Обработка речевого сигнала

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

. Расчёт объёма звукового файла

. Расчет порядка фильтра Баттерворта

. Расчет порядка фильтра

. Расчет передаточной характеристики аналогового нормированного ФНЧ требуемого порядка

. Реализация фильтра

. 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

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 - 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

. 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.

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

α- дополнительный вещественный полюс

θ- 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);

Рис. 5 Дискретную функцию передачи H(z) .

Далее находим коэффициенты рассчитанного фильтра:

. 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

) Сигнал на входе;

) Сигнал на выходе полученного цифрового фильтра;

) 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 ω 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, φ 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.