Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Дальневосточный федеральный университет

(ДВФУ)

Курсовая работа

по теории электрической связи

Обработка речевого сигнала

Выполнил: студент группы С-3348

Лешков А.А.

Проверил преподаватель:

Ковылин А.А.

Владивосток 2011 г.

Оглавление

Введение

Задание

Исходные данные

1. Расчёт объёма звукового файла

2. Расчет порядка фильтра Баттерворта

3. Расчет порядка фильтра

4. Расчет передаточной характеристики аналогового нормированного ФНЧ требуемого порядка

5. Реализация фильтра

6. Амплитудная модуляция и детектирование сигнала

Заключение

Введение

Речевой сигнал-- это электрический процесс на выходе микрофона, воспринимающего речь. В данной курсовой работе необходимо разобрать один из основных принципов обработки речевого сигнала, а именно фильтрацию речевого сигнала с помощью цифрового фильтра.

Цифровой фильтр -- в электронике любой фильтр, обрабатывающий цифровой сигнал с целью выделения и/или подавления определённых частот этого сигнала. В отличие отцифрового аналоговый фильтр имеет дело с аналоговым сигналом, его свойства не дискретны, соответственно передаточная функция зависит от внутренних свойств составляющих его элементов.

Так же мне необходимо выполнить амплитудную модуляцию речевого сигнала. Амплитудная модуляция - процесс изменения амплитуды несущего колебания, соответствующего изменению непрерывного информационного сигнала. Суть амплитудной модуляции - перенос низкочастотного спектра модулирующего (информационного) сигнала в высокочастотную область, характерную для спектра исходных (несущих энергию) колебаний.

В процессе выполнения данной курсовой работы необходимо:

· Разобрать основные принципы обработки речевого сигнала и манипуляции над этим сигналом;

· Закрепить теоретические знания курса «Теории электрической связи»;

· Научиться рассчитывать аналоговые и цифровые фильтры требуемого типа и порядка;

· Закрепить знания, связанные с амплитудной модуляцией сигнала;

Задание

1 Создать монофонический WAW -файл с соответствующими параметрами длительностью 1 минуту

2 Рассчитать объем файла

3 Рассчитать цифровой фильтр учитывая речевой канал от 300 до 3400 Гц используя метод билинейного z-преобразование (bilineartransformation)

1 Построить характеристики фильтра

2 Сделать выводы о проделанной работе

Исходные данные

Fs, Гц	n	Filter type	Fpass	Fstop	Apass	Astop	m	AM index	Fcarrier
44100	32	Бат	750	3350	1,2	90	7	0,48	14100

Fs - частота дискретизации;

n - разрядность;

Fpass - частота среза;

Fstop - частота задержки;

Apass - неравномерность в полосе пропускания;

Astop-уровень подавления в полосе заграждения;

m - порядок фильтра;

AMindex - индекс амплитудной модуляции;

Fcarrier - несущая частота.

1. Расчёт объёма звукового файла

Для начала, мне необходимо записать звуковой файл длительностью 1 мин. с частотой дискретизации и разрядностью, которые указаны в исходных данных. После записи файла, мне нужно рассчитать его объём и сравнить этот объём с тем, который показывает компьютер. Записывать файл будем с помощью программы Matlab, где при записи можно задать частоту дискретизации и разрядность.

Рис.1 Схема записи звукового файла

Произведем расчет объёма файла:

n=32 бит- разрядность;

R=8- число бит в одном байте;

t_c=60 сек- длительность

- частота дискретизации



10584000

Рис.2 Размер файла для сравнения с теоретическим расчётом

2. Расчет порядка фильтра Баттерворта

Фильтры являются основой для большинства приложений обработки сигналов. Типичное назначение - это извлечение или вырезка области спектра входного сигнала или определенной частоты. Используемые для кондиционирования сигналов фильтры нередко называются частотно-селектирующими, поскольку обычно разрабатываются на основе требований к частотной характеристике.

Основное значение фильтра нижних частот (далее ФНЧ) - с минимальным ослаблением передавать на выход колебания, частоты которых не превосходят заданной граничной частоты, называемой частотой среза фильтра . В то же время колебания с более высокими частотами должны существенно ослабляться.

Очевидно, для ФНЧ с частотой среза идеальная частотная зависимость коэффициента передачи мощности имеет вид:

(имеются в виду физические частоты w>0).

Такая частотная характеристика заведомо нереализуема. Обращение в нуль функции ,а значит и передаточной функции К(р) противоречит известному критерию Пели - Винера.

Возникает задача подбора аппроксимирующей функции.

Один из возможных способов аппроксимации идеальной характеристики ФНЧ построен на использовании коэффициента передачи мощности

где -безразмерная нормированная частота.

ФНЧ, имеющий такие частотные свойства, называют фильтром с максимально-плоской характеристикой или фильтром Баттерворта. Целое число n=1,2,3,… является порядком фильтра. При любом n фильтр реализуем.

В полосе пропускания фильтра, т.е. при, квадрат модуля коэффициента передачи плавно уменьшается с ростом частоты. На частоте среза ослабление, вносимое фильтром, составляет -3дБ независимо от порядка системы. Чем больше n, тем точнее аппроксимируется идеальная форма частотной характеристики.

По сути z- преобразование - это дискретный эквивалент преобразования Лапласа. Оно делает возможным удобный математический анализ ( стационарный анализ и анализ переходных процессов) и манипулирование сигналами и спектрами. Возможно, наиболее распространенным современным применением z- преобразования является описание дискретных систем и анализ их устойчивости . z-преобразование позволяет вычислять свертку входного сигнала и характеристики дискретной линейной системы в математически удобном виде. Кроме того, могут определяться нули и полюса системы, что позволяет извлекать информацию о динамическом поведении и устойчивости дискретной системы

Приведем основные соотношения связывающие параметры аппроксимации АЧХ аналогового нормированного фильтра нижних частот Баттерворта

G_p-определяет максимальное искажение сигнала в полосе пропускания,

G_s- задает требуемое подавление в полосе заграждения,

k-определяет селективные свойства фильтра,

k₁- определяет степень подавления фильтра с учетом вносимых искажений,

называется полосой пропускания ФНЧ,

и выше называется полосой подавления или полосой заграждения,допустимое искажение в полосе пропускания R_p и требуемое подавление в полосе заграждения R_s.

Порядок фильтра Баттерворта рассчитывается из уравнения:

Прологарифмируем правую и левую части уравнения и получим:



3. Расчет порядка фильтра

Произведем расчет в программе «Mathcad 14»

Приведем основные соотношения связывающие параметры аппроксимации АЧХ:

Порядок фильтра Баттреворта рассчитываем из уравнения:

Округляем порядок фильтра до большего целого и получаем требуемый порядок фильтра

N=7

4. Расчет передаточной характеристики аналогового нормированного ФНЧ требуемого порядка

Передаточную функцию фильтра Баттерворта можно представить в виде:

Для любого целого

 ( может принимать значения 0 или



1)передаточную функцию фильтра Баттерворта можно представить в виде:

Рис.3 Промежуточные расчёты

б- дополнительный вещественный полюс

и- угол, на который отстают полюса квадрата модуля АЧХ фильтра

Баттерворта

Рис.4 Рассчитанная передаточная характеристика  нормированного ФНЧ Баттервотра

Расчёт выполняем с помощью Maple 13.0:

> restart;

>K:=(0.00134456/(0.210214*s+0.771371*s^2+0.86681*s^3+1.74576*s^4+0.701074*s^5+s^6+0.0514321));

> s:=(z-1)/(z+1);

> K;

>simplify(K);

> A:=(13445.60000*(z+1)^6); expand (A);

> B:=(-1.50738020e8*z^3+1.52103605e8*z^4-9.6036254e7*z^5+5.3466611e7*z^6-1.572273671e9*z^6+1.12983405e8*z^2-5.6767454e7*z+1.7904651); expand(B);

>a:=expand(A)/z^6;expand(a);

>

>b:=expand(B)/z^6; expand(b);

>c:=a/(-1.518807060e9);expand(c);

>d:=b/(-1.518807060e9);expand(b);

> H:=expand(c)/expand(d);

Рис. 5 Дискретную функцию передачи H(z) .



Далее находим коэффициенты рассчитанного фильтра:

5. Реализация фильтра

Данная функция передачи является рекурсивной (содержит как входные, так и выходные отчеты). Для реализации такого фильтра в схему потребуется две линии задержки. В первой линии задержки некоторое количество предыдущих отчетов входного сигнала умножаются на коэффициенты и суммируются, формируя выходной отчет y(k). Но при этом при вычислении используются предыдущие отчеты выходного сигнала (т.е. присутствуют обратные связи). Поэтому добавляют вторую линию задержки для хранения выходных отчетов y(k-i).



Рис.6 Схема цифрового фильтра

Рис.7 Показания Осциллографа

1) Сигнал на входе;

2) Сигнал на выходе полученного цифрового фильтра;

3) Сигнал на выходе фильтра Баттерворта.

6. Амплитудная модуляция и детектирование сигнала

Для передачи информации на расстояние применяются сигналы, эффективно излучаемые с помощью антенных устройств и обладающие способностью распространяться в виде свободных радиоволн в среде, разделяющей отправителя и получателя информации. Такими сигналами являются высокочастотные колебания. Передаваемая информация должна быть тем или иным способом заложена в высокочастотное колебание, называемое несущим. Частота этого колебания выбирается в зависимости от расстояния, на которое должна передаваться информация, от условий распространения радиоволн и ряда других факторов. Но в любом случае частота щ должна быть велика с наивысшей частотой спектра передаваемого сообщения. Это объясняется тем, что для неискаженной передачи сообщений через радиотехнические цепи, а также для устранения искажений, возникающих при распространении радиоволн, необходимо чтобы ширина спектра сообщения была мала по сравнению с частотой несущего колебания; чем меньше соотношение , тем меньше проявляется несовершенство характеристик радиотехнических систем.

В самом общем случае математическая модель несущего колебания

такова, что можно выделить некоторую совокупность параметров , определяющих собой форму этого колебания. Пусть - низкочастотное сообщение, подлежащее передаче по радиоканалу. Если, по крайней мере, один из параметров изменяется во времени согласно передаваемому сообщению, то несущее колебание приобретает новое свойство - оно несет в себе информацию, которая первоначально была заключена в сигнале . Физический процесс управления параметрами несущего колебания и называется модуляцией.

В радиотехнике широкое распространение получили системы модуляции, использующие в качестве несущей простое гармоническое колебание

.

В гармоническом колебании возможно изменение трех свободных параметров U, w, ц по закону передаваемого сообщения. Изменяя тот или иной параметр, можно получить различные виды модуляции.

Принцип амплитудной модуляции

Если переменной во времени оказывается амплитуда сигнала U(t), причем частота и фаза неизменны, то имеет место амплитудная модуляция (АМ) несущего колебания:

.

При амплитудной модуляции связь между огибающей U(t) и модулирующим сигналом s(t) определяется так:

,

где U₀ - константа, амплитуда несущего колебания в отсутствие модуляции, М - коэффициент модуляции, его значение характеризует глубину модуляции.

звук сигнал модуляция



Рис.8 Схема пропускания сигнала через заданный фильтр

Рис.9 Показания осциллографа

Рис.10 Амплитудная модуляция и детектирование сигнала.

Заключение

В данной курсовой работе приведен пример расчета передаточной характеристики цифрового ФНЧ Баттерворта. Получена передаточная характеристика фильтра, собрана структурная схема фильтра; был записан и рассчитан звуковой сигнал, была произведена амплитудная модуляция и детектирование записанного сигнала.

При расчете передаточной характеристики необходимо использовать выражения для передаточной характеристики соответствующее заданному типу фильтра (Чебышева первого рода, Чебышева второго рода или эллиптическому).

В сравнении с фильтрами Чебышева I и II типов или эллиптическим фильтром, фильтр Баттерворта имеет более пологий спад характеристики и поэтому должен иметь больший порядок (что более трудно в реализации) для того, чтобы обеспечить нужные характеристики на частотах полосы подавления. Однако фильтр Баттерворта имеет более линейную фазочастотнуюхарактеристику на частотах полосы пропускания.

Размещено на Allbest.ru