Выделитель частотной составляющей речевого сигнала

Изобретение относится к радиоприемным устройствам. Технический результат заключается в увеличении чувствительности и точности выделения частотной составляющей речевого сигнала (РЧ). Устройство содержит источник РЧ (1), формирователь (3) однополосного сигнала, усилители-ограничители амплитуды (6, 9), дифференцирующие цепи (8, 11), двухполупериодные выпрямители (10, 13) с активной нагрузкой, одновибраторы (12, 15), сумматоры (14, 17), удвоитель частоты (2), перемножитель сигналов (5), фильтр боковой полосы частот (7) и вычитающее устройство (16), генератор несущей частоты (4) формирователя (3); выход вычитающего устройства (16) является выходом выделителя частотной составляющей речевого сигнала. Частотную составляющую PC выделяют линейным импульсным частотным детектором из одной боковой полосы частот AM колебания, сформированного по данному PC. С помощью такого же дополнительного детектора, на вход котоорого подают другую боковую полосу AM колебания, исключают постоянную составляющую, которую вычитают из выходного сигнала первого детектора. 3 ил.

 

Изобретение относится к области радиоприемных устройств, т.к. выделение частотной составляющей dϕ(t)/dt осуществляется аналоговым резонансным частотным детектором из однополосного колебания u₀(t)=kU(t)cos[ωt+ϕ(t)], сформированного по речевому сигналу b(t)=U(t)cosϕ(t), как это показано в первом источнике [1]. Здесь k - коэффициент пропорциональности, U(t), ϕ(t) - огибающая и фаза речевого сигнала (PC) соответственно, а ω - несущая частота однополосного сигнала, которая является постоянной.

Однако на выходе такого детектора частотная составляющая мала по уровню и имеет значительные нелинейные искажения. Это обусловлено очень малой девиацией частоты однополосного сигнала, когда используется квадратичный участок вольт-амперной характеристики (ВАХ) диода, входящего в состав частотного детектора.

Данный недостаток отсутствует в импульсном частотном детекторе, описанном во втором источнике [2]. Этот детектор - апериодический. Он работает на принципе линейного суммирования импульсов постоянной амплитуды и длительности, частота следования которых определяется частотой однополосного сигнала ω+dϕ(t)/dt. Такой детектор является полностью линейным.

За прототип изобретения принимается именно этот импульсный детектор, описанный во втором источнике [2], как наиболее близкий к нему по технической сущности.

Прототип состоит из последовательно соединенных источника речевого сигнала, формирователя однополосного сигнала, усилителя-ограничителя амплитуды, дифференцирующей цепи, двухполупериодного выпрямителя с активной нагрузкой, одновибратора, сумматора видеоимпульсов постоянной длительности и амплитуды, но разной частоты следования, определяемой частотой однополосного сигнала. Амплитуда аналогового сигнала на выходе сумматора пропорциональна частоте следования импульсов, т.е. U_вых=k(ω+dϕ(t)/dt).

Основным недостатком прототипа является высокий уровень постоянной составляющей кω сигнала на выходе прототипа, что существенно снижает его чувствительность и точность выделения dϕ(t)/dt. Это существенно, т.к. девиация частоты однополосного сигнала (dϕ(t)/dt)_max значительно меньше минимальной частоты сигнала с частотной модуляцией (ЧМ). Исключить постоянную составляющую кω стандартными методами (с помощью конденсатора или трансформатора) практически невозможно, т.к. частотная составляющая речевого сигнала находится в полосе 3-35 Гц, т.е. является практически постоянноточной.

Техническим результатом заявленного объекта является максимальное повышение чувствительности и точности выделения частотной составляющей детектора за счет полного устранения постоянной составляющей и удвоения уровня продетектированного сигнала.

Сущность изобретения состоит в том, что в прототип, состоящий из последовательно соединенных источника PC, формирователя однополосного сигнала, усилителя-ограничителя амплитуды, дифференцирующей цепи, двухполупериодного выпрямителя с активной нагрузкой, одновибратора и сумматора, дополнительно введены последовательно соединенные удвоитель частоты, перемножитель сигналов, фильтр боковой полосы частот амплитудно-модулированного сигнала, второй усилитель-ограничитель амплитуды, вторая дифференцирующая цепь, второй двухполупериодный выпрямитель с активной нагрузкой, второй сумматор и вычитающее устройство, ко второму входу которого подключен выход первого сумматора; вход удвоителя частоты соединен с выходом генератора несущей частоты формирователя однополосного сигнала, второй вход перемножителя соединен с выходом этого формирователя.

Существенным отличием изобретения является совокупность введенных элементов и их связей, т.к. только они позволяют исключить постоянную составляющую выходного сигнала кω и увеличить уровень частотной составляющей в два раза.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого выделителя частотной составляющей PC, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу выделителя, а на фиг.3 - принципиальные схемы двух сумматоров и вычитающего устройства.

На фиг.1 обозначено:

1 - источник речевого сигнала (PC);

2 - удвоитель частоты;

3 - формирователь однополосного сигнала (ОБП AM);

4 - генератор несущей частоты;

5 - перемножитель сигналов;

6, 9 - усилители-ограничители амплитуды;

7 - фильтр боковой полосы частот;

8, 11 - дифференцирующие цепи;

10, 13 - двухполупериодные выпрямители с активной нагрузкой;

12, 15 - одновибраторы,

14, 17 - сумматоры,

16 - вычитающее устройство. Введенные элементы обведены пунктирной линией.

На фиг.2 указаны напряжения u на выходе блоков, номера которых соответствуют индексу при u.

Работа выделителя (фиг.1) происходит следующим образом. Речевой сигнал b(t)=U(t)cosϕ(t), где U(t) - огибающая, a ϕ(t) - фаза PC, с блока 1 поступает на низкочастотный вход блока 3, на высокочастотный вход которого подается колебание несущей частоты u₄(t)=Ucosωt c блока 4. На выходе блока 3 имеет место однополосный сигнал, например верхней боковой полосы частот u₃(t)=kU(t)cos[ωt+ϕ(t)] (фиг.2). Этот сигнал усиливается и ограничивается по амплитуде в блоке 6 (фиг.2), после чего дифференцируется по времени в блоке 8. Разнополярные остроконечные импульсы с блока 8 (фиг.2) преобразуются в однополярные импульсы в двухполупериодном выпрямителе 10 (фиг.2), которые затем в одновибраторе 12 преобразуются в импульсы прямоугольной формы постоянной амплитуды и длительности τ (фиг.2). Их частота следования равна удвоенной частоте сигнала ОБП AM. Эти импульсы суммируются в блоке 14, на выходе которого уровень аналогового сигнала пропорционален частоте следования данных импульсов, т.е. u₁₄(t)=k2(ω+dϕ(t)/dt).

Сигнал u₁₄(t) поступает на один вход вычитающего устройства 16. С выхода блока 3 однополосный сигнал подается также на один вход перемножителя 5, на другой вход которого поступает колебание несущей частоты с блока 4 через удвоитель частоты 2, т.е. колебание u₂(t)=ucos2ωt. На выходе перемножителя 5 напряжение

u₅(t)=u₃(t)u₂(t)=kU(t)cos(ωt+ϕ(t))Ucos2wt=0.5kUu(t{cos[ωt-ϕ(t)]+cos[3ωt+ϕ(t)]}, т.е. имеет место нижняя боковая полоса частот (первое слагаемое) и высокочастотная составляющая (второе слагаемое). Фильтр 7 пропускает на свой выход только первое слагаемое. Следовательно, блоки 2, 5, 7 преобразовали верхнюю боковую полосу частот с блока 3 в нижнюю боковую полосу u₇(t)=k₁U(t)cos[ωt-ϕ(t)], где k₁=0.5kU.

Далее сигнал u₇(t) усиливается и ограничивается по амплитуде в блоке 9, а затем дифференцируется по времени в блоке 11. С выхода блока 11 разнополярные остроконечные импульсы преобразуется в однополярные импульсы в блоке 13. По этим импульсам одновибратор 15 вырабатывает импульсы прямоугольной формы постоянной амплитуды и длительности τ, частота следования которых равна удвоенной частоте нижней боковой полосы 2(ω-dϕ(t)/dt). Импульсы одновибратора 15 суммируются в блоке 17, выходное аналоговое напряжение которого пропорционально частоте их следования, т.е. u₁₇(t)=k2(ω-dϕ(t)/dt). Операции в блоках 9, 11, 13, 15, 17, аналогичные операциям в блоках 6, 8, 10, 12, 14, графически представлены на фиг.2.

Напряжение с выхода сумматора 17 поступает на другой вход вычитающего устройства 16, в результате чего на выходе блока 16 имеет место сигнал u₁₆(t)=u₁₄(t)-u₁₇(t)=k2(ω+dϕ(t)/dt)-k2(ω-dϕ(t)/dt)=k4dϕ(t)/dt.

Видно, что постоянная составляющая k2ω отсутствует на выходе блока 16, а частотная составляющая dϕ(t)/dt увеличена в 2 раза.

Принципиальные схемы сумматоров 14, 17 и вычитающего устройства 16, представленные на фиг.3, не требуют пояснений.

Отметим, что если в прототипе (блок 3) формируется нижняя боковая полоса частот (ω-dϕ(t)/dt), то блоки 2, 5, 7 формируют верхнюю боковую полосу частот (ω+dϕ(t)/dt). В этом случае u₁₆(t)=-k4dϕ(t)dt.

В представленном выделителе (фиг.1) можно исключить блоки 2, 5, 7, а выход генератора 4 подключить непосредственно ко входу блока 9. От этого полностью исключится постоянная составляющая 2kω на выходе блока 16, но не удвоится амплитуда частотной составляющей.

Постоянную составляющую 2kω можно компенсировать постоянным напряжением источника питания схемы фиг.1, подаваемым через делитель на второй вход блока 16, исключив при этом блоки 2, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17. Однако от этого частотная составляющая не удваивается, а постоянная составляющая 2kω компенсируется не полностью ввиду ее пилообразного характера на выходе сумматора 14 (на выходе RC-фильтра). От этого при восстановлении речевого сигнала по частотной составляющей (и огибающей) появляются дополнительные шумы, т.е. ухудшится качество синтезированной речи. Схема на фиг.1 обеспечивает наилучшее качество восстановленной (синтезированной) речи.

Технико-экономическим эффектом изобретения является увеличение чувствительности и точности выделителя частотной составляющей dϕ(t)/dt речевого сигнала за счет исключения постоянной составляющей k2ω и удвоения амплитуды dϕ(t)/dt выходного колебания выделителя.

Источники информации

1. Верзунов М.В. Однополосная модуляция в радиосвязи. - М.: Воениздат, 1972. - С.121-126.

2. Горелов Г.В., Фомин А.Ф., Волков А.А., Котов В.К. Теория передачи сигналов на ж.д. транспорте. - М.: Транспорт, 1999. - С.90-91.

Выделитель частотной составляющей речевого сигнала, состоящий из последовательно соединенных источника речевого сигнала, формирователя однополосного сигнала, усилителя-ограничителя амплитуды, дифференцирующей цепи, двухполупериодного выпрямителя с активной нагрузкой, одновибратора, сумматора видеоимпульсов, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные удвоитель частоты, перемножитель сигналов, фильтр боковой полосы частот, второй усилитель-ограничитель амплитуды, вторая дифференцирующая цепь, второй двухполупериодный выпрямитель с активной нагрузкой, второй сумматор и вычитающее устройство, ко второму входу которого подключен выход первого сумматора; вход удвоителя частоты подключен к выходу генератора несущей частоты формирователя однополосного сигнала, а второй вход перемножителя сигналов соединен с выходом формирователя однополосного сигнала; выход вычитающего устройства является выходом выделителя частотной составляющей речевого сигнала.