книги из ГПНТБ / Константинов П.А. Авиационная радиосвязь

60 гц. Таким образом, сужение полосы частот речевого сообще­ ния получается значительным.

Дальнейшее сужение полосы частот может быть получено' при использовании более совершенных методов кодирования. Ранее указывалось (гл. II, § I), что при идеальном кодирова­ нии количество двоичных единиц, приходящееся на один знак, близко к энтропии сообщения. Если считать, что с учетом ста­ тистических связей фонем на каждую фонему приходится 2—3 дв. ед., т. е. энтропия речи равна 2—3 (по аналогии с тем„ что энтропия русского языка Н — 2 дв. ед./б при учете стати­ стических связей букв и буквенных сочетаний — гл. II, § 1), тогда при идеальном кодировании каждая фонема может быть передана двумя-тремя двоичными единицами. Это значит, что- в системе связи с амплитудной манипуляцией при передаче речи необходимая полоса частот может быть сужена до 10 ■(2—3) ---

= 20—30 гц.

Возможность значительного сужения полосы частот делает заманчивым применение фонемных вокодеров для целей связи. Но из-за трудностей реализации описанного выше принципа по­ строения они не нашли пока практического применения.

Основная трудность состоит в создании различителя фонем, т. е. устройства для автоматического распознания фонем, для извлечения фонем из объективных картин звуков речи. Эта трудность вызвана тем, что до сих пор для большинства фонем не установлены инвариантные признаки, удобные для практиче­ ской реализации.

Простейшими для опознания оказались гласные фонемы, [34]. Их характерным признаком является наличие одной или двух формантных областей. В русском языке три гласных У, А,. О могут быть опознаны и синтезированы по одной форманте, лежащей в пределах:

У 200 < / 7, < 400

О 400 < Z7! < 700 гц;

А 700 < /= ■ ,< 1100 гц,

а гласные И, Ы, Э — по двум формантам, лежащимщ пределах

( 15G < Z7! < 300 гц ,

[2000 < F2< 3500 гц;

200 <С F l <C, 400 гц ,

,2000 < F2 < 3000 гц ;

230

f 400 < ^ < 600 гц,

| 1500 < F 2<C25.00 гц.

На этом основании первые три звука считаются одноформант­ ными, вторые три звука — двухформантными.

Поскольку частоты формант для различных дикторов не яв­ ляются постоянными и изменяются в указанных пределах, сами значения частот Fu F2 не могут служить признаками гласных фонем. Признаками фонем следует считать области расположе­ ния частот формант, соответствующие данной фонеме. Наличие форманты в данной области в большинстве случаев может быть отмечено, например, по превышению мощности в этой полосе над мощностью в полосах, соответствующих другим звукам.

Описанный критерий опознания не является единственным. В качестве признака могут быть приняты соотношения между частотами формант Fi и Р2. На этом принципе основана систе­ ма для распознавания цифр, в которой единицей опознавания является не фонема, а слово в целом. За время произнесения цифры точка с координатами Ft и F2 будет описывать некото­ рую траекторию в формантной плоскости Fь F2. Эта траектория сравнивается с рядом эталонных траекторий, являющихся усред­ нением траекторий при многократном повторении каждой циф­ ры. Регистрируется та цифра, которой соответствует траектория, наиболее близкая к одному из десяти эталонов. Подобное уст­ ройство даёт удовлетворительные результаты при настройке на одного диктора.

В другом устройстве для распознавания некоторых цифр (один и восемь) речь подвергается ограничению и затем делит­ ся на полосы 12 полосовыми фильтрами [35]. Выпрямленные на выходе каждого фильтра напряжения воздействуют на электро­ магнитные реле. В тех каналах, где энергия превысит задан­ ные уровни, реле будут включенными. Комбинация состояний реле используется в качестве признака для распознавания цифр.

В- основу распознавания фонем могут быть положены также огибающие спектров различных звуков. Признаком, по которо­ му производится регистрация той или иной фонемы, может слу­ жить наименьшее квадратичное отклонение спектра произно­ симого звука от одного из эталонных спектров.

Спектральный подход к распознаванию фонем, который обычно клался в основу многочисленных исследований, не дал пока удовлетворительных результатов для многих фонем. Это объясняется тем, что между фонемами и спектральными харак­ теристиками не существует простых соотношений. Значит, не следует признаки всех фонем искать в строении спектра, зара­ нее предполагая, что эти признаки едины по природе.

231

Подтверждением может служШть следующий факт. При пре­ дельном ограничении речи единственной объективной характери­ стикой является расположение нулей. Поскольку при ограничении речи сохраняется высокая разборчивость, признаки фонем содер­ жатся в тех или иных свойствах этого расположения. Например, некоторые фонемы могут распознаваться по числу импульсов сигнала предельно ограниченной речи в единицу времени [36].

Признаки некоторых фонем могут содержаться во времен­ ных характеристиках. Например, смычные согласные звуки (Д, Т и т . д.) характеризуются следующими тремя признаками: смычкой органов речи (паузой) продолжительностью около 100 мсек (в течение которой при глухих взрывных звуках сигнал полностью отсутствует, а при звонких — содержит только со­ ставляющую основного тона), шумовым импульсом (взрывом), представляющим собой собственно сигнал, и переходной об­ ластью последующего гласного. Если гласный звук предшест­ вует смычному звуку, указанные признаки будут располагать­ ся в обратном порядке: переходная область, смычка, шумовой импульс. В различных случаях признаками для распознавания смычных фонем могут служить переходная область предшест­ вующего или последующего гласных, длительность шумового импульса (собственно сигнала) и т. п.

Возможно, что в качестве признаков могут быть использова­ ны и какие-то другие характеристики речевого процесса. Хотя в настоящее время удобные для реализации признаки еще не найдены, уже сейчас пытаются использовать описанные прин­ ципы анализа речи для решения многих важных практических задач.

Выше упоминалась система для распознавания цифр. На этом принципе могут быть построены автоматы для исполне­ ния речевых команд. Подобные автоматы могут применяться в различных системах управления, например, для передачи команд находящимся на вооружении автоматическим устрой­ ствам и исполнительным механизмам, для устного ввода инфор­ мации в вычислительные машины, для соединения с абонемен­ том АТС без номеронабирателя и т. п.

Решение проблемы объективного распознавания фонем поз­ волит создать автоматический стенограф для записи речи, т. е. автоматическую пишущую машинку, в которой телеграф­ ные импульсы фонем приводят в движение печатающий меха­ низм.

Аналогичные принципы положены в основу ряда других ин­ тересных приборов. Так, при записи речи в форме видеограмм (рис. 5.2) местоположения формант в частотном диапазоне и форма перехода от одного звука к другому для различных зву­ ков будут различными. Это дает возможность использовать спектрограммы видимой речи для чтения речи глухими людьми

232

ГЛАВА VI

НЕПРЕРЫВНЫЕ СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ

§ 1. АМПЛИТУДНАЯ, ЧАСТОТНАЯ И ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Системы радиосвязи, предназначенные для передачи непре­ рывных сообщений, имеют широкое распространение. Они при­ меняются для передачи речи, музыки, изображений и т. п. Пе­ редача сообщений в таких системах связи осуществляется либо при помощи непрерывных сигналов, либо при помощи импульс­ ных сигналов. Первому случаю соответствуют непрерывные си­ стемы радиосвязи (с амплитудной, частотной,, фазовой, одно­ полосной модуляцией и др.), второму — импульсные системы радиосвязи (с импульсной модуляцией).

В данной главе рассматриваются непрерывные системы ра­ диосвязи. Импульсные системы радиосвязи рассматриваются в гл. VII.

В зависимости от вида модуляции изменяется тот или иной параметр непрерывного сигнала, определяемого следующими об­ щими выражениями:

При амплитудной модуляции (AM) в соответствии с переда­ ваемым сообщением F'{t) изменяется амплитуда высокочастот­ ного колебания, поэтому сигнал может быть записан в следую­ щем виде:

ПоясншГ выражение (6.3). Очевидно, AM колебание может быть записано так:

234

-ЯР

где F{t) — исходное сообщение. Представляя F(t) в виде (5.8), получим

Urn UF(Омане

Из сопоставления полученного выражения с выражением (6.3) видно, что

F' (t) = — ^.АА— cos ф (£)

UAt)м а к с

т. е. является нормированным сообщением. Всегда— 1С -Р (0 ^ l f - поэтому

т = UF ( О м а н е

и п

есть коэффициент модуляции, именно его максимальное значе­ ние. В дальнейшем не делается различия между нормирован­ ным и исходным сообщением. В случае необходимости оно пред­ полагается нормированным.

Если модуляция осуществляется гармоническим колебанием, тогда F(t) = cosQt и выражение (6.3) переходит в (1.15).

При фазовой модуляции в соответствии с сообщением F(t) изменяется фаза сигнала

Величина р называется индексом модуляции и представляет ам­ плитуду отклонения фазы.

При частотной модуляции передаваемое сообщение изменяет частоту сигнала, то есть

СО == 0)0 [1 + m4F(t)] = (D0 + ЮдFit),

где со'д = тчш0 — амплитуда отклонения частоты, называема» девиацией частоты.

235-

Принимая во внимание зависимость между фазой и частотой колебаний

Ф (t) = j ш(() dt,

из (6.2) имеем

и (t) = U cos К г! + шд j F(t) dt] .

Из (6.3) и (6.4) видно, что передаваемое сообщение F{t) в качестве некоторого параметра непосредственно входит в вы­ ражение для сигнала. При частотной модуляции передаваемое сообщение в выражении для сигнала (6.6) входит под интеграл. На этом основании системы с амплитудной и фазовой модуля­ цией называется прямыми, система с частотной модуляцией называется интегральной [1].

Предположим, что сообщение есть гармоническое колебание

Для установления сходства двух последних выражений путем

.дифференцирования аргумента (6.7) найдем эквивалентную частотную модуляцию при фазовой модуляции. Она будет равна

ш0 — pQ sin 9Л = ш0 —Шд sin Qt .

Отсюда видно, что индекс модуляции р есть отношение макси­ мального отклонения частоты шдк частоте модуляции. Это дает основание в выражении (6.7а) обозначить

Тогда оно будет совпадать с выражением (6.7). Следовательно, выражение для сигнала (6.7) справедливо как при частотной, так и при фазовой модуляции. В обоих случаях индекс модуля­ ции р, определяемый формулой (6.8), представляет амплитуду отклонения фазы. Разница состоит в том, что при фазовой мо­ дуляции отклонение фазы, а следовательно, и индекс модуля­ ции не зависят от модулирующей частоты, в то время как при частотной модуляции не зависит от модулирующей частоты, девиация частоты шд, а индекс модуляции зависит от модули­ рующей частоты. Зависимость определяется соотношением (6.8), из которого видно, что при фиксированной девиации частоты сод значение индекса модуляции уменьшается с повышением час­ тоты модуляции.

236

Методы получения, а также методы приема колебаний, мо­ дулированных по амплитуде, частоте или фазе, рассматривают­ ся в курсах передающих и приемных устройств и предполага­ ются известными. Поэтому ограничимся напоминанием основ­ ных свойств соответствующих систем связи и определим области их применения.

Система связи с частотной модуляцией обладает более вы­ сокой помехоустойчивостью по сравнению с системой связи с амплитудной модуляцией. Это доказывается в § 4 настоящей главы. Указанное свойство и определило широкое применение частотной модуляции в различных устройствах радиосвязи ультракоротковолнового диапазона. По ряду причин в коротко­ волновом диапазоне частотная модуляция обычно не приме­ няется.

. Одну из таких причин можно уяснить из сопоставления спектров амплитудно-модулированного и частотно-модулирбван- ного сигналов. При амплитудной модуляции занимаемая сигна­ лом полоса частот равна

sin (Р cos Qt) =; 8 cos Q t.

— Ump sin ( CD0 — Q ) t =

+ _L6rmpcos|K - S)* + -f- •

Из последнего равенства видно, что при малом индексе моду­ ляции спектр частот при частотной модуляции,, как и при ам­ плитудной модуляции, состоит из несущей и двух боковых чдс-

237

тот. Разница состоит лишь в том, что при частотной модуляции равнодействующая боковых частот относительно ее положения при амплитудной модуляции будет повернута на 90°. Таким образом, при малом индексе модуляции сигнал с частотной мо­ дуляцией занимает полосу частот

равную полосе, занимаемой сигналом с амплитудной модуля­ цией.

При больших индексах модуляции приближенные равенства (6.10) неверны. В этом случае левые части указанных равенств разлагаются в ряд функций Бесселя первого рода п-го порядка

Л(Р)-

Врезультате спектр частотно-модулированного колебания

будет состоять из несущей частоты и бесконечного множества

•боковых частот. Амплитуды колебаний различных частот опре­ деляются значениями функций Бесселя, зависящими от величины индекса модуляции (3. При увеличении индекса модуляции уве­ личивается значение функций более высокого порядка. Хотя полоса, занимаемая частотно-модулнрованным сигналом, тео­ ретически бесконечна, практически следует принимать во вни­ мание лишь составляющие с достаточно большими амплитуда­ ми. При повышении индекса модуляции приходится учитывать большее количество боковых частот. Если учитывать только те составляющие, амплитуды которых составляют 10% и выше от амплитуды колебания немодулированной несущей частоты Um, тогда необходимо принимать во внимание те боковые частоты, номер которых приблизительно равен * индексу модуляции (п =р), т. е. частоты ш0—SB, ш0 -f-J3J2 В этом случае ширина спектра частотно-модулированного сигнала равна

Таким образом, полоса частот, занимаемая частотно-модулиро- ванным сигналом, при малых индексах модуляции равна удво­ енной частоте модуляции, при больших индексах модуляции — удвоенной девиации частоты. Первый случай соответствует узкополосной, второй—широкополосной системе радиосвязи с частотной модуляцией. Узкополосная система с частотной мо­ дуляцией занимает приблизительно такую же полосу частот, как и система связи с амплитудной модуляцией. Полоса частот, занимаемая широкополосной системой связи с частотной моду­ ляцией, в |3 раз шире. Если р == 10, расширение полосы будет десятикратным.

* При более точном определении полосы необходимо учитывать несколь­ ко большее число боковых частот, до п — $ 4-

2 3 8

Возвратимся к вопросу о целесообразности применения час­ тотной модуляции для радиосвязи на коротких и ультракорот­ ких волнах. Коротковолновый диапазон сильно загружен, по­ этому применение в этом диапазоне широкополосной частотной модуляции нецелесообразно. Такую модуляцию можно приме­ нять в ультракоротковолновом диапазоне, менее загруженном радиостанциями.

При оценке целесообразности применения амплитудной и частотной модуляции необходимо принимать во внимание не­ стабильность частоты. В ультракоротковолновом диапазоне аб­

пропускания приемника, определяемая в основном нестабиль­ ностью частоты, при приеме частотно-модулированных колеба­ ний должна быть не намного шире, чем при приеме амплитуд- но-модулированных колебаний.

В коротковолновом диапазоне, т. е. на более низких часто­ тах, при той же относительной нестабильности абсолютное зна­ чение нестабильности будет меньше. Следует также учесть, что в авиационных связных радиостанциях коротковолнового диа­ пазона за счет применения усложненных термостатов относи­ тельная нестабильность практически получается значительно меньше — 10~6 и даже 10~7. При этом абсолютное значение неста­ бильности на частоте 30 Мгц будет равно (3—30) гц и ширина полосы пропускания приемника будет определяться в основном шириной спектра сигнала. При приеме амплитудно-модулиро- ванных колебаний она может быть взята значительно меньше, чем при приеме частотно-модулированных колебаний с большим индексом модуляции. Применение широкополосной частотной модуляции в коротковолновом диапазоне привело бы к умень­ шению числа размещаемых в этом диапазоне радиостанций, ра­ ботающих без взаимных помех.

Выбор того или иного вида модуляции следует проводить также с учетом особенностей распространения радиоволн.

•Известно, что на коротких волнах сигналы в место приема приходят различными путями, В результате интерференции этих сигналов при радиосвязи на большие расстояния возникают замирания, которые приводят к изменению уровня результи­ рующего сигнала на входе приемного устройства. Кроме того, замирания могут вызывать своеобразные искажения восприни­ маемого приемником сообщения. Показатель преломления ионо­ сферы зависит от частоты, поэтому различные составляющие спектра модулированного сигнала распространяются по разным путям, их замирания будут происходить в различные моменты времени. Избирательность замираний, т. е. зависимость их от частоты, и является причиной искажений. Природу таких иска­

239