Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ структуры речевых сигналов и способов построения устройств ослабления акустической обратной связи 14
1.1. Анализ структуры речевых сигналов и основных характеристик речи 15
1.2. Анализ методов и способов обработки речевых сигналов 25
1.3. Существующие методы ослабления акустической обратной связи 29
1.4. Постановка задач исследования 42 Выводы по главе 1 43
ГЛАВА 2. Концептуальные вопросы обеспечения устойчивости электроакустических систем с обратной связью 44
2.1. Исследование факторов, влияющих на устойчивость электроакустической системы 44
2.2. Критерии устойчивости систем с обратной связью 56
2.3. Частотно-фазовые портреты модуля коэффициента передачи усилителя 65
Выводы по главе 2 73
ГЛАВА 3. Разработка методов и способов ослабления АОС 75
3.1. Устройство ослабления АОС методом анализа скважности импульсной последовательности 75
3.2. Анализ возможности ослабления акустической обратной связи методом компандирования огибающей речевого сигнала 78
3.3. Устройства шумоподавления 93
Выводы по главе 3 102
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования разработанных устройств ослабления акустической обратной связи 104
4.1. Описание лабораторного стенда и методики проведения экспериментов по оценке устойчивости локальных электроакустических систем 104
4.2. Исследование устройства ослабления акустической обратной связи методом анализа периодов соседних колебаний 113
4.3. Исследование способа ослабления акустической обратной связи путем инверсии фазы сигнала 119
4.4. Исследование умножителя частоты на ААДМ 122
4.5. Исследование устройства ослабления ПАОС на основе анализа огибающей сигнала 124
4.6. Исследование устройства ослабления ПАОС путем непосредственного сжатия периода колебаний сигнала 128
Выводы по главе 4 141
Заключение 143
Список литературы 146
- Анализ методов и способов обработки речевых сигналов
- Критерии устойчивости систем с обратной связью
- Анализ возможности ослабления акустической обратной связи методом компандирования огибающей речевого сигнала
- Исследование способа ослабления акустической обратной связи путем инверсии фазы сигнала
Введение к работе
Актуальность. Несмотря на быстрый научно-технический прогресс, на сегодняшний день проблема повышения устойчивости электроакустических систем остается по-прежнему актуальной. Об этом свидетельствуют материалы компаний Siemens, Phonak, Исток-Аудио, Widex, ReSound, Behringer, Nady Systems и др., занимающихся разработкой слуховых аппаратов, звукоусилителей и других электроакустических систем, а также исследования отечественных и зарубежных ученых: Авдошиной И.А., ПриттсаР., АнертаВ., Га-лиева А.Л., Лисовского В.А., Елисеева В.А., Freed D., Soli S., Hellgren J., Limner Т. и др.
Ключевую роль в деле повышения устойчивости играют устройства, позволяющие подавлять процессы самовозбуждения в электроакустических системах. Одной из основных причин, приводящих к самовозбуждению системы, является наличие акустической обратной связи (АОС), которое приводит к ухудшению качества звучания речевого сигнала на выходе электроакустической системы и появлению «свистов». Поэтому в электроакустические системы необходимо включать специальное оборудование, позволяющее оптимизировать восприятие звука, в том числе подавители шума и устройства ослабления акустической обратной связи.
Вопрос повышения устойчивости особенно остро встает в случае аппаратов индивидуального пользования, в частности, слуховых аппаратов (СА). Во многих случаях неудобства, вызванные АОС, превосходят преимущества от применения слухового аппарата и оказываются одной из основных причин, по которым слабослышащие люди отказываются от его использования. Между тем, в Российской Федерации только по официальным данным число больных, нуждающихся в слухопротезировании, превышает три миллиона человек.
Главная задача любого устройства подавления акустической обратной связи - нейтрализовать многократное усиление сигнала до того, как его последствия создадут дискомфорт слушателю, и при этом свести к минимуму изменения в звучании речи. Вместе с этим, для аппаратов индивидуального пользования (АИП) и СА требуются высокоэкономичные устройства ослабления АОС, поскольку энергопотребление системы является важным параметром и влияет на срок службы элементов питания.
В современном слухопротезировании наибольшее распространение получило адаптивное подавление обратной связи. С различными модификациями и под разными названиями эту технологию используют все ведущие производители слуховых аппаратов, представленных на российском рынке: «Исток-Аудио» (Россия, технология не имеет маркетингового названия), Phonak (Швейцария, технология WhistleBlock), «GN ReSound» (Дания, система Dual Stabilizer), Siemens (Германия, системы FeedbackBlocker и Feedbacks topper) и другие. С целью оценки АОС в современных СА производится высокоразре-шающий корреляционный анализ сигналов, поэтому в слуховых аппаратах применяется сложная адаптивная технология, реализовать которую можно лишь при помощи микропроцессоров, дополнительных модулей к ним и слож-
ных программных продуктов, что повышает габариты, стоимость и энергопотребление аппарата.
Промышленностью также выпускаются супрессоры - подавители акустической обратной связи. Производители супрессоров используют несколько принципов ослабления АОС: сдвиг частоты выходного сигнала; добавление к выходному сигналу скрытого (неслышимого) шумового сигнала; применение адаптивных фильтров для исключения из спектра сигнала «проблемных» частот. Однако все супрессоры имеют существенные габариты, массу около трех килограммов и сравнительно высокое энергопотребление, поэтому не могут использоваться в слуховых аппаратах и других локальных электроакустических системах.
Таким образом, несмотря на значительный прогресс в области разработки устройств ослабления АОС, проблема остается актуальной. Решение научно-технических задач, связанных с поиском альтернативных подходов к ослаблению АОС и с дальнейшим развитием существующих систем подавления АОС, позволит разработать эффективные маломощные устройства подавления и ослабления АОС с возможностью интегральной реализации, в которых не требуется использование сложных дорогостоящих технических решений.
Актуальность работы подтверждается также тем, что она получила финансовую поддержку Фонда поддержки малых форм предприятий в научно-технической сфере (грант по программе «У.М.Н.И.К.», весенняя сессия 2011 года).
Цель работы: усовершенствование существующих и разработка новых способов повышения устойчивости электроакустических систем; разработка схемных решений цифровых устройств ослабления АОС и устройств шумоподавления, которые позволят улучшить устойчивость электроакустических систем (в частности, СА) и повысить их экономичность.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
Исследовать факторы, влияющие на устойчивость электроакустических систем.
Изучить концептуальные возможности ослабления акустической обратной связи.
Предложить методы и разработать устройства ослабления акустической обратной связи, отличные от существующих.
Разработать установку для количественных измерений параметров систем и устройств ослабления АОС.
Провести экспериментальные исследования разработанных устройств.
Методы исследования. Для получения научных результатов в диссертационной работе были использованы методы теории сигналов, методы теории устойчивости, методы теории и экспериментальные исследования формантных, частотных и фазовых свойств речи, теории акустической обратной связи, теории электрических цепей, методы экспериментального исследования. При этом имитационное моделирование и исследование свойств рассматриваемых схем выполнялось с помощью прикладных программных пакетов MathCad Professional и Micro Cap v.8.1.
На защиту выносятся:
Результаты исследования факторов, влияющих на устойчивость электроакустических систем.
Концепции повышения устойчивости электроакустических систем с обратной связью.
Структурные схемы устройств ослабления АОС методом анализа скважности импульсной последовательности, методом компандирования огибающей речевого сигнала, методом транспонирования спектра сигнала, путем манипуляций фазой сигнала, на основе анализа огибающей сигнала и непосредственного сжатия периода колебаний сигнала, а также устройств шумоподавления.
Схема установки, позволяющей проводить количественные измерения параметров любых систем и устройств ослабления паразитной А ОС и методика проведения экспериментов по оценке устойчивости ЛЭАС.
Результаты исследований разработанных устройств, полученные с помощью их математических моделей, компьютерного моделирования и экспериментальным путем.
Научная новизна исследований, проведенных в работе, заключается в следующем:
развита теория акустической обратной связи, сформулированы частные критерии устойчивости электроакустических систем;
на основе анализа концепций повышения устойчивости впервые разработана математическая модель частотно-фазового портрета модуля коэффициента передачи электроакустической системы, позволяющая установить диапазон частот, на которых наблюдается самовозбуждение;
предложены новые методы и разработаны оригинальные устройства ослабления паразитной акустической обратной связи, отличающиеся от существующих экономичностью при сравнимых качественных параметрах.
Практическая ценность работы.
Разработаны структурные и принципиальные схемы устройств ослабления АОС и устройств шумоподавления, которые могут быть использованы в СА и других локальных электроакустических системах. Проведены экспериментальные исследования разработанных устройств. Разработана установка, которая позволяет проводить количественные измерения параметров любых систем и устройств ослабления ПАОС.
Результаты теоретических, экспериментальных исследований и практические разработки используются в:
США им. Зайнаб Биишевой - в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторного практикума, а также при выполнении курсовых, дипломных и студенческих научно-исследовательских работ;
филиале УГАТУ в г. Стерлитамаке - в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторного практикума, а также при выполнении курсовых и студенческих научно-исследовательских работ.
Апробация работы. Основные вопросы, рассматриваемые в диссертации, докладывались и обсуждались на: Десятой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург-Красноярск, 2004 г.); Всероссийской научной конференции «Современные проблемы физики и математики» (Стерлитамак, 2004 г.); IV Российско-украинском научно-техническом и методическом симпозиуме «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» (Пенза, 2006 г.); Межвузовской научно-практической конференции молодых ученых «Роль классических университетов в формировании инновационной среды регионов» (Уфа, 2009 г.); VI Международной конференции «Автоматизированные, информационные и управляющие системы: от А до Я - 2011» (Москва, 2011г.); VII Международной научно-практической конференции «Актуальные достижения европейской науки - 2011» (г. София, Болгария, 2011 г.); Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Томск, 2011 г.); III Международной научно-практической конференции «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (Брянск, 2011г.).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации изложены в 15 статьях, опубликованных в журналах и сборниках научных трудов, из них 3 в изданиях, входящих в список рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения и списка литературы. Общий объем диссертационной работы составляет 157 листов машинописного текста. Работа содержит 73 иллюстрации и 3 таблицы. Список литературы содержит 123 наименования.
Анализ методов и способов обработки речевых сигналов
Вопрос повышения устойчивости особенно остро встает в случае аппаратов индивидуального пользования, в частности, слуховых аппаратов (СА). Во многих случаях неудобства, вызванные АОС, превосходят преимущества от применения слухового аппарата и оказываются одной из основных причин, по которым слабослышащие люди отказываются от его использования. Между тем, в Российской Федерации только по официальным данным число больных, нуждающихся в слухопротезировании, превышает три миллиона человек [106, 109].
Главная задача любого устройства подавления акустической обратной связи – нейтрализовать многократное усиление сигнала до того, как его последствия создадут дискомфорт слушателю, и при этом свести к минимуму изменения в звучании речи. Вместе с этим, для аппаратов индивидуального пользования (АИП) и СА требуются высокоэкономичные устройства ослабления АОС, поскольку энергопотребление системы является важным параметром и влияет на срок службы элементов питания.
В современном слухопротезировании наибольшее распространение получило адаптивное подавление обратной связи [99]. При таком подходе подавление звуковых волн происходит путем поворота их собственной фазы на 180, что позволяет устранить обратную связь без потери усиления. С различными модификациями и под разными названиями эту технологию используют все ведущие производители слуховых аппаратов, представленных на российском рынке: «Исток-Аудио» (Россия, технология не имеет маркетингового названия), Phonak (Швейцария, технология WhistleBlock), «GN ReSound» (Дания, система Dual Stabilizer), Siemens (Германия, системы FeedbackBlocker и FeedbackStopper) и другие [110, 111, 113, 114]. С целью оценки АОС в современных СА производится высокоразрешающий корреляционный анализ сигналов на входе и выходе аппарата, в результате которого количественно оценивается обратная «утечка» звука с электроакустического преобразователя в приемник звука. Для подавления обратной связи производится генерирование противофазного сигнала с таким же частотным спектром, как и сигнал обратной связи. Интерференция исходного и сгенерированного сигналов приводит к ослаблению АОС без потери усиления [113]. Поэтому в большинстве современных СА применяется сложная адаптивная технология, что повышает габариты, стоимость и энергопотребление аппарата.
Промышленностью также выпускаются супрессоры – подавители акустической обратной связи в виде отдельного устройства. Производители современных супрессоров используют несколько принципов ослабления АОС: сдвиг частоты выходного сигнала на несколько герц; добавление к выходному сигналу скрытого (неслышимого) шумового сигнала; применение адаптивных фильтров для исключения из спектра входного сигнала «проблемных» частот. Однако все супрессоры имеют существенные габариты, массу около трех килограммов и сравнительно высокое энергопотребление [108, 112], поэтому не могут использоваться в слуховых аппаратах и других локальных электроакустических системах.
Таким образом, несмотря на значительный прогресс в области разработки устройств ослабления АОС, проблема остается актуальной. Решение научно-технических задач, связанных с поиском альтернативных подходов к ослаблению АОС и с дальнейшим развитием существующих систем подавления АОС, позволит разработать эффективные маломощные устройства подавления и ослабления АОС с возможностью интегральной реализации, в которых не требуется использование сложных технических решений.
Актуальность работы подтверждается также тем, что она получила финансовую поддержку Фонда поддержки малых форм предприятий в научно-технической сфере (грант по программе «У.М.Н.И.К», весенняя сессия 2011 года).
Цель работы: усовершенствование существующих и разработка новых способов повышения устойчивости электроакустических систем; разработка схемных решений цифровых устройств ослабления АОС и устройств шумоподавления, которые позволят улучшить устойчивость электроакустических систем (в частности, СА) и повысить их экономичность.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи: 1. Исследовать факторы, влияющие на устойчивость электроакустических систем. 2. Изучить концептуальные возможности ослабления акустической обратной связи. 3. Предложить методы и разработать устройства ослабления акустической обратной связи, отличные от существующих. 4. Разработать установку для количественных измерений параметров систем и устройств ослабления АОС. 5. Провести экспериментальные исследования разработанных устройств.
Методы исследования. Для получения научных результатов в диссертационной работе были использованы: методы теории сигналов, методы теории устойчивости, методы теории и экспериментальные исследования формантных, частотных и фазовых свойств речи, теории акустической обратной связи, теории электрических цепей, методы экспериментального исследования. При этом имитационное моделирование и исследование свойств рассматриваемых схем выполнялись с помощью прикладных программных пакетов MathCad Professional и Micro Cap v.8.1.
На защиту выносятся: 1. Результаты исследования факторов, влияющих на устойчивость электро акустических систем. 2. Концепции повышения устойчивости электроакустических систем с обратной связью. 3. Структурные схемы устройств ослабления АОС методом анализа скважности импульсной последовательности, методом компандирования огибающей речевого сигнала, методом транспонирования спектра сигнала, путем манипуляций фазой сигнала, на основе анализа огибающей сигнала и непосредственного сжатия периода колебаний сигнала, а также устройств шумоподавления. 4. Схема установки, позволяющей проводить количественные измерения параметров любых систем и устройств ослабления паразитной АОС и методика проведения экспериментов по оценке устойчивости ЛЭАС. 5. Результаты исследований разработанных устройств, полученные с помощью их математических моделей, компьютерного моделирования и экспериментальным путем.
Критерии устойчивости систем с обратной связью
Импульсы тактового генератора управляют дельта-модуляцией. Они поступают с выхода делителя частоты с частотой fДМ. Та же самая последовательность импульсов используется для управления процессом записи ДМ-кода в регистры сдвига РГ1 и РГ2.
Частота импульсов fТг на выходе ТГ определяется из условия оптимального преобразования составляющих второй и третьей форманты (верхних частот) FcВ речевого сигнала:
Импульсы ТГ используются для формирования сигналов сдвига (чтения) с регистров РГ1 и РГ2. Скорость считывания ДМ-сигналов с РГ1 и РГ2 в три раза превышает скорость записи информации в них.
Счетчик СБ используется для подсчета числа битов, которые записываются в регистры, а также для управления процессами записи и чтения. Для эффективной генерации высших (второй и третьей) гармоник спектра основного тона необходимо, чтобы длительность одного цикла записи в регистр ГЗП было не меньше периода ТcН сигнала наименьшей частоты, т.е. ТЗП ТcН. Этому условию должен соответствовать модуль М счета СБ: М ТЗП /ДМ. Число разрядов регистров равно модулю счета счетчика, поэтому Nр = М.
Электронные ключи К1...К6 введены в схему для того, чтобы с их помощью СБ управлял процессами "запись" и "чтение". Электронный ключ К1 поочередно коммутирует выход ДМ к регистрам сдвига для записи ДМ-сигналов. Во время записи в один из регистров (например, в РГ1), из другого регистра (РГ2) происходит чтение информации. Поскольку скорость чтения в три раза превышает скорость записи, то за время одного цикла записи осуществляется три цикла чтения, поэтому на выходе частота сигнала оказывается увеличенной в три раза. Затем регистры меняются ролями и процесс повторяется с той только разницей, что запись происходит в РГ2, а считывание - из РГ1.
При ослаблении акустической обратной связи методом транспонирования спектра сигнала тембр речи не изменяется, поскольку не появляется дополнительных сдвигов частот. Этот факт является одним из преимуществ транспонирования спектра перед другими способами ослабления ЛАОС.
Отметим также, что транспонирование спектра без сохранения третьей и четвертой формант может найти широкое применение в системах радиосвязи, так как позволяет почти в два раза увеличить число радиоканалов в заданном диапазоне частот за счет сокращения полосы частот передаваемого сигнала, что является немаловажным преимуществом в условиях дефицита частотного ресурса. Ослабление акустической обратной связи с использованием анализатора частоты рассматривается в [24]. В процессе самовозбуждения частота сигнала в течение слогового интервала времени остается практически постоянной в пределах заданной погрешности (частный критерий устойчивости). Этот факт положен в основу работы анализатора частот речевого сигнала, управляющего коэффициентом усиления усилителя электроакустической системы [26].
Функциональная схема цифрового анализатора частоты речевого сигнала приведена на рисунке 1.10. В схеме используются следующие условные обозначения: ФИ - формирователь импульсов; ОВ - генератор интервалов времени, выполненный по схеме одновибратора с синхронизацией передними фронтами импульсов; ДЧ - делитель частоты; И1, И2, И3, И4 – электронные ключи; ЛЗ - линия задержки; П1, П2 – счетчики; Т1, Т2 - триггеры; НЕ - управляемый инвертор; ДК -датчик кода допустимой абсолютной погрешности; СС – цифровой компаратор; СТN - электронный счетчик событий, регистрирующий число фактов равенства частот двух соседних измерений, СТ1 – счетчик установки коэффициента передачи аттенюатора, в качестве которого используется ЦАП.
Принцип работы анализатора частоты сводится к следующему. На основе исходного речевого сигнала в ФИ формируется импульсная последовательность переменной частоты, которая поступает на электронный ключ И1 и на ОВ. На выходе ОВ формируются одиночные импульсы, которые предназначены для управления состоянием ключа И1. Импульсная последовательность с выхода ФИ поступает на счетчик П1 с прямым направлением счета, а на счетчик П2 – с обратным. Каждый цикл измерения начинается с того, что с приходом переднего фронта импульса с ОВ информация о частоте предыдущего отсчета из П1 пересылается в П2, а П1 обнуляется. В течение очередного отсчета значение текущей частоты вычитается из П2, а в П1 сохраняется для дальнейшей пересылки в П2. Триггер Т1 и узел НЕ необходимы для инвертирования выходного значения с П2 в том случае, если частота предыдущего отсчета была меньше текущего.
Результат сравнения частот происходит в конце цикла в цифровом компараторе СС. Когда на вход СС приходит задний фронт импульса с ОВ, компаратор СС сравнивает разность частот соседних отсчетов f с величиной заданной погрешности . Если f , то измеряемые частоты можно считать равными в рамках погрешности. В таком случае счетчик событий увеличивает свое значение на единицу. Если f , то счетчик событий СТN обнуляется.
Алгоритм работы таков, что число событий в счетчике СТN может достичь заранее установленного максимума (определяемого также разрядностью счетчика) лишь тогда, когда в анализируемом интервале времени ни разу не происходит выполнения условия частного критерия устойчивости. Триггер Т2 фиксирует наступление максимального числа событий и управляет состоянием электронного ключа И3. После того, как максимум на СТN был достигнут, каждый следующий факт равенства измеряемых частот приводит к уменьшению значения на счетчике СТ1. В результате посредством ЦАП снижается и коэффициента усиления усилителя К.
Делитель частоты ДЧ, имеющийся в приведенной схеме, не несет особой функциональной нагрузки. Он введен в схему для того, чтобы можно было сократить число разрядов счетчиков П1 и П2. При отсутствии самовозбуждения в конце каждого цикла измерения счетчик СТ1 увеличивает свое содержимое на единицу. Когда содержимое СТ1 достигает заданного максимального значения Ктах, сигнал с выхода И4 закрывает ключ
Ослабление акустической обратной связи в многоканальных системах. Многие современные локальные акустические системы имеют не один микрофон, а два или более. В частности для слуховых аппаратов используются микрофоны двух типов: разнонаправленные, которые воспринимают все окружающие звуки, и направленные, принимающие лишь те звуки, которые поступают из определенного направления. Разнонаправленные микрофоны обеспечивают качественный, естественный звук в достаточно тихом помещении, а направленные позволяют поддерживать общение с одним конкретным собеседником даже в условиях высокого зашумления. Наличие у локальной электроакустической системы двух и более микрофонов приводит к возникновению не одной, а нескольких обратных связей. Например, в случае двух микрофонов первая обратная связь будет возникать между зву-коизлучателем (динамиком) и фронтальным микрофоном (приемником звука), а вторая – между динамиком и задним микрофоном. Один из путей решения данной проблемы – использование двух независимых механизмов подавления обратной связи для обоих микрофонов (слуховые аппараты ReSound с системой «Двойной стабилизатор II» (Dual Stabilizer II DFS) [110] и другие).
Анализ возможности ослабления акустической обратной связи методом компандирования огибающей речевого сигнала
Четвертый частный критерий, сформулированный в п. 2.2, позволяет сделать вывод, что постоянство частоты речевого сигнала в течение слогового интервала времени в пределах погрешности измерения является признаком начала самовозбуждения.
Идея организации устройства ослабления паразитной акустической обратной связи (ЛАОС) методом анализа скважности импульсной последовательности заключается в том, чтобы постепенно уменьшать коэффициент усиления усилителя при появлении признаков начала самовозбуждения системы и увеличивать при их отсутствии. На рисунке 3.1 приведена структурная схема устройства ослабления ЛАОС, реализующего данную идею.
В схеме приняты следующие сокращения: ГТИ - генератор тактовых импульсов, ФИ - формирователь импульсов, СУ - сравнивающее устройство, ПУ -программно управляемый усилитель, Ин - инвертор, блок КСС и УПР - контроллер состояния счетчика и управления.
Входной речевой сигнал подается на формирователь импульсного напряжения ФИ, на выходе которого формируются электрические колебания прямоугольной формы с длительностью /и и интервалом времени между ними tп (назовем его длительностью паузы), соответствующие частоте входного сигнала. При начале самовозбуждения системы длительности tи и tп в пределах слогового интервала времени практически равны, и на выходе ФИ формируется меандр - последовательность прямоугольных импульсов со скважностью Q-2.
Длительность импульсов, сформированных в ФИ, и длительность пауз измеряются с частотой генератора тактовых импульсов (ГТИ). Предельную разницу между числом отсчетов в течение длительности импульса Л И и числом отсчетов в течение паузы NП обозначим ДП.
Пока с ФИ поступает сигнал, соответствующий импульсу и логической единице, значение на счетчике Сч1 с каждым отсчетом увеличивается на единицу. Когда с выхода ФИ поступает напряжение низкого уровня, соответствующее паузе и логическому нулю, Сч1 работает на вычитание. На выходе Сч1 формируется А = Л/И - NП . С приходом следующего импульса Сч1 принимает исходное состояние. Временные диаграммы, иллюстрирующие вышесказанное, приведены на рисунке 3.2.
Значение Д поступает на сравнивающее устройство СУ, где происходит сопоставление Д и П. Результат сравнения поступает в блок КСС и УПР - контроллер состояния счетчика и управления счетчиком Сч2, который, в свою очередь, регулирует коэффициент усиления усилителя. Первоначально в Сч2 записывается некоторое установленное значение коэффициента усиления Ктах.
Если ДП Д, т. е. разница между длительностью импульса и длительностью паузы существенная, то блок КСС и УПР подает сигнал управления на суммирующий вход счетчика Сч2, который увеличивает значение коэффициента усиления усилителя на единицу. Если АП А, то счетчик работает на вычитание и значение коэффициента усиления уменьшается на единицу.
Сигнал со Сч2 попадает на программно управляемый усилитель ПУ, на котором С началом самовозбуждения Сч2 начинает работать на вычитание, то есть с малым дискретным шагом уменьшает коэффициент усиления до тех пор, пока система не выйдет из состояния самовозбуждения. Вывод системы из состояния самовозбуждения будет сопровождаться незначительным уменьшением громкости звука.
Самовозбуждение может не наступать достаточно продолжительное время, поэтому необходимо прекратить суммирование в том случае, когда коэффициент усиления достигает максимального значения. Также, при достижении нулевого значения коэффициента усиления необходимо прекратить его дальнейшее уменьшение. Управление требуемыми ограничениями осуществляется блоком КСС и УПР.
При появлении сигнала после долгой паузы первые 5 миллисекунд могут быть недоступны для восприятия в связи с малым коэффициентом усиления усилителя в этот промежуток времени. На произношение одной буквы человек тратит в среднем от 20 до 100 миллисекунд, поэтому при появлении сигнала после длительной паузы будет потеряно информации не более, чем содержится в четверти длительности одной буквы. На разборчивость речевого сигнала эта потеря существенно не влияет. 3.2. Анализ возможности ослабления акустической обратной связи методом компандирования огибающей речевого сигнала
В [59] установлено, что значительная часть информации, которую несет речевой сигнал, повторяется как в спектре огибающей, так и в спектре мгновенной частоты. Дублируется прежде всего информация о величинах естественных модулирующих частот речевого сигнала (см. рисунок 3.3), а данные о значении несущей частоты речевого сигнала и ее изменениях не содержаться в спектре огибающей. Благодаря повторению информации возможно сжатие речевого сигнала без особой потери данных.
По результатам исследований, проведенных в [59] для русского языка, мгновенная частота передает прежде всего информацию о согласных звуках, а огибающая речевого сигнала - о гласных звуках. Поэтому (см. также п. 1.1) за передачу семантической информации отвечает в большей степени мгновенная частота (косинус фазы) речевого сигнала, а огибающая отвечает за качество речи.
В математической модели модуляционной теории [1, 50] любой звуковой сигнал s(t) описывается в виде сложно-модулированного процесса, то есть процесса, модулированного и по частоте, и по амплитуде одновременно. Тогда звуковой сигнал можно представить в виде произведения огибающей S(t) (амплитудно-модулирующей функции) и косинуса фазы cos(t) (частотно-модулированной функции) сигнала: Спектры речевого сигнала, его огибающей и косинуса фазы для звука «А»
На основании третьего частного критерия, сформулированного в п. 2.2, можно утверждать, что огибающая сигнала в случае самовозбуждения электроакустической системы содержит только постоянную составляющую. Следовательно, в процессе самовозбуждения огибающая сигнала не содержит переменной составляющей.
Исследование способа ослабления акустической обратной связи путем инверсии фазы сигнала
Так как самовозбуждение в локальных электроакустических системах происходит преимущественно в диапазоне частот от 1,5 кГц до 3 кГц, нет необходимости в регулировке коэффициента усиления усилителя при частотах меньше 1,5 кГц, так как вероятность самовозбуждения мала. Экспериментально было установлено, что нижней границе указанного диапазона частот соответствует импульс, в период которого укладывается nx 70 отсчетов ГТИ (при частоте 1,5 кГц). Если число отсчетов N1 оказывается больше, чем nx, то с выхода « nx» счетчика Сч1 подается сигнал на вход «V» счетчика Сч2, в результате чего на Сч2 записывается установочное значение коэффициента усиления Кmaх.
Описанное устройство подавления акустической обратной связи обладает плавной регуляцией коэффициента усиления усилителя, благодаря чему громкость звука в процессе работы системы менялся незначительно. В схеме присут 119 ствует ГТИ, поэтому ее целесообразно использовать в тех случаях, когда повышение энергопотребления в пределах 0,5 мВт не играет решающей роли для работы электроакустической системы. Алгоритм работы устройства может быть реализован также программными средствами, что позволяет провести при необходимости компьютерное моделирование его работы.
В работе [24] проведен анализ асинхронного адаптивного дельта-модулятора (АДМ), который показал, что фаза модулированного сигнала зависит от полярности управляющего напряжения. При смене его полярности фаза сигнала скачком меняется на 1800. Этот вывод был подтвержден и расчетами, и экспериментальными исследованиями. В качестве управляющего использовалось напряжение U1=0.07 В, U2= – 0.07 В [22].
Свойство асинхронного АДМ скачком изменять фазу модулированного сигнала можно использовать для нарушения условий баланса фазы (п. 2.1), которое повлечет ослабление паразитной акустической обратной связи. Скачкообразное изменение фазы сигнала способствует тому, что фазочастотная характеристика тракта находится в постоянном изменении. Таким образом, затрудняются условия возникновения самовозбуждения, поскольку не обеспечивается стационарный режим для фазового условия паразитной генерации (т.е. не соблюдается равенство фаз входного сигнала и сигнала акустической обратной связи на протяжении интервала времени, необходимого для установления режима генерации).
Схема устройства ослабления акустической обратной связи с асинхронным АДМ приведена на рисунке 4.8. ДМ – асинхронный адаптивный дельта-модулятор, описание которого приводится в [24], УГ – управляющий генератор, ПЗ – приемник звука (преобразователь звуковых сигналов), УМ – усилитель мощности, ЭАП – электроакустический преобразователь (динамик), ПАОС – цепь паразитной акустической обратной связи. , чтобы скорость изменения фазы заметно не ощущалась на слух, частоту сигналов УГ следует выбирать меньше нижней частоты речевого сигнала, то есть Fупр FНС. С целью снижения помех, обусловленных частотой переворота фазы, в схеме предусмотрено адаптивное управление периодом следования импульсов УГ в зависимости от частоты усиливаемого сигнала. При этом длительность времени, в течение которого наблюдается постоянство фазы, тем меньше, чем больше частота сигнала. С этой целью в структуру УГ введены формирователь импульсов ФИ и счетчик Сч числа периодов колебаний N усиливаемого сигнала. Так как ФИ обладает существенно большим коэффициентом усиления, чем общий тракт усиления звукового сигнала, то появление сигнала за счет паразитной акустической обратной связи, w в постоянном изменении.
В результате периодического скачкообразного изменения фазы сигнала в ДМ происходит нарушение синфазности сигнала обратной связи, благодаря чему вероятность возникновения самовозбуждения в значительной степени снижается. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы разработанного устройства, показаны на рисунке 4.9.
На временной диаграмме используются следующие обозначения: UУГ – сигнал на выходе УГ; Uвх – сигнал на входе системы; Uвых – сигнал на выходе системы. Для простоты иллюстрирования принципа работы устройства входной сигнал принят синусоидальным.
Характерные формы сигналов основных узлов устройства При передаче речи скачкообразное изменение фазы входного сигнала практически не сказывается на восприятии звуков, так как человеческий орган слуха реагирует лишь на характеристику спектральной плотности [5, 89]. В связи с этим описанные фазовые манипуляции не будут оказывать существенного влияния на разборчивость речевого сигнала на выходе системы.
Эксперименты показали, что необходимо обратить особое внимание на поддержание напряжения импульсов УГ на уровне ±0,07В, так как отклонение управляющего напряжения на 10% приводит к отклонению амплитуды инвертирован 122 ного сигнала на 5-7% (рисунок 4.10). Это приводит к появлению дополнительных гармоник частоты изменения амплитуды сигнала на выходе ААДМ.
Зависимость относительной погрешности амплитуды сигнала от погрешности управляющего напряжения
Зависимость относительных отклонений напряжения сигнала с от нестабильности управляющего напряжения упр (рисунок 4.10) исследовалась в диапазоне изменений напряжения управления ±0,082В. Отклонение напряжения сигнала наблюдалось как амплитудные преобладания, когда нарушается симметричность полупериодов. Знак «преобладающего» полупериода зависит от знака управляющего напряжения.
Исследование умножителя частоты на ААДМ Частотная характеристика асинхронного адаптивного дельта-модулятора (ААДМ), проанализированного в работе [24], показывает, что изменение частоты следования импульсов на выходе ААДМ происходит с частотой, в два раза превышающей частоту модулирующего сигнала. Это позволяет использовать асинхронный АДМ в структуре транспозитора спектра сигнала (см. рисунок 1.7) в качестве умножителя частоты на два. С учетом этого схема ослабления паразитной акустической обратной связи транспонированием спектра сигнала может быть представлена следующим образом (рисунок 4.11).
