Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в системах внутренней и мобильной телефонной связи.
Известен способ и система для обработки телефонных вызовов с участием двух цифровых беспроводных абонентских устройств, исключающая двойное кодирование речевых сигналов (заявка 98107812/09 от 29.04.1998), недостатком которого является невысокий уровень качества передачи речи при наличии акустических помех.
Известен также абонентский терминал связи (заявка 98109147/09 от 19.05.1998), недостатком которого является невысокий уровень качества передачи речи при наличии акустических помех.
Известна квазиэлектронная автоматическая телефонная станция (АТС), описанная в книге «Автоматические системы коммутации». Под ред. О.Н. Ивановой. М., Связь, 1978 г., стр.451-455, недостатком которой является невысокий уровень качества передачи речи при наличии акустических помех.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения сигнала в комплексной системе с независимыми измерителями, описанный в книге Максимова М. В., Бобнева М.П., Кривицкого Б.X., и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976 г., стр.443-447, принятый за прототип.
Способ-прототип заключается в следующем.
В радиотехнической следящей системе (РСС) в соответствии с алгоритмом обработки, который в нем используется, формируется сигнал (Sp1) как сумма результата измерения аддитивная смеси сигнала (S1) и помехи (Pi), после чего сигнал (Sp1) фильтруется в соответствующем (первом) фильтре.
В автономном измерителе (АИ) измеряется координата Y в соответствии с алгоритмом обработки аддитивной смеси второго сигнала (S2) и помехи (P2), который в нем используется. Считается, что второй сигнал известным образом функционально связан с первым сигналом:
S2=F(S1).
В АИ полученный сигнал в вычислительном устройстве (ВУ) пересчитывается в систему координат, в которой определяется Sa так, что на выходе ВУ сигнал равен:
Sa=P(D)Wa(D)S2+Wa(D)P2,
где P(D)=DN - оператор, определяющий связь измеряемых координат;
Wa(D) - передаточная функция АИ и ВУ для помехи P2.
При этом N может принимать значения 0; ±1, ±2.
Затем сигнал Sa фильтруется в соответствующем (втором) фильтре.
В первом и втором фильтрах осуществляется согласование масштабов и размерностей сигналов Sp1 и Sa, а так же минимизации ошибок измерения параметра сигнала S1(z) за счет фильтрации ошибок P1 и P=Wa(D)P2.
Ошибка измерения z складывается из динамической погрешности, обусловленной инерционностью измерителей, и ошибки, вызванной помехами P1, P2.
Выходной сигнал устройства:
X(t)=s(t)+z(t)
может быть представлен в виде:
s+z=(WpFp+PWaFa)s+WpFpP1+WaFaP2,
где Fp, Fa - передаточные функции согласующих соответствующих (первого и второго) фильтров.
При соответствующем выборе передаточных функций согласующих первого и второго фильтров и передаточной функции ВУ может быть снижена ошибка измерения сигнала.
Способ-прототип эффективен в том случае, когда известны функциональная связь второго сигнала с первым сигналом, статистические свойства помех, поступающих на входы устройства, и значения параметров, характеризующих помеховую обстановку, не изменяются во времени, или законы изменения и значения их параметров известны. Для случая, когда статистические свойства помехи неизвестны или параметры помех изменяются, помехоустойчивость недостаточно высока, особенно при решении задачи выделения речевого сигнала в условиях наличия помех.
Задача предлагаемого способа - повышение эффективности выделения речевого сигнала в условиях наличия помех.
Для решения поставленной задачи предлагается способ выделения речевого сигнала в условиях наличия помех, заключающийся в том, что входную смесь акустического сигнала и помехи преобразуют в электрический сигнал, фильтруют полосовым фильтром, получив смесь речевого сигнала и помехи с заданной полосой частот, которые усиливают в усилителе низкой частоты (УНЧ), в аналогово-цифровом преобразователе (АЦП) формируют отсчеты смеси сигнала и помехи в цифровом виде и подают их в вычислительное устройство, где формируют пары сумм амплитуд отсчетов следующим образом:
первая пара сумм (первый момент времени):
- первая из пары - с первого отсчета, содержащая отсчеты, число которых прямо пропорционально значению частоты, с которой формируются отсчеты в АЦП, и обратно пропорционально ширине полосы частот сигнала (n1);
- вторая из пары - с первого отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m1) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m1n1);
вторая пара сумм (второй момент времени):
- первая из пары - с (n1+1)-го отсчета, содержащая n1 отсчетов,
- вторая из пары - с (n1+1)-го отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m2) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m2n1);
последующие пары сумм -
для каждой i-й суммы (i-й момент времени):
- первая из пары - с (in1+1)-го отсчета, содержащая n1 отсчетов,
- вторая из пары - с (in1+1)-го отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m1) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m1n1),
рассчитывают амплитуды сигнала для каждого момента времени с использованием полученных результатов суммирования путем решения соответствующих систем линейных уравнений.
Предлагаемый способ заключается в следующем:
а) Образуется пара сумм амплитуд отсчетов следующим образом.
Первая из пары - с первого отсчета и содержащая n1 отсчетов, причем
n1=Fo/Fс,
Fo - частота, с которой формируются отсчеты в АЦП,
Fc - ширина полосы частот сигнала.
Или:
n1=T1Fс,
где T1 - временной интервал, определяемый шириной полосы частот сигнала.
То есть:
Вторая из пары - с первого отсчета и содержащая l1n1 отсчетов:
n2=l1n1.
б) Рассчитывается амплитуда сигнала в начальный момент времени с использованием полученных результатов суммирования следующим образом:
где U1, U2i - амплитуды первой суммы амплитуд отсчетов и второй суммы из пары сумм амплитуд отсчетов;
k1с, k2с, k1п, k2п - коэффициенты преобразования, учитывающие эффективность суммирования (интегрирования) сигнала и помехи для первой и второй сумм соответственно.
Выражение (1) получено следующим образом. Для предложенного способа результат суммирования амплитуд сигнала и помехи для первой и второй сумм i-й пары соответственно может быть записан:
где Uc, Uп - амплитуды сигнала и помехи.
Система уравнений (3), (4) является системой линейных уравнений с двумя неизвестными Uс и Uп.
Значения коэффициентов k1с, k2с, k1п, k2п определяются следующим образом.
Сигнал при суммировании (интегрировании) накапливается практически линейно, поскольку он не является случайным процессом, т.е.:
где Kнс - эффективность накопления сигнала.
Тогда:
Из выражений (6) и (7) получим соответственно:
Помеха при суммировании накапливается нелинейно, поскольку является случайным процессом (см., например, книгу Максимова М.В., Бобнева М.П., Кривицкого Б.X., и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976 г., стр.348…349), т.е.:
где Kнп - эффективность накопления помехи, значение которого зависит от значения автокорреляционного коэффициента помехи.
Тогда:
Из выражений (11) и (12) получим соответственно:
Решая данную систему уравнений, получим выражения для Uс:
Из анализа выражений (3), (4), (17) следует, что при отсутствии сигнала рассчитанное значение Uc=0.
Рассчитываются значения сумм амплитуд отсчетов:
значения первой пары сумм (первый момент времени):
- первая из пары - с первого отсчета, содержащая отсчеты, число которых прямо пропорционально значению частоты, с которой формируются отсчеты в АЦП, и обратно пропорционально ширине полосы частот сигнала (n1);
- вторая из пары - с первого отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m1) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m1n1);
значения второй пары сумм (второй момент времени):
- первая из пары - с (n1+1)-го отсчета, содержащая n1 отсчетов,
- вторая из пары - с (n1+1)-го отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m2) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m2n1);
значения последующих пар сумм - для каждой i-й суммы (i-й момент времени):
- первая из пары - с (in1+1)-го отсчета, содержащая n1 отсчетов,
- вторая из пары - с (in1+1)-го отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m1) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m1n1),
Для i-го момента времени коэффициенты преобразования сигнала и помехи рассчитываются соответственно:
Рассчитываются амплитуды сигнала для каждого момента времени с использованием полученных результатов суммирования по формуле (17).
Ниже приведены результаты моделирования процесса вычисления значений амплитуды сигнала.
Помеха при моделировании представлена в виде совокупности гармонических колебаний со случайными значениями амплитуд (Uпi) и фаз (φпi), которые распределены по нормальному (амплитуды) и равномерному (фазы) законам (см., например, учебное пособие «Основы теории радиотехнических систем». Учебное пособие. //В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин. Под ред. В.И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004., стр.51):
где K - число гармонических составляющих помехи, используемых для ее представления (аппроксимации).
Эффективность накопления сигнала и помехи (соответственно Kнс, Kнп) принималась равной единице.
В таблице представлены результаты моделирования процесса расчета амплитуд сигнала (отклонение рассчитанного значения амплитуды сигнала от его истинного значения), которое было осуществлено методом математического моделирования на ЭВМ с использованием системы MATLAB.
В таблице приведены следующие обозначения:
Uп/Uс - отношение амплитуды помехи к амплитуде сигнала;
N1 - число гармонических составляющих помехи, используемых для ее представления (аппроксимации);
τн1 - длительность накопления сигнала и помехи для первой суммы отсчетов (в относительных единицах);
τн2 - длительность накопления сигнала и помехи для второй суммы отсчетов (в относительных единицах).
Из анализа данных, приведенных в таблице, может быть сделан вывод, что приемлемая точность расчета амплитуды сигнала при наличии помех (погрешность не превышает 5%) может быть обеспечена:
- для значения отношения амплитуды помехи к амплитуде сигнала равным единице - при обеспечении накопления в первом канале τ или 2 τ, а во втором канале - не менее 4 τ;
- для значения отношения амплитуды помехи к амплитуде сигнала равным двум - при обеспечении накопления в первом канале τ или 2 τ, а во втором канале - не менее 4 τ;
- для значения отношения амплитуды помехи к амплитуде сигнала равным четырем - при обеспечении накопления в первом канале τ или 2 τ, а во втором канале - не менее 6 τ;
- для значения отношения амплитуды помехи к амплитуде сигнала равным восьми - при обеспечении накопления в первом канале τ или 2 τ, а во втором канале - не менее 8 τ.
Таким образом, при использовании заявляемого способа передача речи осуществляется практически без искажений в случае, когда амплитуда помехи значительно превышает амплитуду сигнала.
Известен абонентский терминал связи (заявка 98109147/09 от 19.05.1998), недостатком которого является невысокий уровень качества передачи речи при наличии акустических помех.
Известна квазиэлектронная автоматическая телефонная станция (АТС), описанная в книге «Автоматические системы коммутации». Под ред. О.Н. Ивановой. М., Связь, 1978 г., стр.451-455, недостатком которой является невысокий уровень качества передачи речи при наличии акустических помех.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство измерения сигнала в комплексной системе с независимыми измерителями, описанное в книге Максимова М.В., Бобнева М.П., Кривицкого Б.X., и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976 г., стр.443-447, принятое за прототип.
Структурная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где обозначено:
5 - вычислительное устройство (ВУ);
6 - радиотехническая следящая система (РСС);
2, 9 - первый и второй фильтры;.
7 - сумматор;
8 - автономный измеритель (АИ).
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные РСС 6, первый фильтр 2, сумматор 7, выход которого является выходом устройства, а также последовательно соединенные автономный измеритель 8, вычислительное устройство 5, второй фильтр 9, выход которого соединен со вторым входом сумматора 7. При этом вход РСС 6 является первым входом устройства, вход автономного измерителя 8 является вторым входом устройства.
Устройство-прототип работает следующим образом.
На вход РСС 6 поступает аддитивная смесь сигнала (S1) и помехи (P1), на вход АИ 8 поступает аддитивная смесь второго сигнала (S2) и помехи (P2), причем второй сигнал функционально связан с первым сигналом:
S2=F(S1).
С выхода РСС 6 сигнал (Sp1) - сумма результата измерения сигнала и помехи в РСС 6 поступает на вход фильтра 2. АИ 8 измеряет координату Y. ВУ 5 пересчитывает выходной сигнал АИ 8 в систему координат, в которой определяется Sa так, что на выходе ВУ 5 сигнал равен:
Sa=P(D)Wa(D)S2+Wa(D)P2,
где P(D)=DN - оператор, определяющий связь измеряемых координат;
Wa(D) - передаточная функция АИ 8 и ВУ 5 для помехи P2.
При этом N может принимать значения 0; ±1, ±2.
Сигнал Sa поступает на вход второго фильтра 9. Первый 2 и второй 9 фильтры предназначены для согласования масштабов и размерностей сигналов Sp1 и Sa, а также минимизации ошибок измерения параметра сигнала S1 (z) за счет фильтрации ошибок P:
Р=Wa(D)P2.
Первый 2 и второй 9 фильтры могут также осуществлять операции дифференцирования или интегрирования. Ошибка измерения z складывается из динамической погрешности, обусловленной инерционностью измерителей, и ошибки, вызванной помехами P1, P2. Выходной сигнал устройства, который образуется на выходе сумматора 7:
X(t)=s(t)+z(t),
может быть представлен в виде:
s+z=(WpFp+PWaFa)s+WpFpP1+WaFaP2,
где Fp, Fa - передаточные функции согласующих первого 2 и второго 9 фильтров.
При соответствующем выборе передаточные функции согласующих первого 2 и второго 9 фильтров и передаточной функции ВУ 5 может быть снижена ошибка измерения сигнала.
Устройство-прототип эффективно работает в том случае, когда известна функциональная зависимость между первым и вторым сигналом, известны статистические свойства помех, поступающих на электроакустические устройства, и значения параметров, характеризующих помеховую обстановку, не изменяются во времени, или законы изменения и значения их параметров известны. В противном случае эффективность устройства-прототипа недостаточно высока.
Задача предлагаемого устройства - повышение эффективности выделения речевого сигнала в условиях наличия помех.
Для решения поставленной задачи в устройство выделения речевого сигнала в условиях наличия помех, содержащее фильтр и вычислительное устройство, согласно изобретению введены электроакустическое устройство (ЭАУ), а также последовательно соединенные усилитель низкой частоты (УНЧ) и аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с входом вычислительного устройства, выход которого является выходом устройства, при этом вход ЭАУ является входом устройства, а его выход соединен с входом фильтра, являющегося полосовым, выход которого подсоединен к входу УНЧ.
Структурная схема заявляемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:
1 - электроакустические устройства (ЭАУ);
2 - полосовой фильтр;
3 - усилитель низкой частоты (УНЧ);
4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
5 - вычислительное устройство (ВУ).
Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные электроакустическое устройство 1, полосовой фильтр 2, УНЧ 3, АЦП 4 и вычислительное устройство 5, выход которого является выходом устройства. Вход электроакустического устройства 1 является входом устройства. В качестве электроакустических устройств могут использоваться микрофоны или ларингофоны.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Аддитивная смесь сигнала и помехи, поступающая с выхода ЭАУ 1, поступает на вход полосового фильтра 2, на выходе которого образуется сигнал с заданной полосой частот, после чего смесь сигнала и помехи усиливается в УНЧ 3. Отсчеты смеси сигнала и помехи, образуемые в АЦП 4, в цифровом виде поступают в вычислительное устройство 5. Значения выходных напряжений U1i, U2i рассчитываются путем суммирования n1 и min1 отсчетов смеси сигнала и помехи для i-го момента времени соответственно.
Для i-го момента времени коэффициенты преобразования сигнала и помехи рассчитываются соответственно по формулам (18), (19), (20), (21). Рассчитывается значение амплитуды сигнала и помехи по формуле (17).
Результаты моделирования процесса вычисления значений амплитуды сигнала приведены в вышеприведенной таблице.
Вычислительное устройство 5 может быть выполнено в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) и реализовано, например, на микросхеме XC2V3000-6FG676I фирмы Xilinx.
АЦП 4 может быть реализован на микросхеме THS1403IPFB.
УНЧ 3 может быть реализован на микросхеме OP467GS фирмы Analog Devices.
Таким образом, при использовании заявляемого способа и устройства для его осуществления передача речи осуществляется практически без искажений в случае когда амплитуда помехи значительно превышает амплитуду сигнала.
Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении эффективности выделения речевого сигнала в условиях наличия помех. Способ выделения речевого сигнала в условиях наличия помех, в котором входную смесь акустического сигнала и помехи преобразуют в электрический сигнал, фильтруют полосовым фильтром, получив смесь речевого сигнала и помехи с заданной полосой частот, которую усиливают в усилителе низкой частоты (УНЧ), в аналогово-цифровом преобразователе (АЦП) формируют отсчеты смеси сигнала и помехи в цифровом виде и подают их в вычислительное устройство, где формируют пары сумм амплитуд отсчетов определенным образом и рассчитывают амплитуды сигнала для каждого момента времени с использованием полученных результатов суммирования путем решения соответствующих систем линейных уравнений. 2 ил., 1 табл.
Способ выделения речевого сигнала в условиях наличия помех, заключающийся в том, что входную смесь акустического сигнала и помехи преобразуют в электрический сигнал, фильтруют полосовым фильтром, получив смесь речевого сигнала и помехи с заданной полосой частот, которую усиливают в усилителе низкой частоты (УНЧ), в аналогово-цифровом преобразователе (АЦП) формируют отсчеты смеси сигнала и помехи в цифровом виде и подают их в вычислительное устройство, где формируют пары сумм амплитуд отсчетов следующим образом:
первая пара сумм (первый момент времени):
- первая из пары - с первого отсчета, содержащая отсчеты, число которых прямо пропорционально значению частоты, с которой формируются отсчеты в АЦП, и обратно пропорционально ширине полосы частот сигнала (n1);
- вторая из пары - с первого отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m1) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m1n1);
вторая пара сумм (второй момент времени):
- первая из пары - с (n1+1)-го отсчета, содержащая n1 отсчетов,
- вторая из пары - с (n1+1)-го отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (m2) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (m2n1);
последующие пары сумм -
для каждой i-й суммы (i-й момент времени):
- первая из пары - с (in1+1)-го отсчета, содержащая n1 отсчетов,
- вторая из пары - с (in1+1)-го отсчета, содержащая отсчеты, число которых в некоторое число раз (mi) превышает число отсчетов, содержащееся в первой сумме данной пары (min1),
рассчитывают амплитуды сигнала для каждого момента времени с использованием полученных результатов суммирования путем решения соответствующих систем линейных уравнений.
СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОЙ ПЕРЕДАЧИ СООБЩЕНИЙ ЛЮБОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ, НАПРИМЕР, СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОГО ЗВУКОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОГО, ПРОСТРАНСТВЕННОГО, АКТИВНОГО ПОНИЖЕНИЯ УРОВНЯ СИГНАЛОВ ЛЮБОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ | 1997 |
|
RU2145446C1 |
РАДИОСТАНЦИЯ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СВЯЗИ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ | 2006 |
|
RU2320088C1 |
US 8218397 B2, 10.07.2012 | |||
Вентиляционная система | 1989 |
|
SU1710920A1 |
Аппарат для разлива экстрагирующей жидкости в баночки | 1958 |
|
SU119968A1 |
Авторы
Даты
2014-12-20—Публикация
2013-04-15—Подача