1.2. Непрерывные сигналы

Простейшим непрерывным сигналом можно считать колебание си­нусоидальной формы Параметрами этого колебания являются амплитуда U, частота f и начальная фаза .

Однако реальные непрерывные сигналы, которые являются ре­зультатом преобразования, например, речевых сообщений, представ­ляют собой сигналы сложной формы. Эти сигналы содержат большое число составляющих в виде простейших синусоидальных колебаний, каждое из которых имеет свою амплитуду, частоту и начальную фа­зу.

Для каждого звука характерна своя форма сигнала. Амплитуда определяет громкость звука, а частота - его тон. Из рассмотрения эпюр сигналов (рис. 1.4), отображающих звук "У" и звук "Ш", видно, что звук "У" должен быть более громким и звучать ниже по частоте, чем звук "Ш".

Рис.1.4

Гласные звуки более громкие и низкочастотные, чем согласные звуки. Каждый звук речи имеет свое типизированное начертание, которое называется фонемой. Эпюры на интервале Т (рис. 1.4.) -это и есть фонемы звуков "У" и "Ш". В звуке от 10 до 30 повторя­ющихся фонем. Минимальная длительность звука 20 мс, а максимальная - 350 мс. Самый длинный звук "А", самый короткий звук "П".

В русском языке насчитывается 40-41 фонема, что превышает количество букв в алфавите. Это объясняется тем, что некоторые буквы соответствуют двум звукам.

Сложная форма фонем указывает на то, что звуки - это не простые синусоидальные колебания, а их совокупность в определен­ном сочетании. Любой звук речи состоит из суммы гармонических ко­лебаний, которые образуют определенный спектр частот. По­добно тому, как каждая фонема имеет свое начертание, так и спектр каждого звука чисто индивидуален. Эта индивидуальность выражает­ся в специфической концентрации энергии в области определенных частот, которые в спектре звука называются формантами (рис.1.5).

Число формант у различных звуков колеблется от одной до пя­ти. У гласных звуков чаще всего наиболее выражены три форманты, а у согласных - одна. По положению формант на частотной оси и по их интенсивности можно опознать, какому звуку они соответствуют. В целом же существует однозначная взаимосвязь между временным на­чертанием фонемы и частотным представлением форманты для каждого звука речи.

Если усреднить форманты всех звуков, то они воссоздадут спектр речи (рис.1.6).

По существу спектр речи представляет собой зависимость средней за длительное время мощности речи от частоты.

рис.1.6

Естественная речь занимает диапазон частот от десятков герц до более, чем 10 килогерц. Однако энергия речи в этом диапазоне распределе­на неравномерно. Наибольшая ее концентрация приходится на полосу 200-600 Гц, но этого диапазона недостаточно для воспроизведе­ния разборчивости и естественности звучания речи.

Уже отмечалось, что для восстановления вы­сокой разборчивости и натуральности звучания речи ширина ее спек­тра может быть ограничена полосой канала ТЧ, равной 0,3-3,4 кГц. Это было установлено артикуляционным методом, при котором раз­борчивость речи определяется путем вычисления отношения правиль­но принятых элементов речи к общему числу переданных по каналу связи с изменяемой полосой пропускания.

Для техники связи важное значение имеют такие характери­стики непрерывных сигналов, как средняя мощность, динамический диапазон и энергетический спектр.

Однако при построении систем связи необходимо учитывать также и характеристики слуха человека. Слуховой аппарат спосо­бен воспринимать звуковые колебания с частотами от 16 до 20000 Гц. Острота слуха зависит от частоты звуков. Ухо наиболее чувствительно к частотам 2000-3000 Гц. Зависимость чувствитель­ности уха от частоты называется порогом слышимо­сти и выражается в децибелах. Усредненная для многих людей кривая порога слышимости показана на рис.1.7. С увеличением интенсивности звука колебания могут восприниматься как болевые ощущения. Зависимость величины давления, вызывающего болевые ощущения, от частоты называется порогом болевого ощущения (рис.1.7, кривая ). Этот порог равен при­мерно 130 дБ. Напомним, что динамический диапазон речи диктора составляет около 30 дБ, а оркестра - около 70 дБ.

Мерой громкости звука является уровень громкости. Звуковые колебания различных частот при одинаковой их интенсивности воспринимаются ухом как звуки разной громкости. На­пример, при одинаковой интенсивности колебание частоты 100 Гц будет находиться на пороге слышимости, а колебание частота 1000 Гц будет слышно громко,

Свойство уха изменять порог слышимости, т.е. приспосабли­ваться к громкости звука, называется адаптацией слуха. Этот процесс требует 3-5 секунд. Если на ухо действу­ют два звука разной громкости, то оно воспринимает не два, а один более громкий звук. Это явление называется маскиров­кой звука.

Помимо частотной зависимости органы слуха обладают некото­рыми временными свойствами. Так, ухо способно воспринимать слит­но лишь те звуки, интервал между которыми не более 30-50 мс.

Применительно к речевым сигналам на практике широко исполь­зуется так называемая компрессия. Основной целью комп­рессии речевого сигнала является повышение пропускной способности канала связи при сохранении высокой достоверности передачи рече­вого сообщения. Компрессия - это такое преобразование речевого сигнала, в результате которого сжимается один или все его пара­метры. К этим параметрам относятся динамический диапазон (амплитуда) Д_с , полоса частот (частота) F_с и время существования речевого сигнала Т_с. В связи с этим различают амплитудную, частотную и временную компрессию. При этих видах компрессии речевой сигнал несет явные признаки речи. Фактически здесь компрессия сводится к транс-формации речевого сигнала по параметрам Д_с, F_c и Т_c.

Кроме того, существует еще один вид компрессии, основанный на функциональном преобразовании речи. В таком сигнале явные признаки речи в канале связи отсутствуют. Формирование сигнала и его прием осуществляется устройствами, которые называются во­кодерами. Их принцип действия основан на замене мгновен­ных (быстрых) параметров речевого сигнала его медленно меняющи­мися во времени информацион-ными параметрами. Для передачи тако­го сигнала требуется более узкая, иногда в десятки раз, полоса, чем полоса канала ТЧ. Применение вокодоров позволяет более эффективно использовать канал связи.