МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНРИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТЕ
ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
КАФЕДРА ОРТЗИ
КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ПРЕДМЕТУ: СЕТИ И СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ
Тема: Разработка анализатора спектра речи.
Выполнил:
студент группы БИ-4-2
Зыков Антон В.
Проверил:
Проф. Сурков Д.М.
___________________
(Дата, подпись)
Москва 2006
Содержание.
АНАЛИЗ СПЕКТРА СИГНАЛОВ
1 Общие сведения..................................................................................................
2 Измерение спектральной плотности импульсных напряжений………..
3 Спектр речи…………………………………………………………………….
4 Распределение формантных частот…………………………………………
5Спектральный анализ…………………………………………………………
6 Дискретное преобразование Фурье…………………………………………
7 Разборчивость речи……………………………………………………………
8 Разборчивость и ее мера………………………………………………………
9 Блок-схема анализатора спектра…………………………………………….
10 Схема анализатора спектра мощности……………………………………..
11 Чем анализировать спектр..............................................................................
12 Литература.
Общие сведения
Основная задача экспериментального анализа спектра сигналов— определение амплитуд и частот его гармонических составляющих. Кроме того, в системах связи анализ спектра сигнала необходим для выявления паразитной модуляции; при помощи панорамных анализаторов спектра можно найти детерминированную помеху, наблюдать спектр многочастотных сигналов в групповых и линейных трактах систем уплотнения. Особенностью методов измерений спектра является необходимость определения большого числа гармонических составляющих, которое' при исследовании непериодических сигналов стремится к бесконечности. При этом линейчатый спектр вырождается в сплошной.
Спектральная функция- сигнала f (t) определяется известным выражением
В реальных условиях функция S(iω) измеряется в течение конечного времени Т, поэтому измеряемый спектр в общем случае является функцией не только частоты, но и времени измерения:
Функция ST(iω) называется текущим спектром сигнала. Она имеет большое значение при разработке методики измерения, в частности для определения времени измерения.
Текущий спектр ST(iω) связан с функцией спектральной плотности мощности G(ω) следующим соотношением:
Для конечного интервала времени измерения Т получим так называемый статистический или энергетический спектр
Gт (ω) = |ST(iω) |2/π*T:
Измерение спектральной плотности импульсных напряжений
• Спектральная плотность импульсных напряжений измеряется с помощью анализаторов гармоник и спектра. Анализаторы гармоник предназначаются для измерения амплитуд и частот отдельных гармонических составляющих периодических несинусоидальных сигналов, когда спектр исследуемого сигнала имеет линейчатый характер и. относительный интервал между соседними составляющими .достаточно велик по сравнению с полосой расфильтровки. В зависимости от способа выделения гармоник различают анализаторы 'гармоник с резонансными и избирательными контурами и гетеродинпые. Наиболее широкое распространение получили гетеродинные анализаторы, принцип работы которых аналогичен принципу работы селективных вольтметров или избирательных измерителей уровня. Гетеродинные анализаторы отличаются тщательно отградуированной шкалой гетеродина, обеспечивающей заданную погрешность определения частоты измеряемой гармонии, обычно - ±(10-6 ÷10-3) , и высокой, избирательностью.
Анализаторы спектра предназначаются для визуального наблюдения спектра исследуемых сигналов. Эти приборы различаются поспособу проведения анализа — последовательного, одновременного и смешанного действия; по схемному решению —одноканальные и-многоканальные; по типу индикаторного устройства осциллографические и с самописцем; по диапазону частот — низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, широкодиапазонные} по способу предварительной обработки исследуемых сигналов — с непосредственным введением сигнала, с предварительной записью сигнала на магнитной ленте, со сжатием сигнала во времени,
с накоплением сигнала по амплитуде, с использованием дисперсионных линий задержки. Чаще других при измерениях пользуются анализаторами с последовательным и одновременным анализом.
Анализаторы спектра с последовательным анализом. Анализаторы последовательного действия содержат или перестраивающийся фильтр (рис. 6.34а) или перестраивающийся гетеродин (рис. 1.1б). В первом случае исследуемое напряжение через входное устройство поступает на перестраивающийся узкополосный фильтр, настройка которого изменяется, проходя после-
Рис. 1.1. Структурные схемы анализатора спектра последовательного действия: а) с перестраивающимся фильтром, б) с гетеродином
довательно весь исследуемый спектр частот. Выходное напряжение фильтра после детектирования фиксируется регистрирующим устройством, чаще всего самописцем. В качестве перестраивающихся фильтров обычно применяются двойные Т-образные LС-мосты включенные в - цепь отрицательной обратной связи усилителя (рис. 1.2). Добротность такого фильтра определяется выражением Q = [(1+K)/2]QRC (QRC ≈ 0,5 — добротность двойного Т-образного LС-моста; К — коэффициент усиления усилителя без отрицательной обратной связи).
Относительная ширина полосы пропускания фильтра 2∆f/f = 1/Q. ,
Рис. 1.2. Схема перестраивающегося фильтра Рис. 1.2. К определению функции спектральной плотно
Перестойка частоты f фильтра осуществляется плавным изменением ёмкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов. Часто. для этой цели используется двигатель, который одновременно перемещает ленту самописца. На выходе фильтра получаются составляющие спектра (f—∆f)÷(f+∆f), которые по мере изменения -резонансной частоты/ фильтра будут проходить рабочий диапазон измеряемого спектра (рис. 6.36). В результате детектирования в квадратичном детекторе выходное напряжение перестраивающегося фильтра преобразуется в видеоимпульс, напряжение которого пропорционально средней мощности Р∆ соответствующего участка спектра в полосе частот 2∆ƒ; усреднение производится в магнито-электрическом приборе самописца:
Если полоса 2∆ω достаточно узка, чтобы спектральную плотность мощности GT(ω) можно было полагать в ней постоянной, справедливо равенство
или /.
Значение 2∆ƒ определяется разрешающей способностью анализатора, равной минимальному расстоянию по оси частот между двумя составляющими спектра, при которой можно выделить отдельные 'линии спектра и измерить с заданной погрешностью их
уровни.
В СВЧ. диапазоне в качестве перестраивающихся фильтров используются высокодобротные резонаторы, обычно перестраиваемые вручную. Основным недостатком подобных приборов является сравнительно низкая разрешающая способность из-за невысокой добротности фильтров.
Анализаторы с перестраивающимися гетеродинами (см. рис.1.1б) позволяют получить высокую разрешающую способность'
за счет применения высокодобротных резонаторов, обычно кварцевых фильтров, настроенных на постоянную промежуточную частоту /то, выбираемую достаточно низкой; поэтому применяется двойное и даже тройное преобразование частоты.
Принцип работы подобных анализаторов нетрудно уяснить, рассматривая их обобщенную структурную схему (см. рис. 1.16).Пусть гетеродин имеет диапазон рабочих частот от tг.мин до tгмакс, резонатор и усилитель промежуточной частоты УПЧ настроены на частоту fпр и необходимо определить спектральную мощность входного сигнала на частотах гармонических составляющих ƒ1,ƒ2,…..ƒv,….. ƒn.
По мере перестройки частоты гетеродина -разность между его текущей частотой /г< и частотой v-й составляющей спектра в некоторый момент окажется равной fпр±∆f; при этом получится следующее соотношение частот гетеродина и v-й гармоники:
(1.4)
После квадратичного детектора сигнал поступает на регистрирующее устройство, показания которого пропорциональны Р∆v • В качестве примера анализатора с гетеродинным преобразованием 'рассмотрим структурную схему панорамного анализатора,(рис.1.4а).
Рис. 1.4. Структурные схемы анализаторов: а) последовательного действия с осциллографическим индикатором, б) одновременного действия
Исследуемый периодический сигнал сложной формы поступает через входное устройство на смеситель, к которому подводится напряжение генератора качающейся частоты ГКЧ. Линейное изменение частоты во времени осуществляется модуляцией сигналов ГКЧ напряжением генератора развертки. Вследствие этого отклонение электронного луча по горизонтали пропорционально изменению частоты ГКЧ и горизонтальная ось масштабной сетки является осью частот. На выходе смесителя образуются напряжения комбинационных частот. Составляющие спектра, частоты которых лежат в полосе пропускания усилителя промежуточной частоты fпр±∆f, усиливаются и после детектирования, и усиления подаются на вертикально отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Таким образом, отклонение луча в вертикальном направлении пропорционально мощности определенной узкой полосы спектра исследуемо сигнала (f—∆f)+(ƒ+∆ƒ) и удовлетворяет неравенству, аналогичному (6.37):
(1.5).
где fгкч = fо+a*t — мгновенная частота генератора качающейся частоты.
В некоторых анализаторах спектра применяются логарифмические усилители, которые дают возможность наблюдать составляющие спектра с большим отношением амплитуд— 100:1 или 1000:1; В этих приборах обычно имеются переключатели для перевода из логарифмического режима усиления в линейный. В логарифмическом режиме проводится общая оценка спектра, а линейный режим используется для детального анализа выбранного участка частотного 'спектра. В анализаторах спектра применяются трубки с послесвечением.
Калибратор (рис.1.5) служит для создания частотных меток на экране. При включении калибратора на экране анализатора, кроме 'линий исследуемого спектра, появляются линии составляющих спектра, калибратора, частота которых известна. В результате на " оси частот получают опорные точки известной частоты, что позволяет уточнить масштаб оси частот.
Основным недостатком анализаторов последовательного действия является большая продолжительность анализа. Например, для получения n спектральных линий периодического напряжения минимальное время анализа должно быть равно nТ, где Т — период исследуемого напряжения. При непосредственном введении исследуемого напряжения эти приборы можно использовать для анализа спектра периодических, в том числе и редко повторяющихся, сигналов (радиоимпульсов или видеоимпульсов) когда время анализа особого значения не имеет.
Спектры одиночных импульсов можно измерять анализатором последовательного действия при их 'предварительной неискажающей записи. В этом случае появляется возможность неоднократного повторения анализа,
Выпускаемые промышленностью анализаторы последовательного действия работают .в диапазоне от инфранизких до сверхвысоких частот. Порог чувствительности низкочастотных приборов находится в пределах 10~4—10-3 В, а сверхвысокочастотных—в пределах 10-7-10-12 Вт. Погрешность измерения по амплитуде составляет ± (5-10) %, по частоте — ± (2-3) %.
Анализаторы с одновременным анализом. Эти анализаторы позволяют осуществить одновременный анализ спектра исследуемого сигнала, т. е. их можно использовать для непосредственного измерения спектров одиночных импульсов и статистических процессов. Исследуемый сигнал после входного устройства (рис.6.376) одновременно подается на n резонаторов, каждый из которых выделяет узкую полосу частот. После детектирования
действующие значения составляющих через коммутирующее устройство попадают на электроннолучевую трубку или самописец. Анализаторы подобного типа предназначаются для работы в области низких частот, обычно не свыше 100кГц.
Типы применяемых резонаторов зависят от частотного диапазона прибора. Для инфранизких и низких частот используются избирательные LС-цепи, для более высоких — LС-цепи или электромеханические фильтры. .Коммутаторы обеспечивают поочередное подключение детекторов к регистрирующему устройству. Если число каналов невелико, то коммутатор может отсутствовать. В этом случае число регистрирующих устройств должно быть равно числу каналов. Промышленностью выпускаются анализаторы с числом каналов от 8 до 80.
∆ƒp=qƒФ (1.6)
где q — заданное число, определяемое допустимой погрешностью δ. Чем меньше полоса ∆ƒф, тем больше разрешающая способность прибора. На рис.1.6 поясняется различие между ∆ƒф и ∆ƒр при заданной погрешности δ (для данного случая δ ~0,2); из рисунка видно, что чем меньше δ, тем больше q.
Рис. 1.6. Резонансные характеристики анализаторов; а) одновременного, б) последовательного действия; 1 ~ статическая, 2 — динамическая.
В процессе проведения измерений необходимо учитывать переходные явления, которые приводят, к уменьшению разрешающей способности прибора. Степень этого уменьшения определяется параметрами анализатора и скоростью (временем) анализа.
Динамическая разрешающая способность анализатора одновременного действия изменяется во времени примерно по экспоненциальному закону. В момент включения (t=0) исследуемого сигнала на вход анализатора, состоящего из набора резонаторов с одинаковой добротностью и равноотстоящими резонансными частотами, выходное напряжение равно нулю. С течением времени динамические резонансные кривые приближаются к статическим, формируются седлообразные кривые (рис.6.38а), анализатор разделяет составляющие сигнала. Время, в течение которого характеристика анализатора приближается с заданной погрешностью к статической его характеристике, называют временем установления /у. Это время обратно пропорционально полосе пропускания ∆ƒф,
т. е.
(1.7)
где В — коэффициент, зависящий от типа резонатора и близкий к единице.
В анализаторах последовательного действия при измерении периодических сигналов переходные процессы возникают вследствие .непрерывного изменения возбуждающей резонатор частоты, определяемой скоростью изменения частоты ∆ƒ генератора качающейся частоты;
На рис.1.6 6 показаны статическая / и динамическая 2 характеристики резонатора в виде зависимости квадрата коэффициента -передачи резонатора /Сот параметра обобщенной расстройки: х = 2(ω-ω0)/dω0, где ωо — резонансная частота, d — затухание резонатора, Искажения характеристик резонатора определяются следующими отношениями: S=8Vf/d2ω20 — смещение максимума; ∆С = 16тv2/dω2 — уменьшение высоты максимума:
8v2f-S2—S1=A(16v2f/d2ω04) - приращение относительной ширины полосы пропускания, где А зависит от типа резонатора. Время анализа для анализаторов одновременного действия примерно равно времени установления резонаторов. Имея в виду уравнение (6.40), получим
(1.8)
Скорость анализа определяется отношением рабочего диапазона частот анализатора tр
(рис.6.38а) к времени анализа Tодн:
(1.9)
Обозначим fp=k∆ƒ, где ∆ƒp—разрешающая способность резонатора; определяемая уравнением (6.39). После замены ∆ƒф = ∆ƒр/q получим скорость одновременного анализа νодн(k/qB)∆ƒ2p.
Скорость последовательного анализа определяется уравнением vпосл = ∆fр/ty или с учетом (6.39) и (6.40) vпосл = ∆ƒp2/q В. Время анализа в этом случае будет равно
(1.10)
Из ур-ний (1.8) и (1.10) следует, что время последовательного анализа примерно в А раз больше времени, необходимого для одновременного анализа.
Промежуточная частота выбирается так, чтобы при минимальной длительности исследуемого импульса т изображение спектра, получаемое по зеркальному каналу, не накладывалось на спектрограмму основного канала (рис. 1.7). В большинстве случаев при исследовании спектра ограничиваются измерением основного и трех боковых лепестков спектра. Ширина основного лепестка прямоугольного импульса равна 2 т, а боковых лепестков — 1/t. Таким образом, для устранения возможности перекрытия необходимо, чтобы fпр>4/t.
Страницы: 1, 2, 3
