1.1.2 Характеристики речевого сигнала

Звуки речи образуются в речевом аппарате человека; основны­ми составляющими при этом являются легкие с их мускульным ап­паратом, голосовые связки и воздушные полости глотки, рта и носа. При рождении звука голосовые связки, представляющие собой два упругих мускульных валика с окончаниями нервных волокон, приходят в состояние автоколебаний. Поток воздуха из легких прерывается. Возникает первичный звук, имеющий характер

П-образных импульсов, частота следования которых определяет тип го­лоса: бас (80—320 Гц), баритон (100—400 Гц), сопрано (250— 1200 Гц) и т. д. Такой первичный звук (основной тон) имеет не­прерывный (сплошной) спектр частот с убывающими амплитуда­ми в диапазоне, примерно от 80 до 12 000 Гц. Под воздействием изменяющихся резонансных объемов, образуемых в полости рта при различном положении языка, зубов и губ, спектрально-ампли­тудный состав звуковых колебаний изменяется — амплитуды од­них частот усиливаются, других — ослабляются.

Каждому звуку речи соответствует усиление частот в одной или нескольких областях. Эти области, в пределах которых заклю­чена значительная часть общей энергии звука, называются формантными областями или просто формантами. Звуки речи отлича­ются друг от друга числом формант и их расположением в час­тотном спектре. Отдельным звукам речи может соответствовать до шести формант, из которых только одна или две являются опре­деляющими — основными. Если исключить из передачи любую из основных формант, то передаваемый звук исказится. Анализ звуков русской речи показывает, что хотя их форманты и расположе­ны в спектре частот от 200 до 8600 Гц, однако подавляющее боль­шинство основных формант находится в диапазоне 300—3400 Гц. Поэтому Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии (МККТТ) рекомендовал передавать по телефонному тракту этот диапазон тональных частот.

Звуковые колебания речи обладают весьма незначительной мощностью, которая при нормальной громкости разговора с уче­том пауз в среднем равна 10 мкВт (без учета пауз—15 мкВт). Эта мощность соответствует звуковому давлению примерно 0,5 Па на расстоянии около 5 см от рта говорящего. Средняя мощность наиболее слабых звуков речи (при шепоте) — 0,01 мкВт, а при крике—1000—5000 мкВт. Величина, характеризующая пределы изменения мощности речевого сигнала в логарифмическом масш­табе, называется динамическим диапазоном речи, определяется она в децибелах:

D= 10lg(Imax/Imin)= 20lg(Pmax/Pmin) (1.1)

где: Imax, Imin (Pmax, Pmin) – максимальное и минимальное значение интенсивности звука(звукового давления) соответственно.

Интенсивность звука – количество энергии звуковых колебаний, проходящих через единицу поверхности, расположенную перпендикулярно к направлению ее распространения, за единицу времени. Интенсивность звука I и звуковое давление Р связаны соотношением I=kP2, где k- коэффициент, зависящий от атмосферного давления и температуры воздуха.

Для неискаженной передачи звуков различной возможной ин­тенсивности необходимо обеспечить динамический диапазон речи D_р= 10 lg(5000/0,01) =57 дБ. При передаче речи без выкриков достаточен динамический диа­пазон 30-40 дБ, поэтому такой динамический диапазон рекомен­дован для передачи по телефонным трактам.

1.3. Характеристики слухового восприятия Воздействие упругих колебаний акустической среды на бара­банную перепонку органа слуха воспринимается как звук. Чело­век может слышать звуки с частотами от 20 до 2000 Гц, однако чувствительность уха к звукам разных частот неодинакова. Наи­более восприимчиво ухо к звуковым сигналам с частотами в пре­делах 1000—4000 Гц. Характерно, что звуковые колебания неболь­шой интенсивности не воспринимаются ухом как звук. Мини­мальные значения интенсивности колебаний, воспринимаемых ухом как звук, называются порогом слышимости. Величина ин­тенсивности колебаний, при которой в ухе возникают болевые ощущения, называется порогом болевого ощущения.

Орган слуха согласно психофизиологическому закону (который гласит, что прирост ощущения пропорционален логарифму раздра­жения) обладает логарифмической чувствительностью. Поэтому интенсивность звука / (звуковое давление Р) определяют не в абсолютных, а в логарифмических единицах — децибелах (дБ), называемых уровнями интенсивности (давления) звука В:

В=10lg (I/I₀) или В = 20 lg (Р/Р₀), (1.2)

где Iи Р — интенсивность звука и звуковое давление в Вт/м² в Па, а I₀=10-¹² Вт/м² и Р₀=2-10-⁵ Па — интенсивность и звуко­вое давление нулевого уровня соответственно. Величины Iо и ро приняты за начало отсчета, поскольку они соответствуют порогу слышимости в области частоты 1000 Гц. При оценке уровней сложных звуков, например звуков речи и шума, используется по­нятие спектрального уровня, т. е. уровня энергии, приходящейся на полосу частот шириной 1 Гц.

Изменение интенсивности звукового колебания воспринимается на слух как субъективное изменение громкости. Для ее объектив­ной оценки пользуются уровнем громкости звука, -вычисляемым из выражения

L=10lg(I₁₀₀₀/Io.), (1.3)

Где: I1oоо — интенсивность гармонического колебания частотой 1000 Гц, равногромкого исследуемому звуку, I₀= 10~¹² Вт/м² — интенсивность нулевого уровня слышимости. Уровень громкости L, в отличие от уровня интенсивности В, измеряют в фонах. На практике уровни громкости определяют по экспериментальным кривым равной громкости для звуков различных частот (рисунок 1.1.2)

Рисунок 1.1.2 Семейство кривых равной громкости

Штриховкой показана область в которой заключены звуки речи. Приведенные кривые сви­детельствуют о широких возможностях и исключительном совер­шенстве уха как индикатора звуковых колебаний. Например, при частоте 1000 Гц человеческое ухо способно воспринимать зву­ковые колебания интенсив­ностью от 1 до 10~¹² Вт/м², т. е. динамический диапазон слуха на этой частоте, определяемый по формуле (1.1), составляет : D_с = = 10lg(1/10-¹²) = 120 дБ. (1.4)

При организации телефон­ной связи следует учитывать такие особенности слухового восприятия, как маскировка звука, адаптация и гармониче­ские искажения слуха.

Маскировкой звука называется по­нижение чувствительности уха к слабым звукам при од­новременном воздействии звуков большей интенсивности. В ре­зультате маскировки звуков повышается порог слышимости сиг­нала при воздействии мешающего звука или шума по сравнению с порогом слышимости сигнала без помех.

Адаптацией слуха называется способность уха изменять свою чувствительность, т. е. приспосаб­ливаться к интенсивности воздействующих звуковых колебаний. Прослушивание звуков значительной (малой) интенсивности при­водит к повышению (понижению) порога слышимости. Это явле­ние наиболее заметно при быстром чередовании звуков большой и малой интенсивности. Если, например, вслед за громким звуком сразу следует слабый звук, то последний не будет воспринимать­ся, поскольку первоначальная чувствительность уха восстанавли­вается лишь после прекращения воздействия громкого звука че­рез некоторое время (1,5—2 с). Гармоническими искажениями слуха называется возникновение в слуховом аппарате человека колебаний с частотами, отсутствующими в исходном звуке. Чем выше интенсивность звука, тем сильнее сказываются возникающие нелинейные искажения слуха. Это является одной из причин уменьшения разборчивости речи при очень громкой передаче.

1.4 Качество обслуживания абонентов на телефонных сетях. Для телефонной связи характерны три показателя качества обслуживания: насыщенность телефонными аппаратами или телефонная плотность; качество обслуживания поступающих вызовов; качество предостав­ленного телефонного тракта;

Уровень телефонной плотности влияет на структурный состав абонентов сети, и как следствие, на ве­личину средней абонентской нагрузки. При низкой плотности в первую очередь устанавливают аппараты делового сектора с большой удельной нагрузкой. С ростом телефонной плотности увеличи­вается число аппаратов квартирного сектора с малой удельной нагрузкой, что приводит к уменьшению средней удельной нагрузки сети. При расширении сети, часть аппаратов с большой нагрузкой переключается на новые АТС, что также снижается в течение суток становится более равномерным, что улучшает качество обслуживания абонентов.

Качество обслуживания поступающих вызовов определяет время затрачиваемое абонентом на один разговор, учитывая и время установления соединения, которое влияет на общую нагрузку сети, уменьшая ее полезное использование. Время установления соединения зависит, в основном, от коммутационного оборудования используемого на сети. На АТСДШ и АТСЭ оно практически равно времени набора номе­ра, на координатных и квазиэлектронных АТС существенно зависит от значности нумерации сети.

Низкое качество разговорного тракта приводит к снижению качества телефонной передачи речи, и, как следствие, к снижению реальной пропускной способности сети. При плохой слышимости и разбор­чивости длительность разговора увеличивается, а в некоторых случаях возможен даже отказ от устано­вленного соединения, что требует дополнительного времени на установление нового соединения.

Качество телефонной передачи речи характеризуют в совокупности три показателя: разборчивость, громкость и натуральность.

а) разборчивость - это отношение числа правильно принятых абонентом элементов речи (фраз, слов, слогов, звуков) к общему числу элементов, переданных через тракт телефонной связи. Основным показа­телем является слоговая разборчивость.

б) громкость, измеряется эквивалентом затухания по громкости, который представляет собой разность затухания (в дБ) между испытываемым ТА и некоторым эталонным трактом при условии одинаковой субъ­ективно воспринимаемой громкости приема речи в обоих трактах.

в) натуральность - способность различать личность говорящего абонента.

Высокое качество передачи речи гарантируется также выполнением нормы затухания всего тракта теле­фонной связи, которая регламентирована МККТТ при F=1020 Гц. Уровень мощности на выходе ТА при­нимается за номинальную точку отсчета на шкале дБ - т.е. О дБ. Затухание нормируется, как для отдель­ных элементов телефонных сетей, так и для установленных разговорных трактов при различных видах связи.

Качество связи не должно быть ниже нормы независимо от количества коммутируемых участков , соединительного тракта, т.е. от того, каким образом он устанавливается - по прямому каналу или через обходные пути.

Максимальное затухание разговорного такта не должно превышать: при междугородном соединении -30 дБ; при местном - 29 дБ; при внутризоновом - 28 дБ. Нормы затухания для участков соединительного тракта:

- абонентской линии от ТА до АТС - 4.5 дБ;

- станционных сооружений при двухпроводной коммутации - 1 дБ;

- станционных сооружений при четырехпроводной коммутации - 0 дБ;

- СЛМ и ЗСЛ - 4 дБ.

На СТС радиалъно-узловой структуры, та же норма затухания на ЗСЛ и СЛМ (4 дБ) приходится на два коммутируемых участка ОС-УС и УС-ЦС. При значительной протяженности СЛ на СТС выпол­нить эту норму с применением физических СЛ зачастую невозможно, поэто­му в таких случаях приходится четырехпроводный тракт доводить до УС, а иногда и до ОС. В связи с этим часто определяется суммар­ная норма затухания до начала четырехпроводного канала - 9.5 дБ, которая состоит из затухания АЛ -4.5 дБ, затухания С Л до АТС - 4 дБ и затухания самой АТС после которой начинается 4-проводный канал - 1 дБ. Начало и конец 4-проводного канала определяется наличием дифсистем, вносящих затухание по 3,5 дБ каждая. Таким образом минимальное затухание 4 х проводного канала составляет 7-ДБ.

Для повышения устойчивости междугородных каналов МККТТ рекомендовал чтобы каждый меж­дународный центр СТ увеличивал остаточное затухание канала на-0,5 дБ. Эта же рекомендация при­нята у нас и для УАК. Распре­деление затухания для различных видов соединения приведено на рисунке 1.1.3

Рисунок 1.1.3 Распределение затухания для различных видов соединений