Способ передачи речевых сигналов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области передачи сигналов. Сущность способа и устройства передачи речевых сигналов (PC) состоит в восстановлении огибающей речевого сигнала на приемной стороне. Для этого фазовая манипуляция (ФМн) на 180° осуществляется клиппированным не речевым сигналом, а его производной по времени. На приемной стороне знакопеременные импульсы клиппированной производной по времени PC дискретизируются по времени, в результате чего образуется колебание с дельта-модуляцией, которое затем детектируется путем интегрирования его по времени и низкочастотной фильтрации, в результате чего получается переданный PC с его огибающей. С целью исключения нелинейных искажений от клиппирования операции дифференцирования клиппированию подвергается не PC (широкополосный), а сформированный по нему однополосный (узкополосный) сигнал, который затем линейно переносится опять в тональный диапазон частот путем когерентного детектирования. Технически результат - повышение качества клиппированного речевого сигнала до максимально возможного значения в результате восстановления амплитуды в клиппированном речевом сигнале и исключения нелинейных искажений при его клиппировании. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области передачи сигналов.

Известны способы и устройства передачи клиппированных речевых сигналов с помощью фазовой манипуляции на 180°, описанные в следующих источниках:

1. Петрович Н.Т. Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией. - М.: Советское радио, 1965.

2. Петрович Н.Т., Козленко Н.И. Передача клиппированных речевых сигналов с помощью фазовой телеграфии // Радиотехника №11, т.19. 1964.

3. Верзунов М.В. Однополосная модуляция в радиосвязи. - М.: Воениздат, 1972.

По технической сущности наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются способ и устройство, описанные в первом источнике, который по этой причине и принимается за его прототип.

Прототип-способ состоит на передающей стороне из глубокого амплитудного ограничения (клиппирования) речевого сигнала, когда он из непрерывного превращается в разнополярные прямоугольные импульсы постоянной амплитуды, но разной длительности и частоты следования. Этим сигналом осуществляется фазовая манипуляция на 180° колебания несущей частоты, которое после усиления излучается в эфир. Принятый сигнал детектируется по фазе и продетектированный речевой сигнал постоянной амплитуды преобразуется в звуковые волны.

Прототип-устройство состоит на передающей стороне из последовательно включенных микрофона, усилителя, усилителя-ограничителя амплитуды речевого сигнала, фазового манипулятора на 180°, ко второму входу которого подключен генератор колебания несущей частоты, а на приемной стороне - из линейной части приемника, когерентного фазового детектора, усилителя звуковой частоты, телефона.

Основным недостатком прототипа является безвозвратная потеря 30% информации речевого сигнала, содержащейся в его огибающей, в результате его глубокого ограничения по амплитуде (клиппирования), что существенно снижает качество клиппированной речи: речь становится глуховатой с металлическим оттенком. Кроме того, качество речи ухудшается еще и потому, что при клиппировании в полосу частот клиппированного сигнала попадает большое число гармоник его низкочастотных составляющих. Из-за этих недостатков способ передачи речи клиппированными сигналами с фазовой манипуляцией перестал использоваться на практике, хотя он наиболее помехоустойчив и требует минимальной полосы частот.

Техническим результатом изобретения является повышение качества клиппированной речи до максимально возможного значения в результате восстановления амплитуды в клиппированном речевом сигнале и исключения нелинейных искажений при его клиппировании.

Сущность изобретения состоит в том, что в способ передачи речевых сигналов, содержащий на передающей стороне клиппирование входного речевого сигнала (PC) и последующую фазовую манипуляцию (ФМн) на 180° клиппированным сигналом колебания несущей частоты, а на приемной стороне - когерентное детектирование ФМн колебания по фазе, введены дополнительные операции: на передающей стороне передаваемый PC преобразуют в узкополосный высокочастотный сигнал путем однополосной модуляции колебания вспомогательной несущей частоты, который дифференцируют по времени, а затем клиппируют, после чего его переносят в диапазон низких частот путем его когерентного детектирования и низкочастотной фильтрации продетектированного сигнала, которым осуществляют ФМн на 180°, а на приемной стороне дискретизируют по времени продетектированное ФМн на 180° колебание путем перемножения его с однополярным периодическим импульсным сигналом постоянной амплитуды для получения сигнала с дельта-модуляцией, который затем детектируют путем интегрирования по времени и фильтрации по низкой частоте для получения неискаженного речевого сигнала с его огибающей, а в устройство передачи PC, содержащее на передающей стороне последовательно включенные микрофон, микрофонный усилитель, а также блок клиппирования амплидуды PC и фазовый манипулятор на 180°, к высокочастотному входу которого подключен генератор колебания несущей частоты, а на приемной стороне - последовательно соединенные линейная часть приемника, когерентный детектор сигналов с ФМн на 180° и усилитель, а также последовательно соединенные фильтр нижних частот (ФНЧ) и телефон, дополнительно введены на передающей стороне формирователь однополосного сигнала (ОС), генератор колебания вспомогательной несущей частоты, блок дифференцирования по времени, когерентный детектор ОС, причем выход микрофонного усилителя подключен к низкочастотному входу фазового манипулятора через последовательно соединенные формирователь ОС, блок дифференцирования по времени, блок клиппирования, когерентный детектор, а генератор колебания несущей частоты подключен к другим входам формирователя ОС и когерентного детектора, а на приемной стороне дополнительно введены дискретизатор сигнала по времени, генератор коротких импульсов, интегратор сигнала по времени, причем выход усилителя приемника соединен со входом ФНЧ через последовательно включенные дискретизатор сигнала по времени и интегратор сигнала по времени, а генератор коротких импульсов подключен к другому входу дискретизатора сигнала по времени.

Существенным (принципиальным) отличием способа изобретения является передача с помощью фазовой манипуляции на 180° не клиппированного речевого сигнала, а клиппированной его производной по времени, по которой на приемной стороне формируется колебание с дельта-модуляцией, и детектирование последнего с помощью временного интегратора дает речевой сигнал с нормальной огибающей, имеющей самое высокое качество.

Существенным отличием устройства, осуществляющего данный способ и содержащего на передающей стороне последовательно включенные микрофон с усилителем, усилитель-ограничитель амплитуды входного речевого сигнала и фазовый манипулятор на 180° с генератором гармонического колебания несущей частоты, подключенным к высокочастотному входу манипулятора, а на приемной стороне - когерентный демодулятор фазоманипулированных сигналов, усилитель и телефон, является то, что в него введены на передающей стороне последовательно подключенные к микрофонному усилителю формирователь однополосного сигнала с генератором вспомогательной несущей частоты, подключенным к высокочастотному входу формирователя, блока дифференцирования по времени однополосного колебания, подключенного ко входу усилителя-ограничителя амплитуды, а также когерентный детектор, через который соединяются усилитель-ограничитель и фазовый манипулятор, причем опорный вход когерентного детектора соединен с выходом генератора вспомогательной несущей частоты, а на приемной стороне дополнительно введены последовательно подключенные к выходу фазового детектора дискретизатор по времени выходного сигнала детектора, интегратор по времени с фильтром нижних частот; ко второму входу дискретизатора подключен генератор однополярных коротких прямоугольных импульсов; дискретизатор формирует колебание с дельта-модуляцией, а интегратор демодулирует его, выделяя, как известно, речевой сигнал с огибающей. Только названные введенные элементы и их связи позволяют восстановить огибающую у клиппированного речевого сигнала и исключить нелинейные искажения от клиппирования и тем самым восстановить до максимума качество переданного речевого сигнала.

Предлагаемые объекты изобретения иллюстрируются чертежами.

На фиг.1 и 2 представлены временные диаграммы, поясняющие предложенный способ передачи клиппированных речевых сигналов.

По данному способу передаваемый входной речевой сигнал (фиг.1) U_Ω(t)=U(t)cosφ(t), где U(t) - огибающая, a φ(t) - его фаза, из широкополосного преобразуется путем однополосной модуляции колебания вспомогательной несущей частоты u_n(t)=Usinωt в узкополосный сигнал u_s(t)=KU(t)sin[ω·t+φ(t)], где K - константа. Последний дифференцируется по времени

Частота изменения во времени огибающей U(t) очень низкая, не превышающая 35 Гц, как сказано на с.11 книги: Быков С.Ф., Журавлев В.И., Шалимов И.А. Цифровая телефония. - М.: Радио и связь, 2003. Поэтому и первым слагаемым в выражении можно пренебречь. Так как частота речевого сигнала , то окончательно

Сигнал усиливается и глубоко ограничивается по амплитуде (клиппируется), преобразуясь в однополосное колебание постоянной амплитуды:

При этом гармоники низкочастотных составляющих однополосного колебания не попадают в полосу частот выходного сигнала в силу его узкополосности. Тем самым с помощью однополосной модуляции устранены нелинейные искажения от клиппирования. Далее это клиппированное однополосное колебание с постоянной амплитудой когерентно детектируется путем перемножения с колебанием вспомогательной несущей частоты u_н(t)=U_н sinωt и фильтрации продетектированного сигнала по низкой частоте. При данном перемножении образуется колебание Низкочастотная фильтрация колебания u_n(t) оставляет только первое слагаемое, u_Ф(t)=-0,5UU_Hsinφ(t), представляющее собой клиппированную производной по времени речевого сигнала, которая показана на фиг.1 в виде разнополярных прямоугольных импульсов. Здесь же пунктиром показана производная по времени речевого сигнала постоянной амплитуды , которая сдвинута по фазе относительно U_Ω(t) на 90° и которая является первой гармоникой клиппированного колебания Данными импульсами осуществляется фазовая манипуляция на 180° колебания гармонической несущей u₀(t)=U₀cosω₀t путем их перемножения: u_фм(t)=u_ф(t)·u₀(t), как показано в конце фиг.1.

На приемной стороне фазоманипулированный сигнал детектируется по фазе, в результате чего получаются прямоугольные импульсы u_фд(t) (фиг.2), повторяющие импульсы на передающей стороне (фиг.1). Далее эти прямоугольные знакопеременные импульсы дискретизируются путем их перемножения с однополярными прямоугольными импульсами u_д(t) постоянной частоты следования, амплитуды и длительности. Частота их много больше самой высокой частоты следования импульсов производной речи, а длительность импульсов дискретизации много меньше самой малой длительности дискретизируемых импульсов. Дискретизированные импульсы u_ди(t) производной речи представляют собой колебания с дельта-модуляцией. Действительно, импульсы известной дельта-модуляции несут только знак приращения (дельту) в точках отсчета плавной кривой речи и ступенчатой функции, которая аппраксимирует эту плавную кривую. Из математики известно, что приращение функции Δf равно примерно дифференциалу этой функции . Знак приращения Δf функции f(x) точно совпадает со знаком ее производной . Поэтому дискретизированный прямоугольный сигнал производной по времени речи несет знак производной и, следовательно, представляет собой сигнал с дельта-модуляцией. Далее этот сигнал с дельта-модуляцией детектируется путем интегрирования его по времени, в результате чего, как известно, после фильтрации по низкой частоте и получается речевой сигнал с нормальной огибающей u_вых(t) и без нелинейных искажений. Тем самым качество речи восстановлено до максимального значения.

Структурная схема устройства, реализующего данный способ, представлена на фиг.3 и 4, где обозначено:

1 - микрофон; 2 - микрофонный усилитель; 3 - формирователь однополосного сигнала; 4 - генератор колебания вспомогательной несущей частоты; 5 - блок дифференцирования по времени; 6 - усилитель-ограничитель амплитуды; 7 - когерентный детектор; 8 - фазовый манипулятор на 180°; 9 - генератор колебания несущей частоты; 10 - усилитель; 11 - линейная часть приемника; 12 - когерентный детектор ФМн колебаний; 13 - формирователь опорного колебания; 14 - усилитель; 15 - дискретизатор по времени; 16 - генератор коротких прямоугольных импульсов; 17 - интегратор по времени; 18 - фильтр нижних частот (ФНЧ); 19 - телефон. Введенные элементы обведены пунктирной линией.

Работа схемы поясняется временными диаграммами и осуществляется следующим образом.

Передаваемый речевой сигнал u_вх(t)=U(t)cosφ(t), где U(t) - огибающая, а φ(t) - его фаза, поступает через усилитель 1 (фиг.3) на низкочастотный вход формирователя однополосного колебания 3, на высокочастотный вход которого подается гармоническое колебание u_H(t)=U_Hcosωt С генератора 4. На выходе блока 3 имеет место однополосное колебание u₃(t)=kU(t)cos[ωt+φ(t)], где k=const, которое в блоке 5 дифференцируется по времени: . Уже отмечалось выше, что и поэтому первым слагаемым можно пренебречь. Тогда с учетом того что - круговая частота сигнала - много меньше вспомогательной несущей ω, окончательно имеем u_s(t)=-kU(t)·ω·sin[ωt+φ(t)]. Это колебание u₅(t) усиливается и глубоко ограничивается по амплитуде (клиппируется) в блоке 6. Так как ограничивается не речевой (широкополосный), а сформированный по нему однополосный (узкополосный) сигнал, то гармоники его низкочастотных составляющих не попадают в полосу частот сигнала на выходе ограничителя. С блока 6 сигнал поступает на информационный вход когерентного детектора 7, на опорный вход которого подается колебание вспомогательной несущей частоты с блока 4. Для упрощения записи используем первую гармонику прямоугольных импульсов с блока 6, т.е. u₆(t)=U₆sin[ωt+φ(t)]. Когерентный детектор представляет собой перемножитель сигналов и ФНЧ на его выходе. На выходе перемножителя блока 7 напряжение

u₇(t)=u₆(t)·u_H(t)=U₆sin[ωt+φ(t)]U_Hcosωt=0,5U₆U_Hsinφ(t)+0,5U₆U_Hsin[2ωt+φ(t)] ФНЧ блока 7 пропускает на свой выход только первое слагаемое u_ф=Usinφ(t), которое сдвинуто по фазе на 90° по отношению к входному речевому сигналу, как показано на фиг.1. Реальный сигнал с блока 7 представляет собой разнополярные импульсы прямоугольной формы, соответствующие клиппированному колебанию u_ф=U sinφ, как показано на фиг.1. Этот сигнал прямоугольной формы на низкочастотный вход фазового манипулятора 8, на высокочастотный вход которого подается гармоническое колебание несущей частоты с генератора 9. Блок 8 представляет собой перемножитель сигналов u₇(t) и u₉(t), отчего на его выходе получается фазоманипулированное на 180° колебание u₈(t)=u₇(t)·u₉(t), графически показанное на фиг.1. Это колебание усиливается и излучается антенной.

На приемной стороне (фиг.4) принятый антенной радиосигнал поступает в линейную часть приемника 11, после чего когерентно детектируется по фазе в блоке 12 по опорному колебанию с блока 13. На выходе фазового детектора 12 имеет место сигнал прямоугольной формы (фиг.2), соответствующий переданной клиппированной производной речевого сигнала, показанной на фиг.1. Сигнал с выхода блока 12 дискретизируется в блоке 15 с помощью однополярных импульсов прямоугольной формы и постоянной длительности с генератора 16. По сути блок 15 - перемножитель сигналов u₁₄(t) и u₁₆(t). При этом длительность τ много меньше минимальной длительности T_imin импульсов с блока 14, а их частота много больше максимальной частоты следования импульсов с этого блока. На выходе блока 15 имеет место колебание с дельта-модуляцией. Выше уже пояснялось, почему имеет место эта дельта-модуляция. Сигнал с дельта-модуляцией с блока детектируется интегратором по времени 17, после чего фильтруется по низкой частоте в блоке 18. Как известно, при детектировании колебания с дельта-модуляцией получается переданный речевой сигнал с исходной огибающей. Поскольку клиппировалось однополосное (узкополосное) колебание, то в продетектированном сигнале отсутствуют нелинейные искажения от клиппирования.

Если перенести дискретизатор с приемной стороны на передающую и включить его между амплитудным ограничителем и фазовым манипулятором, то получится новая система с дельта-модуляцией, которая выгодно отличается от известной и способом, и устройством. В ней приращение напряжения заменено производной по времени речевого сигнала в точке отсчета, что полностью устраняет основной недостаток известной системы - перегрузку по наклону (крутизне). Однако система с дельта-модуляцией требует большей в 2,7 раза полосы частот при одинаковом качестве принятой речи. Действительно, сигнал с дельта-модуляцией занимает примерно такую же полосу частот, что и сигнал с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). У ИКМ-сигнала полоса частот Δf_u=n·ΔF_a, где n - число разрядов в кодовом слове (n=8), а ΔF_a - полоса частот аналогового сигнала. При передаче речи клиппированными сигналами учитывается только третья гармоника (3ΔF_a). Поэтому выигрыш в полосе частот составляет 8:3-2,7 раза.

1. Способ передачи речевых сигналов, содержащий на передающей стороне клиппирование входного речевого сигнала (PC) и последующую фазовую манипуляцию (ФМн) на 180° клиппированным сигналом колебания несущей частоты, а на приемной стороне - когерентное детектирование ФМн колебания по фазе, отличающийся тем, что на передающей стороне передаваемый PC дополнительно преобразуют в узкополосный высокочастотный сигнал путем однополосной модуляции колебания вспомогательной несущей частоты, который дифференцируют по времени, а затем клиппируют, после чего его переносят в диапазон низких частот путем его когерентного детектирования и низкочастотной фильтрации продетектированного сигнала, которым осуществляют ФМн на 180°, а на приемной стороне - дополнительно дискретизируют по времени продетектированное ФМн на 180° колебание путем перемножения его с однополярным периодическим импульсным сигналом постоянной амплитуды для получения сигнала с дельта-модуляцией, который затем детектируют путем интегрирования по времени и фильтрации по низкой частоте для получения неискаженного речевого сигнала с его огибающей.

2. Устройство для передачи PC, содержащее на передающей стороне последовательно включенные микрофон, микрофонный усилитель, а также блок клиппирования амплитуды PC и фазовый манипулятор на 180°, к высокочастотному входу которого подключен генератор колебания несущей частоты, а на приемной стороне - последовательно соединенные линейную часть приемника, когерентный детектор сигналов с ФМн на 180° и усилитель, а также последовательно соединенные фильтр нижних частот (ФНЧ) и телефон, отличающееся тем, что в него дополнительно введены на передающей стороне формирователь однополосного сигнала (ОС), генератор колебания вспомогательной несущей частоты, блок дифференцирования по времени, когерентный детектор ОС, причем выход микрофонного усилителя подключен к низкочастотному входу фазового манипулятора через последовательно соединенные формирователь ОС, блок дифференцирования по времени, блок клиппирования, когерентный детектор, а генератор колебания несущей частоты подключен к другим входам формирователя ОС и когерентного детектора, а на приемной стороне дополнительно введены дискретизатор сигнала по времени, генератор коротких импульсов, интегратор сигнала по времени, причем выход усилителя приемника соединен со входом ФНЧ через последовательно включенные дискретизатор сигнала по времени и интегратор сигнала по времени, а генератор коротких импульсов подключен к другому входу дискретизатора сигнала по времени.