Разработка анализатора спектра речи

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНРИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТЕ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

                                                             КАФЕДРА ОРТЗИ

             КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ПРЕДМЕТУ: СЕТИ И СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

                                 Тема: Разработка анализатора спектра речи.

                                                                                                     Выполнил:   

                                                                                                     студент группы БИ-4-2

                                                                                                     Зыков Антон В.

                                                                                                     Проверил:

                                                                                                     Проф. Сурков Д.М.          

                                                                                                      ___________________

                                                                                                             (Дата, подпись)

                                                                Москва 2006                                                  

                                                                Содержание.

АНАЛИЗ СПЕКТРА СИГНАЛОВ

1 Общие сведения..................................................................................................

2 Измерение спектральной плотности импульсных напряжений………..  

3 Спектр речи…………………………………………………………………….

4 Распределение формантных частот…………………………………………

   5Спектральный анализ…………………………………………………………

   6 Дискретное преобразование Фурье…………………………………………

7 Разборчивость речи……………………………………………………………

8 Разборчивость и ее мера………………………………………………………

   9 Блок-схема анализатора спектра…………………………………………….

  10 Схема анализатора спектра мощности……………………………………..

   11 Чем анализировать спектр..............................................................................

   12 Литература.

                                           АНАЛИЗ СПЕКТРА СИГНАЛОВ

                                                     Общие сведения

    Основная задача экспериментального анализа спектра сигна­лов— определение амплитуд и частот его гармонических состав­ляющих. Кроме того, в системах связи анализ спектра сигнала необходим для выявления паразитной модуляции; при помощи па­норамных анализаторов спектра можно найти детерминированную помеху, наблюдать спектр многочастотных сигналов в групповых и линейных трактах систем уплотнения. Особенностью методов из­мерений спектра является необходимость определения большого числа гармонических составляющих, которое' при исследовании непериодических сигналов стремится к бесконечности. При этом ли­нейчатый спектр вырождается в сплошной.

Спектральная функция- сигнала f (t) определяется    известным  выражением   

   В   реальных   условиях функция S(iω) измеряется в течение конечного времени Т, поэтому измеряемый спектр в общем случае является функцией не только частоты, но и времени измерения:

  Функция ST(iω) называется текущим спектром сигнала. Она имеет большое значение при разработке методики измерения, в частности для определения времени измерения.    

  Текущий спектр ST(iω)  связан с функцией спектральной плот­ности мощности G(ω) следующим  соотношением:

   Для конечного интервала времени измерения Т получим так называемый    статистический    или    энергетический    спектр   

                                                     Gт (ω) = |ST(iω) |2/π*T:

                  Измерение спектральной плотности импульсных напряжений

• Спектральная плотность импульсных   напряжений    измеряется с помощью анализаторов гармоник и спектра. Анализаторы гармоник предназначаются для измерения амплитуд и частот отдельных гармонических составляющих периодических несинусоидальных сигналов, когда спектр исследуемого сигнала имеет линейчатый харак­тер и. относительный интервал между соседними    составляющими .достаточно велик по сравнению с полосой расфильтровки. В зависимости от способа выделения гармоник различают    анализаторы 'гармоник с резонансными и избирательными контурами  и  гетеродинпые. Наиболее широкое распространение  получили  гетеродин­ные анализаторы, принцип работы которых аналогичен  принципу работы селективных вольтметров или избирательных измерителей уровня. Гетеродинные анализаторы отличаются  тщательно  отградуированной шкалой гетеродина,   обеспечивающей   заданную погрешность определения   частоты   измеряемой   гармонии,   обычно   -  ±(10-6 ÷10-3) ,  и  высокой, избирательностью.

    Анализаторы спектра предназначаются для визуального наблю­дения спектра исследуемых сигналов. Эти приборы различаются поспособу проведения анализа — последовательного, одновременного и смешанного действия; по схемному решению —одноканальные и-многоканальные; по типу индикаторного устройства осциллографические и с самописцем; по диапазону частот — низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, широкодиапазонные} по способу предварительной обработки   исследуемых   сигналов — с непосредственным введением сигнала,    с    предварительной    за­писью сигнала на магнитной ленте, со сжатием сигнала во времени,

с накоплением сигнала по амплитуде, с использованием дисперси­онных линий задержки. Чаще других при измерениях пользуются анализаторами с последовательным и одновременным анализом.

   Анализаторы спектра с последовательным анализом.  Анализаторы последовательного действия содержат или перестраивающийся фильтр (рис. 6.34а) или   перестраивающийся гетеродин (рис. 1.1б). В первом случае исследуемое напряжение через входное устройство поступает на перестраивающийся узкополосный фильтр, настройка которого изменяется, проходя после-

Рис. 1.1. Структурные схемы анализатора спектра последовательного дей­ствия: а) с перестраивающимся фильтром, б) с гетеродином

довательно весь исследуемый спектр частот. Выходное напряжение фильтра после детектирования фиксируется регистрирующим устройством, чаще всего самописцем. В качестве перестраивающихся  фильтров обычно применяются двойные Т-образные LС-мосты  включенные в - цепь отрицательной обратной связи усилителя (рис. 1.2). Добротность такого фильтра определяется выражением Q = [(1+K)/2]QRC (QRC ≈ 0,5 — добротность двойного Т-образного LС-моста; К — коэффициент усиления усилителя без отрицательной обратной связи).

    Относитель­ная ширина полосы пропускания фильтра  2∆f/f = 1/Q. ,

Рис. 1.2. Схема перестраивающе­гося фильтра          Рис. 1.2. К   определению    функции спектральной плотно

   Перестойка частоты f фильтра осуществляется плавным изменением ёмкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов. Часто. для этой цели используется двигатель, который одновременно  перемещает ленту самописца. На выходе фильтра получаются составляющие спектра (f—∆f)÷(f+∆f), которые по мере изменения -резонансной частоты/ фильтра будут проходить рабочий диапазон измеряемого спектра (рис. 6.36). В результате детектирования в квадратичном детекторе выходное напряжение перестраивающе­гося фильтра преобразуется в видеоимпульс, напряжение которого пропорционально средней мощности Р∆ соответствующего участка спектра в полосе частот 2∆ƒ; усреднение производится в магнито-электрическом приборе самописца:

Если полоса 2∆ω достаточно узка, чтобы спектральную плотность мощности GT(ω) можно было полагать в ней постоянной, справедливо равенство

          или          /.

   Значение 2∆ƒ определяется  разрешающей  способностью  анализатора, равной минимальному расстоянию по оси частот между двумя составляющими спектра, при которой можно выделить от­дельные 'линии спектра и измерить с заданной погрешностью их

уровни.

   В СВЧ. диапазоне в качестве перестраивающихся фильтров используются высокодобротные  резонаторы, обычно перестраиваемые вручную. Основным недостатком подобных приборов является срав­нительно низкая разрешающая способность из-за невысокой добротности фильтров.

    Анализаторы  с  перестраивающимися     гетеродинами    (см. рис.1.1б) позволяют получить высокую разрешающую способность'

за счет применения высокодобротных резонаторов, обычно кварцевых фильтров, настроенных на постоянную промежуточную частоту /то, выбираемую достаточно низкой; поэтому применяется двойное и даже тройное преобразование частоты.

   Принцип работы подобных анализаторов нетрудно уяснить, рассматривая их обобщенную структурную схему (см. рис. 1.16).Пусть гетеродин имеет диапазон рабочих частот от tг.мин до tгмакс, резонатор и усилитель промежуточной частоты УПЧ настроены на частоту fпр и необходимо определить спектральную мощность входного сигнала на частотах гармонических составляющих           ƒ1,ƒ2,…..ƒv,….. ƒn.

     По мере перестройки частоты гетеродина -разность   между его текущей частотой  /г<    и частотой v-й составляющей спектра в не­который момент окажется равной fпр±∆f; при этом получится следующее соотношение частот гетеродина и  v-й гармоники:

                                                                    (1.4)

   После квадратичного детектора сигнал поступает на регистрирую­щее устройство, показания которого пропорциональны Р∆v •   В качестве примера анализатора с гетеродинным преобразова­нием 'рассмотрим   структурную  схему панорамного  анализатора,(рис.1.4а).

Рис. 1.4. Структурные схемы анализаторов: а) последовательного действия с осциллографическим индикатором, б) одновременного дей­ствия

   Исследуемый периодический сигнал сложной формы поступает через входное устройство на смеситель, к которому подводится на­пряжение генератора качающейся частоты ГКЧ. Линейное измене­ние частоты во времени осуществляется модуляцией сигналов ГКЧ напряжением генератора развертки. Вследствие этого отклонение электронного луча по горизонтали пропорционально изменению частоты ГКЧ и горизонтальная ось масштабной сетки является осью частот. На выходе смесителя образуются напряжения комбинаци­онных частот. Составляющие спектра, частоты которых лежат в по­лосе пропускания усилителя промежуточной частоты fпр±∆f, усиливаются и после детектирования, и усиления подаются на верти­кально отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Таким образом, отклонение луча в вертикальном направлении пропорционально мощности определенной узкой полосы спектра исследуемо  сигнала (f—∆f)+(ƒ+∆ƒ) и удовлетворяет неравенству, аналогичному (6.37):

                                                                                    (1.5).

где fгкч = fо+a*t — мгновенная частота   генератора качающейся частоты.

В некоторых анализаторах спектра применяются логарифмические усилители, которые дают возможность наблюдать составляющие спектра  с большим отношением амплитуд— 100:1 или 1000:1; В этих приборах обычно имеются переключатели для перевода из логарифмического режима усиления в линейный. В логарифмическом режиме проводится общая оценка спектра, а линейный режим используется для  детального  анализа выбранного участка частот­ного 'спектра. В анализаторах спектра применяются трубки с по­слесвечением.

   Калибратор (рис.1.5) служит для создания частотных меток на экране. При включении калибратора на экране анализатора, кроме 'линий исследуемого   спектра,   появляются   линии   составляющих спектра, калибратора, частота которых известна. В результате   на " оси частот получают опорные точки известной частоты, что позво­ляет уточнить масштаб оси частот.

   Основным недостатком анализаторов последовательного действия  является большая продолжительность анализа. Например, для  получения n спектральных линий периодического напряжения минимальное время анализа должно быть равно nТ, где Т — период исследуемого напряжения. При непосредственном введении исследуемого напряжения эти приборы можно использовать для анализа спектра периодических, в том числе и редко повторяющихся, сигналов (радиоимпульсов или видеоимпульсов) когда время анализа особого значения не имеет.

   Спектры одиночных импульсов можно измерять анализатором последовательного действия при их 'предварительной неискажающей записи. В этом случае появляется возможность неоднократного повторения анализа,

    Выпускаемые промышленностью анализаторы последовательного  действия работают .в диапазоне от инфранизких до сверхвысо­ких частот. Порог чувствительности низкочастотных приборов находится в пределах 10~4—10-3 В, а сверхвысокочастотных—в пределах 10-7-10-12 Вт. Погрешность измерения по амплитуде составляет ± (5-10) %, по частоте —   ± (2-3) %.

   Анализаторы с одновременным анализом. Эти анализаторы позволяют осуществить одновременный анализ спект­ра исследуемого сигнала, т. е. их можно использовать для непо­средственного измерения спектров одиночных импульсов и стати­стических процессов. Исследуемый сигнал после входного устрой­ства (рис.6.376) одновременно подается на n резонаторов, каждый из  которых выделяет узкую полосу частот. После детектирования

действующие значения составляющих через коммутирующее устрой­ство попадают на электроннолучевую трубку или самописец. Ана­лизаторы подобного типа предназначаются для работы в области низких частот, обычно не свыше 100кГц.

   Типы применяемых резонаторов зависят от частотного диапа­зона прибора. Для инфранизких и низких частот используются из­бирательные LС-цепи, для более высоких — LС-цепи или электро­механические фильтры. .Коммутаторы обеспечивают поочередное подключение детекторов к регистрирующему устройству. Если чис­ло каналов невелико, то коммутатор может отсутствовать. В этом случае число регистрирующих устройств должно быть равно числу каналов. Промышленностью выпускаются анализаторы с числом каналов от 8 до 80.

                                 ∆ƒp=qƒФ                                                                                         (1.6)

где q — заданное число, определяемое допустимой погрешностью δ. Чем меньше полоса ∆ƒф, тем больше разрешающая способность прибора. На рис.1.6 поясняется различие между ∆ƒф и ∆ƒр при за­данной погрешности δ (для данного случая δ ~0,2); из рисунка видно, что чем меньше δ, тем больше q.

Рис. 1.6. Резонансные характеристики анализаторов; а) одновременного, б) последовательного действия; 1 ~ статическая, 2 — динамическая.

   В процессе проведения измерений необходимо учитывать переходные явления, которые приводят, к уменьшению разрешающей способности прибора. Степень этого уменьшения определяется параметрами анализатора и скоростью (временем) анализа.

   Динамическая разрешающая способность анализатора одновре­менного действия изменяется во времени примерно по экспонен­циальному закону. В момент включения (t=0) исследуемого сиг­нала на вход анализатора, состоящего из набора резонаторов с одинаковой добротностью и равноотстоящими резонансными частотами, выходное напряжение равно нулю. С течением времени динамические резонансные кривые приближаются к статическим, форми­руются седлообразные кривые (рис.6.38а), анализатор разделяет составляющие сигнала. Время, в течение которого характеристика анализатора приближается с заданной погрешностью к статической его характеристике, называют временем установления /у. Это время обратно пропорционально полосе пропускания ∆ƒф,

Страницы: 1, 2, 3, 4