Анализатор информационных признаков речевых сигналов. Блок выделения огибающей речевого сигнала

Произведем системный анализ безопасности и надежности при эксплуатации проектируемого блока. Целью системного анализа является выяснение всех возможных отказов и несрабатываний данного блока при его эксплуатации.

Рассмотрим подробно все возможные отказы в работе проектируемого блока. В качестве головного события, происхождение которого наиболее нежелательно, выбираем неработоспособность данного блока. Блок будем считать не функционирующим если сигнал на выходе блока отсутствует полностью, либо если сигнал есть, но он не соответствует заданным техническим характеристикам. В первом случае, отсутствие сигнала на выходе блока может быть вызвано несколькими причинами. Среди этих причин могут быть как выход из строя одного из предыдущих блоков (микрофон, АЦП., блок питания), так и брак при изготовлении устройства или повреждения при эксплуатации. В свою очередь повреждения при эксплуатации могут быть как механическими, появившимися, например, в результате падения устройства, удара об некоторое инородное тело, вибраций и т.п., что может привести к разрыву контактов и соединений, повреждению микросхем , так и возникшими в результате попадания жидкостей, что может привести к короткому замыканию. Во втором случае, выходной сигнал будет не соответствовать заданным техническим характеристикам, если на вход блока поступает уже искаженный сигнал или же полезный сигнал на входе полностью отсутствует, либо произошли сбои в работе блока или, что самое худшее, были допущены ошибки при проектировании. Искажения входного сигнала могут возникнуть из-за неисправности микрофона или АЦП. Сбои в работе блока могут быть вызваны в результате перебоев с питанием или неисправностью в умножителе, сумматоре или линии задержки. Неисправность в сумматоре, умножителе или линии задержки возникает в результате выхода из строя одной или сразу нескольких микросхем. Выход узлов из строя может быть вызван заводским браком используемых изделий, старением элементной базы, неправильными условиями эксплуатации, скачками напряжения питания и т.д. Также работоспособность устройства зависит от качества монтажа при изготовлении. Если монтаж выполнялся не в соответствии со стандартом или с использованием некачественного припоя или флюса, то он будет недолговечным. При нарушении монтажных соединений блок становится неработоспособным. Эффективной процедурой выявления причин возможных отказов в работе анализируемого устройства является построение «деревьев причин отказов». Все возможные неисправности блока и причины, вызывающие их появление, представляются в виде схемотического изображения, показывающего причинно-следственную связь между возможными событиями. Это схемотическое изображение строится по определенным правилам с использованием специальных логических символов и носит название «дерево причин отказов». Построение дерева произведем по методике, изложенной в /26/. «Дерево причин отказов» для проектируемого блока построено на рисунке в разделе Приложение Г.

7.2 Мероприятия по повышению безопасности и надежности блока выделения огибающей речевого сигнала

Чтобы понять, какие мероприятия необходимо применять для повышения надежности и безопасности проектируемого блока, надо обратиться к «дереву причин отказов», построенному в подразделе 7.1. Анализируя все возможные виды отказов и несрабатываний, а также причины их появления, видим, что часть отказов может быть вызвана плохим монтажем элементной базы и соединений. Для предотвращения отказов такого рода необходимо проводить монтажные работы в соответствии со стандартами, с использованием качественных материалов. Большая часть отказов приходится на элементную базу. Для устранения отказов необходимо при изготовлении устройства производить четкий отбор и проверку используемых узлов на работоспособность, внимательно осуществлять соединение и подключение узлов устройства. Часть отказов происходит из-за сбоев, скачков или пониженного напряжения питания. Для обеспечения стабильного напряжения питания необходимо предъявлять повышенные требования к блоку питания устройства. Блок питания должен обеспечивать необходимое значение напряжения питания с достаточной фильтрацией от помех сети и стабилизацией. Для защиты устройства от скачков напряжения питания сети необходимо применять защитные устройства, отключающие устройство от сети в момент скачка. В качестве таких устройств могут применяться плавкие, либо автоматические предохранители.

Следует учесть, что безопасность и надежность проектируемого устройства также зависит от условий его эксплуатации. При несоблюдении установленных правил эксплуатации, таких, например, как использование в непредусмотренных изготовителем климатических условиях: повышенная или пониженная температура окружающей среды, повышенная влажность и т.п., сокращается срок службы устройства и повышается вероятность выхода его из строя. Также при эксплуатации недопустимыми являются механические нагрузки (удары, падения, вибрации) и контакты устройства с жидкостями. Все эти факты говорят о жестких требованиях к соблюдению правил эксплуатации данного блока. Тем не менее для эксплуатации устройства не требуется специальная подготовка персонала. Устройство рассчитано на массового потребителя.

7.3 Пожаробезопасность блока выделения огибающей речевого сигнала

Целью данного подраздела является выяснение, может ли проектируемый блок быть источником пожаров или взрывов. Данный блок относится к электротехническим устройствам. При изготовлении электронных приборов применяются пожароопасные изоляционные материалы: лаки, краски, эмали. После монтажа печатной платы ее поверхность покрывается лаком, для защиты контактов от влаги и пыли. Краски и эмали применяются при маркировке и покраске. Такие изоляционные материалы нетеплостойки. При нарушении температурного режима работы устройства возможно разложение этих материалов и выделение различных горючих веществ. Поэтому в целях пожаробезопасности предпочтительно применение несгораемых материалов (например, политетрафторэтилена, обладающего значительной тепло- и огнестойкостью и высокими изоляционными качествами). В электронных приборах следует предотвращать нагрев и излучение тепла деталями из легковоспламеняющихся материалов, а также их воспламенение, возгорание трансформаторов, сопротивлений и дросселей вследствие недопустимого возрастания тока; нарушение изоляции соединительных проводов, пробой конденсаторов, короткое замыкание и возникновение электрической дуги; местные перегревы и искрения.

Короткие замыкания в электронной аппаратуре возникают при ее неправильном устройстве или эксплуатации, старении или повреждении изоляции. Ток короткого замыкания зависит от мощности источника тока, расстояние от источника тока до места замыкания и вида замыкания. Большие токи короткого замыкания вызывают искрения и разогревание токоведущих частей до высокой температуры, что влечет за собой воспламенение изоляции проводов и находящихся рядом сгораемых конструкций и материалов.

Выбор конструкции электронной аппаратуры, а также материалов, из которых она изготовлена, выбор сечения и изоляции проводов зависит от степени пожароопасности окружающей среды, режима работы и возможных перегрузок.

Одной из основных мер предотвращения пожаров в РЭА является правильный выбор аппаратуры защиты. Наиболее часто при токовых перегрузках в электросетях применяются плавкие предохранители и воздушные автоматические переключатели. В предохранителях находятся плавкие вставки, которые при значениях тока в цепи выше предельнодопустимого расплавляются и отключают потребителя от источника электроснабжения. Автоматические выключатели размыкают электрическую цепь в случае короткого замыкания или перегрузки сети с помощью электромагнитных, тепловых или комбинированных расцепителей. Поскольку плавкие предохранители и автоматические выключатели могут быть источниками искрообразования, их следует помещать в закрываемые места из несгораемых материалов.

Все вышеперечисленные причины возникновения пожаров справедливы для проектируемого устройства, поэтому при его изготовлении следует учитывать все меры предосторожности при выборе изоляционных материалов и покрытий, а также обязательно применять предохранители от токовых перегрузок в электросетях.

7.4 Защита окружающей природной среды при изготовлении, эксплуатации и утилизации блока

На этапе производства загрязнения окружающей среды происходит в основном при монтаже устройства. В процессе пайки происходит выделение токсичных веществ в атмосферу, поэтому для защиты рабочего персонала необходимо обеспечить вентиляцию помещения. Основным токсичным веществом, выделяемым при пайке, являются пары свинца. Для очистки воздуха применяются улавливающие волокнистые фильтры типа ФВГ, которые доводят содержание паров свинца в воздухе до минимальной ПДК. Твердые отходы (обрезки пластмасс, оргстекло, остатки лакокрасочных материалов и др.), появляющиеся в процессе работы, собираются в специальные контейнеры и отправляются в утилизацию. Для предотвращения загрязнения окружающей среды и для уменьшения отходов производства является использование малоотходных и безотходных технологий. Защита гидросферы от вредных веществ (хлорное железо и др.), образуемых в результате рабочего процесса, обеспечивается очисткой сточных вод.

При эксплуатации данное устройство не оказывает никакого вредного воздействия на природную среду, естественно, если оно работает в нормальном режиме и не происходит никаких экстренных ситуаций (возгорание из-за короткого замыкания или искрения и т.п.). Также следует отметить, что материалы, применяемые при изготовлении устройства должны быть нетоксичными, не выделяющими токсичных веществ, вредящих здоровью пользователя.

Процесс утилизации должен проходить по всем предусмотренным правилам. Отработавшие свой срок службы узлы устройства подвергаются переплавке или какой-либо другой переработке для защиты окружающей среды от загрязнения.

8. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

8.1 Алгоритм проведения экспериментального моделирования

В ходе выполнения дипломного проекта было проведено экспериментальное моделирование работы отдельных блоков анализатора информационных признаков речевых сигналов для подтверждения правильности методов, заложенных в его основу, и наглядной демонстрации его работоспособности.

Экспериментальные исследования проводились в следующем порядке. Речевой сигнал в виде отдельных фонем или слов вводился с помощью микрофона CPT2-GX в ЭВМ типа IBM PC. В ЭВМ сигнал обрабатывался с помощью 16-ти битной звуковой карты. Запись речевого сигнала в ЭВМ производилась в звуковом редакторе «Cool». В нем же формировался файл данных, содержащий дискретизированные отсчеты речевого сигнала. Частота дискретизации устанавливалась равной 8 кГц. Сформированный файл данных хранился в памяти под присвоенным ему именем с расширением dat или txt. В качестве исследуемого речевого сигнала в ЭВМ записывались отдельные фонемы, соответствующие буквам русского языка, и изолированные слова речи. Уровень внешних акустических помех и шумов при записи был незначителен. Алгоритм проведения экспериментального моделирования показан на рисунке 11.

Моделирование работы анализатора информационных признаков речевых сигналов проводилось с помощью программного пакета «Mathcad Professional 7.0». В данном программном пакете была написана программа, моделирующая работу отдельных блоков проектируемого устройства. Программа работает по следующему алгоритму. С помощью функции READPRN считываются входные данные, представляющие собой массив дискретизированных чисел. На рисунке 12 в качестве примера изображен график реализации речевого сигнала, построенный для слова «абракадабра». В ходе проведения экспериментального

Рисунок 11 - Блок-схема алгоритма проведения экспериментального моделирования

моделирования осуществляется спектральный анализ поступающего речевого сигнала и его огибающей. Для этого необходимо провести быстрое преобразование Фурье (БПФ). В программном пакете Mathcad специально предусмотрена функция fft, выполняющая быстрое преобразование Фурье. Однако эту функцию можно применять только в том случае, если количество отсчетов сигнала N равно , где n - любое целое положительное число. Поэтому в первую оче-

Рисунок 12 - График реализации речевого сигнала, поступившего на анализ

редь определяется число отсчетов сигнала и проверяется, является ли оно равным . Если нет, то программой предусмотрено нахождение ближайшего к N большего числа, равного . Далее создается массив чисел, в котором N значений отсчетов соответствуют значениям отсчетов сигнала, а остальные отсчеты принимаются равными нулю. Выделение квадратурных составляющих сигнала происходит в соответствии с пунктом 2.2 дипломного проекта. Эти составляющие нормируются, после чего определяется корень квадратный из суммы квадратов квадратурных составляющих. График огибающей для слова «абракадабра» представлен на рисунке 13. Получившаяся огибающая речевого сигнала и сам сигнал подвергаются быстрому преобразованию Фурье.

Рисунок 13 - График огибающей речевого сигнала, поступившего на анализ

Блок-схема алгоритма работы программы представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Блок-схема алгоритма работы программы

8.2 Результаты моделирования

В первую очередь необходимо было промоделировать работу блока выделения огибающей речевого сигнала. Чтобы убедиться в правильности получаемых результатов, на блок подавался тестовый сигнал. В качестве тестового сигнала послужило синусоидальное гармоническое колебание, представленное на рисунке 15.

Рисунок 15 - Тестовый сигнал

Этот сигнал подвергся дальнейшей обработке. В результате были получены квадратурные составляющие сигнала si и s1i, представленные на рисунке 16.

Рисунок 16 - Квадратурные составляющие сигнала

Из рисунка 16 видно, что фазовый сдвиг между квадратурными составляющими составляет 90 градусов. Это означает, что функция si является сопряженной по Гильберту функции s1i, то есть устройство работоспособно.

Вторым шагом было необходимо проверить правильно ли осуществляется с помощью функции fft быстрое преобразование Фурье. В качестве тестового сигнала на обработку поступал прямоугольный импульс различной длительности. Как известно из теории спектр прямоугольного импульса представляет собой функцию . Тестовый сигнал gk и его спектр представлены на рисунке 17.

Рисунок 17 - Тестовый сигнал и его спектр

После проверки работоспособности программы были проведены экспериментальные исследования по обработке речевого сигнала. В качестве исследуемого сигнала брались звуки, соответствующие буквам русского алфавита, и отдельные изолированные слова речи. Слова и звуки произносились разными людьми. В с помощью преобразования Гильберта были получены графики огибающей речевого сигнала. Графики спектров сигнала и его огибающей были получены в результате проведения БПФ. Результаты проведенных экспериментов приведены в приложении .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы над дипломным проектом был произведен обзор литературы с целью поиска существующих методов анализа речи. Также был проведен патентный поиск устройств, осуществляющих выделение признаков речевых сигналов. Оказалось, что предложенный метод анализа речевых сигналов, базирующийся на обработке сигналов во временной области, на сегодняшний день не имеет аналогов. Особенностью предложенного метода является представление модели речевого сигнала не в аддитивной форме, как в методах спектрального анализа, а в мультипликативной. Это объясняет использование ряда Тейлора при разложении полной фазовой функции речевого сигнала на компоненты, а не ряда Фурье. Характерной особенностью данного метода является выделение скорости изменения частоты речевого сигнала как информативного параметра. Ранее ни в одном методе анализа речи этого не проводилось. Также впервые была получена огибающая речевого сигнала и проведен ее спектральный анализ. В дипломном проекте был обоснован выбор структурной схемы блока выделения огибающей речевого сигнала, являющегося частью анализатора информационных признаков речевых сигналов. Были разработаны функциональная и принципиальная схемы блока выделения огибающей. На основе результатов расчета была разработана конструкция печатной платы проектируемого блока. Для подтверждения работоспособности предложенного метода проводилось моделирование работы устройства на ЭВМ. Полученные результаты показали возможность использования выделяемых параметров речевых сигналов для распознавания речи. В дипломном проекте было проведено экономическое обоснование целесообразности разработки и рассмотрены вопросы безопасности и экологичности спроектированного устройства.

Параметры спроектированного блока полностью удовлетворяют требованиям ТЗ.

ЛИТЕРАТУРА

Искусственный интеллект. Системы общения и экспертные системы. Кн. 1 / Под ред. Э.В.Попова. - М.: Радио и связь, 1990. - 461 с.

Оппенгейм А.В., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов, М.: Радио и связь, 1979 ., 347 с.

Рабинер Л.Р. Шафер Р.В. Цифровая обработка речевых сигналов, М.: Радио и связь, 1981 ., 258 с.

Литюк В.И. Методическое пособие № 2231 часть 3 «Методы расчета и проектирование цифровых многопроцессорных устройств обработки радиосигналов», Таганрог, 1995, 48 с.

Кузнецов В., Отт А. Автоматический синтез речи. - Таллинн: Валгус, 1989. - 135 с.

Методы автоматического распознавания речи / Под ред. У.Ли. - М.: Мир, 1983. - 716 с.

Сапожков М.А. Речевой сигнал в кибернетике и связи. - М.: Связьиздат, 1963. - 452 с.

Сапожков М.А. Электроакустика. - М.: Связь, 1978. - 272 с.

Сапожков М.А., Михайлов В.Г. Вокодерная связь. - М.: Радио и связь, 1983. - 247 с.

Ахманова О.С. Словарь лингвистических терминов. - М.: Изд. Советская энциклопедия, 1969. - 607 с.

Блохина Л.П., Потапова Р.К. О значимости просодических характеристик в структуре интонационного инварианта. / Сб. научных трудов, МГПИИЯ. 1974.

Бондарко Л.В. Звуковой строй современного русского языка. - М.: Просвещение, 1977. - 175 с.

Брызгунова Е.А. Вводный фонетико-разговорный курс русского языка. - М.: Русский язык, 1982 - 158 с.

Зиндер Л.Р. Общая фонетика. - М.: Высшая школа, 1979. - 312 с.

Златоустова Л.В., Потапова Р.К., Трунин-Донской В.Н. Общая и прикладная фонетика. М.: МГУ, 1986. - 304 с.

Использование ЭВМ в лингвистических исследованиях / Т.А.Грязухина, Н.Д.Дарчук, Р.Ф.Клименко и др.; Отв. ред. В.И.Перебейнос. - Киев: Наукова думка, 1990. - 228 с.

Линдсей П., Нордман Д. Переработка информации у человека. - М.: Мир, 1974. - 550 с.

Матусевич М.И. Современный русский язык. Фонетика. - М.: Просвещение, 1976. - 288 с.

Потапова Р.К. Речевое управление роботом. - М.: Радио и связь, 1989. - 248 с.

Потапова Р.К. Введение в лингвокибернетику. - М.: МГИИЯ, 1990. - 140 с.

Abe Y., Nakajima K. Speech Recognition using Dynamic Transformation of Phoneme Templates Depending on Acoustic-phonemic Environments // ICASSP. - 1989. - P.326-329.

Allen C.D. The location of Rhythmic Stress Beats in English: An Experimental Study I and II // Language and Speech, 15 and 16. - 1972. - P.72-100. - P.179-195.

Bergh A.F., Soong F.K., Rabiner C.R. Incorporation of Temporal Structure into a Vector-Quantization. Based Preprocessor for Speaker Independent Isolated-Word Recognition // AT&T Technical Journal. - 1985. - Vol.64. N№5. - P.1047-1063.

Bernstein J., Pisoni D.B. Unlimited Text-to-speech System: Description and Evaluation of a Microprocessor based System // Proc. ICASSP-80. - 1980. - P.576-579.

Бакаева Т.Н. Системный анализ безопасности: Методическая разработка к самостоятельной работе по курсу «Безопасность жизнедеятельности». Таганрог: ТРТУ, 1995, 18 с.

Бакаева Т.Н. Безопасность жизнедеятельности. Часть 2: Безопасность в условиях производства: Учебное пособие. Таганрог: ТРТУ, 1997, 318 с.

Фрумкин Г.А. «Расчет и конструирование РЭА», Москва: Высшая школа, 1997, 289 с.

Размещено на Allbest.ru