книги из ГПНТБ / Константинов П.А. Авиационная радиосвязь

Частотные характеристики отдачи телефонов приведены на рис. 5.27, откуда видно, что они являются достаточно равномер­ ными в речевом диапазоне частот примерно до 3000—3500 гц. Болес высокие частоты сильно ослабляются.

Амплитудные характеристики телефонов выражают зависи­ мость развиваемого ими'давления от подводимого напряжения.

Представление об этих характеристиках дает рис. 5.28, Ампли­ тудные характеристики приблизительно линейны при измене­

В некоторых случаях в качестве преобразователей электри­ ческих колебаний в звуковые применяются громкоговорители. При незначительных акустических помехах в месте приема, например в условяих приема наземной радиостанции, громкоговорители обеспечивают качественный и более удобный прием по сравнению с телефонами. Они позволяют обеспечить достаточно большую мощность при незначительных искаже­ ниях. Однако чаще в авиационных связных радиостанциях в качестве преобразователей электрических колебаний в звуковые применяются телефоны, позволяющие вести прием как на зем­ ле, так и на самолете. Поэтому громкоговорители здесь не рас­ сматриваются.

Качество электроакустических преобразователей зависит от ряда других важных характеристик, определяющих их энер­

200

гетику, коэффициент нелинейных искажений и т. п. Сведения ■об этом содержатся, например, в [7], (1 1 ,], [14].

§ 3. МЕТОДЫ КОМПРЕССИИ ТЕЛЕФОННОГО СИГНАЛА

Методы непосредственной компрессии

А м п л и т у д н а я к о м п р е с с и я . Все методы компрессии телефонного сигнала можно разделить на две группы: методы непосредственной компрессии и методы компрессии с функцио­ нальным преобразованием речи.

К первой группе относятся методы амплитудной, частотной и временной компрессии. Характерным признаком этой группы является частичное сохранение микроструктуры речи. В этом случае сигналы, передаваемые в линию связи, несут явные при­ знаки речи.

Ко второй группе относятся различные методы анализа и синтеза речи. Характерным признаком этой группы является замена речи ее параметрами, медленно изменяющимися во вре­ мени и не содержащими явных признаков речи.

Рассмотрим методы непосредственной компрессии, начав .с амплитудной компрессии.

Амплитудная компрессия сводится к компрессии (сжатию)

.динамического диапазона речи. Это осуществляется с помощью нелинейных устройств — компрессоров либо путем автоматиче­ ского регулирования уровня речи, либо путем амплитудного ■ограничения речи.

В системе с автоматическим регулированием усиление си­ стемы уменьшается при увеличении уровня речи, в результате чего происходит сближение ее максимального и минимального уровней.

Искажение естественной речи, конечно, приводит к умень­ шению разборчивости при отсутствии помех. Однако опыт по­ казывает, что разборчивость уменьшается незначительно даже при сильном сжатии динамического диапазона. С другой сторо­ ны, при заданной пиковой мощности передатчика такие искаже­ ния позволяют повысить разборчивость при наличии помех. В самом деле, в этом случае максимальный уровень речи на вы­ ходе компрессора будет таким же, как и на входе, а более низ­ кие уровни окажутся приподнятыми. Благодаря .«подтягива­ нию» слабых составляющих речи увеличивается ее разборчи­ вость на фоне помех, так как уровень спектра речи на выходе приемника окажется приподнятым относительно уровня шума при'сохранении общего уровня сигнала ниже порога болевого ощущения. Кроме того, сжатие динамического диапазона при заданной пиковой мощности обеспечивает лучшее использова­ ние лампы генератора.

Описанный принцип компрессии динамического диапазона используется в системах автоматической регулировки глубины

/201

модуляции (АРГМ), применяющихся на практике (рис. 5.29). Принцип действия такой системы весьма прост: при увеличении уровня речи напряжение на выходе выпрямителя, минусом по-

усиления низкой частоты, возрастает, благодаря чему усиление низкой частоты уменьшается, а модулирующее напряжение из­

Ограничение сверху чаще бывает жестким, ограничение снизу— плавным.

202

Влияние ограничения снизу и сверху на разборчивость речи различно. Незначительное ограничение снизу вызывает сущест­ венное понижение разборчивости речи. Наоборот, при довольно

ствии помех без дополнительной обработки сигнала перед ог­ раничением.

Установлено [15], что высокая разборчивость речи сохраня­ ется даже-при предельном ограничении, называемом клиппиро­

видно, что при предельном ограничении напряжения, отобража­ ющего речевой процесс, сохраняются моменты переходов через нуль. Последовательность нулевых переходов является един­ ственной характеристикой клиппированной речи. Из факта вы­ сокой ее разборчивости следует, что те или иные свойства рас­ положения нулей содержат большое количество информации о речевом сообщении.

Разборчивость сохраняется еще лучше, если речь предвари­ тельно дифференцируется и затем производится ограничение производной речевого процесса. Из рис. 5.32,в и 5.32,г видно, что при этом сохраняется положение не нулевых, а экстремаль­ ных значений речевого сообщения.

Повышение разборчивости ограниченной речи при предвари­ тельном дифференцировании ее качественно можно объяснить так. Число экстремальных значений в речевом сообщении больше

203

•числа нулевых значении. В [16] указывается, что нулевые зна­ чения следуют с частотой 2780 гц, а экстремальные — с часто­ той 4700 гц, т. е. примерно в 2 раза большей (для мужских го­ лосов). Следовательно, при сохранении положений экстремальных значений с помощью диффе­ ренцирования сохраняется и пе­ редается в линию связи более полная информация о структуре

сигнала.

Всякий процесс, в том числе и речевой сигнал, при соблюдении некоторых условий может быть записан в виде

Определенные указанным образом функции F(t) и V(t) пред­ ставляют на комплексной плоскости функцию

называемую аналитической формой сигнала, образованного из F(t). Сигнал F(t) есть действительна^ часть аналитического

•сигнала

Входящие в выражение (5.8) функции UP (t )и &(t) представ­ ляют огибающую и фазу сигнала F(t) и содержат соответст-.

204

вещ-io амплитудную и частотную информации, Очевидно, что производная мгновенной фазы

dy(t)

(О(t)

dt

есть мгновенная частота сигнала F(t).

Клиппирование речи сводится к устранению амплитудной ин­ формации и к выделению и передаче частотной информации, содержащейся в функции cos'f(^), т. е. передаче речи постоян­ ного уровня.

Практически выделение частотной информации нельзя осу­ ществлять путем беспредельного ограничения. С одной стороны, это объясняется тем, что спектрыUF[t) и соз<р(Оперекрываются, с другой стороны, тем, что ширина спектра F(t) превосходит октаву. Последнее обстоятельство осложняет возможность уст­ ранения возникающих при ограничении искажений. Дело в том, что при сильном ограничении возникают нелинейные искажения, вызванные гармониками. Если ширина спектра F(t) превосходит октаву, тогда часть возникших гармоник попадает во входной диапазон частот и будет засорять ограниченный сигнал на вы­ ходе.

В целях устранения указанного недостатка необходимо уменьшить продукты нелинейных искажений, возникающих при ограничении. Один из способов уменьшения продуктов нелиней­ ных искажений состоит в предварительной коррекции частот­ ной характеристики речи до ограничения.

Известно, что большая доля энергии речи сосредоточена в низкочастотной части ее. Поэтому при сжатии динамического

205

высоких частот на 6 дб/окг (децибел на октаву). Такой подъ­ ем частотной характеристики может быть получен при прохож­ дении речевого сигнала через дифференцирующее звено. Это также является причиной повышения разборчивости предвари­ тельно дифференцированной ограниченной речи.

Другим эффективным способом уменьшения продуктов не­ линейных искажений является перенос ограничения в область высоких частот. Этому факту можно дать следующее простое объяснение.

Частоту ш можно выбрать настолько большой, что спектры функций Up(t) и cos (t)}практически не будут перекры­ ваться, т. e . U F {t)ao сравнению с cos |u^+tp (Л| будет изменять­ ся медленно. Кроме того, при этом можно добиться того, чтобы ширина спектра сигнала, смещенного на частоту ш, была мала

(О

по сравнению с — , т. е. уже октавы. 2 тг

При таких условиях отмеченные выше трудности, создавае­

висит от условий, в которых осуществляется передача речевых сообщений. Опыт показал [18], что в системе связи с амплитуд­ ной модуляцией при передаче из тишины оптимальным являет­ ся ограничение на 18—24 дб относительно пикового уровня ре­ чи; Примерно такой же или несколько большей должна быть

206

степень ограничения в системе связи с однополосной модуля­ цией.

На рис. 5.35 приведены экспериментальные кривые зависи­ мости разборчивости звуков от отношения эффективных уров­ ней шум/сигнал при ограничении однополосного сигнала на вы­ сокой частоте [19]. Из рисунка видно, что при отсутствии помех

ограничение незначительно сказывается на разборчивости ре­ чи. Высокая разборчивость сохраняется даже при степени огра­ ничения 40 дб (кривая 4). При наличии помех ограничение на 16—24 дб (кривые 1, 2, 3) обеспечивает более высокую разбор­ чивость по сравнению с разборчивостью неограниченного сигна­ ла (кривая 5) до тех пор, пока отношение шум/сигнал остается примерно меньше единицы. При более интенсивных помехах разборчивость ограниченного сигнала резко снижается. Раз­ борчивость неограниченного сигнала в таких условиях снижает­ ся менее резко, однако она будет также неудовлетворительной. При степени ограничения 40 дб разборчивость ограниченного сигнала при любом уровне помех будет ниже разборчивости не­ ограниченного сигнала.

Из рис. 5.35 видно также, что разборчивость речи несколько повышается, если частотная характеристика низкочастотного тракта передатчика имеет подъем 6 дб/окт (кривые 2 и 3).

В том случае, когда передача ведется в условиях сильных акустических шумов ( Вш — 110 -н 125 дб),. степень ограниче­ ния приходится уменьшать. Это объясняется следующим обра­ зом. При разговоре в условиях сильных акустических шумов оператор непроизвольно повышает громкость речи — при наде­ том шлемофоне примерно на 6— 8 дб. Если уровень ограниче­ ния относительно .максимального уровня речи в тишине оставить

2 0 7

прежним, тогда сильному ограничению, а следовательно, и силь­ ному искажению будут подвергаться и наиболее слабые соглас­ ные звуки. Искажение согласных звуков приведет к значи­ тельному снижению разборчивости.

Устранение указанных искажений достигается снижением степени ограничения на 6— 8 дб. Ее следует брать равной 12— 16 дб относительно пикового уровня речи в тишине. При ра­

При ограничении спектр речи расширяется. Однако это рас­ ширение невелико [20.]. Ширина энергетического спектра огра: ниченной речи .составляет 4—5 кгц. Дифференцирование речи перед ограничением вызывает дополнительное расширение спектра в 1,5—2 раза.

Передача ограниченной речи связана с необходимостью большого усиления в низкочастотном тракте передающего устройства. Это приводит к относительному возрастанию шумов в паузах, ухудшающих качество звучания, и является сущест­ венным недостатком систем связи, использующих предельную компрессию динамического диапазона.

Подавление шумов в паузах может быть осуществлено не­ сколькими способами. Одним из таких способов является запи­ рание речевого тракта в паузах с помощью ограничения по ми­ нимуму. Этот метод, хотя и дает полное подавление шумов клип­ пирования, однако ухудшает качество воспроизведения, так как приводит к пропаданию коротких взрывных звуков, особен­ но в начале слов [2 1 ].

С этой же целью применяется подача вспомогательного на­ пряжения ультразвуковой частоты на вход ограничителя. Вели­ чина этого напряжения должна быть больше напряжения шу­ мов, но меньше напряжения сигнала. При подмешивании ульт­ развуковых колебаний артикуляция повышается всего на 4—~ 6 %, но субъективные характеристики речи существенно улуч­ шаются [15]. Этот метод является эффективным лишь в том слу­

208