Телефонные (речевые) сигналы

Для понимания сущности физических параметров речевых, а потом и телефонных сигналов, рассмотрим процесс речеобразования.

В образовании звуков речи принимают участие легкие, гортань с голосовыми связками, образующими голосовую щель, область носоглотки, язык, зубы и губы. В процессе произнесения речи чело­век вдыхает воздух и наполняет им легкие, которые через бронхи продувают воздух в гортань и далее через вибрирующие голосовые связки в полость рта и носа.

Голосовые связки, то сжимая, то открывая голосовую щель, про­пускают воздух импульсами, частота следования которых называ­ется основным тоном. Частота основного тона лежит в пределах от 50...80 Гц (очень низкий голос - бас) до 200...250 Гц (женские и детские голоса).

Импульсы основного тона содержат большое число гармоник (до 40), амплитуда которых убывает с увеличением частоты со скоростью приблизительно 12 дБ на октаву. Например, амплитуда

составляющей импульсов основного тона с частотой 100 Гц на 12 дБ больше амплитуды ее второй гармоники - 200 Гц, которая, в свою очередь, на 12 дБ больше соответствующей ей второй гар­моники, т.е. 400 Гц, а вторая гармоника частоты 400 Гц будет на 12 дБ больше составляющей с частотой 800 Гц и т.д.

Импульсы воздуха встречают на своем пути систему резонато­ров, образуемых объемами полости рта и носоглотки, положением языка, зубов и губ и изменяющихся в процессе произнесения раз­личных звуков. Проходя через эту систему резонаторов, одни гар­монические составляющие импульсной последовательности основного тона получают усиление, а другие - ослабление. Карти­на спектра звука (гласного), излучаемого ртом, принимает вид, изображенный на рис., где приняты следующие обозначения: р - уровни спектральных составляющих частоты основного тона; f₀ - частота основного тона; 1, 2, З...n - гармоники частоты основного тона.

Рис. Спектр формирования звука

Отметим, что частота основного тона меняется в значительных пределах при переходе от гласных звуков к согласным, и наоборот.

На рис. ясно видны усиленные области частот, характерные для спектра конкретного звука. Эти усиленные области частот называются формантными областями или просто формантами. Звуки речи отличаются друг от друга числом формант и их распо­ложением в частотной области. Поскольку форманты значительно мощнее других составляющих, то они главным образом и воздейст­вуют на ухо слушающего, формируя звучание того или иного звука.

Разборчивость передаваемой речи зависит от того, какая часть формант доходит до уха слушающего без искажений и какая иска­зилась или по тем или иным причинам не была услышана. Пред­ставленный на рис. вид спектра соответствует произнесению гласных звуков, обладающих заметной периодичностью. Многие согласные звуки непериодичны, и их частотные спектры являются либо полностью сплошными, либо содержат в своем составе участ­ки сплошного спектра (штриховая линия на рис.).

Максимально в отдельных звуках замечено до шести усиленных частотных областей. Некоторые из них никакого значения для рас­познавания звуков не имеют, хотя и несут в себе довольно значи­тельную энергию. Спектральные исследования отдельных звуков русского языка отмечают наличие максимально четырех формант с условными максимумами на частотах 500 Гц (первая форманта), 1500 Гц (вторая форманта), 3500 Гц (третья форманта). Важными являются первые одна-две форманты (на оси частот) и исключение из передачи любой из них вызывает искажение передаваемого звука, превращая его в другой звук, либо вообще потерю им призна­ков человеческой речи. Первые три форманты звуков речи лежат в полосе частот от 300 до 3400 Гц, что и позволяет считать эту полосу частот вполне достаточной для обеспечения хорошей разборчивости передаваемой речи, сохранения естественности звуча­ния и тембра голоса, узнаваемости говорящего.

Следовательно, эффективно передаваемая полоса частот теле­фонного сигнала может быть принята равной = 0,3...3,4 кГц.

Исследования по определению минимальной, максимальной и средней мощностей телефонного сигнала с учетом характеристик микрофонов телефонных аппаратов, типов и характеристик абонент­ских и соединительных линий телефонных сетей, особенностей гово­рящих позволяют сделать следующие выводы:

· при средней активности источника телефонного сигнала = 0,25...0,35 минимальная мощность телефонного сигнала в точке нулевого относительного уровня равна = 0,1 мкВтО;

· средняя мощность телефонного сигнала в этой же точке на ин­тервалах активности источника равна = 88 мкВтО;

· максимальная мощность телефонного сигнала с вероятностью превышения = 10^-5 в точке нулевого относительного уровня равна = 2220 мкВтО.

Тогда динамический диапазон и пик-фактор будут равны соответственно

D_T = 43 дБ (в практических расчетах принимают D_T = 40 дБ)

= 14 дБ, что и берется при расчетах.

Для оценки количества информации, содержащейся в телефон­ном сигнале, подставим в соответствующее выражение величины

= 0,33, = 3400 - 300 = 3100 Гц, = 88 мкВтО и мощность помехи =0,1 мкВтО,

получим I_Т = 10 000 бит/с.