ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЧЕВЫХ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ С ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ
DIGITAL DEVICE FOR FORMING OF SPEECH SIGNALS IN COMMUNICATION SYSTEMS WITH FREQUENCY SPLITTING OF CHANNELS

Изобретение относится к технике цифровой обработки речевых данных и может быть использовано при формировании речевых сигналов в системах связи с частотным разделением каналов.
Известно цифровое устройство для формирования сигналов в системах с частотным разделением каналов [1], содержащее входной аналого-цифровой преобразователь, соединенный через коммутатор с перемножителем сигналов, к другому входу которого подключен выход источника сигналов отсчетов несущих частот, первый запоминающий блок, выход которого через цифровой фильтр подключен к входу сумматора, выход которого через цифроаналоговый преобразователь подключен к входу выходного аналогового полосового фильтра, и второй запоминающий блок.
Однако недостатком этого устройства является низкая точность формирования сигналов при увеличении числа каналов.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство формирования речевых сигналов в системах с частотным разделением каналов [2].
cp
д
В устройство входят М параллельно подключенных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных фильтра нижних частот с частотой среза f=4 кГц, дискретизатора с частотой дискретизации f=8 кГц, квантователя, формирователя сигнала с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), фазового модулятора, выходы каждого канала подключены к входам схемы объединения каналов, а выход последней соединен с входом оконечного каскада передающего устройства.
д
в
Данное устройство осуществляет формирование речевых сигналов в системах с частотным разделением каналов путем дискретизации с частотой f=8 кГц, входных речевых сообщений (имеющих частоту f=4 кГц), поступающих от М абонентов на соответствующий каждому из них вход одного из М параллельно подключенных каналов, последующего представления каждого квантованного значения отсчета речевого сообщения, в каждом из М параллельно подключенных каналов, в 8-разрядный сигнал с ИКМ, который модулирует в фазовом модуляторе различные для каждого из М каналов несущие частоты методом ФМ-4, с выхода каждого из М каналов фазоманипулированные сигналы после прохождения схемы объединения каналов поступают на вход оконечного каскада передающего устройства.
Указанное устройство не позволяет наилучшим образом использовать выделенные частотные ресурсы при формировании речевых сигналов в системах с частотным разделением каналов, так как минимально необходимая полоса частот, выделяемая для одного канала, намного превышает величину спектра, занимаемого речевым сообщением, а для уменьшения взаимного влияния между соседними каналами необходимо вводить защитные интервалы, что является недостатками этого устройства.
В частности, в [2] указано, что при минимально необходимой полосе частот 32 кГц для устранения взаимного влияния между смежными каналами, разнесенными по частоте, требуется обеспечить защитный интервал, равный 13 кГц.
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для формирования речевых сигналов в системах с частотным разделением каналов, реализующего как уменьшение необходимой полосы частот, выделяемой для одного канала, так и сокращение величины защитного интервала между смежными каналами, что позволит обеспечить лучшее использование выделенных частотных ресурсов.
Техническим результатом использования предложенного изобретения является возможность значительного уменьшения как необходимой полосы частот, выделяемой для одного канала, так и величины защитного интервала между смежными каналами, что позволит сократить объем выделенного частотного ресурса для каждого канала и, как следствие, осуществить одновременную передачу информации большему количеству абонентов. Дополнительным техническим результатом является сохранение точности формирования сигналов, несмотря на увеличение числа каналов.
ср
д
Для реализации поставленной задачи предложено устройство формирования речевых сигналов в системах с частотным разделением каналов, включающее М параллельно подключенных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных фильтра нижних частот с частотой среза f=4 кГц, дискретизатора с частотой дискретизации f=8 кГц, квантователя, а также схемы объединения каналов, которое в отличие от известного в каждом из М параллельно подключенных каналов вместо формирователя сигнала с ИКМ и фазового модулятора содержит последовательно соединенные устройство увеличения частоты дискретизации и умножитель, а также устройство, формирующее элементы субполосной матрицы, каждый из М выходов которого подключен ко второму входу умножителя соответствующего канала, а выходы умножителей через схему объединения каналов соединены со входом оконечного каскада передающего устройства.
Новизна устройства заключается в том, что из уровня техники не выявлено техническое решение, которое решало бы задачу лучшего использования выделенных частотных ресурсов путем использования устройства, формирующего элементы субполосной матрицы, и последовательно соединенных устройства увеличения частоты дискретизации и умножителя в каждом из М параллельно подключенных каналов.
cp
д
Отличительными признаками предложенного устройства, подтверждающими изобретательский уровень, является введение в известное устройство, содержащее М параллельно подключенных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных фильтра нижних частот с частотой среза f=4 кГц, дискретизатора с частотой дискретизации f=8 кГц, квантователя, причем выходы каждого канала подключены к входам схемы объединения каналов, а выход последней соединен с входом оконечного каскада передающего устройства, следующих признаков:
1) наличие устройства для формирования элементов субполосной матрицы, каждый из М выходов которого подключен ко второму входу умножителя соответствующего канала;
2) наличие последовательно соединенных устройства увеличения частоты дискретизации и умножителя в каждом из М параллельно подключенных каналов, причем вход устройства увеличения частоты дискретизации подключен к выходу квантователя, а выход умножителя через схему объединения каналов соединен со входом оконечного каскада передающего устройства.
Эти признаки позволят обеспечить как уменьшение необходимой полосы частот, выделяемой для одного канала, так и величину защитного интервала между смежными каналами, что позволит сократить объем выделенного частотного ресурса для каждого канала и, как следствие, осуществить лучшее использование выделенного частотного ресурса при формировании речевых сигналов в системах с частотным разделением каналов.
Сущность изобретения поясняется изображениями, представленными на чертежах.
Фиг.1 - блок-схема заявляемого устройства.
Фиг.2,а - энергетический спектр сигнала на i-м входе схемы объединения каналов, формируемого в предлагаемом устройстве.
Фиг.2,б - энергетический спектр сигнала на i-м входе схемы объединения каналов, формируемого в прототипе методом ФМ-4.
Фиг.3,а, б - реализация принципа интерполяции.
cp
д
Устройство состоит из М параллельно подключенных каналов, в состав каждого из которых входит фильтр нижних частот 1 с частотой среза f=4 кГц, дискретизатор 2 с частотой дискретизации f=8 кГц, квантователь 3, устройство увеличения частоты дискретизации 4 и умножитель 5, а также устройство 6, формирующее элементы субполосной матрицы, схема объединения каналов 7 и оконечный каскад передающего устройства 8.
Предложенное устройство работает следующим образом.
в
д
На входы М параллельно подключенных каналов поступают речевые сообщения, в каждом из которых вначале с помощью фильтра нижних частот 1 ограничивают их верхнюю частоту значением f=4 кГц для осуществления эффективной дискретизации в дискретизаторе 2 с частотой f=8 кГц, затем в квантователе 3 происходит квантование по уровню, и далее речевой сигнал в цифровой форме поступает на устройство увеличения частоты дискретизации 4, где осуществляется заполнение промежутков между отсчетами речевого сигнала соответствующим для данного канала количеством нулей, что необходимо для его переноса в заданный частотный интервал, далее в каждом из М умножителей 5 происходит умножение сигнала, поступающего на первый его вход с выхода устройства увеличения частоты дискретизации 4, на элементы субполосной матрицы, соответствующие частотному интервалу  (выделенному для передачи информации от i-го канала), сформированные в устройстве 6, которые поступают на второй вход умножителя 5. В результате данной фильтрации образуются речевые сигналы, расположенные в разных частотных интервалах, которые после суммирования в схеме объединения каналов 7 представляют групповой сигнал с частотным уплотнением, который поступает на вход оконечного каскада передающего устройства 8.
В результате использования предложенного технического решения благодаря введению устройства 6, формирующего элементы субполосной матрицы, а также наличию в каждом из М параллельно подключенных каналов последовательно соединенных устройства увеличения частоты дискретизации 4 и умножителя 5 обеспечивается лучшее использование выделенных частотных ресурсов при формировании речевых сигналов в системах с частотным разделением каналов.
Этот результат достигается благодаря субполосным матрицам вида , m, n=1, …, N,
где
- ширина частотного интервала для каждого i-го из М каналов.
С применением данных матриц осуществляется выделение энергии речевого сигнала в заданном частотном интервале по формуле , где  - вектор речевого сигнала, а Т - знак транспонирования [3]. Эта процедура, как видно из фиг.2,а, позволяет реализовать лучшее использование выделенных частотных ресурсов, чем в устройстве по прототипу, где осуществляется формирование речевых сигналов методом ФМ-4 (фиг.2,б). О чем свидетельствуют и результаты вычислительных экспериментов, представленные в таблице.
ширина полосы используемого частотного интервала
доля энергии сигнала, «просачивающаяся» за пределы выделенного частотного интервала
в предлагаемом устройстве
в прототипе
4kGz
0,11221
0,50374
12kGz
0,0045712
0,128
20kGz
0,0021309
0,068936
28kGz
0,00097409
0,042278
36kGz
0,0001317
0,024758
Из анализа данных, приведенных в таблице, нетрудно заметить, что для передачи речевого сигнала от одного абонента с применением предложенного устройства необходимо наличие частотного ресурса, в несколько раз меньшего, чем для реализации данной процедуры при использовании прототипа.
д
д
д
Формирование огибающей с частотой дискретизации, соответствующей полосе частот, занимаемой речевым сигналом в i-м канале, осуществляют с использованием процедуры интерполяции в устройстве увеличения частоты дискретизации 4. При интерполяции происходит повышение частоты дискретизации в требуемое число раз, например в N раз, то есть входной сигнал «растягивается», а образовавшиеся промежутки между отсчетами заполняются нулями. Исходный сигнал имеет периодический спектр, повторяющийся с частотой дискретизации f (фиг.3,а). При этом частота дискретизации сигнала станет равна N*f, но период повторения спектра останется прежним - f (фиг.3,б).
Теперь необходимо полученные в каждом из М каналов отсчеты речевых сигналов подать на первые входы умножителей 5, на вторые входы которых поступают соответствующие i-му частотному интервалу () элементы субполосной матрицы, формируемые устройством 6. В результате данной фильтрации образуются речевые сигналы, расположенные в разных частотных интервалах, которые после суммирования в схеме объединения каналов 7 представляют групповой сигнал с частотным уплотнением. В результате таких преобразований обеспечивается значительное уменьшение как необходимой полосы частот, выделяемой для одного канала, так и величины защитного интервала между смежными каналами, что позволяет сократить объем выделенного частотного ресурса для каждого канала и, как следствие, осуществить одновременную передачу информации большему количеству абонентов.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР по заявке №634465, кл. Н04J 1/02, 28.11.78.
2. Томаси У. Электронные системы связи, М.: Техносфера, 2007. - 1360 с.
3. Жиляков Е.Г., Белов С.П., Прохоренко Е.И. «Новый метод оптимальной линейной фильтрации для обработки речевых данных на ЭВМ», Вопросы радиоэлектроники. Серия «Электронная вычислительная техника (ЭВТ)». - Москва, 2008. - вып.1. - с.132-143