КОМПАНДЕР СПЕКТРА ПЕРЕДАВАЕМОГО РЕЧЕВОГО СИГНАЛА

Данная полезная модель (ПМ) относится к области передачи и приема радиосигналов. Компандер состоит из компрессора (сжимателя) спектра на передающей стороне и экспандера (расширителя) спектра на приемной стороне. Известны компандеры спектра речевого сигнала (PC), описанные в литературе, например в:
1. Волков А.А. Системы связи третьего поколения. //Автоматика, связь, информатика на ж.д. транспорте. 2001, №2. - С.5-9.
2. Волков А.А. Синтетический метод цифровой передачи PC.// Электросвязь 2004 №7 -С.36-38.
3. Патент РФ на изобретение №2267859. Выделитель частотной составляющей PC /А.А.Волков. Приоритет от 21.06.2004.
По технической сущности наиболее близким к ПМ является компандер спектра передаваемого PC, описанный в первом источнике, который по этой причине и принимается за ее прототип. В остальных источниках описаны аналоги ПМ.
Прототип состоит на передающей стороне из компрессора, подключенного ко входу передатчика, а на приемной стороне - из приемника и экспандера. В состав компрессора входят последовательно включенные микрофон, микрофонный усилитель, формирователь однополосного сигнала, усилитель-ограничитель амплитуды сигнала, частотный детектор. В состав экспандера входят последовательно включенные интегратор по времени, преобразователь Гильберта, потенциатор, перемножитель сигналов, усилитель звуковой частоты, телефон, а также формирователь косинуса фазы, через который соединяются между собой выход интегратора и второй вход перемножителя сигналов. На выходе частотного детектора на передающей стороне имеет место частотная составляющая PC, полоса спектра которой принимается равной 100 Гц, что меньше полосы частот полного PC в 31 раз. В это же число раз сокращается и полоса частот радиоканала. На приемной стороне в экспандере спектра полоса частот PC восстанавливается.
Основным недостатком прототипа является сравнительно низкое качество синтезированной речи из-за ограничения спектра частотной составляющей PC частотой 100 Гц. Спектр частотной составляющей очень медленно затухает с ростом частоты и после 100 Гц, что показано в [2].
Техническим результатом заявленного объекта является повышение качества синтезированной речи за счет исключения ограничения спектра частотной составляющей PC и повышения частотной эффективности.
Сущностью ПМ является то, что в компандер спектра передаваемого речевого сигнала (PC), состоящий на передающей стороне из компрессора спектра PC, содержащего последовательно включенные микрофон, микрофонный усилитель, формирователь однополосного сигнала, усилитель-ограничитель амплитуды сигнала, частотный детектор, подключенный ко входу передатчика сигналов, а на приемной стороне - из экспандера спектра PC, содержащего последовательно включенные интегратор по времени, преобразователь Гильберта, потенциатор, перемножитель сигналов, усилитель звуковой частоты, телефон, а также формирователь косинуса фазы, через который подключен выход интегратора ко второму входу перемножителя сигналов, введен в компрессор передающей стороны интегратор экспандера приемной стороны, который своим входом подключен к выходу частотного детектора, а выходом - ко входу передатчика; в экспандере спектра PC на приемной стороне вход преобразователя Гильберта и вход формирователя косинуса фазы подключены непосредственно к выходу приемника.
Существенным отличием ПМ является введение интегратора по времени из приемной стороны на передающую сторону, что изменило связи блоков и на передающей, и на приемной стороне и существенно, в 3.3 раза сократило полосу частот радиоканала, улучшив качество синтезированной речи.
Предлагаемая ПМ иллюстрируется чертежом.
На фиг.1 представлена структурная схема компрессора спектра PC (передающая сторона) и экспандера PC (приемная сторона), где обозначено:
1, 13 - усилители;
2 - радиоприемник;
3 - формирователь опорного сигнала (ФОС);
4 - генератор колебания несущей частоты;
5 - преобразователь Гильберта;
6 - усилитель-ограничитель амплитуды;
7 - линия связи (радиолиния);
8 - потенциатор;
9 - формирователь косинуса фазы PC;
10 - частотный детектор;
11 - перемножитель сигналов;
12 - интегратор по времени;
14 - радиопередатчик.
4
4
3
4
ф
ф
10
Блоки компандера и экспандера обведены пунктирными линиями. Работа схемы компандера, состоящая из компрессора на передающей стороне и экспандера на приемной стороне происходит следующим образом. Речевой сигнал b(t)=U(t)cosφ(t), где U(t) - его огибающая, a φ(t) - фаза, с микрофона М через усилитель 1 поступает на низкочастотный вход формирователя однополосного сигнала (ФОС) 3, на второй вход которого поступает колебание несущей частоты u(t)=U cos ωt с генератора 4. На выходе ФОС 3 имеет место колебание одной боковой полосы (ОБП AM) частот (верхней): u(t)=0.5UU(t)cos[ωt+φ(t)], которая в блоке 6 усиливается и ограничивается по амплитуде до постоянного уровня, после чего поступает на вход частотного детектора 10. Колебательный контур блока 10 настроен в резонанс на несущую частоту ω, в результате чего на выходе блока 10 имеет место колебание, пропорциональное производной фазы PC, т.е.  где К - коэффициент пропорциональности. Фазовая составляющая φ(t) - случайная функция, которая может быть представлена на основании аналитического сигнала, как и речь, выражением φ(t)=U(t)cosψ(t). Тогда сигнал  - частотная составляющая функции φ(t). Видно, что с ростом частоты v амплитуда частотной составляющей U·ν растет. Сигнал u(t) поступает на вход введенного интегратора 12, на выходе которого образуется колебание
ф
Так как U(t) значительно медленнее изменяется, чем cosψ(t), то при интегрировании U(t) считается константой.
12
12
2
8
11
1nU(t)
Видно, что u(t) не зависит от частоты ν и поэтому спектр φ(t) не имеет подъема уровня с увеличением ν. Это значит, что спектр фазы φ(t) быстрее затухает, чем спектр частотной составляющей  и поэтому можно считать, что спектр φ(t) находится в полосе частот от 0 до 30 Гц, как указано в литературе. Далее сигнал u(t) переносится на рабочую частоту передатчика и в аналоговом или цифровом виде поступает через линию связи 7 на вход радиоприемника 2. В любом случае при введенном блоке 12 полоса частот радиоканала уменьшается в 100/30=3.3 раза, отчего соответственно повышается частотная эффективность радиоканала. В приемнике 2 модуляция блока 14 устраняется и на выходе блока 2 имеет место сигнал, пропорциональный фазе φ(t), т.е. u(t)=Kφ(t). В преобразователе Гильберта 5 по фазе φ(t) формируется логарифм огибающей  который поступает на вход потенциатора 8. На выходе блока 8 сигнал u(t)=е=U(t) представляет собой огибающую PC, поступающую на первый вход перемножителя сигналов 11. На второй вход этого перемножителя поступает косинус фазы cosφ(t) с блока 9, вход которого соединен с выходом приемника 2. На выходе перемножителя 11 сигнал u(t)=U(t)cosφ(t) представляет собой синтезированный PC, который был передан. Технико-экономическим эффектом ПМ является повышение качества речи, поскольку спектр φ(t) не обрезается, и повышение частотной эффективности радиоканала в 3.3 раза.