Разработка анализатора спектра речи

Обо всех этих аспектах спектрального анализа и пойдет речь в данной главе. Прежде всего мы рассмотрим дискретное преобразование Фурье (ДПФ) - разновидность преобразования Фурье, специально предназначенную для работы с дискретными сигналами. Далее обсудим идеи, лежащие в основе алгоритмов быстрого преобразования Фурье, позволяющих значительно ускорить вычисления.

Дискретное преобразование Фурье, по возможности вычисляемое быстрыми мето­дами, лежит в основе различных технологий спектрального анализа, предназначенных для исследования случайных процессов. Дело в том, что если анализи­руемый сигнал представляет собой случайный процесс, то простое вычисление его ДПФ обычно не представляет большого интереса, так как в результате полу­чается лишь спектр единственной реализации процесса. Поэтому для спектраль­ного анализа случайных сигналов необходимо использовать усреднение спектра. Такие методы, в которых используется только информация, извлеченная из са­мого входного сигнала, называются непараметрическими (попрагате1пс). Другой класс методов предполагает наличие некоторой статистической модели случайного сигнала. Процесс спектрального анализа в данном случае включая себя определение параметров этой модели, и потому такие методы называются параметрическими. Используется также термин «модельный спек­тральный анализ*.

Рис, 2.2. формантный рисунок вокализованных звуков: А2-А3 — амплитуды формант; F1-Гз — частоты формант; ∆F1 — ширина первой форманты

В„. дБ

Рис. 2.3. Формантный рисунок невокализованных звуков; А1 - А5 - амплитуды формант; F1-F5 — частоты формант.

Дискретное преобразование Фурье

В разделе «Спектр дискретного сигнала» главы 3 мы проанализировали явле­ния, происходящие со спектром при дискретизации сигнала. Рассмотрим теперь, что представляет собой спектр дискретного периодического сигнала. Итак, пусть последовательность отсчетов {x(k)} является периодической с перио­дом N:

x(k+ N) = x(k) для любого k.

Такая последовательность полностью описывается конечным набором чисел, в ка­честве которого можно взять произвольный фрагмент длиной N. например {х(к),

k - 0, 1……. N - 1}. Поставленный в соответствие этой последовательности сигнал

из смещенных по времени дельта-функции:

(1)

также, разумеется, будет периодическим с минимальным периодом ЛТ. Так как сигнал (5.1) является дискретным, его спектр должен быть периоди­ческим с периодом 2л/7'. Так как этот сигнал является также и периодическим, его спектр должен быть дискретным с расстоянием между гармониками, рав­ным 2л/(МГ).

Итак, периодический дискретный сигнал имеет периодический дискретный спектр, который также описывается конечным набором из N чисел (один период спектра содержит 2πT/2πNT = N гармоник).

Рассмотрим процедуру вычисления спектра периодического дискретного сигна­ла. Так как сигнал периодический, будем раскладывать его в ряд Фурье. Коэф­фициенты f(л) этого ряда, согласно общей формуле (1.9), равны

(2)

Это приводит к частичному или даже полному заглушению пере­даваемого звука, называемому маскировкой.

Можно сказать, что маскировка эквивалентна повышению порога слышимости. Количественно ее можно определить как разность:

М = β-βо,

где β - порог слышимости при воздействии помех; β0 - порог слы­шимости в тишине.

Разборчивость речи и ее мера

В последние годы широкое развитие получили цифровые сети ин­тегрального обслуживания, в которых все виды информации, в том чи­сле речь, передаются в цифровом виде. При реализации цифровых преобразований речевых сигналов возникают специфические искаже­ния, влияющие на качество речи. Одним из критериев качества речи является ее разборчивость.

Разборчивость — это объективная количественная величина, харак­теризующая способность тракта телефонной связи передать содержа­щуюся в речи смысловую информацию в данных конкретных условиях акустической среды. Эта величина является объективной в том смы­сле, что зависит от физических параметров тракта телефонной свя­зи, а также от среды, в которой ведется телефонный разговор, и не зависит от субъективных свойств конкретных, измеряющих разборчи­вость операторов.

Современная измерительная аппаратура давно срослась с цифровыми и процессорными средствами управления и обработки информации. Стрелочные указатели уже становятся нонсенсом даже в дешевых бытовых приборах. Аналитическое оборудование все чаще подключается к обычным ПК через специальные платы-адаптеры. Таким образом, используются интерфейсы и возможности программ приложений, которые можно модернизировать и наращивать без замены основных измерительных блоков, плюс вычислительная мощь настольного компьютера.

Кроме того, и расширение возможностей обычного компьютера возможно за счет разнообразных программно-аппаратных средств, — специальных плат расширения, содержащих измерительные АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь). И компьютер очень легко превращается в аналитический прибор, к примеру, — спектроанализатор, осциллограф, частотомер… , как и во многое другое. Подобные средства для модернизации компьютеров выпускаются многими фирмами. Однако цена и узконаправленная специфика не делают это оборудование распространенным в наших условиях.

Но зачем далеко ходить? Оказывается, простой ПК в своей конструкции уже содержит средства, которые с некоторыми ограничениями способны превратить его в тот же осциллограф, спектроанализатор, частотомер или генератор импульсов. Согласитесь, уже немало. К тому же делаются все эти превращения только с помощью специальных программ, которые к тому же совершенно бесплатны и каждый желающий может их скачать в Интернете.

Можно задаться логичным вопросом — как же в измерениях можно обойтись без АЦП и ЦАП? Никак нельзя. Но ведь и то и другое присутствует почти в каждом компьютере, правда, называется по-другому — звуковая карта. А чем не АЦП/ЦАП, скажите, пожалуйста? Это уже давно поняли те, кто написал для нее массу программ, не имеющих никакого отношения к воспроизведению музыки. Ведь обычная звуковая плата ПК способна воспринимать и преобразовывать сигнал сложной формы в пределах звуковой частоты и амплитудой до 2В в цифровую форму со входа LINE-IN или же с микрофона. Возможно и обратное преобразование, — на выход LINE-OUT (Speakers). Таким образом, вы можете работать с любым сигналом до 20 кГц, а то и выше, в зависимости от звуковой платы. Максимальный предел уровня входного напряжения 0,5-2 В тоже не составляет проблемы, — примитивный делитель напряжения на резисторах собирается и калибруется за 15 минут. Вот на таких-то нехитрых принципах и строятся программное обеспечение: осциллографы, осциллоскопы, спектроанализаторы, частотомеры и, наконец, генераторы импульсов всевозможной формы. Такие программы эмулируют на экране компьютера работу привычных для нас приборов, естественно со своей спецификой и в пределах частотного диапазона вашей звуковой платы.

1	2	3	4	5	6	7	8	9