйверов. По моему опыту лишние отсчёты просто игнорируются. Но даже 4 кГц вполне пригодны для голоса, а 20 - тем более.

[eegmak]

Griboks,

Я пользуюсь библиотеками, которые работают по принципу "буфер+частота", т.е. воспроизводят отрезок с заданной частотой. Но всё это вопрос удобства, который принципиально ничего не изменяет.

Такое не подойдет, для "расшифровки" записи ускоренной кассеты.
Кванты разбиваются по амплитуде, а не по частоте.
На струнном инструменте вы не воспроизведете человеческий голос.

[eegmak]

Griboks, частота, в случае массива будет считаться так:
1) берем значения из массива за отрезок в одну секунду(будет столько же сколько частота дискретизации)
2) считаем сколько раз значения меняли знак от положительного к отрицательному
Это значение будет примерной частотой сигнала, но это не синусоида и не прямоугольник

[Griboks]

eegmak, не понимаю, о чём вы тут пишете.

Такое не подойдет, для "расшифровки" записи ускоренной кассеты.

Библиотека для воспроизведения звука, очевидно, подойдёт только для воспроизведения звука. А заполнять буфер звуковой карты - это уже другая задача.

[eegmak]

Griboks, воспроизведение частоты с определенной длительностью это частный случай восприезведения звука.
Поэтому предложил формат входящих и исходящих данных для наброска алгоритма в виде массива. Зачем в алгоритме воспроизводить звук

Answer 3

[CBET_TbMbI]

Чисто теоретически, задача должна решаться.
Тут есть 3 "переменные"
1. Начальные параметры волны.
2. Наблюдаемые параметры волны.
3. Скорость движения друг относительно друга.
Зная 2 из них можно найти третье.
Другое дело, что надо отлично знать физику и математику явления, чтобы это всё пересчитывать друг в друга.
И первична тут физика. Если готовых алгоритмов не отыщется, надо копать физические формулы.

Неразрешимой задача может стать при наличии помех, когда часть волн от подвижного источника, часть от неподвижного, часть вообще от отражений каких-нибудь.

Comments

[eegmak]

Предлагаю принять участие в поиске готовых алгоритмов, либо в создании онных, можете предположить что помех не существует, есть только сигнал и эффект допплера