Вокодерные системы передачи речевой информации

Вид работы:

Дипломная (ВКР)
Предмет:

Информатика, ВТ, телекоммуникации
Язык:

Русский
,
Формат файла:
MS Word

4,26 Mb
Опубликовано:

2011-10-22

Скачать дипломную работу Читать текст online Заказать дипломную
*Помощь в написании! Посмотреть все дипломные работы

Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.

Вокодерные системы передачи речевой информации

Задание

на выполнение экономической части дипломного проекта

Студенту Сережкину А.Н. группы 319____. Тема проекта: Вокодерные системы передачи речевой информации.. Место выполнения дипломного проекта кафедра РУС.. Консультант по экономическим вопросам Ларионова О.А. . Содержание экономической части.

. Технико-экономическое обоснование темы проекта.

. План выполнения темы:

а) ленточный график;

б) сетевой график.

. Расчет затрат на разработку или изготовление прибора:

а) составление сметы затрат на разработку;

б) расчет себестоимости опытного образца;

в) расчет технологической себестоимости образца;

г) расчет проектной цены изделия

. Расчет и выводы по эффективности предложений.

. Разработка мероприятий по совершенствованию организации труда,

производства и управления.

. Содержание графического материала.

Дата выдачи задания "___"__________________

Консультант_______________________________

Задание принял к исполнению "___"__________

Подпись студента__________________________

Аннотация

В данном дипломном проекте разработана вокодерная система передачи на основе фонемного вокодера.

Рассмотрены различные вокодеры и методы их реализации. Предложены методы анализа и синтеза речевых сигналов. Обоснованы структурные и принципиальные схемы фонемного вокодера. Приводится программа для проверки алгоритма разработанного устройства.

В экономической части рассчитываются затраты на разработку и изготовление опытного образца.

The summary

In the given degree project the vocoder’s system of broadcast on base of phoneme’s vocoder is developed.consisted various vocoders and methods of their realization. It is offered the methods of analysis and synthesis of speech signal. Are justified structural and schematic diagrams of the phoneme’s vocoder. The program for check jf algorithm of the developed device is resulted.an economic part the costs of development and manufacturing of an experienced sample settle up.

Содержание

Введение

1. Технико-экономическое обоснование

2. Теоретическая часть

2.1 Цифровые системы передачи

2.1.1 Цифровая передача речи в сетях проводной связи

2.1.2 Цифровая передача речи в сетях беспроводной связи

2.2 Общие сведения по теории речеобразования

2.3 Типы вокодеров

2.4 Речеэлементные методы

Заключение по теоретической части

3. Разработка структурной схемы фонемного вокодера

3.1 Описание функциональной схемы

4. Разработка принципиальной схемы фонемного вокодера

5. Конструкторско-технологическая часть

5.1 Разработка конструкции устройства

5.2 Технология изготовления печатной платы

6. Экспериментальная часть

7. Расчет надежности

8. Экономическая часть

8.1 Построение ленточного графика выполнения дипломного проекта

8.2 Составление сметы затрат на разработку

8.3 Расчет себестоимости изделия

8.4 Расчет проектной цены изделия

8.5 Расчет и выводы по эффективности предложений

9. Безопасность и экологичность проекта

9.1 Анализ условий труда на рабочем месте пользователя ПЭВМ

9.2 Разработка мероприятий, обеспечивающих оптимальные метеорологические условия. Кондиционирование

9.3 Чрезвычайные ситуации. Обеспечение пожарной безопасности

Выводы

Заключение

Список используемой литературы

Приложения

Введение

Речь является важнейшим средством коммуникации между людьми. По своим характеристикам и свойствам она достаточно специфична и уникальна. Соответственно речь, как основа человеческого общения и взаимодействия, является предметом пристального внимания множества научных исследований и технических разработок в сфере управления и телекоммуникаций. Целью такого внимания является создание качественно новых систем передачи речевой информации. Результатами развития в этом направлении становятся высокоэффективные и надежные средства связи, системы автоматического голосового управления с возможностью верификации, справочные системы с речевым ответом, новые возможности в сферах медицинского обслуживания, обучения или развлекательного характера и т.д.

Одной из важнейших задач, о чем можно судить по уделяемому ей вниманию, являются исследования речевого сигнала в области низкоскоростной передачи. В этом направлении, несмотря на многолетнюю работу, имеется еще много нерешенных задач. Создание систем низкоскоростной передачи с высоким качеством восприятия сигнала, способных функционировать и взаимодействовать с человеком в реальных условиях, систем распознавания слитной речи на фоне мешающих факторов при объективной методике оценки качества восприятия речи позволит эти проблемы решить.

Главной задачей на сегодня является уже не только достижение минимальной избыточности, но и качество звучания речевых сигналов, восстановленных в низкоскоростных системах передачи, т.е. восприимчивость и разборчивость для человеческого слуха, без значительного снижения эффективности обработки и передачи при наличии шумов. В частности вокодерные системы хотя и обеспечивают приемлемую разборчивость, но не могут обеспечить хорошее качество получаемого сигнала. Также при обработке полностью теряются индивидуальные особенности голоса; речь звучит механически, случаются посторонние звуки. При этом следует найти оптимальный баланс между качеством и скоростью передачи. Особенно важен этот вопрос для беспроводных систем связи, по причине ограниченности радиочастотного ресурса и необходимостью обработки огромного массива данных, для каналов управления и линий командной связи, а также различных устройств с голосовым управлением. Также этот вопрос значителен еще и потому, что в современных цифровых системах производятся большое количество математических операций для обработки сигнала, так как они требуют больших вычислительных затрат и, соответственно, снижают быстродействие и дают общую задержку.

Одним из решений может служить фонемный вокодер с варьируемым набором передаваемых параметров, т.е. адаптацией соотношения скорость/качество под конкретную задачу. Использование такого типа вокодеров позволит максимально снизить естественную избыточность речевых сигналов. Его применение позволит обеспечить пользователя качественной голосовой связью при высоком уровне конфиденциальности в реальном масштабе времени.

Использование низкоскоростного вокодера позволит за счет уменьшения объема передаваемых данных позволит понизить стоимость передаваемой информации, освободить часть ресурсов систем передачи для других пользователей, что выгодно как пользователям, так и представителям услуг связи.

1. Технико-экономическое обоснование

Одними из первых потребителей вокодерных систем в нашей стране были военные и правительственные ведомства, и для них не являлось первостепенным качество речи, т.е. натуральность ее звучания и распознаваемость говорящего.

В настоящее время в связи с появлением цифровых сетей и соответствующего абонентского оборудования, компьютерной телефонии, спутниковой и сотовой систем связи требования изменились. Использование цифровых методов представления, обработки и передачи приводит к многократному увеличению занимаемой полосы частот и, как следствие этого, к многократному увеличению скорости передачи информационных сообщений. При этом для потребителя не мало важным является качество предоставляемых услуг, в данном случае восприимчивость речи на слух после передачи. Кроме того, информация в большинстве случаев носит частный, конфиденциальный характер.

Применение фонемных вокодеров дает самую низкую информационную скорость среди существующих кодеров (от 1500 до 100бит/с), что позволяет передавать сигнал по более узкому каналу и при этом получить менее зашумленный и более разборчивый речевой сигнал. Это объясняется обратной зависимостью между скоростью передачи и отношением сигнал/шум: чем выше скорость передачи, тем ниже отношение сигнал/шум [14]. Помимо этого при худшем качестве канала связи требуется большая мощность передатчика, чтобы протолкнуть информацию по такому каналу причем зависимость квадратичная). Также низкая скорость позволит применить более сложные алгоритмы кодирования, а передача дополнительных речевых характеристик, таких как интонации, стилистические особенности речи и применение более сложного алгоритма распознавания позволит повысить качество речи.

В итоге применение фонемных вокодеров дает:

использование малогабаритных передатчиков с низким энергопотреблением (следствие низких требований к мощности);

возможность использования узкополосных каналов (экономия дефицитного РЧР и повышение качества передаваемой информации);

максимальная степень конфиденциальности;

высокая информационная емкость при удовлетворительном качестве на уровне 3-4 балла (рисунок 1.1).

Все это при минимальной стоимости программного продукта и высокой надежности аппаратуры делает данный вокодер конкурентоспособным, а так как имеется большой спрос в различных отраслях, то успешная реализация обеспечена.

В таблице 1.1 показаны некоторые стандарты сжатия речи, используемые в кодеках низкоскоростных систем передачи [18]. Более подробно алгоритмы кодирования рассмотрены в разделе 3.

рисунок 1.1

Таблица 1.1

№	Стандарт	Организация	Тип кодирования	Скорость Kбит/с
1	FS1015	Secure Voice Communication USA	LSF	2.4
2	JDC-HR	Japanese Cecular	PSI-CELP	3.67
3	FS1016	Secure Voice Communication USA	CELP	4.8
4	GSM-HR	Eropean Cecular	RPE-LTP	7.8
5	ITU	ITU-T	VCELP	8
6	GSM	Eropean Cecular	RPE-LTP	13
7	G.728	ITU-T	LD-CELP	16
8	G.726	ITU-T	ADCPM	32
9	G.711 m, A закон	ITU-T	PCM	64

2. Теоретическая часть

2.1 Цифровые системы передачи

2.1.1 Цифровая передача речи в сетях проводной связи

Коренные изменения в подходах к организации телефонной связи возникли при переводе средств связи на цифровую технику. Преимущества цифровых методов передачи широко известны. Напомним лишь только важнейшее из них - цифровая техника позволяет обеспечить любое наперед заданное качество связи. Для цифровой передачи речи необходимо произвести аналого-цифровое преобразование речевого сигнала: подвергнуть аналоговый сигнал дискретизации, квантованию и кодированию. Совокупность этих операций называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Для точного описания формы речевого сигнала, согласно теореме Котельникова, его дискретизацию приходится проводить с частотой 8 кГц (т.е. брать отсчеты через каждые 125 мкс), а для получения нормального качества воспроизведения речи квантовать каждый отсчет по шкале, разбитой на 8192 уровня (при выборе равномерной шкалы квантования). Чтобы закодировать каждое значение отсчета с помощью двоичного числа, потребуется 13 разрядов.

В результате для передачи телефонного разговора с помощью последовательности двоичных импульсов необходима скорость 8х13=104 кбит/с (что соответствует при оптимальном кодировании полосе частот 52 кГц). Сравнивая это число с полосой частот в 3100 Гц, которая требуется для аналоговой передачи, нельзя не поразиться колоссальному росту необходимой полосы, которым приходится расплачиваться за преимущества цифровой передачи. Естественно попытаться при реализации цифровой системы передачи понизить скорость передачи.

Первый шаг в этом направлении довольно очевиден. Квантование на 2¹³ уровней оказывается необходимым потому, что уровни аналоговых речевых сигналов могут изменяться в диапазоне 60 дБ. При этом сигналы высокого уровня при равномерной шкале квантования квантуются с таким же шагом, что и сигналы низкого уровня. Но так как восприятие сигналов органами слуха человека пропорционально логарифму уровня сигнала, то естественно было бы сигналы высокого уровня квантовать более грубо, а низкого уровня - более точно. Применяя нелинейное квантование с использованием логарифмического закона, можно обойтись восемью разрядами на отсчет, сохранив почти такое же качество передачи. В результате скорость передачи двоичных разрядов окажется равной 64 кбит/с. Именно эта скорость получила самое широкое распространение, она зафиксирована в рекомендации МККТТ С.711, и на ней работает аппаратура ИКМ во многих странах.

Можно ли уменьшать скорость дальше?

Аналоговый сигнал имеет большую избыточность. Это позволяет предсказывать очередной отсчет и передавать только разницу между фактическим и предсказанным значением каждого отсчета. Если применить хорошую схему предсказания, изменение амплитуды приращения сигнала окажется меньше изменения амплитуды самого сигнала, что приведет к уменьшению количества передаваемой информации. На этом принципе строится дифференциальная ИКМ (ДИКМ) и адаптивная дифференциальная ИКМ (АДИКМ), которая позволяет понизить скорость передачи речи до 32 кбит/с и ниже за счет дальнейшего усложнения приемопередающей аппаратуры. Продолжая усложнять аппаратуру, можно довести скорость передачи речи до 100-300 бит/с. Можно представить себе, например, на передающей стороне преобразователь речи в текст, а на приемной стороне - читающую машину.

Известны пути дальнейшего снижения скорости передачи речи, но не будем на этом останавливаться. Дело в том, что аппаратура цифровой передачи речи со скоростью 64 кбит/с всех удовлетворила потому, что она оказалась работоспособной при использовании самых простых симметричных кабелей с парной скруткой. Аппаратура ИКМ-30 начала свое триумфальное шествие с уплотнения соединительных линий между городскими телефонными станциями. Там, где раньше по кабельной паре можно было организовать соединительную линию для передачи лишь одного разговора, аппаратура ИКМ-30 позволила организовать по этой же паре передачу 30 разговоров. О лучшем использовании такой пары с помощью аналоговой аппаратуры многоканальной связи не могло быть и речи.

Позднее появились аппаратура ИКМ-120 и другие высокопроизводительные системы, работающие по коаксиальным кабелям и волоконным световодам, и острота вопроса об уменьшении скорости передачи разговорных сигналов ниже 64 кбит/с в сетях проводной связи практически была снята. Даже многочисленные разработки аппаратуры цифровой передачи со скоростью 32 кбит/с, реализованные во многих странах на основе принципа АДИКМ (в том числе разработка, выполненная в нашей стране под руководством М.У. Поляка), не получили достаточно широкого применения. Баланс между увеличением пропускной способности каналообразующей аппаратуры и сложностью оконечного оборудования в проводной связи пока так и не склонился в пользу первого решения.

2.1.2 Цифровая передача речи в сетях беспроводной связи

Совсем другие перспективы открылись в конце 1980-х - начале 1990-х годов, когда начали развиваться сотовые системы цифровой радиотелефонной связи. В отличие от проводных сетей, где расширение пропускной способности возможно за счет прокладки новых линий, т.е. возобновления ресурсов пропускной способности, в радиосетях действует жесткий закон тесноты в эфире, и приходится иметь дело с невозобновляемым ресурсом радиочастот. Правда, идея сотовой связи как раз и состоит в возобновлении ресурса радиочастот путем повторения частоты передачи на территории, до которой не доходит сигнал той же частоты от мешающей радиостанции. Но возможности такого возобновления ресурса и здесь ограничены, поэтому дальнейшее усложнение аппаратуры ради снижения скорости передачи оказывается оправданным.

Например, в принятой в большинстве стран Европы системе сотовой цифровой связи GSM стандартные скорости передачи речи составляют 13 и 6,5 кбит/с. Для осуществления подобной системы передачи пришлось обратиться к старой идее машины Эйлера и более глубокому проникновению в механизм речеобразования.

Как известно, один из важнейших результатов современной теории передачи информации состоит в рекомендации разделения задач кодирования источника и кодирования канала. В задачу кодирования источника информации входит описание передаваемого сообщения в максимально экономной форме, т.е. удаление избыточности в сообщении. Полученное таким образом сжатое сообщение становится более уязвимым к воздействию помех и может оказаться искаженным при передаче. Поэтому после кодирования источника применяются кодирование канала, в задачу которого входит защита передаваемого сообщения от помех. Кодирование канала требует внести в передаваемое сообщение некоторую избыточность, но не случайную, которая присутствовала в первоначальном сообщении, а строго обоснованную теоретически и которая гарантирует оговоренное качество передачи.

До сих пор мы рассматривали только задачи кодирования источника, к которым теперь подойдем с более общих позиций.

Итак, имеется цифровая версия аналогового речевого сигнала, т.е. функция, описывающая, например, закон изменения тока во времени. Из такого сигнала нужно попытаться удалить избыточность. Эту задачу можно решать несколькими методами. Один из них - попытаться найти избыточность путем чисто математического анализа рассматриваемой функции. Другой путь решения задачи - анализ акустических характеристик этой функции (с точки зрения ее восприятия органами слуха). Наконец, можно искать избыточность моделированием самого процесса речеобразования. Именно последний из перечисленных методов нашел применение в современных системах цифровой радиосвязи.

2.2 Общие сведения по теории речеобразования

Речь состоит из звуков, слогов, слов, фраз и т.д. Кроме того, используются дополнительные формы, например морфемы - часть слова, имеющая грамматическое или лексическое значение, синтагма - часть фразы (не менее одного слова), имеющая синтаксическое или интонационно-смысловое значение. При нормальном темпе речи паузы различной длительности, как правило, следуют только после каждой синтагмы. Вследствие этого все звуки речи, входящие в синтагму, сливаются. Это одна из важных особенностей речи.

Каждый человек по-своему произносит звуки, т.е. существует своего рода речевой подчерк. Но при всем многообразии звуков речи их можно классифицировать на конечное число (30-50) типовых звуков-фонем. Точнее, фонемой называют наименьшую звуковую единицу данного языка, существующую в целом ряде конкретных звуков речи - вариантов фонем. Вследствие непрерывности произнесения синтагм наблюдаются взаимные влияния соседних фонем. Поучающиеся при этом варианты звучания фонем называют позиционными. Число таких вариантов в 3-5 раз превышает число самих фонем. Но самое большее разнообразие вариантов фонем создается индивидуальной манерой их произнесения каждым человеком.

Между буквами и фонемами одного и того же языка нет однозначной связи, хотя в ряде случаев буква и фонема совпадают. Поэтому число фонем и число букв неоднозначно во всех языках.

Как и буквы фонемы делятся на гласные и согласные. Согласные фонемы (звуки) делят на звонкие и глухие. В русском языке насчитывается 41 фонема, из них 6 гласных: а, о, у, э, и, ы. Гласные звуки я, ю, ё, е в начале слов являются составными из й и соответствующего гласного а, о, у, э, а в других позициях служат для смягчения предшествующей согласной.

В русском языке большинство согласных имеют две формы: твердую и мягкую. Каждая из этих форм соответствует своей фонеме, поскольку их звучание резко различается как на слух, так и по объективным характеристикам. Согласные звуки делят на сонорные и шумные. К сонорным звукам относят м, н, л, р в твердой и мягкой форме, к шумным - все остальные. По способу образования согласные подразделяются на щелевые, т.е. фрикативные (ф, с, ш, х, в, з, ж), взрывные т.е. смычные (п, т, к, б, г, д), аффрикаты (ц, ч), носовые (м, н) и ротовые, т.е. текущие (р, л). Из этих звуков к глухим относятся ф, с, ш, х, п, т, к, ц, ч, остальные звуки - звонкие. Только к твердой форме относят звуки ш, ж, ц, только к мягкой - ч. Звук й относится к нейтральной фонеме. Согласная буква щ соответствует двойной фонеме ш, ч. Остальные 15 согласных дают по 15 фонем в твердой и мягкой форме.

В таблице 2.2 приведены данные о вероятности появления фонем в русской речи с неограниченным словарем. В ряде случаев пользуются ограниченным числом слов, для которых распределение фонем может существенно отличатся от приведенного в таблице 2.2.

В соответствии с данными о встречаемости различных фонем можно говорить и об их информативности: редко встречающиеся фонемы несут больше информации, чем часто встречающиеся. Всем известно, что гласные звуки несут гораздо меньшую информацию, чем согласные, а из последних больше информации несут глухие согласные. Например, если известна последовательность". а. я. а", трудно догадаться, какое это слово. А если дана последовательность "п. м. т. к", то нетрудно догадаться, что это "памятка" или "пометка". Основной задачей гласных заключается в перестройке речевого аппарата для произнесения следующего за ним согласного.

фонемный вокодер алгоритм речевой

Таблица 2.2

фонема	Вероят - ность, ×10⁴	фонема	Вероят - ность, ×10⁴	фонема	Вероят - ность, ×10⁴
	1316	нь	221	г	91
ь	977	л	212	ж	89
т	602	ш	207	вь	89
а	539	м	202	ф	85
й	457	ц	197	сь	85
н	392	ть	196	ч	59
о	379	д	177	мь	56
с	359	ль	162	бь	52
э	343	ы	159	пь	50
к	284	у	153	кь	36
в	273	рь	133	зь	21
и	243	з	130	фь	8
ъ	240	дь	126	гь	7
п	232	б	119	хь	5
р	230	х	102

Звуковые колебания, создаваемые в ближайшем окружающем человека пространстве при произнесении слов речи, могут быть представлены как функции, зависящие от параметров соответствующих источников звуковых колебаний и параметров сложных систем резонаторов, находящихся во рту и носу человека. К таким параметрам относятся нагрузочные сопротивления рта и носа как излучателей звука [5]. Речевой тракт можно представить с помощью электрического аналога, как показано на рисунке 2.3.1 В таком представлении ток в электрической цепи соответствует объемной скорости в речевом тракте:

=vS, (2.1)

где S - площадь поперечного сечения речевого тракта;- скорость колебаний частиц среды в этом сечении тракта.

Напряжение на выходе четырехполюсника соответствует звуковому давлению на выходе речевого тракта, т.е. в звуковом поле:

=Ф (U₀,z_BX), (2.2)

где z_BX - входное акустическое сопротивление тракта;_{0 -}объемная скорость на входе четырехполюсника.

Для случая дискретного (тонального) спектра источника колебаний звуковое давление в форме преобразования Лапласа может быть представлено в следующем виде:

(s) =E (s) F (s), (2.3)

где s=δ±iw - комплексная угловая частота колебаний;

δ - показатель затухания;

Е - генераторная функция источника колебаний;- передаточная (фильтровая) функция, т.е. коэффициент передачи тракта. Преобразование Фурье имеет более наглядную форму, чем преобразование Лапласа, но последнее представляет больше возможностей для анализа речевых процессов.

Выражение (3.3) может быть представлено в виде спектра амплитуд:

|p (f) |=|E (f) ||F (f) |, (2.4)

где f - частота колебаний. Для случая сплошного шумового спектра в (3.3) вместо частоты чистого тона должна фигурировать средняя частота достаточно узкой полосы частот.

Обращаясь к выражениям (2.3) и (2.4), видим, что звуковое давление в зависимости от частоты может принимать различные значения. В общем случае в речевом диапазоне частот может быть несколько тональных и шумовых составляющих. При этом спектральная огибающая может иметь несколько максимумов и минимумов, а в ряде случаев и нулевые значения.

На рисунке 2.3 представлены генераторная и фильтровая функции и колебания в звуковом поле. Представление дано как в спектральном виде, так и во временном. Участки частотных диапазонов около спектральных максимумов, определяющие восприятие и распознавание конкретных звуков речи, называют формантами.

Источниками речевых колебаний является гортань с голосовыми связками и узкие щели в речевом тракте, через которые воздух продувается из легких. По виду спектра источники звуковых колебаний подразделяются на дискретные и сплошные, а по временной структуре - на флуктуационные и импульсные, в том числе и в виде одиночного импульса.

Гортань как источник гармонических колебаний служит для образования гласных и звонких согласных звуков речи. Все эти звуки иногда называют голосовыми. Они создаются голосовыми связками путем модуляции потока воздуха, проходящего через них: под связками создается повышенное давление, связки раздвигаются, часть воздушного потока проходит через образовавшееся отверстие; от этого давление уменьшается, и связки смыкаются, а затем все происходит вновь и т.д. Получается последовательность импульсов воздуха. Период размыкания связок определяется собственной частотой колебаний связок. Легкие, бронхи, голосовые связки, гортань, глотка, ротовая и носовая полости вместе образуют речеобразующий тракт человека.

Для последующего анализа и синтеза речевых сигналов речевой тракт рассматривается с помощью модели, где речевой сигнал является откликом системы с медленно изменяющимися параметрами на периодическое или шумовое возбуждающее колебание. Иными словами, звуковые колебания, создаваемые в окружающем пространстве, могут быть представлены как сложные функции, зависящие от параметров соответствующих генераторов звуковых колебаний и от параметров сложных систем резонаторов, включая и такие, как нагрузочные сопротивления рта как излучателя. Резонаторы образуются полостями рта и глотки, а в ряде случаев и носовой полостью. По существу речеобразующий механизм (голосовой тракт) является акустической трубой с переменным сечением, возбуждаемой соответствующим источником при создании желаемого звука. Для звонких звуков источнику возбуждения соответствует квазипериодическая последовательность импульсов, представляющая поток воздуха, протекающий через колеблющиеся голосовые связки. Фрикативные звуки образуются при протекании воздуха сквозь сужение голосового тракта. При этом получается турбулентный поток, который является источником шума, возбуждающего голосовой тракт [4].

Речевой сигнал можно промоделировать откликом линейной системы с переменными параметрами (голосового тракта) на соответствующий возбуждающий сигнал. Если на коротком интервале времени входной сигнал является периодическим с постоянной основной частотой, то и выходной сигнал является периодическим. Систему можно рассмотреть и в частотной области. Преобразование Фурье речевого сигнала равно произведению преобразований Фурье возбуждающей функции и импульсного отклика голосового тракта.

Спектр речевого сигнала образуется перемножением линейчатого спектра возбуждающего сигнала, соответствующего голосовому тракту, и следовательно, тоже является линейчатым, а его огибающая характеризует передаточную функцию голосового тракта.

Речевое колебание воздействует на органы слуха человека, вызывая определенные слуховые ощущения. Слуховое восприятие обладает двумя важными свойствами, которые широко используются в технике: слабая чувствительность слуха к фазовым соотношениям спектральных составляющих сложного акустического колебания, такого как речь, и эффект маскировки одного воздействия другим мешающим воздействием. В инженерной практике принято считать, что некоторая потеря кратковременных фазовых соотношений допустима и, более того, форма акустического колебания может быть изменена и даже без заметных на слух потерь в разборчивости. В тоже время на качество восприятия, синтезированного в кодерных системах сигнала, влияет потеря естественных фазовых соотношений гармоник основного тона. Поэтому нечеткий термин “слабая чувствительность”, по-видимому, правильно отражает существующее положение. Эффекты маскировки состоят в изменении порога слышимости одного акустического воздействия. Для каждого типа воспринимаемого и мешающего воздействий могут быть измерены экспериментально свои кривые порога слышимости при маскировке. Различают маскировку гармонического тона шумом, тона тоном и т.д.

Для многих из звуков речи огибающая частотного спектра является одной из ключевых характеристик для их опознавания (идентификации). Особенно явно это выражено у гласных и у ряда длительных согласных звуков, хоты у некоторых звуков наличие ряда максимумов в формантных областях и расплывчатость всей формантной структуры не дают возможность четко связать разборчивость звука с его формантной структурой [10].

В цифровых системах передачи разборчивость обычно высока и в понятие “качество звучания” вкладываются такие субъективные характеристики, как натуральность, естественность звучания, возможность узнавания диктора по голосу и т.п. Существуют экспериментальные способы определения количественных мер качества звучания, оцениваемого, например, по градациям “отлично”, “хорошо”, “удовлетворительно”, “неудовлетворительно”. Каждой градации при формировании количественных оценок приписывается определенное число баллов [8].

Можно применять простые методы кодирования формы сигнала для получения хорошего качества речи при скоростях свыше 64 кбит/с.

2.3 Типы вокодеров

Вокодеры (от английских слов voice - голос и coder - кодировщик) представляет собой устройство, осуществляющее параметрическое компандирование речевых сигналов. Компрессия речевых сигналов на передающем конце канала связи производится в анализаторе, выделяющем из речевого сигнала медленно меняющиеся составляющие, которые передаются по каналу связи в виде кодовых посылок. На приемном конце с помощью местных источников сигналов, управляемых принятыми параметрами, синтезируется речевой сигнал.

Работа вокодеров основана на моделировании человеческой речи с учетом ее характерных особенностей. Вместо непосредственного измерения амплитуды вокодер преобразует входной сигнал в некий другой, похожий на исходный. Причем измеряемые характеристики речевого сигнала используются для подгонки параметров в принятой модели речевого сигнала. Именно эти параметры и передаются приемнику, который по ним восстанавливает исходный речевой сигнал. По существу речь идет о синтезе речи. Естественно, что измерение искажений отношения сигнал/шум бесполезно для вокодеров, и, следовательно, необходимы другие субъективные оценки, такие, как средняя экспертная оценка, диагностический рифмованный текст, диагностическая оценка приемлемости и др. Вокодеры можно разделить на два класса: параметрические и речеэлементные.

В речеэлементных вокодерах при передаче распознаются произнесенные элементы речи (например, фонемы) и передаются только их номера. На приеме эти элементы создаются по правилам речеобразования или берутся из памяти устройства. Область применения фонемных вокодеров - линии командной связи, речевое управление, и говорящие автоматы информационно-справочной службы. Практически в таких вокодерах происходит автоматическое распознавание слуховых образов, а не определение параметров речи.

В параметрических вокодерах из речевого сигнала выделяют два типа параметров:

параметры, характеризующие огибающую спектра речевого сигнала (фильтровую функцию);

параметры, характеризующие источник речевых колебаний (генераторную функцию), - частота основного тона, ее изменение во времени, моменты появления и исчезновения основного тона шумового сигнала. По этим параметрам на приеме синтезируют речь. По принципу определения параметров фильтровой функции речи различают вокодеры:

полосные, канальные;

ортогональные;

липредеры (с линейным предсказанием речи);

гомоморфные.

. В полосных вокодерах речь делится на 7-20 полос (каналов) аналоговыми или цифровыми фильтрами. Большее число каналов в вокодере дает большую натуральность и разборчивость. На выходе каждого из ПФ включены детектор и сглаживающий НЧ-фильтр, выделяющий огибающую речевого сигнала с частотой среза F_ср. Полученные медленно меняющиеся напряжения на выходе ФНЧ характеризуют амплитуду речевых сигналов в данной частотной полосе а_N (t). Практика показывает, что при достаточном числе полос разбиения напряжение на выходе ФНЧ меняется медленно, поэтому в качестве амплитуды речевого сигнала в i-й полосе для инженерных расчетов принимается значение речевого сигнала на средней частоте i-й полосы. Речевой сигнал поступает также на устройство выделения основного тона (ОТ), на выходе которого формируется сигнал, характеризующий частоту основного тона Ώ (t). Кроме того, в анализаторе выделяется сигнал тон-шум (Т-Ш), характеризующий состав спектра звуков речи - дискретный для вокализованных звуков (тон) или непрерывный для невокализованных (шум). Устройство выделения Т-Ш может работать либо непосредственно от речевых сигналов, либо от сигналов, полученных на выходе устройства выделения ОТ.

Сигналы, полученные на выходе сглаживающих фильтров и на выходах устройств выделения сигналов ОТ и Т-Ш, объединяются и преобразуются в форму, приемлемую для передачи по каналу связи. Объединение и преобразование сигналов а_i (t), i=1. N производится в объединяющем устройстве. На приемной стороне канала связи производится разделение сигналов (в разделяющем устройстве) и преобразование их в форму, необходимую для работы синтезатора.

В аналоговых вокодерах объединяющие и разделяющие устройства реализуются на принципах частотного разделения сигналов, а в аналого-цифровых и цифровых вокодерах - на принципах временного разделения сигналов.

Сигналы Т-Ш управляют переключателем, с помощью которого на входную гребенку полосовых фильтров подается либо широкополосный шум от генератора шума, либо импульсы от генератора ОТ. Последний управляется сигналом Ώ (t) таким образом, что частота следования импульсов на выходе равна частоте основного тона речевого сигнала на передающем конце. Совокупность генераторов ОТ, шума и схемы переключения Т-Ш называют генератором речевого сигнала (ГРС).

С выхода входных полосовых фильтров сигналы поступают на амплитудные модуляторы (АМ). На другой вход АМ в качестве модулирующих поступают сигналы а_i (t), i=1. N, которые обычно после разделяющего устройства проходят через сглаживающие ФНЧ-фильтры. С выхода АМ сигналы поступают на гребенку выходных полосовых фильтров, служащих для уменьшения влияний побочных продуктов модуляции, возникающих в АМ. Совокупность схем и узлов, в которых преобразуются речевые сигналы в пределах каждой из частотных полос (от входа полосового фильтра до выхода выходного полосового фильтра синтезатора), называют спектральным каналом полосного вокодера. Обычно схемы полосных вокодеров дополняются устройствами линейного предсказания, образуя полосные вокодеры с линейным предсказанием ЛПК-вокодеры. В подобных вокодерах используется алгоритмы линейного предсказания, с помощью которых при анализе в передающем устройстве определяются коэффициенты предсказания, а в приемном устройстве на основе этих коэффициентов с помощью рекурсивного цифрового фильтра синтезируется эквивалент голосового тракта.

Идея метода линейного предсказания состоит в том, что прогнозируемая величина речевого сигнала в момент опробования h определяется как линейно взвешенная сумма предшествующих выборок:

, (2.2.1)

где - речевой сигнал в предшествующие моменты опробывания, m=1,2. р; а_m - коэффициенты предсказания. Интервалы времени между моментами опробований определяются частотой дискретизации t_h - t_h-1=1/F_д. В момент h, когда известны не только , но и истинное значение речевого сигнала λ (h), можно определить ошибку предсказания

(2.2.2)

и затем подобрать коэффициенты а_m таким образом, чтобы ошибка предсказания была минимальной. Обычно в качестве критерия минимизации используется минимум среднеквадратической ошибки. В этом случае требуется определить такие значения а_m, при которых . Задача минимизации сводится к решению системы линейных урвнений относительно а_m.

Устройство для вычисления ошибки предсказания, в соответствии с (2.2.2) представляет собой фильтр, передаточная характеристика которого равна передаточной характеристике фильтра, имитирующего речевой тракт. По этому преобразования, соответствующие (2.2.2) называют инверсной фильтрацией.

Усреднение ошибки предсказания производится на интервале Δt=Mt_h выборок, образующих кадр (фрейм). Желательно, чтобы длительность кадра соответствовала длительности анализируемого звука речи, однако технически выполнить это достаточно сложно. Поэтому обычно принимают М=100.200. что при F_д=8000 Гц соответствует длине кадра Δt≈12,5.25мс.

Для получения удовлетворительного качества синтезируемых речевых сигналов необходимо вычисление не менее 10 коэффициентов предсказания а_m, что в (2.2.1) соответствует р=10.12. Учитывая это, в анализаторе ЛПК-вокодера необходимо решение 100-200 линейных уравнений с 10-12 неизвестными.

Коэффициенты предсказания, значения которых передаются по каналу связи, используются в качестве переменных параметров в рекурсивном цифровом фильтре, на вход которого подаются сигналы возбуждения. В качестве сигналов возбуждения в ЛПК-вокодере используются такие же сигналы, которые имеют место на выходе генераторов речевого спектра (ГРС) в полосных вокодерах. При воспроизведении вокализованных звуков - это последовательности импульсов ОТ, а при воспроизведении невокализованных звуков - это случайная последовательность импульсов, формируемых генератором шума.

Вместо коэффициентов предсказания в большинстве вариантов схем ЛПК-вокодеров предусматривается получение эквивалентного набора величин, называемых коэффициентами отражения К₀. Эти параметры менее чувствительны к квантованию, чем коэффициенты предсказания а_m. Наборы параметров а_m и К₀ связаны между собой набором стандартных рекуррентных соотношений.

Ширина полосы фильтров на входе и выходе выбирается с учетом используемых электроакустических преобразователей. Преобразователи аналог-код и код-аналог работают на принципах ИКМ. Анализатор сигналов возбуждения осуществляет выделение сигналов ОТ и Т-Ш и общего уровня речевого сигнала (огибающей речевого сигнала). Остальные узлы выполняют те же функции, что и в полосном вокодере без линейного предсказания.

При синтезе и исследовании полосных вокодеров и полосных вокодеров с ЛПК используются различные модели речевого сигнала. Наиболее точная модель речи представляет собой нестационарный случайный процесс с медленно меняющейся дисперсией и спектральной плотностью. При использовании подобной модели можно получить наиболее точный результат оценки качества вокодера.

Как было описано выше, в рассматриваемой системе связи процесс кодирования речевого сообщения λ (t), представляемого моделью стационарного центрированного случайного процесса со спектральной плотностью мощности S_λ (w) и дисперсией , сопровождается разбиением частотного диапазона сигнала на полосы. Формирование в каждой такой полосе узкополосного “квазибелого” шума соответствующей мощности преследует цель получения аппроксимации речевого спектра, используемого на приемной стороне для воспроизведения речи.

. В ортогональных вокодерах огибающая мгновенного спектра раскладывается в ряд по выбранной системе ортогональных базисных функций. Вычисленные коэффициенты этого разложения передаются на приемную сторону. Распространение получили гармонические вокодеры, использующие разложение в ряд Фурье. Рассмотрим основные принципы, положенные в основу построения ортогональных вокодеров.

Кратковременное преобразование Фурье S (w,h) дискретизированного речевого процесса λ (h):

(2.5.)

Здесь v (h) - весовая функция, сдвигаемая во времени.

Соотношение (2.5) может быть переписано в двух формах. Первая форма имеет вид свертки:

(2.5а)

Реализация (2.5а) может быть представлена в виде рисунка 3.3.1а и означает, что спектр речевого процесса соответствует свертке весовой функции v (h) с сигналом λ (h), промодулированным колебанием e^-jwh.

Другая форма записи 2.5 получается, если ее переписать в виде:

(2.5б)

Система (2.5б) может быть реализована в виде, представленном на рисунке 2.2.1б, и означает преобразование речевого сигнала λ (h) полосовым фильтром с центральной частотой w и импульсной характеристикой v (h) e^-jwh. Реализации, представленные на рисунке 2.2.1., отличаются тем, что в первом случае используется цифровой фильтр нижних частот с импульсной характеристикой v (h), а во втором - полосовой фильтр, что удобно при параллельном измерении S_λ (w,h) на нескольких частотах w.

Используя алгоритмы БПФ оценку кратковременного преобразования Фурье на равностоящих частотах w_n=2πn/N, n=1. N-1, можно записать:

(2.6)

где S_n (h) =S (w_n,h).

Форму можно преобразовать к виду:

(2.6а)

где (3.6б)

можно рассмотреть как характеристику комплексного ПФ с центральной частотой w= (2π/N) n.

В результате формулы (3.6а) и (3.6б) описывают процедуру проведения спектрального анализа последовательности с помощью гребенки комплексных ПФ, как это показано на рисунке 2.3.2.

Исходный речевой сигнал λ (h) можно восстановить, сложив сигналы на всех выходах гребенки ПФ так, что

(2.7)

Формула 2.6а является основополагающим уравнением анализа с кратковременным преобразованием Фурье, а формула (2.7) - основным уравнением синтезатора.

. Гомоморфная обработка позволяет разделить генераторную и фильтровую функции, образующие речевой сигнал. В основе гомоморфных вокодеров лежит метод нелинейной (гомоморфной) фильтрации. Общая структура гомоморфных систем, предназначенных для инверсной фильтрации речевых сообщений, представлена на рисунке 2.2.3 Свойства системы D_* (∙) определяются соотношением:

(2.8)

где .

Сигнал на выходе системы D_* (∙) обычно называют комплексным кепстром. Система L (∙) является линейной, а система - обратной к системе D_* (∙).

Удобства подобных преобразований для анализа и синтеза речевых процессов обусловлены рядом свойств комплексного кепстра. В частности:

комплексный спектр последовательностей, имеющих Z - преобразование, в основном сосредоточен вблизи нуля;

последовательность, состоящая из равноотстоящих импульсов, имеет комплексный кепстр того же вида;

для вычисления комплексного кепстра последовательности с минимальной фазой можно обойтись логарифмом действительной, а не комплексной функции.

Выше было показано, что отрезки речевых сигналов могут быть представлены откликом линейной системы. Так в случае звонких звуков возбуждаемый сигнал имеет вид последовательности импульсов. В случае глухих звуков возбуждающий сигнал может быть смоделирован в виде шума.

Механизм восстановления речевого сигнала с помощью кепстров может быть пояснен следующим образом. Поскольку спектр звонкого звука формируется умножением огибающей, характеризующей состояние голосового тракта, на функцию, описывающую тонкую структуру спектра возбуждающего сигнала, то логарифм спектра равен сумме логарифмов огибающей спектра и спектра возбуждающего сигнала. Логарифм спектра возбуждающего сигнала изменяется с ростом частоты гораздо быстрее логарифма огибающей спектра. Кроме того, он периодичен. В результате обратное преобразование Фурье от логарифма огибающей спектра сконцентрировано по оси времени вблизи нуля, в то время как обратное преобразование от логарифма спектра возбуждающего сигнала является линейчатым, отражающим его периодичность в частотной области. Для выделения логарифма огибающей спектра из полного спектра логарифма его “взвешивают ” окном, открытом только в начальном участке кепстра (вблизи нуля). Эту процедуру называют “сглаживанием кепстра”.

В системе анализа-синтеза, основанной на гомоморфной фильтрации, начальные значения кепстра служат параметрами, описывающего состояние голосового тракта или огибающую спектра речевого процесса. Значения кепстра при больших значениях времени используются для оценки параметров возбуждающего сигнала.

Таким образом, основная идея гомоморфной обработки заключается в разделении или обратной свертке сегмента речевого сигнала с компонентами, представляющими собой импульсную характеристику и источник возбуждения. Это достигается путем линейной фильтрации обратного преобразования Фурье логарифма спектра сигнала (кепстра). Гомоморфные вокодеры, как и любые другие вокодеры, в которых осуществляется разделение параметров речи на сигнал возбуждения и параметры речевого тракта, позволяют достигнуть малой скорости передачи и дополнительной гибкости при обработке речи ценой усложнения алгоритмов преобразований.

2.4 Речеэлементные методы

Речеэлементные методы можно разделить на две группы: фонемные и все остальные (слоговые, диадные, триадные, словесные, командные). Из всех ранее рассмотренных методов компрессии речевого сигнала речеэлементные методы представляют наибольшее приближение к наибольшей компрессии речи. Можно объяснить это на простом примере фонемного метода.

В русской речи содержится 41 фонема, поэтому достаточно иметь шестизначный код, чтобы передавать не только фонемы, но и ряд других сигналов, отражающих некоторые данные о голосе и эмоциях говорящего (далее диктора). При средней скорости произнесения 10 фонем в секунду требуемая пропускная способность составит 60 бит/с, а с учетом передачи нескольких интонаций около 200 бит/с. Следовательно, коэффициент компрессии фонемного вокодера может достигать 1000. Такую передачу называют говорящим телеграфом (рисунок 2.3.1) Кроме звучащего телеграфа существуют фонемные вокодеры с передачей ряда индивидуальных особенностей речи и голоса, но дают меньшие величины компрессии речи.

Наметилось два направления разработки речеэлементных вокодеров. Сущность методов первого сводится к распознаванию элементов речи в передающем устройстве, кодированию их для передачи по каналу связи и восстановлению в приемном устройстве по образцам, находящимся в его памяти.

По методам, относящимся ко второму направлению, в передающем устройстве, кроме распознавания элементов речи, происходит определение основного тона, уровня интенсивности, длительности звучания каждого элемента, тембра голоса и др. Все эти данные кодируются и передаются по каналу связи. Приемное устройство синтезирует речь, используя аналог речевого тракта, управляемого пришедшими из передающего устройства кодовыми сигналами. Каждый из последних предварительно попадает в процессор, который определяет такие параметры речевого тракта, как частоты и полосы формант, выходное нагрузочное сопротивление, а по ним величины элементов электрического аналога тракта: индуктивностей, емкостей, сопротивлений и проводимостей звеньев тракта. Последний выполняется в виде системы с распределенными параметрами.

Речеэлементные методы обладают еще одной особенностью. Все предыдущие методы преобразования в основном предназначаются для компрессии речевого сигнала на передаче с целью уменьшения требуемой пропускной способности канала связи. На приемном конце сигнал снова расширяется, как правило, до исходного объема, т.е. в той или иной степени происходит восстановление первоначального сигнала. Речеэлементные методы преобразования речи имеют целью, как компандирование речевого сигнала, так и использование речевого сигнала для управления процессами и механизмами, а также для превращения кодовых сигналов в речевой.

Таким образом, речеэлементные методы анализа и синтеза речи могут быть как связаны между собой общей задачей, так и самостоятельными. В первом случае надо иметь в виду, что в конце концов сигнал воспринимается слуховым аппаратом человека, по этому следует сохранить (или восстановить) все свойства речевого сигнала, необходимые для его восприятия. Во втором случае сигналы от распознанных элементов речи управляют машинами и процессами, по этому нет необходимости в сохранении специфических для восприятия параметров. Иными словами, не обязательно копировать человеческий слуховой анализатор речи.

Процесс восприятия звуков речи слуховым анализатором человека может быть разделен на 3 этапа [14]: акустический, фонетический, лингвистический. На первом этапе сигнал анализируется как физическая величина. В результате анализа определяется комплекс параметров, пока еще не отождествленных с какими-либо параметрами, находящимися в памяти. На втором этапе происходит их сравнение с параметрами, находящимися в памяти, и первичное распознавание звука речи. Третий этап заключается в уточнении звука речи по различным связям между звуками речи, в частности по смыслу. При артикуляционных испытаниях ограничиваются преимущественно первыми двумя этапами, но при фонемном кодировании непрерывной речи следует учитывать все три этапа восприятия звуков речи.

Методы фонемного анализа можно разделить на две группы. К первой группе относятся все методы, основанные на анализе акустических параметров звуков речи, таких как, например спектральные, временные и спектрально-временные характеристики, а также формантные переходы, изменение временных интервалов между переходами речевого сигнала через ноль и др. К акустическим методам относятся также метод определения взаимозависимости между различными параметрами (например, между формантными частотами) и корреляционные методы. Вторую группу составляют методы, основанные на фонетических признаках звуков речи, таких как звонкость - глухость, диффузность - компактность, шумность, длительность, интенсивность и т.п. Конечно, эти дифференциальные признаки в той или иной степени связаны с акустическими параметрами и поэтому являются инвариантными признаками звуков речи.

Уже первые работы по спектральному распознаванию фонем [11] показали сложность распознавания фонем с высокой точностью, особенно для согласных звуков. Изучение видеограмм речи показало, что по ним можно “читать" речь, так как кроме местоположения формант можно определять и временные изменения формант и их уровней. В связи с этим стал применятся метод фонемного анализа по спектрально-временным образцам речи, давший уже высокую точность определения гласных звуков, но все же недостаточную для ряда согласных. Для распознавания согласных фонем требуется дополнительный анализ оценкой звуков речи по таким характеристикам, как крутизна нарастания или спада уровня сигнала, длительность звука или степень влияния соседних фонем.

Методы фонемного синтеза.

Методы синтеза делятся на три группы: по заранее записанным натуральным звукам речи, по правилам речеобразования и посредством электрического эквивалента тракта. Возможности синтеза посредством извлечения звуков речи из памяти синтезатора и составления из них слитного речевого сигнала проверялось неоднократно [11]. Первой задачей является определение минимального количества звуков, требующихся для получения достаточной разборчивости речи, а также разработка правил сочетания этих звуков друг с другом. Результат испытаний показал достаточную разборчивость, но неестественность звучания. Дальнейшим развитием стало использование вместо фонем их позиционными вариантами (фоноидами). Это дало большее качество звучания, стыки отдельных сегментов стали практически незаметны на слух. Дальнейшее улучшение качества возможно при использовании большего числа фоноидов (более 140). Если же добиваться получения высокой разборчивости и натуральности звучания, то используется синтез речи по правилам:

учет места и способа артикуляции звука (губной, зубной, небный, задний, взрывной, щелевой, сонорный) и расположение звука в слове, в частности при комбинации нескольких согласных;

учет ряда лингвистических правил (ударение, интонацию и др.).

Комбинируя правила для согласных, можно получить сравнительно небольшое число формантных переходов с различными локусами.

Можно использовать также эквивалент речевого тракта на L и C звеньях. Поскольку L и C имеют потери, то такой тракт в достаточной мере отражает реальный речевой тракт. Для работы тракта в качестве синтезатора требуется программное управление, действующее от фонемных сигналов и в зависимости от их последовательности плавно изменяющее параметры тракта. Данное устройство позволяет восстанавливать основной тон и передавать интонации голоса диктора. Для управления могут использоваться как кодовые сигнала фонем, так и более крупных единиц речи.

Заключение по теоретической части

Исходя из вышеперечисленных методов анализа и синтеза речи, наиболее целесообразным является использование фонемного вокодера с расширенным набором параметров анализа, что позволит повысить качество звучания речи при низкоскоростном кодировании. Необходимо также использование сегментации и учета правил сочетания и звучания речи, дающих большую вероятность верного распознавания речи. Для восстановления переданного сигнала достаточно использования синтезатора с банком записей звуков и правил их воспроизведения.

3. Разработка структурной схемы фонемного вокодера

Структурная схема блока обработки речевых сигналов на основе фонемного вокодера представлена на рисунке 4.1 Блок обладает сравнительно несложной структурой, обеспечивая при скорости 1,2 кбит/с приемлемое качество восстановленного сигнала при хорошей разборчивости. Позволяет производить обработку слитной речи в реальном масштабе времени.

Работа блока основана на пофонемном распознавании слитной речи. В процессе распознавания производится предварительная обработка сигнала: входной аналоговый сигнал с микрофона ограничивается, проходя через ФНЧ; затем дискретизируется и квантуется в АЦП. При этом также сигнал также нормируется. Далее оцифрованный речевой сигнал разбивается на интервалы по 16 мс, затем сегментируется, т.е. выделяются границы слов, отдельные фонемы, паузы между словами. Параллельно выделителем ОТ определяется частота основного тона из слитной речи. В блоке анализатора с помощью спектрального анализа формируется оценка сходства спектров выделенных сегментов и эталонов фонем. Затем для передачи формируется блок сигналов управления, по которым на приемной стороне формируется выходной сигнал в синтезаторе. При этом также происходит сохранение синтезированного сигнала в памяти.

3.1 Описание функциональной схемы

Функциональная схема блока анализа и синтеза речевой информации на основе фонемного вокодера, выполненная на процессоре TMS320VC541x фирмы Texas Instruments приведена на рисунке 4.2 В ее состав входят микрофон, входной усилитель, входной фильтр нижних частот (ФНЧ), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), порт АЦП, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), порт ЦАП, оперативное запоминающее устройство (ПЗУ), выходной фильтр нижних частот и порты ввода и вывода.

Основой функциональной схемы блока является микропроцессор, выполняющий цифровую обработку сигнала: быстрое преобразование Фурье на интервале 16 мс, вычисление взаимной корреляционной функции, интерполяцию спектра, цифровую фильтрацию, масштабирование отсчетов и другие предусмотренные программой операции. Другие устройства, показанные на функциональной схеме выполняют функции преобразования аудиосигнала в электрический и обратного преобразования, цифрового и аналогового преобразований, фильтрации входного аналогового сигнала, устройства сопряжения с микропроцессором и микросхемы внешней памяти.

Речевой сигнал поступает на микрофон, где осуществляется преобразование акустических колебаний в электрический сигнал. Напряжение выходного электрического сигнала в микрофоне составляет 3-5 мВ. Усиление сигнала после микрофона осуществляется в усилителе до уровня, необходимого для дальнейшей обработки в АЦП. Затем сигнал поступает в фильтр нижних частот, где входной аналоговый сигнал ограничивается частотой дискретизации сигнала.

После ФНЧ сигнал поступает на устройство выборки и хранения. Задачей УВХ является определение мгновенного значения входного сигнала в момент взятия отсчета и фиксации этого значения на время, необходимое для преобразования его в число. Это преобразование получило название

дискретизации. Зачастую устройство выборки и хранения и аналогового-цифровой преобразователь совмещаются в одном корпусе микросхемы.

Преобразование сигнала в цифровую форму для последующей обработки микропроцессором осуществляется аналогового-цифровым преобразователем (АЦП). Обратное преобразование цифрового восстановленного сигнала в осуществляется в цифроаналоговом преобразователе (ЦАП). На выходе сигнал, преобразованный в ЦАП в аналоговую форму, поступает в фильтр нижних частот, а затем на динамик.

4. Разработка принципиальной схемы фонемного вокодера

Выбор микропроцессора

Обработка информации в связи реального времени ведется при помощи специализированного процессора, являющегося основным обрабатывающим устройством связи реального времени.

Специализированный процессор представляет собой функционально законченное устройство-блок и предназначен для обработки информации в реальном масштабе времени.

Структурная схема специализированного процессора приведена на рис.4.1 Он включает в себя следующие функциональные узлы:

· центральное процессорное устройство (ЦПУ);

· сопроцессор умножения (СУ);

· память команд (ОЗУК);

· память данных (ОЗУД);

· адаптер системного канала специализированного процессора (СКСП) - канала устройств ввода/вывода специализированного процессора (КВВС).

Специализированные ЦПОС могут успешно применяться в составе средств дальней связи, систем обработки изображения, распознавания и синтезирования речи, где они выполняют такие функции, как цифровая фильтрация или быстрые преобразования Фурье (БПФ). В отличие от специализированных, универсальные ЦПОС позволяют решать очень широкий спектр задач цифровой обработки. Наиболее распространены МП, осуществляющие обработку чисел с фиксированной запятой с разрядностью 24, 32, 64 бит. Арифметика с плавающей запятой позволяет повысить точность вычислений, которая часто не менее важна, чем быстродействие.

Большинство зарубежных ЦПОС не имеют аналогов в нашей стране. Особенно это относится к быстродействующим однокристальным ЦПОС. Поэтому, целесообразным является применение зарубежного сигнального микропроцессора, обладающего достаточным быстродействием для реализации блока низкоскоростного кодирования речевого сигнала в реальном масштабе времени.

В качестве микропроцессора с достаточным быстродействием выбираем микропроцессор компании Texas Instruments семейства TMS320VC541x. Это семейство процессоров наиболее оптимально по соотношению цена/качество из всех сигнальных микропроцессоров на сегодняшнем рынке электронной техники. Так, например, цена у официальных представителей фирмы цена процессора 2105 со 100 нс циклом, на данный момент, составляет $15, 2115 с 50 нс циклом - $25. Цена аналогичного процессора Xilinx XC5VLX330 - $50.

В состав серии входят однокристальные 16-разрядные микропроцессоры с фиксированной запятой и общей базовой архитектурой, оптимизированной для выполнения алгоритмов цифровой обработки сигналов и других приложений, требующих высокоскоростных вычислений.

Для примера приведена таблица 4.1, отображающая время выполнения программы БПФ на 1024 точки для разных процессоров.

Таблица 4.1

Операция	Время выполнения
	I486DX2-66	XC5VLX330	TMS320VC541x
БПФ на 1024 точки	20 ms	3,1 ms	2,23 ms

Высокая производительность процессоров на сигнальных алгоритмах достигается благодаря многофункциональной и гибкой системе команд, аппаратной реализации большинства типичных для данных приложений операций, высокой степени параллелизма процессов в микропроцессоре, сокращения командного такта. Микропроцессоры DSP имеют модифицированную "гарвардскую" архитектуру, в рамках которой предусматривается возможность доступа к памяти команд, при ее физическом разделении с памятью данных.

Каждый микропроцессор семейства содержит три независимых полнофункциональных вычислительных устройства: АЛУ, МАС - умножитель с накоплением, устройство барабанного сдвига. Каждое устройство оперирует с 16-разрядными данными и обеспечивает аппаратную поддержку вычислений с различной точностью.

Микропроцессор содержит генератор адресов команд (PS) и два генератора адресов данных (DAG), обеспечивающие адресацию к данным и командам, расположенным как во внутренней, так и во внешней памяти. Параллельное функционирование генераторов сокращает длительность выполнения команды, позволяя за один такт выбирать из памяти команду и два операнда.

Таймер/счетчик микропроцессора обеспечивает периодическую генерацию прерываний.

Последовательные порты (SPORTs) обеспечивают последовательный интерфейс с большинством стандартных последовательных устройств, а также с аппаратными средствами сжатия-восстановления данных, использующими A - и - законы компаундирования.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) микропроцессора выполняет стандартный набор арифметических и логических операций, включая деление. Устройство МАС выполняет операции умножение со сложением (вычитанием) за один такт. Устройство сдвига осуществляет арифметические и логические сдвиги операндов, нормализацию и экспоненциальные операции. Функциональные устройства микропроцессора могут обмениваться результатами выполнения операций по шине результатов ®.

Внутренние функциональные модули связаны между собой с помощью пяти шин: шины адресов памяти данных (DMA), шины адресов памяти команд (PMA), шины данных памяти данных (DMD), шины данных памяти команд (PMD) и шины внутренних результатов ®. Первые четыре шины имеют мультиплексированный интерфейс в виде шины адреса и шины данных.

Рабочая частота серии достигает 25 МГц, с временем цикла команды равным 40 нс. Каждая команда может выполняться в отдельном цикле. В одном цикле DSP может выполнять следующие действия:

· генерировать следующий адрес команды;

· извлекать следующий адрес команды;

· делать один или два шага данных;

· модернизировать один или два указателя адреса данных;

· делать вычисление;

· получать и передавать данные через один или два последовательных порта;

· получать и передавать данные через порт (канал) интерфейса хозяина (только для TMS320VC541x).

Одним из самых распространенных и дешевых процессоров серии 21хх является процессор 2101. Принимая во внимание быстродействие данного процессора (максимальная частота равна 20 МГц), память данных (ОЗУ данных равно 1 К) и память команд (ОЗУ команд равно 2К), можно применить данный процессор в блоке низкоскоростного кодирования речевых сигналов для обработки сигналов в реальном масштабе времени. Наибольшими вычислительными затратами обладает операция вычисления преобразования Фиенупа. Преобразование Фиенупа содержит 5 прямых и 5 обратных преобразований Фурье по 128 точкам.

Для вычисления одного прямого преобразования Фурье по 128 точкам необходимо 0,25 мс. Таким образом, для вычисления итерационного алгоритма Фиенупа необходимо 0,25*10=2,5 мс, что меньше интервала анализа, равно 16 мс. Вычислительные затраты, необходимые для других преобразований сигнала, требуют меньших вычислительных затрат и, следовательно, меньшего времени по сравнению с алгоритмом Фиенупа. Следовательно, применение данного микропроцессора позволяет реализовать данный блок кодирования речевых сигналов в реальном масштабе времени.

Рассмотрим подробнее электрические характеристики процессора. Напряжение питания для пятивольтовых кристаллов может колебаться от 4,5 до 5,5. Критическое значение напряжения питания не должно выходить за пределы от - 0,3 до +7. Емкость входа или выхода 8 пФ.

Другие электрические параметры микропроцессора приведены в таблице 4.2 и графиков, приведенных ниже.

Таблица 4.2

Параметр	Условия измерения	Значение
I_{DD -}ток потребления (динамический режим), мА	V_DD=5,5 В, t_ck=50 нс	58
I_{DD -}ток потребления (динамический режим), мА	V_DD=5,5 В, t_ck=80 нс	45
I_{DD -}ток потребления (режим ожидания), мА	V_DD=5,5 В, t_ck=50 нс	18
I_{DD -}ток потребления (режим ожидания), мА	V_DD=5,5 В, t_ck=80 нс	14

рисунок 4.2.

рисунок 4.3.

Схема включения микропроцессора и подключения памяти и периферийных устройств приведена на рисунке 4.4.

рисунок 4.4.

Временные диаграммы микропроцессорной системы

Временные диаграммы микропроцессорной системы позволяют рассмотреть работу микропроцессорной системы при выполнении характерных для системы операций. На рис.4.5-4.10 показаны временные диаграммы микропроцессорной системы, а в таблицах 4.3-4.6 - значения параметров временных диаграмм.

Таблица 4.3

Параметры, нс	Зависимость от тактовой частоты		20 МГц
	Min	Max	Min	Max
t_ck - период CLKIN			50	150
t_ckl - низкий уровень CLKIN			20
t_ckh - высокий уровень CLKIN			20
t_rsp - низкий уровень RESET	5t_ck		250
t_cpl - низкий уровень CLKOUT	0,5t_ck-10		15
t_cph - высокий уровень CLKOUT	0,5t_ck-10		15
t_{ckoh -}расстояние между высокими уровнями CLKIN и CLKOUT			0	20
t_ifs - установка IRQx или F1 перед низким уровнем CLKOUT	0,25t_ck+15 (18)		27,5 (30,5)
t_ifh - удержание IRQx или F1 после высокого уровня CLKOUT	0,25t_ck		12,5
t_fon - удержание F0 после высокого уровня CLKOUT			0
t_fod - задержка F0 от высокого уровня CLKOUT				15

рисунок 4.5 Цикл записи в память

рисунок 4.6 Цикл стирания памяти

рисунок 4.7 режим установки флажков тайминга

рисунок 4.8 временные интервалы непрерывного режима

Таблица 4.4

Параметры, нс	Зависимость от тактовой частоты		20 МГц
	Min	Max	Min	Max
t_bh - удержание BR после высокого уровня CLKOUT	0,25t_ck+5		17,5
t_bs - установка BR перед низким уровнем CLKOUT	0,25t_ck+20		32,5
t_sd - расстояние от высокого уровня CLKOUT до запрещения DMS, PMS, BMS, RD, WR		0,25t_ck+20		32,5
t_sdr - расстояние от запрещенных DMS, PMS, BMS, RD, WR до низкого уровня BG			0
t_se - расстояние от высокого уровня BG до разрешения DMS, PMS, BMS, RD, WR			0
t_sec - расстояние от разрешенных DMS, PMS, BMS, RD, WR до высокого уровня CLKOUT	0,25t_ck-10		2,5

рисунок 4.9 режим считывания сигнала

рисунок 4.10. установка флажков в непрерывном режиме

Таблица 4.5

Параметры, нс	Зависимость от тактовой частоты		20 МГц
	Min	Max	Min	Max
t_rdd - расстояние от начала RD до установки данных	0,5t_ck-15+w			10
t_aa - расстояние от A0-A13, DMS, PMS, BMS до установки данных	0,75t_ck-20+w			17,5
t_rdh - удержание данных после окончания RD			0
t_rp - ширина низкого уровня RD	0,5t_ck-5+w		20
t_crd - расстояние от высокого уровня CLKOUT до низкого уровня RD	0,25t_ck-5	0,25t_ck+10	7,5	22,5
t_asr - расстояние от A0-A13, DMS, PMS, BMS до активного сигнала RD	0,25t_ck-9		3,5
t_rda - удержание A0-A13, DMS, PMS, BMS до активного сигнала RD	0,25t_ck-8		4,5
t_rwr - высокий уровень RD, WR до следующего чтения/записи	0,25t_ck-5		20

рисунок 4.11. ошибка синхронизации

Таблица 4.6

Параметры, нс	Зависимость от тактовой частоты		20 МГц
	Min	Max	Min	Max
t_dh - установка данных перед окончанием WR	0,5t_ck-10+w		15
t_dh - удержание данных после окончания WR	0,25t_ck-8		4,5
t_wp - ширина низкого уровня WR	0,25t_ck-5+w		20
t_wde - расстояние от начала WR до установки данных			0
t_asw - расстояние от A0-A13, DMS, PMS до активного сигнала WR	0,25t_ck-9		3,5
t_ddr - запрет данных до следующего чтения или записи	0,25t_ck-10		2,5
t_cwr - расстояние от высокого уровня SCLKOUT до начала WR	0,25t_ck-5	0,25t_ck+10	7,5	22,5
t_aw - расстояние от A0-A13, DMS, PMS до окончания WR	0,75t_ck-15+w		22,5
t_wra - удержание A0-A13, DMS, PMS после окончания WR	0,25t_ck-8		4,5
t_wwr-высокий уровень WR до следующего чтения или записи	0,5t_ck-5		20

рисунок 4.12. передача бит данных по шине

Таблица 5.7

Параметры, нс	Зависимость от тактовой частоты		20 МГц
	Min	Max	Min	Max
t_sck - период SCLK			76,9
t_scs - установка DR/TFS/RFS перед низким уровнем			8
t_sch - удержание DR/TFS/RFS после низкого уровня SCLK			10
t_scp - ширина SCLKout			28
t_cc - расстояние между высоким уровнем SCLKOUT до SCLKout	0,25t_ck	0,25t_ck+15	19,2	34,2
t_scde - расстояние между высоким уровнем SCLK до разрешения DT			0
t_scdv - расстояние между высоким уровнем SCLK до действующего значения DT				20
t_rh - удержание TFS/RFSout после высокого уровня SCLK			0
t_rd - задержка TFS/RFSout от высокого уровня SCLK				20
t_scdh-удержание DR после высокого уровня CSLK			0
t_tde - расстояние между TFS (альтернативный) до разрешения DT			0
t_tdv - расстояние между TFS (альтернативный) до действующего значения DT				18
t_scdd - расстояние между высоким уровнем SCLK до запрещения DT				25
t_rdv - RFS (многоканальная задержка кадра) до действующего значения DT				20

Обоснование принципиальной схемы

Процессоры используют TTL-совместимые синхроимпульсы, подаваемые на вход CLKIN или кварцевый резонатор, подсоединенный между входами CLKIN и XTAL. Если используются внешние синхроимпульсы, вход XTAL должен быть оставлен неприсоединенным. Сигнал CLKIN не может менять частоту или отключаться во время работы процессора. Внутренний фазовый цикл генерирует частоту, в четыре раза больше тактовой.

Особенностями использования микропроцессора является наличие у него двух портов сопряжения с внешними устройствами - последовательного и параллельного. В связи с этим возможны различные варианты построения МПС на его основе, однако наиболее рациональным является вариант, при котором управляющая информация вводится в СП по параллельному порту, а ввод сигнальной информации осуществляется по последовательным портам. При этом разгружается параллельная шина данных (ШД) системы от обмена сигналами между источниками аналоговой информации (АЦП и ЦАП) и СП и снижаются требования к производительности УМП. Рассмотрим более подробно структуру и реализацию отдельных блоков принципиальной схемы.

Выбор ЦАП и АЦП

Цифро-аналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые (АЦП) преобразователи используются, соответственно, для преобразования цифрового кода в мгновенное значение аналогового сигнала и обратно.

Задача ЦАП - преобразование двоичного кода в выходное напряжение, пропорциональное весовым коэффициентам разрядов двоичной системы исчисления (…8, 4, 2, 1). ЦАП за время преобразования формирует из поступающих на его вход чисел аналоговый сигнал, уровень и знак которого однозначно соответствует знаку и модулю этих чисел. В качестве ЦАП необходимо применять микросхему с длительностью импульсов, соответствующей длительности тактовых импульсов процессора для удобства последующего согласования с микропроцессором. Поэтому в качестве такой микросхемы выбираем К1108ПА2 - 8-разрядный функционально законченный ЦАП двоичного кода в напряжение. Выполнен по биполярной технологии. Длительность импульсов при записи информации не менее 50 нс, что соответствует тактовой частоте микропроцессора, равной 20 МГц. Максимальное значение емкости нагрузки микросхемы - 50 пФ.

В качестве АЦП выбираем микросхему восьмиразрядного АЦП К1107ПВ2 с частотой преобразования 20 МГц, равной тактовой частоте микропроцессора. Интегральная полупроводниковая ИС К1107ПВ2 представляет собой быстродействующий АЦП. Построение АЦП по полностью параллельной схеме позволяет получать максимальное быстродействие при минимальной динамической погрешности без использования внешней схемы УВХ. Микросхема имеет два напряжения питания 5 В и - 6 В с током потребления от первого источника питания 35 мА и от второго источника питания - 450 мА. Мощность, потребляемая микросхемой, порядка 3 Вт.

В качестве шинных формирователей, на которых реализованы порты ЦАП и АЦП, можно применить микросхемы К580ВА86. Так как данная микросхема содержит 8 выходов, а шина данных имеет 16-разрядную структуру, необходимо применять две микросхемы для реализации одного шинного формирователя.

Выбор микросхем памяти

Микросхемы ППЗУ по принципу построения аналогичны масочным с тем отличием, что допускают программирование на месте пользователем. Технические средства для выполнения этой операции достаточно просты и могут быть построены самим пользователем. Это обстоятельство, в сочетании с низкой стоимостью и доступностью микросхем ППЗУ, обусловило их широкое распространение. Рассмотрим особенности взаимодействия данного микропроцессора с памятью.

Процессор содержит ОЗУ и/или ПЗУ на кристалле, так что часть адресного пространства памяти данных и памяти инструкций находится на чипе. Эти процессоры также имеют адресное пространство загрузочной памяти вдобавок к адресным пространствам памяти данных и инструкций.

В процессорах, которые имеют внутреннюю память, внутренняя шина адреса памяти данных (DMA) и внутренняя шина адреса памяти инструкций (PMA) мультиплексированы в единую шину адреса, которая выведена наружу чипа. Также внутренняя шина данных памяти инструкций (PMD) и внутренняя шина данных памяти данных (DMD) мультиплексированы в единую шину адреса, которая выведена наружу чипа.16 старших разрядов внешней шины используются как шина DMD.

Есть три различных адресных пространства: память данных, память инструкций и загрузочная память. Так как шина данных и шина инструкций используют одни и те же физические линии, если требуется более одной пересылки данных в или из внешней памяти за одну инструкцию, будет использован дополнительный процессорный цикл на исполнение команды.

Вся внутренняя память программ или любая ее часть может быть загружена из внешнего источника с использованием процедуры загрузки. Для взаимодействия с недорогими микросхемами EPROM, процессор загружает инструкции побайтно.

Процессор адресует 16К 24-битных слов памяти программ и до 2К на чипе. Процессор записывает 14-битный адрес на 14-битную шину адреса памяти инструкций (PMA), которая выведена наружу чипа для доступа внешней памяти. Инструкции или данные передаются по 24-битной шине данных памяти инструкций (PMD), которая также выведена наружу. Для исполнения инструкций, которые требуют одновременно доступ к внешней памяти инструкций и к внешней памяти данных, данные из памяти инструкций читаются первыми, а затем данные из памяти данных.

Две управляющие линии устанавливают направление передачи данных. Сигнал RD (чтение данных), активное состояние которого низкое, указывает на процесс чтения из памяти и сигнал WR (запись данных), активное состояние которого также низкое, указывает на процесс записи в память.

Процессор адресует 16К 16-битных слов памяти данных, как показано на рис. Память данных на чипе имеет размер 1К слов и начинается по адресу 0х3800. Регистры управления процессором отображаются на старшие 1К слов памяти данных, адреса памяти данных 0х3С00-0х3FFF. Остальная часть этого килослова зарезервирована. Всего 14К слов адресного пространства доступно для сохранения дополнительных данных.

Данные передаются по старшим 16 битам 24-битной шины данных, которая также выведена наружу. Выход DMS (выбора памяти данных) указывает на то, что на шину адреса поступил адрес памяти данных.

Две управляющие линии устанавливают направление передачи данных. Сигнал RD указывает на чтение из памяти, сигнал WR - на запись в память. Используя сигнал запроса шины BR и сигнал предоставления шины BG, процессор может отдавать управление внешними шинами, давая доступ к внешнему устройству.

Для работы блока низкоскоростного кодирования необходимо 16 Кбит памяти программы для хранения инструкций микропроцессора и 16 Кбит загрузочной памяти, а также память данных. Для организации загрузочной памяти, исходя из принципа действия процессора, необходимо ПЗУ с временем выборки адреса, равным 200 мс. Для организации памяти программы и памяти данных необходимо использовать микросхемы ОЗУ с временем цикла не более 50 мс. Память данных определяется, исходя из принципов построения блока низкоскоростного кодирования. Для передачи 128 отсчетов на интервале анализа кодированных трехразрядным кодом необходимо 128*3=384 бит. Такое же количество необходимо для хранения в памяти отсчетов фазового спектра. Учитывая также вспомогательные данные, для работы блока низкоскоростного кодирования необходима память данных, равная 4Кбит, что больше встроенной памяти микропроцессора, равной 1 Кбит. Таким образом, для организации памяти данных микропроцессора, необходима микросхема емкостью 4 Кбит.

В качестве загрузочной памяти выбираем микросхему ПЗУ, программируемую маскированием КР586РЕ1 емкостью 2К*8 и временем выборки адреса 50 нс, в качестве программной памяти - статическое ОЗУ на микросхеме КР132РУ6А с временем цикла 45 нс, а в качестве памяти данных - аналогичное статическое ОЗУ на микросхеме КМ132РУ6А емкостью 2К*8 с временем выборки 45 нс. Они соответствуют всем предъявляемым к ним требованиям по времени работы и емкости и выполнены на основе МОП технологии.

рисунок 4.13. дифференцирующая цепь

Выбор и расчет входных и выходных устройств

Входным и оконечным устройством любой схемы обработки сигналов являются микрофон и динамик. Блок низкоскоростного кодирования речевых сигналов применяется в большой степени в телефонных линиях связи, поэтому в качестве оконечных устройств можно применить угольный микрофон МК-16 и телефон ДЭМК-7Т. При применении блока низкоскоростного кодирования речевых сигналов в других областях можно использовать другие оконечные устройства.

Входной и выходной фильтры нижних частот выполняют одну и ту же функцию: они должны ограничивать аналоговый сигнал частотой дискретизации, не допуская при этом значительных искажений сигнала. Фильтр нижних частот представляет собой устройство, которое пропускает сигналы высоких частот. Существует большое количество схем фильтров нижних частот. К ФНЧ предъявляются требования обеспечения лучшей фильтрации, неискажения входного сигнала и высокой надежности. Поэтому, целесообразным является применение активного фильтра, выполненного на основе операционного усилителя. Коэффициент усиления входного фильтра целесообразно выбрать равным 1,5, что компенсирует затухание во входной части блока низкоскоростного кодирования, а дальнейшее усиление входного сигнала осуществляется в специальном входном усилителе. Коэффициент усиления выходного фильтра принимаем равным 9, чтобы обеспечить усиление выходного сигнала, ослабленного в ЦАП и выходных устройствах. Выходной фильтр реализован на двух звеньях второго порядка. Для реализации необходимого коэффициента усиления каждое звено должно обеспечивать коэффициент усиления, равный трем.

В качестве активного фильтра принимается фильтр Баттерворта на источнике напряжения, управляемого напряжением (ИНУН), схема которого приведена на рис.5.10. Фильтр позволяет добиться неинвертирующего коэффициента при минимальном числе элементов. Он обладает низким выходным сопротивлением, небольшим разбросом значений элементов. Фильтр относительно прост в настройке. Все эти преимущества обусловили применение данного вида фильтров. Емкости фильтра определяются по следующим формулам:

Значения сопротивлений определяются по формулам:

Для входного фильтра значения сопротивлений и емкостей, рассчитанных по вышеприведенным формулам С_1вх=2, 206*10^-9 Ф, С_2вх=2,941*10^-9 Ф, R_1вх=31,83 кОм, R_2вх=10,61 кОм, R_3вх=127,3 кОм, R_4вх=63,66 кОм. Для выходного фильтра эти значения: С_1вых=6,68*10^-9 Ф, С_2вых=2,941*10^-9 Ф, R_1вых=31,83 кОм, R_2вых=3,537 кОм, R_3вых=53,05 кОм, R_4вых=106,1 кОм. В качестве операционного усилителя в ФНЧ применяется 140УД8Б с напряжением питания 15 В.

В качестве входного усилителя, осуществляющего усиление сигнала, поступившего с микрофона, целесообразно применить усилитель SSM 2165. Данный усилитель является одним из оптимальных вариантов усиления до уровня, необходимого для обработки сигнала в кодеке. Коэффициент усиления устанавливается наладчиком и зависит от типа применяемого микрофона. Коэффициент шума также устанавливается перед включением в цепь. Усилитель нормирует сигнал, обеспечивая при этом минимальное отношение сигнал/шум, что обеспечивает прямое подключение АЦП без дополнительных усилителей.

рисунок 5.14 Входной усилитель

В качестве портов ввода-вывода используется микросхема К580ВВ55 программируемого периферийного адаптера, применяющегося для обмена данными между микропроцессором и устройством ввода-вывода в параллельном формате. Использует МОП технологию. Потребляемая мощность 1,75 Вт.

5. Конструкторско-технологическая часть

5.1 Разработка конструкции устройства

Конструкции РЭА различного назначения имеют особенности, вытекающие из специфики и условий эксплуатации. Специализация РЭА обусловлена тем, что объект установки задает специальные функциональные требования для РЭА данной категории, класса или группы.

Категории характеризуют РЭА по продолжительности работы. Различают четыре категории РЭА: многократного, однократного, непрерывного и общего пользования.

Классы подразделяют РЭА по трем глобальным зонам использования: наземная РЭА (суша), морская (океан, море), бортовая (воздушное или космическое пространство).

Разрабатываемое устройство относится к наземной стационарной аппаратуре. Поэтому основными требованиями к конструкции являются:

простота и надежность конструкции;

ремонтопригодность;

оперативность обслуживания - минимальные затраты времени на подготовку устройства к запуску;

удобство обслуживания.

Конструкция блока низкоскоростного кодирования РС представляет отдельный блок, располагаемый в прямоугольном корпусе размером 215*147*35 мм, внутри которого находится плата. Верхняя и боковые стенки корпуса изготавливают из пластмассы толщиной 3 мм. На задней стенке корпуса установлены выходной разъем РПМ 12-26Т и разъем ОНЦ-КГ-4-5/16-Р для подключения блока к источнику питания.

Ниже показаны корпуса зарубежных микросхем, входящих в состав электрической схемы блока низкоскоростного кодирования речевых сигналов.

Основой конструкции блока кодирования речевого сигнала является микропроцессор. Для этого выбран микропроцессор TMS320VC541x производства фирмы Texas Instruments. Корпус микропроцессора и перечень портов показан на рис.5.1.1.

рисунок 5.1.1.

Конструкционное исполнение микропроцессора с главными конструкционными параметрами приведено на рис.5.1.2 и 5.1.3.

рисунок 5.1.2.

рисунок 5.1.3.

рисунок 5.1.4.

Значения параметров конструкции микропроцессора приведены в таблице 5.1.2.

Таблица 5.1.2

Условное обозначение параметра	Значение параметра, дюйм	Значение параметра, мм
A	0,143	3,67
A₁	0,050	1,27
b	0,018	0,46
b₁	0,050	1,27
e₁	1,000	2,54
e₂	0,800	20,30
e	2,54
L₃	0,180	4,57
D, E	1,100	28,00

В состав блока низкоскоростного кодирования также входит входной усилитель компании Analog Devices SSM 2165, выполняющий усиление входного сигнала. Корпус усилителя показан на рис.5.1.3

5.2 Технология изготовления печатной платы

Одно из основных направлений на пути увеличения выпуска РЭА, снижения себестоимости производства и эксплуатации, увеличения надежности заключается в использовании печатных плат.

Печатная плата - изоляционное основание с системой печатных проводников и печатных элементов. Все электроэлементы, в ходящие в монтажную схему, устанавливаются на основание и соединяются с печатными проводниками при помощи пайки.

К печатным платам предъявляются следующие требования:

· ширина печатных проводников должна быть не менее 0,18 мм;

· минимальное расстояние между печатными проводниками должно быть не менее 0,2 мм;

· контактные площадки должны быть размером не менее 2 мм²;

· слой металла должен обладать удельной проводимостью медных проводников;

· площадь поперечных сечений проводников и поверхность металла дорожки должна удовлетворять допустимой плотности тока и рабочей частоты, на которой работает плата;

· поверхность платы не должна иметь пузырей, вздутий, посторонних включений, сколов, выбоин, трещин и расслоений материала основания.

Расположение интегральных микросхем со штыревыми выводами должно совпадать с узлами координатной сетки.

Созданию печатных проводников предшествует нанесение на заготовку изображения печатных проводников в виде защитных покрытий определенных участков.

К числу наиболее употребляемых способов относятся:

· фотоспособ - основан на том, что изображение контактным способом с негатива копируется на основание, покрытое светочувствительной эмульсией. После проявления и травления засвеченные участки оказываются без эмульсии;

· сеточный способ - основан на применении сеточного трафарета и нанесении сквозь него кислотостойкой краски на основание печатной платы. Сеточный способ обладает значительно меньшей точностью и разрешающей способностью, чем фотоспособ;

· офсетный способ - основан на применении принципа офсетной печати.

Фотооригинал представляет контрастное изображение печатной платы, выполненное в увеличенном масштабе и предназначенное для получения негатива (позитива) путем фотографирования. Фотооригиналы выполняются в масштабе 2: 1, 4: 1, 5: 1, 10: 1.

Для изготовления фотооригиналов применяют следующие основные методы:

· метод вычерчивания;

· метод наклеивания липкой ленты;

· метод резания по эмали.

Негативы (позитивы) изготавливают на пленочных технических фотоматериалах в масштабе 1: 1, получаемых фотографированием оригинала. Они изготавливаются на фотопленке ФТ-30 и ФТ-31, а также на фотопластинках.

Методы травления печатных плат включают в себя операции, с помощью которых создается токопроводящий слой на изолированном основании.

Существуют три основных метода изготовления печатных плат:

химический;

электрохимический;

комбинированный.

Они отличаются, в основном, способом создания проводящих покрытий. Эти способы следующие:

· Химический - на фольгированное диэлектрическое основание наносится кислотостойкой краской или фотоспособом рисунок печатного монтажа. Незащищенные участки фольги удаляются травлением. Металлизация отверстий в этом случае отсутствует.

· Электрохимический - заключается в том, что на участках поверхности основания, образующих проводники, создается проводящий слой химически осажденного металла требуемой толщины. Преимущество этого метода - возможность одновременно с образованием проводников осуществлять металлизацию отверстий.

· Комбинированный - может быть как негативным, так и позитивным.

Негативный способ заключается в том, что сначала получают печатный монтаж по аналогии с химическим способом, затем проводится химическая обработка отверстий и их химическая металлизация и далее - электрохимическая металлизация проводников и отверстий.

Позитивный способ основан на получении рисунка печатного монтажа, электрохимической металлизации отверстий и проводников, а после этого - травления фольги с пробельных мест.

Комбинированный метод позволяет получить металлизированные отверстия, но он отличается большей трудоемкостью технологического процесса.

В основе технологии изготовления печатных плат комбинированным методом лежит использование фольгированных диэлектриков.

При негативном способе на основание наносится рисунок проводников и проводится травление фольги с пробельных мест. Далее с проводников удаляют защитный слой, затем производят сверление отверстий, подлежащих металлизации, и их химическое омеднение. После этого идет операция гальванического омеднения отверстий и проводников и покрытие их серебром, сплавом РОЗЕ или другими, в зависимости от технических требований. Конечной является механическая обработка.

При позитивном способе последовательность операций изготовления печатных плат следующая:

. раскрой материала и изготовление заготовок плат;

. подготовка поверхности заготовки - зачистка заготовки шкуркой, ее промывка в воде, обработка в растворе соляной кислоты;

. нанесение изображения печатного монтажа на заготовку - нанесение на поверхность заготовки фоторезист, совмещение с фотопозитивом, проявление, окрашивание изображения, промывка в воде, химическое дубление и сушка;

. сверление и зенкование отверстий;

. нанесение лака, сушка;

. химическое омеднение отверстий - заготовку обрабатывают в растворе двухлористого олова и соляной кислоты, после осаждения меди - заготовку промывают и сушат;

. снятие лакового покрытия;

. ретуширование изображения;

. гальваническое омеднение - заготовку обезжиривают, затем производят наращивание медного слоя, далее - промывка и сушка;

. гальваническое серебрение - деталировка платы, затем - нанесение слоя серебра и промывка в воде;

. раздубливание фоторезиста - обработка в растворе щавелевой кислоты и хлористого натрия, затем - промывка и сушка;

. травление фольги с пробельных мест - обработка в растворе хлористого железа, затем - промывка в воде, осветление серебра, промывка и сушка;

. маркировка - нанесение монтажных обозначений

Недостатками комбинированных методов являются:

· Сложность технологических операций;

· Продолжительное воздействие агрессивных сред на изолированное основание, что может ухудшить его свойства.

Преимуществами комбинированных методов являются:

· Большая электропроводимость проводников;

· Прочность сцепления проводников с основанием;

· Большая точность и разрешающая способность (около 0,3 мм);

· Одновременная металлизация отверстий, что позволяет изготавливать двусторонние платы.

Таким образом, комбинированный метод изготовления печатных плат является наиболее перспективным, удовлетворяющим требованиям промышленности, имеющим наивысшую плотность монтажа.

6. Экспериментальная часть

Экспериментальная часть состоит в обработке речевых сигналов с помощью программы, написанной в среде MATLAB (текст программы приведен в приложении). Эксперимент проводился для 5 дикторов как для отдельных фонем русской речи, так и фраз, рекомендованных ГОСТ Р 50840-95 [31] длительностью 0,512с с частотой дискретизации 8 кГц на сегментах длительностью 16мс. Целью эксперимента являлось создание модели блока обработки речевых сигналов на основе фонемного вокодера, позволяющего обеспечить удовлетворительное при скорости передачи 1,2 кбит/с.

Как известно [2] современные вокодеры, работающие на скоростях передачи 4,8 кбит/с и ниже не способны передать индивидуальные особенности человеческого голоса. В связи с этим представляет интерес разработка кодеров, работающих на тех же скоростях, но с большим качеством восстановления речи и ее разборчивости.

Исследования проводились по методике ГОСТ Р 50840-95 “Передача речи по трактам связи: методы оценки качества, разборчивости и узнаваемости”. В этом стандарте применяются следующие термины:

разборчивость речи - относительное количество (в процентах) правильно принятых элементов (слогов, слов, фраз) артикуляционных таблиц;

качество речи - величина, характеризующая субъективную оценку звучания речи в испытуемом тракте.

Оценка качества и разборчивости проводилась по нескольким методам измерений:

оценка разборчивости речи методом артикуляционных измерений;

оценка разборчивости речи методом артикуляционных измерений по таблицам неполных слогов (метод дописывания);

качества речи методом парных сравнений испытуемого и контрольного трактов;

качества речи методом оценки величины заметности искажений селективных признаков;

разборчивости речи и узнаваемости голоса диктора методом парных сравнений;

фразовой разборчивости в испытуемом тракте при ускоренном в 1,4 - 1,6 раза по сравнению с нормальным темпом произнесения. После проведения комплексной оценки результат усреднялся по всем измерениям.

Также на ПВЭМ с устройством ввода-вывода речевой информации (микрофоном) измерялась разборчивость методом дописывания неполных слогов, полученных из специальных таблиц приложения к ГОСТу. В слогах отсутствуют начальные (мягкие/твердые) или конечные согласные.

При оценке качества речи использовались следующие данные (таблица 7.1).

Таблица 7.1 Классы и нормы качества речи

Класс качества речи	Характеристика класса качества речи	Норма класса качества речи, баллы
высший	Естественное звучание речи, отдельные малозаметные искажения помехового типа. Искажения типа дребезжание, хрип отсутствуют. Высокая узнаваемость	более 4,5
I	Некоторое нарушение естественности и узнаваемости, слабое присутствие одного вида искажение (картавость, гнусавость, дребезжание, хрип и др.)	3,6-4,5
II	Заметное нарушение естественности и ухудшение узнаваемости, присутствие некоторых видов искажений (картавость, гнусавость, дребезжание, хрип и др.)	2,6-3,5
III	Постоянное присутствие искажений типа картавость, гнусавость, дребезжание, хрип и др. Существенное искажение естественности и ухудшение узнаваемости	1,7-2,5
IV	Сильные искажения типа картавость, гнусавость, дребезжание, хрип и др.; механический голос. Наблюдается потеря естественности и узнаваемости	<1,7

Примечания

. Характеристика речи контрольного тракта соответствует высшему классу качества.

. Оценка высококачественного тракта может превышать 5 баллов.

Результатом экспериментальных исследований является рисунок 7.1 и следующие выводы: по выходному речевому сигналу фонемного вокодера сложно определить диктора; при тестировании в некоторых комбинациях можно было обнаружить стыки в слитной речи; сигнал достаточно разборчив даже для нетренированного слуха; при увеличении передаваемого набора параметров качество звучания речи заметно улучшалось.

В целом по результатам эксперимента разработанная система при скорости передачи 1,2 кбит/с обеспечивает качество порядка 3,2 балла, что дает основание для его использования в планируемых областях связи.

7. Расчет надежности

Высокое качество радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) определяется ее надежностью и долговечностью. Согласно ГОСТ 27.002-89 термин "надежность" обозначает: свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.

Основным показателем надежности устройства является интенсивность отказов.

Надежность радиоэлектронной аппаратуры зависит от многих факторов:

· совершенства разработки;

· конструкции;

· принципиальной электрической схемы;

· физико-химической совместимости используемых материалов;

· качества этих материалов;

· стабильности технологического проекта.

Методы расчета надежности устройств на стадиях эскизного проектирования, технологического проектирования и разработки рабочей конструкторской документации устанавливает ОСТ 410.012.012.242-84.

Одним из основных источников отказов аппаратуры являются межсоединения плат и комплектующих изделий. В микросхемах соединение элементов между собой осуществляется методами, обеспечивающими надежное сцепление. Поэтому целесообразной с точки зрения надежности является большая интеграция элементов и применение микросхем. Надежность радиоэлектронного устройства на основе микросхем оказывается более высокой по сравнению с аналогичным устройством на дискретных комплектующих изделиях, которые изготавливаются на разных предприятиях, на различном оборудовании и в разное время.

Основной целью проекта является уточнение оценки надежности устройства и подготовка материалов для принятия мероприятий по обеспечению надежности изделия.

Интенсивность отказов устройства рассчитывается как сумма интенсивностей отказов комплектующих элементов по формуле:

i=1,n

где L - интенсивность отказов устройства,_{эi -}интенсивность отказов i-го элемента,_i - количество i-х элементов в составе устройства.

Среднее время безотказной работы определяется по формуле:

Вероятность безотказной работы определяется по формуле:

Интенсивность отказов элементов для соответствующих условий эксплуатации определяется по методике единого справочника "Надежность электроизделий".

Расчет надежности разработанного устройства будем вести при следующих допущениях:

· отказ любого элемента системы приводит к отказу всей системы;

· отказ любого элемента системы является случайным и независимым событием;

· интенсивность отказов элементов во время эксплуатации постоянна.

Для расчета показателей надежности устройства необходимы следующие исходные данные:

· перечень элементов таблицы ХХ;

· описание функционирования и условий эксплуатации.

Таблица

№п/п	Элемент	Вероятность отказа L*10^-7	Количество элементов
1	Конденсаторы	10	11
2	Резисторы	3	13
3	Кварцевый генератор	4	1
4	Микросхема	1	12
5	Пайка	0,01	500
6	Плата	4	1
7	Разъем РП15-23ГВФВ	3	2
8	Разъем СНП 34-135/132х9,4H-22 - В	6	1

rem*************************************************

rem* Программа для расчета надежности устройства *

30 rem*************************************************

dim 1 (11), m (11),p$ (11)

data 20,1,10,12,1,4,0.01,3,3,6,3

for i=1 to 11

read 1 (i)

80 next i

90 p$ (1) =”Механических выключателей”

p$ (2) =”Кремниевых диодов”

p$ (3) =”Керамических конденсаторов”

p$ (4) =”Электролитических конденсаторов”

p$ (5) =”Полупроводниковых микросхем”

p$ (6) =”Кварцевых генераторов”

p$ (7) =”Паек”

p$ (8) =”Плат”

p$ (9) =”Разъемов РП15-23ГВФВ”

p$ (10) =”Разъемов СНП 34-135/132х9,4H-22-В”

p$ (11) =”Резисторов”

cls

locate 12, 20

print”Программа для расчета надежности устройства”

230 i$=inkey$

if i$=”” then 230

250 cls

print”Введите количество”

280 s=0

for j=1 to 11

print p$ (j)

input m (j)

s=s+1 (j) *m (j) *1 e-6

next j

if s<>0 then 400

350 print”Действительно нет ни одного элемента (Y/N) ”

360 i$=inkey$

if i$<>”y” and i$<>”n” then 360

if i$=”y" then 410

if i$=”n" then 260

400 tb=1/s

cls

locate 12,21

print”Для вывода результатов нажмите любую клавишу”

440 i$=inkey$

if i$=”“ then 420

460 cls

rem вывод результатов расчета

490 for j=1 to 11

if m (j) =0 then 520

510 print p$ (j); ”-“; m (j); ”шт. ”

next j

print”--------------------------------------------------------------------“

print" Надежность устройства T”; ”=”; tb; ” часов”

560 print”--------------------------------------------------------------------“

i$=inkey$

if i$=”“ then 570

590 cls

locate 12,29

print”выводить график на экран? ”

620 locate 13,38

print" (Y/N) “

i$=inkey$

if i$=”n" then 1140

660 if i$=”” then 640

rem построение графика вероятности безотказной работы

cls

t0=tb

print”Введите максимальное время работы”

710 input tmax

720 screen 2

for i=0 to 10

y=i*16+10

line (35,y) - (615,y)

next i

for i=0 to 10

x=i*58+35

line (x,10) - (x,170)

next i

dh=tmax/1000

h=tmax/10

mx=580/tmax

my=160

xn=35

yn=170

for i=1 to 1000

t=dh*i

x=t*mx+35

900 y=170-my*exp (-t/t0)

line (xn,yn) - (x,y)

920 xn=x

yn=y

next i

for i=0 to 10

x=1: y=22 - i*2

locate y,x

print i/10

next i

for i=0 to 10

1010 y=23: x=i*7+3

locate y,x

1030 print tmax*i/10

next i

locate 2,8

1060 print”P (t) ”

locate 20,75

print”t, час. ”

1090 locate 23,25

print”Вероятность безотказной работы”

1110 i$=inkey$

if i$=”“ then 1110

1130 screen 0

cls

locate 12,26

print”Будете продолжать работу? ”

1170 locate 13,38

print" (y/n) ”

i$=inkey$

if i$=”y" then 200

if i$=”n" then 1230

goto 1190

1230 cls

Для разработанного устройства был произведен расчет интенсивности отказов всех элементов. Также была учтена возможность отказа устройства из-за соединения элементов с выводами корпусов. Общая надежность разработанного устройства составила 53763 часа.

График вероятности безотказной работы приведен на рис.7.1.

8. Экономическая часть

8.1 Построение ленточного графика выполнения дипломного проекта

Одной из основных целей планирования проекта является определение общей продолжительности работ по его проведению. В этом случае наиболее удобным и наглядным является ленточный график. Он представляет собой таблицу, где перечислены все наименования работ, численность исполнителей и длительность выполнения каждого вида работ. Продолжением таблицы является график, отражающий продолжительность каждого вида работ в виде отрезков времени, которые располагаются в соответствии с последовательностью выполняемых работ (таблица 8.1.1.) [42].

Продолжительность каждой работы Т_п определяется так:

Т_пi=Т_i/Ч_i (дн), где

Т_i - продолжительность i-ой работы в чел/дн

Ч_{i -}численность исполнителей i-ой работы.

Ленточный график изображен на рисунке 8.1.1.

Таблица 8.1.1.

№	Наименование этапов работ	Исполнитель	Трудоемк. дней
1.	разработка, согласование технического задания	руководитель, ст. инженер	3
2.	изучение технического задания	руководитель, ст. инженер	2
3.	подбор и изучение литературы и информационных источников	инженер	10
4.	изучение литературы и материалов	инженер	14
5.	анализ методов реализации устройства	ст. инженер	9
6.	проведение эксперимента и разработка программного обеспечения	программист	24
7.	разработка общей структурной схемы	ст. инженер	3
8.	разработка общей принципиальной схемы	ст. инженер	8
9.	разработка электрической схемы и конструкции	ст. инженер	8
10.	расчет надежности устройства	инженер	4
11.	оформление документации	инженер	12
12.	руководитель	1
Итого			98

рисунок 8.1.1.

8.2 Составление сметы затрат на разработку

Целью планирования себестоимости работ по разработке устройства является экономически обоснованное определение величины затрат на их выполнение. В плановую себестоимость включаются все затраты, связанные с разработкой, независимо от источника их финансирования. Определение затрат на разработку производителем путем определения себестоимости [42]. Себестоимость продукции (работ, услуг) представляет собой стоимостную оценку используемых в процессе производства продукции природных ресурсов, сырья, материалов, топлива, энергии, основных фондов, трудовых ресурсов, а также других затрат на ее производство и реализацию.

Она является основным параметром, на основании которого осуществляется планирование и учет затрат на разработку.

Сумма затрат включает в себя следующие элементы:

материальные затраты;

затраты на оплату труда;

единый социальный налог;

амортизация основных фондов;

прочие затраты.

. Материальные затраты образуются из стоимости приобретаемого со стороны сырья, материалов, образующих основу выпускаемой продукции или являющихся необходимыми компонентами для ее изготовления:

стоимость покупных материалов, обеспечивающих нормальный тех. процесс или используемых для других производственных нужд, запасных частей, износа средств труда, не относимых к основным фондам, спецодежды;

стоимость покупных комплектующих и полуфабрикатов;

стоимость работ и услуг производственного характера, выполняемых сторонними предприятиями, производствами и хозяйствами, не относящимися к основному виду деятельности;

стоимость природного сырья;

стоимость покупной энергии всех видов.

Смета на материальные затраты (З_м) представлена в таблице 8.2.1.

Таблица 8.2.1

Наименование	Единица измерения	Количество	Цена за единицу, (руб.)	Сумма, руб.
бумага для принтера	пачка	1	120	120
Ватман	Лист	6	5	30
картридж для принтера	штука	1	400	400
DVD-диск	штука	1	35	35
интернет-карта	штука	3	100	300
ручка шариковая	штука	2	5	10
электроэнергия	кВт∙час	90	1,8	162
карандаш	штука	2	3	6
Итого				1053

. Затраты на оплату труда образуются из следующих частей: основной заработной платы за фактически сделанную работу исходя из сделанных расценок и тарифных ставок; выплат стимулирующего характера; иных видов доплат, предусмотренных законодательством РФ и включаемые в фонд оплаты труда.

Затраты на оплату труда начисляются исходя из ставки разработчика и времени затрачиваемого на выполнение работы (таблица 8.2.2.).

Заработная плата (ЗП) рассчитывается по следующей формуле:

Таблица 8.2.2

Исполнитель	Продолжительность, дней	Тарифная ставка, руб.	Заработная плата, руб.
руководитель	6	3000	818
руководитель	98	2300	10245
Ст. инженер	33	3000	4500
Программист	24	2500	2727
инженер	42	2300	4390
итого			22680

Фонд оплаты труда составит: Ф_зп = 22680 руб.

3. Единый социальный налог (ЕСН) - обязательные отчисления органам государственного социального страхования, пенсионного фонда и медицинского страхования составляет 26% от затрат на оплату труда:

ЕСН = 22680 ´ 0,26 = 5897руб.

Страхование от несчастного случая = 0, 2*22680= 4536 руб.

. Амортизация основных фондов рассчитывается исходя из суммы всех затрат на амортизацию оборудования за время его использования по теме дипломного проекта. Эта сумма учитывается в сметной стоимости работы и рассчитывается по следующей формуле:

А_р = Ф_п ´ T_и ´ A / Ф_эф,

где Ф_п - первоначальная балансовая стоимость оборудования; Т_и - время использования оборудования при проведении работ; А - норма амортизации; Ф_эф - годовой эффективный фонд времени работы оборудования, для односменной работы он составляет Ф_эф = 2007 ч.

Большая часть работ производилась на компьютере с внешними устройствами для распечатки данных, записи и воспроизведения звука.

При этом общая стоимость оборудования Ф_п = 30000 руб.

Время работы на ПЭВМ составляет 24 дня по 8 часов в день, т.е. 192 ч.

А=1/Тисп, где Тисп - период использования в месяцах. При общей длительности работы 98 дней норма амортизации составит: А=0,33;

Амортизационные отчисления составят:

Общие прямые затраты составят следующую сумму:

З_прям=3_м + Ф_зп + А_р + ЕСН=1053+22680+957+5897=30587 руб.

5. Прочие расходы или накладные (З_н) берутся от величины прямых общих затрат в установленном размере. Для разработки устройства они составят (10%):

З_н = 30587´ 0,1 = 3059 руб.

Общие затраты на разработку составят (таблица 9.2.3.):

= 3_прям + 3_н = 30587 + 3059 = 33646 руб.

Таблица 8.2.3

Наименование статей расходов	Сумма, руб.	Удельный вес, %
материальные затраты, З_м	1053	3,1
затраты на заработную плату, Ф_зп	22680	67,5
единый социальный налог, ЕСН	5897	17,5
амортизация оборудования, А_р	957	2,8
прочие расходы, З_н	3059	9,1
общие затраты, 3	33646	100,0

8.3 Расчет себестоимости изделия

Целью совершенствования действующих технологических процессов и проектирования новых изделий являются снижение расходов материалов, энергии, затрат живого труда и повышение качества продукции. Обобщающим показателем расходов на производство изделия является себестоимость.

Себестоимость продукции включает в себя все затраты предприятия, идущие на его изготовление. При расчете себестоимости все затраты (в зависимости от метода их расчета и способов включения) подразделяются на прямые и косвенные.

Под прямыми затратами понимаются затраты, связанные непосредственно с созданием данной научно-технической продукции, в том числе затраты на материалы, спецоборудование; на оплату труда исполнителей и т.д.

К косвенным затратам относятся затраты, связанные с содержанием аппарата управления, общехозяйственные и общепроизводственные расходы и т.п., то есть затраты, которые прямо отнести на конкретную разработку не представляется возможным. Поэтому процент косвенных затрат следует уточнить в экономических службах организации - месте написания дипломного проекта (планово-финансовый отдел, бухгалтерия и т.д.).

Себестоимость включает в себя затраты по следующим статьям:

. сырье и основные материалы;

. покупные комплектующие и полуфабрикаты;

. основная заработная плата основных производственных рабочих;

. дополнительная заработная плата основных производственных рабочих;

. единый социальный налог;

. расходы на содержание и эксплуатацию оборудования;

. расходы на подготовку и освоение оборудования;

. цеховые и общезаводские расходы;

. внепроизводственные расходы.

. полная себестоимость продукции.

. К статье затрат на сырье и основные материалы относят затраты на сырье, основные и вспомогательные материалы и покупные изделия, необходимые для изготовления опытного образца. Затраты по этой статье определяются действующими на данный момент ценами.

Анализ современных мировых тенденций показывает, что многие современные предприятия не стремятся производить изделия от начала и до конца, а используют полуфабрикаты, т.е. часть производственного цикла проходит на других предприятиях. При этом затраты на создание собственного полного технологического цикла производства конечного изделия слишком велики. По этому на начальном этапе в производстве конечного изделия - блока низкоскоростной обработки речи, будут использоваться следующие части: цифровой сигнальный процессор (DSP), прямоугольный пластмассовый корпус с выходными разъемами и программное обеспечение.

На предприятии будет производиться программное обеспечение и конечная сборка изделия. По этому к затратам на сырье и основные материалы можно отнести сырьевые затраты на производство программного обеспечения: его разработку и дальнейшее улучшение, - расчеты по таблице 9.2.1.

Затраты составят: З_СИМ=1053 руб.

. Покупные комплектующие и полуфабрикаты для производства единицы конечной продукции (таблица 9.3.1.).

Рассчитывается по следующей формуле:

где j - число видов покупных полуфабрикатов и комплектующих, используемых для изготовления данной продукции;_j - применяемость j-го вида комплектующих в натуральных единицах;

Ц_j - цена единицы комплектующих j-го вида, свободная рыночная с учетом транспортных и прочих расходов, без учета НДС.

Таблица 8.3.1

№	Тип	Наименование/параметры	Цена, руб.
1	DSP-процессор	TMS320VC541x	450
2	корпус	215×147×35 мм	60
3	разъем	РПМ 12-26Т	30
4	разъем	ОНЦ-КГ-4-5/16-Р	55
5	оконечное устройство	МК-16	20
6	оконечное устройство	ДЭМК-7Т	40
итого			655

Расходы на комплектующие и полуфабрикаты: З_ПКИП=655 руб.

. Основная заработная плата (ОЗП) основных производственных рабочих. К этой статье расходов относят заработную плату рабочих, непосредственно занятых в изготовлении выпускаемой продукции. Расчет производится исходя из трудоемкости операций, часовой ставки работающего и его квалификации (таблица 9.3.2.).

Таблица 8.3.2

Виды работ	Трудоемкость, ч	Разряд	Часовая тарифная ставка, руб.	Заработная плата, руб.
Монтаж	130	5	50	6500
сборка	45	3	35	1575
итого				8075

. Дополнительная заработная плата основных производственных рабочих. Учитывает все доплаты (включая премии) к основной заработной плате, получаемые основными рабочими.

Сумма дополнительной заработной платы рассчитывается как процент от основной заработной платы, ДЗП=20%×ОЗП.

Дополнительная заработная плата составит: ДЗП=1615 руб.

. Единый социальный налог. Определяются по установленным нормам (26%) от суммы основной и дополнительной заработной платы производственных рабочих. Рассчитывается по следующей формуле:

ЕСН= (ОЗП+ДЗП) ×26%; ЕСН=1938 руб.

. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования распределяется между видами продукции, либо пропорционально основной заработной плате производственных рабочих, либо исходя из величины этих расходов за час работы оборудования и продолжительности его работы при изготовлении единицы соответствующего вида продукции. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования (50% от ОЗП).

Р_СЭО=0,5×8075=4037,5 руб.

. Расходы на подготовку и освоение оборудования.

К расходам на подготовку и освоения производства новых видов продукции и новых технологических процессов относятся затраты научно-исследовательских, проектно-конструкторских организаций и самих предприятий на проектирование нового изделия, разработку его технологического процесса. Расходы на подготовку и освоение производства составляют 5% от суммы 6 первых статей калькуляции.

Р_ПИО=0,05× (1053+655+8075+1615+1938+4037,5) =869 руб.

. Цеховые и общезаводские расходы распределяются по видам продукции пропорционально либо основной заработной плате производственных рабочих, либо сумме основной заработной платы основных и производственных рабочих и расходов на содержание и эксплуатацию оборудования.

Общезаводские расходы распределяются пропорционально основной заработной плате. Цеховые расходы (100% от ОЗП), Р_Ц=8075 руб.

Общезаводские расходы (150% от ОЗП)

Р_ОЗ=1,5×8075=12112,5 руб.

. Внепроизводственные расходы составят 15% от суммы всех предыдущих расходов.

Р_ВП=0,15%× (З_СИМ +З_ПКИП+ОЗП+ДЗП+ЕСН+ Р_СЭО+Р_ПИО+ Р_Ц+ Р_ОЗ);

Р_ВП= 0,15 × (1053 + 655 + 8075 + 1615 + 1938 + 4037,5 + 869 + 8075 + +12112,5) =5764 руб.

. Общая себестоимость определяется как сумма затрат по всем статьям калькуляции:

С= З_СИМ +З_ПКИП+ОЗП+ДЗП+ЕСН+Р_СЭО+Р_ПИО+Р_Ц+Р_ОЗ+ Р_ВП=44191 руб.

8.4 Расчет проектной цены изделия

Исходя из расчета себестоимости изделия, можно рассчитать проектную цену конечного продукта. Она состоит из себестоимости изделия, НДС и прибыли, которую планируется получить. Себестоимость продукции выражает в денежной форме затраты предприятия на ее производство и сбыт. НДС составляет 18% от суммы себестоимости.

НДС=44191×18%=7954 руб.

Прибыль составит 25% от суммы себестоимости и НДС.

П=0,25× (44191+7954) =13036 руб.

Проектная цена изделия составит:

Ц=С+НДС+П=44191+7954+13036=65181 руб.

Таблица 8.4.1

№	Наименование статей расходов	Сумма, руб.	Удельный вес, %
1	сырье и основные материалы	1053	2,0
2	покупные комплектующие и полуфабрикаты	655	1,3
3	основная заработная плата основных производственных рабочих	8075	15,5
4	дополнительная заработная плата основных производственных рабочих	1615	3,1
5	единый социальный налог	1938	3,7
6	расходы на содержание и эксплуатацию оборудования	4037,5	7,7
7	расходы на подготовку и освоение оборудования	869	1,7
8	цеховые расходы	8075	15,5
9	общезаводские расходы	12112,5	23,2
10	внепроизводственные расходы	5764	11,0
11	НДС	7954	15,3
итого		52145	100,0

8.5 Расчет и выводы по эффективности предложений

В результате проектирования разработан блок низкоскоростной обработки речевого сигнала. Применение этого устройства в цифровых системах передачи речевой информации позволит работать на более низких скоростях с удовлетворительным качеством сигнала на приемной стороне.

Определить экономическую эффективность разработанного устройства затруднительно, так как нет данных об аналогичных устройствах. Однако можно определить уровень разработки. Под техническим уровнем понимают относительную характеристику качества продукции, характеризующую техническое совершенство оцениваемой продукции.

Нормативным документом, определяющим технический уровень и качество изделий, является карта технического уровня и качество продукции, устанавливаемое согласно ГОСТ 2.116-84.

Для оценки технического уровня принимаются следующие показатели:

. назначения;

. надежности;

. технологичности;

. безопасности;

. унификации;

. эстетичности;

. экологические;

. эргономические;

. патентно-правовые.

Устройство относится к 5-й группе промышленной продукции: ремонтируемое изделие, расходующее свой ресурс в процессе эксплуатации.

Показатели качества изделия определяются по формуле:

где P_i - коэффициент весомости i-го показателя, K_i значение i-го базового показателя устройства, K_{i max} - значение i-го показателя проектируемого образца.

В таблице 9.5.1 приведена оценка технического уровня разработанного устройства.

№	Наименование показателя	Коэф-т весомости	Балл		Показатель качества
			Базовая	Проектир.
1	назначение	0,35	6	7	0,3
2	надежность	0,2	6	7	0,171
3	технологичность	0,15	6	7	0,129
4	унификация	0,12	6	7	0,102
5	эргономичность	0,03	5	7	0,026
6	эстетичность	0,02	7	0,014
7	экологичность	0,02	6	7	0,008
8	безопасность	0,07	6	7	0,06
9	патентно-правовой	0,06	5	7	0,051
Кк					0,796

Чем меньше показатель Кк, тем выше перспективность и востребуемость изделия (показатель Кк у базовой модели, рассчитанный по формуле 9.5.1., будет равен 1). Поэтому данный показатель проектируемого изделия показывает достаточно высокий уровень разработки, следовательно этот низкоскоростной блок обработки речевого сигнала можно рекомендовать для использования в цифровых системах передачи.

Прибыли с реализации разработанной продукции будут достаточно высоки засчет использования недорогих составляющих компонентов устройства и относительной простоты изготовления, что приведет к уменьшению стоимости процесса производства.

9. Безопасность и экологичность проекта

9.1 Анализ условий труда на рабочем месте пользователя ПЭВМ

В производственной деятельности человека важное место должно отводится охране здоровья трудящихся, обеспечению безопасности условий труда, профилактике профессиональных заболеваний и производственного травматизма.

Научно-технический прогресс не устраняет вероятности неблагоприятного воздействия на человека и окружающую природную среду в процессе эксплуатации, обслуживания, ремонта, наладки, испытания оборудования. Это обусловлено тем, что любая деятельность в современных условиях сопровождается повышением психофизической напряженности, увеличением информационной и нервно-эмоциональных нагрузок на человека, появлением новых физических видов воздействия на работающих. Имеет место также ограничение подвижности людей, неравномерность мышечной и психологической нагрузок, что способствует развитию утомления и создания предпосылок для травматизма, заболевания и ошибок.

Основная задача по созданию здоровых и безопасных условий труда и защите окружающей природной среды возложена на администрацию предприятия и инженерные кадры, которые обязаны выявлять и предупреждать, ограничивать или устранять опасные и вредные факторы производства, решать вопросы гуманизации техники, технологии и организации труда, нормализации санитарно-гигиенических параметров производственной среды, эргономичности помещений и рабочих мест, организации санитарно-бытового обслуживания работающих, предотвращения чрезвычайных ситуаций, защиты окружающей природной среды.

Рассмотрим, какие вредные и опасные факторы могут потенциально влиять на работу инженера-программиста, если его рабочее место находится в зале вычислительного центра, в котором работают 10 человек и установлено 8 ПВЭМ с мониторами, имеющими пониженный уровень излучения радиации.

Рабочее место инженера-программиста оснащено следующим оборудованием:

рабочий стол;

стул;

персональный компьютер в стандартной комплектации (системный блок, дисплей, клавиатура, манипулятор типа “мышь”);

принтер.

В процессе работы инженер-программист может подвергаться влиянию вредных и опасных факторов (ГОСТ 12.0.003-74* “Опасные и вредные производственные факторы. Классификация”).

Анализируя условия труда на рабочем месте, можно выделить следующие вредные и опасные факторы [№БЖД]:

) опасность поражения электрическим током;

) повышенный уровень статического электричества;

) недостаточная освещенность помещения и не качественность освещения;

) повышенная яркость света;

) повышенный уровень шума на рабочем месте;

) неблагоприятные микроклиматические условия;

) возможность возникновения пожара;

) воздействие электромагнитного и мягкого рентгеновского излучений;

) нервно-психические перегрузки;

) повышенный уровень инфразвуковых колебаний и ультразвука;

) химически опасные и вредные факторы;

) биологически опасные и вредные производственные факторы.

Рассмотрим влияние этих факторов более подробно.

. Опасность поражения электрическим током. Вызвана она тем, что всё оборудование машинного зала питается от трехфазной сети переменного тока (380/220 В, 50 Гц). В процессе эксплуатации или проведения профилактических работ человек может коснуться частей, находящихся под напряжением.

Действие электрического тока на организм человека может вызвать травмы различной степени тяжести и даже смертельный исход. На долю поражений электрическим током приходится 40% несчастных случаев с летальным исходом.

Все помещения согласно ПУЭ делятся по степени поражения людей электрическим током на три класса:

без повышенной опасности;

с повышенной опасностью;

особо опасные.

Место работы инженера программиста (машинный зал) относится к помещениям первого класса (без повышенной опасности). Согласно классификации, это сухие, беспыльные помещения с нормальной температурой воздуха и с изолирующими полами.

Оборудование машинного зала должно соответствовать ГОСТ 12.1.019-79* “Электробезопасность. Общие требования”.

. Повышенный уровень статического электричества. Электризация - это комплекс физических и химических процессов, приводящих к разделению в пространстве зарядов противоположных знаков или к накоплению зарядов одного знака. Суть электризации заключается в том, что нейтральные тела, не проявляющие в нормальном состоянии электрических свойств, в условиях отрицательного контакта или взаимодействия становятся электрозаряженными.

На рассматриваемом рабочем месте инженера-программиста электризация (повышенный уровень статического электричества) возникает на поверхности экранов видеомониторов при длительной их работе и на анодном электроде электронно-лучевых трубок этих устройств. При этом напряжение на них может достигать 25 кВт.

Статическое электричество оказывает вредное воздействие на организм человека, причем не только при непосредственном контакте с зарядом, но и за счет действия электрического поля, возникающего вокруг заряженных поверхностей. Требования по защите от статического электричества приведены в ГОСТ 12.4.124-83 “Средства защиты от статического электричества”. В частности, применяют различные устройства для снятия статического электричества.

. Недостаточная освещенность рабочего места. Обычно она связана с неправильным выбором и размещением осветительных приборов в производственном помещении. Правильно спроектированное и выполненное освещение обеспечивает высокий уровень работоспособности, оказывает положительное психологическое воздействие на работающих, способствует повышению производительности труда. О важности вопросов производственного освещения для вычислительного центра говорит и тот факт, что условия деятельности операторов в системе “человек-машина" связаны с явным преобладанием зрительной информации - до 90% общего объема.

Понятие не качественность освещения включает пониженную контрастность, прямую и отраженную блесткость и повышенную пульсацию светового потока. Все вышеперечисленные факторы не качественности освещения оказывают огромное влияние на утомляемость и нервнопсихические перегрузки оператора ЭВМ. При работе с ЭВМ, когда требуется колоссальное зрительное напряжение, при некачественном освещении резко портится зрение работающих, приводя к полной потере работоспособности.

Разряд зрительных работ в лаборатории ПК соответствует 3 категории и согласно СНиП 23-05-95 “Естественное и искусственное освещение" освещенность рабочего места при данном разряде зрительных работ должна быть не менее 300 лк (для газоразрядных ламп) при определенном коэффициенте пульсаций и специальных нормах на контрастность и прямую и отраженную блесткость, что обеспечивается правильным расположением ламп относительно рабочего места и экрана монитора. Мониторы также должны быть правильно отрегулированы, чтобы не создавать неудобства для глаз.

. Повышенная яркость света способствует быстрой утомляемости глаз, что приводит как к потере трудоспособности, так и к увеличению нервно-психических перегрузок. Повышенная яркость света также связана с неправильным выбором и размещением осветительных приборов в производственном помещении.

При выборе уровня освещенности следует руководствоваться СНиП 23-05-95 “Естественное и искусственное освещение" учитывая, что разряд зрительных работ в лаборатории ПК соответствует категории 3 А. Яркость света при этом не должна превышать указанных норт.

. Повышенный уровень шума на рабочем месте, обусловлен работой печатающих устройств, накопителей, кондиционеров и систем вентиляции. Сильный шум вызывает трудности в распознавании цветовых сигналов, снижает быстроту восприятия цвета, остроту зрения, зрительную адаптацию, нарушает восприятие визуальной информации, снижает способность быстро и точно выполнять координированные движения, уменьшает на 5-12% производительность труда; длительное воздействие шума с уровнем звукового давления 90 дБ снижает производительность труда на 30-40%. Медицинские обследования показали, что помимо снижения производительности труда высокие уровни шума приводят к ухудшению слуха и появлению тугоухости.

Уровень шума не должен превышать норм для залов вычислительного центра установленных СН 2.2.4/2.1.8.562-96 “Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки”. Для вычислительных центров этот уровень не более 59 дБ.

. Неблагоприятные микроклиматические условия. Микроклимат на рабочем месте определяется температурой воздуха, относительной влажностью, скоростью движения воздуха, барометрическим давлением и интенсивностью теплового излучения от нагретых поверхностей.

Неблагоприятные микроклиматические условия приводят к ухудшению самочувствия работника, ослаблению внимания, быстрой утомляемости, и при продолжительном воздействии могут вызвать различные заболевания.

В соответствии с СанПиН 2.2.4.548-96 “Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений" условия комфорта на рабочем месте инженера-программиста могут быть достигнуты при температуре воздуха 20-25 градусов, относительной влажности воздуха 40-60%, скорости движения воздуха не более 0,2 м/с. При этом для теплого времени года оптимальной является температура воздуха 23-25 градусов, а для холодного 20-22 градуса.

Нормализация воздуха рабочей среды достигается соответствующим кондиционированием технического оборудования, правильной его эксплуатацией, а также подачей чистого воздуха с помощью вентиляции.

. Возможность возникновения пожара. Обусловлена наличием на рабочем месте программиста возгорающихся предметов (деревянный стол, стул, бумага, изоляция электрических проводов). Причиной возгорания могут быть следующие факторы: короткое замыкание проводов, перегрузка в сети, применение электрических ламп накаливания общего назначения и люминесцентных ламп (пожарная опасность светильников обусловлена возможностью контакта горючей среды с колбой электрической лампы накаливания, подогретой выше температуры воспламенения горючей среды). Во второй части задания этот фактор будет рассмотрен более подробно.

. Воздействие электромагнитного и мягкого рентгеновского излучений. Этот вредный фактор может привести к постепенному ухудшению зрения и другим профессиональным заболеваниям инженера-программиста.

Источником мягкого рентгеновского излучения в вычислительном центре являются видеомониторы. В рассматриваемом зале вычислительного центра применяются мониторы, на кинескопы которых нанесено специальное покрытие, уменьшающее уровень такого излучения (так называемые Low Radiation мониторы). Тем не менее, необходимо соблюдать расстояние (не менее 50 см) до экрана видеомонитора.

Электромагнитное излучение в зале вычислительного центра возникает вследствие работы системных блоков ПЭВМ и видеомониторов. Для уменьшения электромагнитного излучения применяется экранирование элементов, с которых происходит излучение. Оборудование машинного зала соответствует СанПиН 2.2.4.1191-03 “Электромагнитные поля в производственных условиях”.

. Психофизические перегрузки. Непосредственный контакт программиста с ПК приводит к воздействию на человека вредного психофизиологического фактора - нервно-психических перегрузок, в частности, умственного перенапряжения, перенапряжения зрения и слуха, монотонного труда, эмоциональных перегрузок. Все это приводит к значительному снижению производительности труда.

Умственные и эмоциональные перегрузки обусловлены спецификой труда инженера-программиста: по сравнению с физической работой возрастает потребление мозгом кислорода в 15-20 раз. Соответственно требуется значительное нервно-эмоциональное напряжение, что ведет к значительному изменению кровяного давления, пульса. Длительная работа такого характера может привести к заболеванию, в частности сердечно-сосудистым.

На рабочем месте инженера-программиста возможно перенапряжение органов зрения, вызываемое применением дисплеев с низким разрешением, не отрегулированных по яркости и контрастности, а также неправильной установкой их относительно окон и осветительных приборов. В связи с этим большое значение имеет задача планирования процесса труда, с целью не допустить перенапряжения органов чувств, приводящее к стрессам.

Большую часть времени инженер-программист проводит сидя перед экраном монитора. Нерациональные конструкция и расположение элементов рабочего места вызывают необходимость поддержания вынужденной рабочей позы. Длительный дискомфорт вызывает повышенное напряжение мышц и обуславливает развитие общего утомления и снижения работоспособности. Поэтому требуется обеспечить правильное положение тела человека, которое не будет вызывать перенапряжения определенных групп мышц вследствие статичности в процессе работы. Также следует несколько раз в день проводить производственную гимнастику. Несоблюдение этих требований может привести к заболеваниям опорно-двигательного аппарата. Рабочее место инженера-программиста должно отвечать требованиям ГОСТ Р 50923-96 “Дисплеи. Рабочее место оператора. Общие эргономические требования и требования к производственной среде. Методы измерения ”.

. Повышенный уровень инфразвуковых колебаний. Возникает при неправильной эксплуатации громоздкой техники, например кондиционера, или при неисправном ее состоянии. Инфразвуковые колебания оказывают на человека неблагоприятное воздействие, приводя к дополнительному повышению нервно-психических перегрузок, заболеваниям и потере трудоспособности. По этому при эксплуатации кондиционеров следует придерживаться всех требований по их установке и использованию.

. Химически опасные и вредные факторы включают в состав едкие, ядовитые, огне- и взрывоопасные вещества, нарушение газового состава воздуха, наличие вредных примесей в воздухе (токсичная пыль и газы). При работе с ПЭВМ возможно появление различных химически опасных и вредных факторов, особенно в совокупности с другими опасными и вредными факторами ГН2.2.5.1313-03 “Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны”. При нагревании изоляции, полистиролов и других синтетических материалов, при работе вычислительной техники в воздух выделяются опасные химические соединения, вредные для здоровья человека. При коротком замыкании выделяется угарный газ, который может привести к массовому отравлению всех работающих в помещении. Для предотвращения действия химически опасных и вредных факторов необходимо использование в помещении систем вентиляции и кондиционирования.

. Биологически опасные и вредные факторы включают следующие биологические объекты: патогенные микроорганизмы (бактерии, вирусы, риккетсии, спирохеты, грибы, простейшие).

Некоторые из перечисленных микроорганизмов способны причинять вред человеку, быть причиной болезней и потери трудоспособности. Поэтому особо важна профилактика заболеваний, особенно в местах сосредоточения людей. Одним из таких мест является вычислительный центр. Поэтому необходимо проводить санитарную обработку помещения, поддерживать на рабочем месте чистоту, проводить оздоровительные мероприятия в коллективе, а также обеспечивать надлежащую свежесть воздуха в помещении.

9.2 Разработка мероприятий, обеспечивающих оптимальные метеорологические условия. Кондиционирование

Важнейшее значение для нормальной жизнедеятельности человека имеет наличие чистого воздуха оптимальной температуры, влажности и скорости движения. Создание в рабочей зоне надлежащих метеорологических условий благоприятно воздействует на организм, способствует хорошему самочувствию, повышению безопасности труда, обеспечивает высокую работоспособность.

Микроклимат на рабочем месте определяется температурой воздуха, относительной влажностью, скоростью движения воздуха, барометрическим давлением и интенсивностью теплового излучения от нагретых поверхностей.

Высокая температура воздуха в помещении при сохранении других параметров вызывает быструю утомляемость работающего и другие нежелательные последствия.

Большое влияние на организм оказывает и влажность воздуха, т.е. количество содержащихся в нем водяных паров. Оптимальной является влажность 40-60%.

Скорость движения воздуха также имеет большое значение для создания благоприятных условий труда, так как человек начинает ощущать воздушные потоки при скорости 0,15 м/с. Причем при температуре меньше 36 градусов Цельсия они имеют освежающее воздействие, а при температуре свыше 40 градусов - угнетающее.

Все рассмотренные выше параметры микроклимата действуют на организм взаимосвязано и комплексно. Оптимальные и допустимые величины температуры, относительной влажности, скорости движения воздуха согласно СанПиН 2.2.4.548-96 “Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений”, устанавливается для рабочей зоны помещения с учетом избытков тепла, тяжести работы и сезонов года. Работа на ЭВМ требует энергозатрат до 139 Вт, что позволяет отнести ее к категории 1а легких физических работ, при этом для теплого периода года оптимальной является температура воздуха 23-25 градусов при относительной влажности 40-60% и скорости движения воздуха до 0,1 м/с. Технические требования к параметрам микроклимата в зонах работы ПЭВМ менее жесткие, и в качестве расчетных могут использоваться оптимальные параметры микроклимата на рабочем месте.

Чтобы создать в производственном помещении нормальные метеорологические условия, удалить вредные газы и пары, пыль, необходимо правильно спроектировать и надлежащим образом эксплуатировать вентиляционные системы.

Вентиляция - это организованный воздухообмен в помещении. Работа вентиляционной системы должна создавать на постоянных рабочих местах, в рабочей и обслуживаемых зонах помещений метеорологические условия и чистоту окружающей среды, соответствующие действующим санитарным нормам, обеспечивающие надлежащую работу ЭВМ, длительное хранение носителей информации и комфортные условия для обслуживающего персонала.

Основным источником тепла в помещениях вычислительного центра является ЭВМ, вспомогательное оборудование, приборы освещения, обслуживающий персонал.

Выбор системы охлаждения и конденсирования воздуха (СОКВ) осуществляется с учетом мощности ЭВМ и климатических условий. При определении количества кондиционеров за расчетную температуру наружного воздуха принимают температуру наружного воздуха теплого времени года, которая зависит от климатической зоны и имеет для района г. Рязани значение t_H=28^оС. В остальных случаях необходимые параметры обеспечиваются регулировкой кондиционеров. Минимальное количество наружного воздуха, подаваемого в помещение, должно быть не менее необходимого по санитарным нормам на 1 человека. При этом возможны следующие пути решения:

. Применение центральных или автономных местных кондиционеров. Первые используются для ЭВМ большой мощности и теплоизбытков и устанавливается вне обслуживаемых объектов. В подавляющем большинстве случаев (тепловыделение в диапазоне25-360 кВт) целесообразно применение автономных кондиционеров, работающих на постоянной (90-95%) рециркуляции воздуха помещения машинного зала при постоянном количестве свежего наружного воздуха.

. Работа систем СОКВ ЭВМ и машинного зала с переменным количеством наружного воздуха. Такое решение принимается на основании технико-экономического анализа и связано с годовыми расходами тепла, затратами на устройство фильтров для очистки воздуха от пыли и газов.

. Применение одной из двух разновидностей систем охлаждения и кондиционирования воздуха для ЭВМ и машинного зала - раздельного или совмещенного, и воздухо-распределяющего пола машинного зала как непрерывного элемента этих систем.

Для помещения с ПЭВМ могут использоваться бытовые кондиционеры БК (табл.10.2.1), устанавливаемые в окнах и подающие обработанный наружный воздух непосредственно в машинный зал. Воздухообмен осуществляется по схеме, представленной на рис.10.2.1.

В системах кондиционирования воздуха санитарную норму подачи наружного воздуха на одного человека принимают равной 30 м³/ч. В связи с этим минимальное необходимое количество наружного воздуха рассчитывается по формуле:

_Hmin=30∙n, (9.1)

где n - количество человек.

_Hmin=30∙10=300м³/ч.

Выбираем кондиционер БК-2000. При расчете числа кондиционеров необходимо решить систему уравнений:

(9.2)

где Q_{ЭВМ -}результирующее тепловыделение в машинном зале, кВт,_К - необходимая производительность по холоду, кВт,

для БК-2000 Q_K=2,3 кВт,_K - производительность кондиционера по воздуху, м³/ч,

для БК-2000 G_K=500 м³/ч,_K - средняя теплоемкость охлаждающего воздуха, кДж∙с,_Н - средняя теплоемкость наружного воздуха, кДж∙с,_К - температура охлажденного кондиционером воздуха,_Н - температура наружного воздуха,_ВН - температура помещения.

Выразим t_К:

(9.3)

и подставим в первое:

(9.4)

_ЭВМ определяется как результирующее тепловыделение (выделяемая мощность) в машинном зале. Расчет производим для 8 ПЭВМ. Тепловыделение одной машины составляет 150 Вт. Также учитываем тепловыделение человека, которое можно принять равным 75 Вт.

_ЭВМ=0,15∙8+0,075∙10=1,95 кВт;

_H=28,5^oC (температура наружного воздуха);_BH=24^oC (оптимальная температура воздуха в вычислительном центре

для теплого периода года);

Средняя теплоемкость охлаждающего воздуха

(9.5)

где d - влагосодержание воздуха, Г/кг.

(9,6)

где φ - относительная влажность;

Р - упругость насыщенного пара;

В - полное барометрическое давление.

φ=0,6;

Р=29,83 при температуре t_K;

В=993 гПа

Тогда .

Учитывая, что Р=37,79 при температуре t_H найдем:

Подставляем найденные значения в выражение 10.4:

Данное число кондиционеров должно обеспечить необходимую производительность по холоду Q_K:

(9,7)

_K>Q_табл, следовательно, для обеспечения оптимальных метеорологических условий достаточно 2 кондиционеров БК-2000.

Проверим соответствие количества наружного воздуха санитарным нормам. Два кондиционера БК-2000 обеспечивают производительность по воздуху 1000 м³/ч, что больше минимально необходимого количества наружного воздуха, рассчитанного выше и равного 300 м³/ч. Следовательно, два кондиционера БК-2000 обеспечивают соответствие количества наружного воздуха санитарным нормам.

9.3 Чрезвычайные ситуации. Обеспечение пожарной безопасности

К чрезвычайным ситуациям, которые могут произойти можно отнести пожар и короткое замыкание.

В соответствии с НПБ 201-96 “Пожарная охрана предприятий. Общие требования” пожарная безопасность должна обеспечиваться системой предотвращения пожара и организационно - техническими мероприятиями. Противопожарная защита достигается применением средств пожаротушения, установок пожарной сигнализации, применением средств коллективной и индивидуальной защиты.

В случае возникновения короткого замыкания необходимо как можно быстрее отключить ЭВМ от сети.

При возникновении пожара необходимо:

сообщить в пожарную охрану по телефону 01 и оператору либо секретарю;

- обесточить электрооборудование;

приступить к тушению пожара первичными средствами пожаротушения;

организовать эвакуацию персонала из опасной зоны;

организовать встречу пожарной команды и предоставить ей полную информацию о сложившейся обстановке.

Для большинства помещений, оборудованных вычислительной техникой, установлена категория пожарной опасности В - (горючие и негорючие жидкости, твердые горючие и негорючие вещества и материалы (в том числе пыли и волокна), вещества и материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть при условии, что помещения, в которых они имеются в наличии или образуются, не относятся к категориям А или Б). Учитывая высокую стоимость электронного оборудования, а также категорию пожарной опасности помещений, в которых оно размещается, здания для помещения, оборудованных вычислительной техникой, должны быть I степени огнестойкости.

В производственном помещении необходимо соблюдать следующие правила безопасности:

проходы, выходы из помещения, доступы к средствам пожаротушения должны быть все время свободны;

- оборудование, находящееся в эксплуатации, должно быть исправно и проверяться каждый раз перед началом работы;

по окончании работ осмотреть помещение, обесточить электросеть, закрыть помещение.

Число эвакуационных выходов из зданий с каждого этажа и из помещений должно быть не менее двух. Ширину эвакуационного выхода (двери) устанавливают не менее 0.8 м. Устройство винтовых лестниц, раздвижных и подъемных дверей, вращающихся дверей и турникетов на путях эвакуации недопустимо. Также не допускается размещать на лестничных клетках какие-либо помещения, прокладывать технологические коммуникации, устраивать выходы подъемников и грузовых лифтов. На эвакуационных путях устраивают как естественное, так и искусственное аварийное освещение.

Пожарные краны устанавливают в коридорах, на площадках лестничных клеток, у входов, т.е. в доступных, заметных местах. Ручные углекислотные огнетушители устанавливают в помещениях, оборудованных вычислительной техникой, из расчета один огнетушитель на 40-50 кв. м площади, но не менее двух в помещении.

Для обнаружения начальной стадии загорания и оповещения службы пожарной охраны используют системы автоматической пожарной сигнализации (АПС). Они могут самостоятельно приводить в действие установки пожаротушения, пока пожар не достиг больших размеров.

Объекты вычислительного центра кроме АПС необходимо оборудовать установками стационарного автопожаротушения. Целесообразно применять установки газового тушения пожаров, действие которых основано на быстром заполнении помещения огнетушащим газовым веществом, в результате чего снижается содержание кислорода в воздухе.

Выводы

Помещение, в котором проходят работы, соответствует нормам безопасности жизнедеятельности и санитарным правилам и нормам. На основании перечисленных выше санитарно - гигиенических и эргономических требований к условиям труда операторов можно сделать следующий вывод: работа за персональным компьютером более 4-х часов нежелательна, иначе возможно ухудшение состояния здоровья.

Таким образом, становится очевидным, что грамотная организация рабочего места и соблюдение инструкций и правил внутреннего распорядка предприятия позволит рабочему персоналу с максимальной эффективностью решать поставленные перед ним задачи.

Заключение

В данном дипломном проекте разработана вокодерная система передачи на основе фонемного вокодера. Разработанное устройство удовлетворяет всем требованиям технического задания и может применятся для распознавания и синтеза речевых сигналов со скоростью 1,2 кбит/с при хорошей разборчивости и качестве восстановленного сигнала 3,5.3,8 согласно ГОСТ Р 50840-95. Фонемный вокодер управляется сигнальным микропроцессором и может быть рекомендован для применения в технике связи. Разработаны структурная и принципиальная схемы фонемного вокодера, приведена программа, моделирующая работу системы.

В экономической части рассчитываются затраты на разработку и изготовление опытного образца. Данная разработка обладает хорошими технико-экономическими показателями.

В разделе “Безопасность и экологичность проекта" описаны факторы, неблагоприятно влияющие на разработчика или эксплуататора данного устройства, а также указаны пути их уменьшения, в частности произведен расчет оптимальных метеорологических условий на рабочем месте; разработан перечень мероприятий по защите от возможных ЧС.

Список используемой литературы

1. Аблазов В.И. Преобразование, запись и воспроизведение речевых сигналов, 1991.

. Быков Н.М., Клименко Ю.Н. Выбор эффективного алфавита признаков в системах идентификации дикторов // Оптимизация сложных систем. Тез. докл. Всесоюзного семинара, ч1 - Винница, 1983.

. Винцюк Т.К. Анализ, распознавание и интерпретация речевых сигналов - Киев:. Наукова думка, 1987. - 262с

. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов. - М.: Радио и связь, 1985 - 312с.

. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Связьиздат, 1963 - 450с.

. Горелик А.Л. Скрипкин В.А. Методы распознавания: Учеб. Пособие. - М: Высш. шк., 2004. - 261с.

. Гудонавичус А.В. Распознавание речевых сигналов по их структурным свойствам. - Л: Энергия

. Дансмор Б., Скальди Т. Справочник по телекоммуникационным технологиям: Пер. с англ. - М - СПб. - Киев, 2004 - 640с.

. Ефимов А.П. под ред. Сапожкова М.А. Акустика - М.: Радио и связь, 1989.

. Загоруйко Н.Г. Методы распознавания и их применение - М., Сов. Радио, 1972.

. Загоруйко Н.Г. Прикладные методы анализа данных и знаний, 1999. - 268с.

. Загоруйко Н.Г. Распознавание слуховых образов - Новосибирск, 1970.

. Иванов В.И. Цифровые и аналоговые системы передачи. - М., 2003.

. Калабеков Б.А. Микропроцессоры и их применение в системах передачи и обработки сигналов: Учеб. пособие для ВУЗов. - М.: Радио и связь, 1988 - 368с.

. Калинцев Ю.К. Разборчивость речи в цифровых вокодерах, 1991

. Кириллов С.Н. Обобщенный спектральный анализ случайных процессов в радиотехнических устройствах речевых сигналов. - Рязань, 2003. - 83с.

. Кириллов С.Н. Стукалов Д.Н. Цифровые системы обработки речевых сигналов. - Рязань, 1995. - 68с.

. Кириллов С.Н., Шелудяков А.С. Методы спектральной обработки речевых сигналов. - Рязань, 1997 - 68с.

. Корнеев В.В., Киселев А.В. Современные микропроцессоры. - М.: Нолидж, 1998 - 240с.

. Крот А.М., Минервина Е.Б. Быстрые алгоритмы и программы цифровой спектральной обработки сигналов и изображений. - Мн.: Навука i тэхнiка, 1995 - 407с.

. Методы автоматического распознавания речи. Под ред.У. Ли, 1983 - 327с.

. Маноков В.Е. Основы электробезопасности. - 5-е изд., перераб. И доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1991 - 480с.

. Марков С. Цифровые сигнальные процессоры. Книга1. - М.: фирма МИКРОАРТ, 1996 - 144с.

. Михайлов В.Г., Златоустова Л.В. Измерение параметров речи. - М.: Радио и связь, 1987 - 216с.

. Муравьев В.Е. О современном состоянии и проблемах вокодерной техники // Современные речевые технологии. Сборник трудов ІХ сессии Российского акустического общества. - М.: ГЕОС, 1999.

. Рабинер Л.Р. Шафер Р.В. Цифровая обработка речевых сигналов: Пер. с англ. / Под ред. М.В. Назарова и Ю.Н. Прохорова. - М.: Радио и связь, 1981. - 496с.

. Розенберг Р. Тенденции в развитии синтеза и распознавания речи. Электроника, 1985.

. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебное пособие для вузов - СПб.: Питер, 2005. - 603с.

. Солодовников А.И., Спиваковский А.М. Основы теории и методы спектральной обработки информации: Учеб. пособие - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1986 - 272с.

. Шелухин О.И. Лукьянцев Н.Ф. Цифровая обработка и передача речи. / Под ред.О.И. Шелухина. - М.: Радио и связь, 2000. - 456с.

. Шульгин В.И. Основы теории передачи информации - Учебное пособие Харьков: Нац. Аэро-косм. ун-т, 2003 - 102с.

. Безопасность и экологичность проекта: Методические указания для дипломников / Зайцев Ю.В., Веселкин Н.В., Кордюков С.И., Агеев А. Я.; Под ред. Зайцева Ю.В. Рязан. гос. радиотехн. ун-т. Рязань, 2006 - 20с.

. ГОСТ Р 50840-95 Передача речи по трактам связи. Методы оценки качества, разборчивости, узнаваемости. - М.: Госстандарт России.

. Кондиционирование на вычислительных центрах: Методические указания к дипломному проектированию / Сост. Кремнев Н.И., Федотов - Рязань: РРТИ, 1990 - 8с.

. Руководство по выполнению экономической части дипломного проекта: Методические указания / Сост. Васина Л.В., Евдокимова Е.Н., Рыжкова А.В. Рязан. гос. радиотехн. ун-т. Рязань, 2007 - 36 с.

. Преддипломная практика и дипломное проектирование: Методические указания / Сост. Елумеев В.И., Кагаленко Б.В., Корнеев В.А., Паршин В.С., Юмашева Г.Г. Рязан. Радиотехн. акад. Рязань, 2001 - 24с.

37. Сайт технической поддержки: www.frolov-lib.ru <#"542158.files/image071.gif">

. Синтез.

Далее предложены некоторые элементы программы.

"Вариант простейшего синтезатора фонемного вокодера на 45 элементов."

=input ('введите скорость воспроизведения ');=44100/del;=load ('matr. txt');

for i=1: 1: 5=r (i);b1=wavread ('аа');(a,f);2=wavread ('ь');(a,f);3=wavread ('т');(a,f);4=wavread ('а');(a,f);5=wavread ('й');(a,f);6=wavread ('н');(a,f);7=wavread ('о');(a,f);8=wavread ('с');(a,f);9=wavread ('э');(a,f);10=wavread ('к');(a,f);11=wavread ('в');(a,f);12=wavread ('и');(a,f);13=wavread ('ъ');(a,f);14=wavread ('п');(a,f);15=wavread ('р');(a,f);16=wavread ('нь');(a,f);17=wavread ('л');(a,f);18=wavread ('ш');(a,f);19=wavread ('м');(a,f);20=wavread ('ц');(a,f);21=wavread ('ть');(a,f);22=wavread ('д');(a,f);23=wavread ('ль');(a,f);24=wavread ('ы');(a,f);25=wavread ('у');(a,f);26=wavread ('рь');(a,f);27=wavread ('з');(a,f);28=wavread ('дь');(a,f);29=wavread ('б');(a,f);30=wavread ('х');(a,f);31=wavread ('г');(a,f);32=wavread ('ж');(a,f);33=wavread ('вь');(a,f);34=wavread ('ф');(a,f);35=wavread ('сь');(a,f);36=wavread ('ч');(a,f);37=wavread ('мь');(a,f);38=wavread ('бь');(a,f);39=wavread ('пь');(a,f);40=wavread ('кь');(a,f);41=wavread ('зь');(a,f);42=wavread ('фь');(a,f);43=wavread ('гь');(a,f);44=wavread ('хь');(a,f);=wavread ('пауза');(a,f);

end

"Программный модуль вокодерной системы передачи"

function varargout = Sintezator (varargin)

% SINTEZATOR M-file for Sintezator. fig

% SINTEZATOR, by itself, creates a new SINTEZATOR or raises the existing

% singleton*.

% H = SINTEZATOR returns the handle to a new SINTEZATOR or the handle to

% the existing singleton*.

% SINTEZATOR ('CALLBACK',hObject,eventData,handles,.) calls the local

% function named CALLBACK in SINTEZATOR. M with the given input arguments.

% SINTEZATOR ('Property','Value',.) creates a new SINTEZATOR or raises the

% existing singleton*. Starting from the left, property value pairs are

% applied to the GUI before Sintezator_OpeningFunction gets called. An

% unrecognized property name or invalid value makes property application

% stop. All inputs are passed to Sintezator_OpeningFcn via varargin.

% *See GUI Options on GUIDE's Tools menu. Choose "GUI allows only one

% instance to run (singleton)".

% See also: GUIDE, GUIDATA, GUIHANDLES

% Edit the above text to modify the response to help Sintezator

% Last Modified by GUIDE v2.5 20-Apr-2008 21: 37: 34

% Begin initialization code - DO NOT EDIT_Singleton = 1;_State = struct ('gui_Name', mfilename,.

'gui_Singleton', gui_Singleton,.

'gui_OpeningFcn', @Sintezator_OpeningFcn,.

'gui_OutputFcn', @Sintezator_OutputFcn,.

'gui_LayoutFcn', [],.

'gui_Callback', []);nargin && ischar (varargin{1})_State. gui_Callback = str2func (varargin{1});nargout

[varargout{1: nargout}] = gui_mainfcn (gui_State, varargin{: });_mainfcn (gui_State, varargin{: });

end

Вокодерные системы передачи речевой информации