Выделение огибающей сложных периодических сигналов

Программа выделения огибающей АМК с примесью шума в модулирующее колебание:

s = zeros(1,256);

A= 1*rand(1);

B= 1*rand(1);

s(1:256) = ((B*0.2*sin(pi/8*(1:256))) + (A*0.101*cos(pi/4*(1:256))) +

+(1+0.5*cos(pi/64*(1:256)))).*cos(pi/4*(1:256));

sa = hilbert(s);

Xi=imag(sa);

f = (-128:127)/128;

subplot(2,1,1);

plot(f, Xr);

subplot(2,1,2);

plot(f, abs(A));YLIM([0 2]);

Рис. 2.9 АМК с примесью шума в модулирующее колебание

Рис. 2.10 Огибающая АМК с примесью шума в модулирующее колебание

2.2.2 Программы выделения огибающей одиночных звуков

Проведем анализ простых одиночных звуков (глассных) на примере звуков [а][и][е]. По полученным огибающим этих звуков можно судить о таких переходных процессах, как атака и затухание звука.

Программа выделения огибающей звука [a]:

s=WAVREAD('a.wav');

sa = hilbert(s);

Xi=imag(sa);

Xr=real(sa);

A=sqrt((Xi.^2)+(Xr.^2));

Fs = 12000;

F0 = 8;

[b, a] = ellip(4, 1, 80, F0/Fs*2);

q=length(s)

y=filter(b,a,abs(A));

f=(-q/2:(q/2)-1)./q;

subplot(3,1,1);

plot(s);XLIM([80000 140000]);

subplot(3,1,2);

plot(abs(y));XLIM([80000 140000]);

subplot(3,1,3);

plot(f,abs(fftshift(fft(s))));XLIM([-0.03 0.03]);

Рис. 2.11 Временная реализация звука [a]

Рис. 2.12 Огибающая звука [a]

Рис. 2.13 Нормированный спектр звука [a]

Программа выделения огибающей звука [и]:

s=WAVREAD('i.wav');

sa = hilbert(s);

Xi=imag(sa);

Xr=real(sa);

A=sqrt((Xi.^2)+(Xr.^2));

Fs = 12000;

F0 = 8;

[b, a] = ellip(4, 1, 80, F0/Fs*2);

q=length(s)

y=filter(b,a,abs(A));

f=(-q/2:(q/2)-1)./q;

subplot(3,1,1);

plot(s);XLIM([50000 110000]);

subplot(3,1,2);

plot(abs(y));XLIM([50000 110000]);

subplot(3,1,3);

Рис.2.14. Временная реализация звука [и]

Рис. 2.15 Огибающая звука [и]

Рис. 2.16 Нормированный спектр звука [и]

Программа выделения огибающей звука [е]:

s=WAVREAD('e.wav');

sa = hilbert(s);

Xi=imag(sa);

Xr=real(sa);

A=sqrt((Xi.^2)+(Xr.^2));

Fs = 12000;

F0 = 8;

[b, a] = ellip(4, 1, 80, F0/Fs*2);

q=length(s)

y=filter(b,a,abs(A));

f=(-q/2:(q/2)-1)./q;

subplot(3,1,1);

plot(s);XLIM([39000 65000]);

subplot(3,1,2);

plot(abs(y));XLIM([39000 65000]);

subplot(3,1,3);

plot(f,abs(fftshift(fft(s))));XLIM([-0.02 0.02]);

Рис. 2.17 Временная реализация звука [е]

Рис. 2.18 Огибающая звука [е]



Рис. 2.19 Нормированный спектр звука [е]

2.2.3 Программа выделения огибающей сложных звуков

При анализе огибающей сложных звуков использовалось сглаживание огибающей с помощью ФНЧ. По форме сглаженной огибающей судят о переходных процессах в акустических сигналах -- атаке и затухании звука. Искажение атак ведет к неправильной передаче тембра, а к изменению параметров затухания ухо малочувствительно.

Программа для выделения огибающей сложных звуков (слов, словосочетаний):

s=WAVREAD('mama.wav');

sa = hilbert(s);

Xi=imag(sa);

Xr=real(sa);

A=sqrt((Xi.^2)+(Xr.^2));

Fs = 12000;

F0 = 25;

[b, a] = ellip(4, 1, 40, F0/Fs*2);

q=length(s);

y=filter(b,a,abs(A));

f=(-q/2:(q/2)-1)./q;

subplot(3,1,1);

plot(s);XLIM([70000 105000]);

subplot(3,1,2);

plot(abs(y));XLIM([70000 105000]);

subplot(3,1,3);

plot(f,abs(fftshift(fft(s))));XLIM([-0.03 0.03]);

Рис. 2.20 Временная реализация слова «мама»

Рис. 2.21 Огибающая слова «мама»

Рис. 2.22 Нормированный спектр слова «мама»

Рис. 2.23 Временная реализация слова «нил»



Рис. 2.24 Огибающая слова «нил»

Рис. 2.25 Нормированный спектр слова «нил»

огибающая сигнал идентификация звук



3. Результаты экспериментального исследования

3.1 Одиночные звуки

Рис. 3.1 Реализация, огибающая и спектр синтезированного звука [а]



Рис. 3.2 Реализация, огибающая и спектр записаного звука [а]

Рис. 3.3 Реализация, огибающая и спектр синтезированного звука [е]

Рис. 3.4 Реализация, огибающая и спектр записаного звука [е]

3.2 Переходы между звуками

Рис. 3.5 Реализация, огибающая и спектр синтезированного слова «мама»



Рис. 3.6. Реализация, огибающая и спектр записанного слова «мама»

Рис. 3.7 Реализация, огибающая и спектр перехода от одного звука к другому в синтезированом слове



Рис. 3.8. Реализация, огибающая и спектр перехода от одного звука к другому в записанном слове

3.3 Словосочетания

Рис. 3.5 Реализация, огибающая и спектр записанного словосочетания

Рис. 3.7 Реализация, огибающая и спектр записанного слова



4. Анализ безопасности и экологичности работы

4.1 Анализ трудового процесса пользователя

Вначале дадим некоторые пояснения. Как следует из всего вышеописанного материала, наша разработка представляет собой программно-математический продукт, который может использоваться на компьютерах типа IBM PC . То есть наша разработка представляет собой программу. Так как основная работа при использовании программы будет проводиться с использованием персонального компьютера, поэтому все нагрузки (интеллектуальные, сенсорные, эмоциональные) будут ложиться на оператора ЭВМ. Исходя, из этого следует, что основным каналом, представляющим потенциальную опасность для пользователя, является информационный канал.

Отметим, что алгоритм действия пользователя будет в общем таким же, как и при эксплуатации обычного программного продукта (конечно, включая свою специфику).

4.2 Оценка качественных характеристик трудового процесса

Все факторы (показатели) трудового процесса имеют качественную или количественную выраженность и их можно сгруппировать по видам нагрузок:

· интеллектуальные;

· сенсорные;

· эмоциональные;

· монотонные;

· режимные.

Результатом проведенной оценки является таблица 4.1 (см. ниже), в которой указаны наименование оцениваемого фактора, заключение и его оценка.

Оценка показателей напряженности трудового процессаТаблица.4.1

Наименование фактора	Заключение	Оценка
1	2	3
1. Интеллектуальные нагрузки
Содержание работы	Работа предполагает решение сложных задач с выбором решения по известным алгоритмам (работа по серии инструкций)	3.1
Восприятие сигналов (информации) и их оценка	Восприятие сигналов с последующим сопоставлением фактических значений параметров с их номинальными значениями. Заключительная оценка фактических значений параметров	3.1
Распределение функций по степени сложности задания	Обработка, проверка и контроль за выполнением задания	3.1
Характер выполняемой работы	Работа в условиях дефицита времени	3.1
.2 Сенсорные нагрузки
Длительность сосредоточенного наблюдения (в % от времени смены)	51-75	3.1
Плотность сигналов (световых, звуковых) и сообщений в среднем за 1 час работы	176 - 300	3.1
Наблюдение за экраном видеотерминала (часов в смену): - при буквенно-цифровом отображении; - при графическом	3-4 5-6	3.1
1	2	3
Размер объекта различения (при расстоянии от глаз работающего до объекта различения не более 0,5 м) в мм при длительности сосредоточенного наблюдения (% времени смены)	1--0,3 мм -более 50 %; менее 0,3 мм -25--50 %	3.1
Работа с оптическими приборами (микроскопы, лупы и т. п.) при длительности сосредоточенного наблюдения (% времени смены)	до 25	1
Нагрузка на слуховой анализатор (при производственной необходимости восприятия речи или дифференцированных сигналов)	Разборчивость слов и сигналов от 70 % до 50 %. Имеются помехи, на фоне которых речь слышна на расстоянии до 2 м	3.1
Нагрузка на голосовой аппарат (суммарное количество часов, наговариваемое в неделю)	20--25	3.1
3. Эмоциональные нагрузки
Степень ответственности за результат собственной деятельности. Значимость ошибки.	Оператор несет ответственность за функциональное качество основной работы (задания). Влечет за собой исправления за счет дополнительных усилий всего коллектива (группы, бригады и т.п.)	3.1
Степень риска для собственной жизни	Исключена	1
4. Монотонность нагрузок
Число элементов (приемов), необходимых для реализации простого задания или в многократно повторяющихся операциях	5--3	3.1
Продолжительность (в с) выполнения простых производственных заданий или повторяющихся операций	24--10	3.1
Время активных действий (в % к продолжительности смены). В остальное время - наблюдение за ходом производственного процесса	9-5	3.1
Монотонность производственной обстановки (время пассивного наблюдения за ходом технологического процесса в % от времени смены)	81-90	3.1
5. Режим работы
Фактическая продолжительность рабочего дня	6-7 ч	1
Сменность работы	Двухсменная работа (без ночной смены)	2
Наличие регламентированных перерывов и их продолжительность	Перерывы не регламентированы и недостаточной продолжительности: до 3 % рабочего времени	3.1

Дадим теперь общую оценку напряженности труда

Так как более шести показателей отнесены к классу 3.1, то труд считается напряженным 2-й степени. Данный уровень (2 степень 3 класса) можно охарактеризовать следующим образом: уровни вредных факторов, вызывающие стойкие функциональные изменения, приводящие в большинстве случаев к увеличению производственно обусловленной заболеваемости (что проявляется повышением уровня заболеваемости с временной утратой трудоспособности и, в первую очередь, теми болезнями, которые отражают состояние наиболее уязвимых органов и систем для данных вредных факторов), появлению начальных признаков или легких (без потери профессиональной трудоспособности) форм профессиональных заболеваний, возникающих после продолжительной экспозиции (часто после 15 лет и более).

4.3 Разработка мероприятий, снижающих воздействие выявленных вредных факторов

Рассмотрим все факторы, получившие оценку 3.1 и выше. Так как они считаются вредными и подлежат более детальному рассмотрению. Сразу же попытаемся разработать мероприятия по компенсации либо устранению их негативного влияния.

Интеллектуальные нагрузки

В нашем случае оператор ЭВМ должен решать сложные задачи с выбором решения по известным алгоритмам. Степень интеллектуальной нагрузки тут зависит от подготовленности специалиста, большую роль играет опыт работы в данной области. Для снижения влияния интеллектуальных нагрузок можно предложить разработку новых более простых алгоритмов принятия решений, совершенствование своих знаний в данной области.

Сенсорные нагрузки

Широко известен тот факт, что работа за видеотерминалами приводит к развитию значительного утомления в сфере зрительного анализатора. Причиной этого являются фиксация близко расположенных, движущихся объектов, рассматривание мелких деталей, постоянный перевод взора с одного объекта на другой, частые резкие переходы от света к тени и обратно, блеклость, пульсация освещенности и другие факторы. Все это через определенный период времени может привести к патологическим изменениям органа зрения. Работа за монитором требует большого нервно-психического напряжения, связанного с необходимостью длительного наблюдения, концентрации памяти и внимания, решения сложных задач.

Признаком чрезмерного зрительного утомления является головная боль с локализацией в затылочной, височной или фронтальных областях. Иногда появляются тошнота, депрессия и ряд других неприятных ощущений. Накопление утомления и продолжительное перенапряжение способствуют развитию таких патологических состояний как амблиопия, астенопия, миопия, нитагм и другие.

Наиболее радикальными средствами оздоровления труда в условиях зрительного напряжения являются совершенствование техники и технологии, внедрение устройств для считывания и восприятия зрительной информации, отвечающих современным требованиям эргономики, использование рационального освещения, цветовых контрастов. Благоприятное влияние на зрение оказывают относительно малонасыщенные цвета средней части видимого спектра (желтый, зеленый, голубой).

Самым оптимальным решением вопроса выбора цвета является использование цветовой палитры Windows, которую пользователь волен изменять по своему вкусу.

Снижение зрительного утомления достигается путем устранения пульсации светового потока, постоянной смены полей зрения, резких световых и цветовых контрастов, сильной освещенности, слепящих поверхностей и др. Для уменьшения утомления зрительного аппарата лиц, работающих с дисплеями (как и в нашем случае), должны учитываться яркость фонового свечения экрана и высвечивания информации, частота мельканий изображений, ширина линий, контрастность изображения. При этом важны форма, размеры, окраска клавиатуры, дисплея, расположение отдельных клавиш, усилия, при которых они срабатывают, рабочие сиденья. По своему желанию операторы должны иметь возможность изменять наклон своего корпуса, высоту пульта клавиатуры и экрана, расстояние от экрана до края стола, наклон экрана. Кресло оператора должно иметь высокую спинку, наклон которой мог бы меняться.

В профилактике зрительного утомления и перенапряжения особую значимость имеет рациональный режим труда и отдыха, включающий регламентацию продолжительности рабочего дня, введение регламентированных перерывов, сеансов релаксации, выполнение специальных упражнений для глаз, соблюдение рекомендаций по организации активного отдыха.

Эмоциональные нагрузки

У современных работников при решении производственно важных задач происходит тесное переплетение интеллектуальной деятельности. Труд в настоящее время не сводится лишь к умственной деятельности, он часто связан с эмоциональными напряжениями: достижением поставленной цели, преодолением затруднительных ситуаций и с социально-производственными факторами риска.

Факторы риска можно условно разделить на биолого-психологические и социально-производственные.

Из психологических факторов имеет значение резкая выраженность тех или иных черт характера.

К факторам социально-производственной природы относятся: социальные перемены, значимые жизненные трудности, эмоциональное длительное напряжение и хроническая усталость, снижение интереса к работе, сменный характер работы, невыполнение плана, частая смена рабочего стереотипа, ночные смены, недостаток свободного времени , отсутствие трудовых навыков и другие.

Для предупреждения хронического эмоционального стресса можно дать следующие рекомендации:

· необходимо совершенствовать свои знания и квалификацию (зачастую неполадки в работе и в быту возникают по незнанию или неопытности);

· необходима умеренная и постоянная производственная нагрузка (нервное напряжение возникает чаще у тех, кто берется за несколько дел одновременно);

· правильное трудовое, психогигиеническое, эстетическое и этическое воспитание в значительной степени предупреждает вероятность возникновения стрессовых ситуаций;

· необходимо разнообразить свой отдых, способы проведения досуга, отпусков;

· наиболее часты и вредны стрессы, возникающие по незначительным обстоятельствам, поэтому надо избегать неоправданных стрессовых волнений, реально оценивать происходящее.

Монотонность нагрузок

В нашем случае монотонность работы заключается в том, что оператор ЭВМ проводит продолжительное время наблюдая за ходом процесса, а время активных действий мало по сравнению со всем временем рабочей смены. В развитии состояния монотонии определенное значение имеет количество объектов наблюдения, из которых поступают или могут поступать информационно значимые сообщения, а также размеры зон наблюдения.

Влияние на человека одной и той же степени монотонного труда оказывается различным в зависимости от других особенностей трудового процесса. Одни из них способствуют развитию состояния монотонии, другие наоборот предотвращают или отдаляют его появление. Помимо физиологических изменений, монотонный труд приводит к изменениям, характеризующим психологический статус работающего, его субъективные ощущения и переживания.

Наиболее типичными из них являются ощущения скуки, апатии, сонливости, рассеянности внимания, раздражительности, неудовлетворенности трудом.

Специфика монотонной работы приводит к тому, что около 50-60% работающих недовольны своей работой. Для избежания этого негативного влияния необходимо разнообразить отдых работающих, регламентировать перерывы, в общем проводить мероприятия как и для снижения эмоциональных нагрузок.

Режим работы

Для избежание излишних эмоциональных и монотонных нагрузок в режиме работы должны быть предусмотрены регламентированные перерывы. К примеру, каждый час работы оператор должен делать десятиминутный перерыв (в том числе и для того, чтобы “отдохнули” глаза). После каждых двух часов работы можно делать получасовой перерыв. Также необходимо разнообразить отдых после работы.

4.4 Экологичность работы

Основным вредным фактором при эксплуатации нашей разработки является воздействие различных характеристик ЭВМ. В их число входят в частности шумовые и излучательные характеристики ЭВМ.

Одним из главных источников неблагоприятного воздействия персонального компьютера является излучение дисплея. Ниже представлены излучательные характеристики мониторов:

· электромагнитное поле монитора в диапазоне частот 20Гц-1000Мгц;

· статический электрический заряд на экране монитора;

· ультрафиолетовое излучение в диапазоне 200нм-400нм;

· инфракрасное излучение в диапазоне 1050нм-1мм;

Для устранения отдельных видов электромагнитных излучений, исходящих от работающего компьютера применяются различные средства. Так, для того, чтобы минимизировать статическое, электромагнитное излучения монитора используются защитные экраны или мониторы со стандартом безопасности ТСО'95, ТСО'99.

В настоящее время весьма эффективным решением является использование жидкокристаллических дисплеев. Электромагнитные поля у них значительно слабее, чем у обычных мониторов.

Возмущения, создаваемые компьютером в электрической сети гасятся при помощи установки сетевых фильтров. Кабельные системы желательно тщательно экранировать и размещать подальше от людей.

Также компьютер является источником звуковых шумов (всевозможные печатающие устройства, клавиатура, системы охлаждения, а также различные дисковые накопители). Для устранения этих помех следует применять малошумные компьютерные подсистемы, заменять шумные (щёлкающие) клавиатуры на новые бесшумные модификации, матричные и струйные принтеры следует также заменять на более тихие лазерные.

В настоящее время существуют стандарты энергосбережения (например, Energy Star), которые позволяют в ряде случаев экономить достаточно большое количество электроэнергии. Такому стандарту соответствуют все выпускаемые последние несколько лет компьютеры и комплектующие к ним. Стандарт подразумевает, что компьютер и/или дисплей после определённого периода, в течении, которого к нему нет обращения, должен за один или несколько этапов уменьшить потребление питания до низкого уровня (перейти в “спящий” режим Sleep/Stand by mode).

5. Экономическое обоснование работы

5.1 Расчет затрат на разроботку

Для получения готового алгоритма необходимо произвести обзор литературы, выбрать метод для построения алгоритма, разработать алгоритм, провести исследования с применением разработанного алгоритма исходя из чего составим смету на техническую подготовку производства таблица 5.1.

Таблица 5.1

Основные этапы разработки

Этап разработки	Исполнители	Трудоемкостьчас	Часовая ставка руб./час	Стоимость, руб.
Разработка ТЗ, подготовка исходных данных	Доцент	5	12,88	64,4
Изучение проблемы, обзор литературы	Инженер	50	9,52	476
Выбор метода	Инженер	12	9,52	114,24
Программирование алгоритма при помощи ЭВМ	Инженер	50	9,52	476
Анализ результатов экспериментального исследования	Инженер	12	9,52	114,24
Оформление ПЗ	Инженер	29	9,52	276,08
Итого	-	158	-	1550,96

Полные затраты на техническую подготовку производства складываются из основной заработной платы, дополнительной заработной платы, отчислений на социальные нужды и накладных расходов.

Дополнительная зарплата составляет 20% к основной, т.е.

П_доп = 310,2 руб.



Отчисления на социальное и другие- виды страхования - составляют: 35.6% и равняются 552,14 рублей.

Накладные расходы - 200% от основной заработной платы разработчиков и равняются 3101,92 рубля.

Материальные затраты - слагаются из количества часов использования электрооборудования (ЭВМ, измерительные приборы), имеем 109 часов работы оборудования тарифная ставка 15 руб./час: 109 ^. 15 = 1635 рублей.

Таблица 5.2

Наименование калькуляционной статьи	Формула	Сумма, Руб.
1. Основная зарплата	Табл.1	1550,96
2. Дополнительная зарплата	20% от п.3	310,2
3. Единый соц. налог	35,6% от (п.1 + п.2)	552,14
4. Накладные расходы	200% от п.3	3101,92
5. Материальные затраты		1635
Итого	п.1+п.2+п.3+ п.4+ п.5	7150,22

Таким образом полные затраты на техническую подготовку производства складываются из основной заработной платы, дополнительной заработной платы, отчислений на социальные нужды и расходов на сырье и материалы составляют: 7150 рублей 22 копейки.

Вывод: произведенные расчеты определили полные затраты на разработку алгоритма выделения огибающей. Были определены суммы для оплаты квалифицированного труда профессорско-инженерного состава, что составило 1550 рублей 96 копеек, и полного расхода денежных средств на разработку - 7150 рубля 22 копейки.



Заключение

В дипломной работе на академическую степень “бакалавра” был разработан и смоделирован алгоритм выделения огибающей сложных периодических сигналов. Разработанный алгоритм позволяет получать первичные признаки различных звуков. Он является варьируемым, т.е. легко перестраивается под различные сигналы и цели исследования.

Полученные результаты могут быть использованы в системах идентификации и верификации звуков.

Сделан анализ безопасности разработки при её эксплуатации, с указанием возможных опасных факторов.

Приведены экономические параметры работы, определены полные затраты на разработку.

Список используемой литературы

1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Советское радио,1977

2. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшю школа, 1983

3. Проэктирование и технология электронных средств №1, 2004

4. Рабинер Л.Р., Шафер Р.В. Цифровая обработка речевых сигналов /Пер. с англ.; Под ред. М.В. Назарова, Ю.Н. Прохорова. М.: Радио и связь, 1981

5. Левин К.Е., Никитин О.Р. Моделирование устройств обработки речевых сигналов. Сборник научных трудов «Методы и устройства».

6.Сорокин В.Н. Теория речеобразования. М.: Радио и связь, 1985

7. Галунов В.И., Гарбарук В.И. Акустическая теория речеобразования и система фонетических признаков. Материалы международной конференции: 100 лет экспериментальной фонетики. СПб., 2001

8. Галунов В.И., Уваров В.К. Ещё раз о механизме голосообразования. XI сессия Российского акустического общества. М., 2001

9. Морозов В.П. Особенности спектра вокальных гласных. В кн.: “Механизмы речеобразования и восприятия сложных звуков”. М.-Л.: Наука, 1966

Размещено на Allbest.ru