Лабораторная работа N1

Источники аналогового сигнала.

Цель работы:

Изучение характеристик (качество речи, разборчивость, свойства человеческого восприятия звука) акустического сигнала и оконечным приборам для приема и передачи этого сигнала — различным типам микрофонов и телефонов.

Содержание отчета.

Отчет должен содержать следующую информацию:

1.Классы качества и разборчивость речи.

2.Схема включения микрофона.

Термин "телефонный аппарат" привычен для нашего слуха, но в настоящее время имеется целый ряд устройств, выполняющих на потребительском уровне те же функции и носящих другие названия. Например, специальные звуковые колонки и микрофон при передаче речи через компьютер, операторский комплект "гарнитура", состоящий из наушников и микрофона, и т. п. Ниже будем рассматривать "классический" телефонный аппарат, а потом обратим внимание на особенности других устройств.

Нам с раннего возраста известно, что телефонный аппарат предназначен для преобразования акустической энергии речи в электрический сигнал и обратного преобразования. Общепринятые требования к телефонному аппарату обычно формулируются так: "Желательно, чтобы было хорошо слышно и можно было узнать, с кем говоришь". Попробуем определить эти требования более подробно:

Рассмотрим, по каким потребительским свойствам формально оценивается телефонный аппарат [1.3].

Государственный стандарт [1.10] определяет следующие измеряемые параметры речи:

• слоговая разборчивость речи;

• фразовая разборчивость;

• качество речи.

Слоговая, фразовая разборчивость и качество речи

Эти показатели относятся не только к телефонному аппарату, но и ко всей системе, передающей речь.

Слоговая (фразовая) разборчивость определяется как отношение числа правильно принятых по испытуемому тракту слогов (фраз) к общему числу переданных и выражается в процентах. Иногда применяют название, объединяющее оба вида разборчивости, — смысловая разборчивость.

Качество речи — это параметр, характеризующий субъективную оценку звучания речи в системе.

Иными словами:

Качество речи — общее впечатление слушателя от воспринимаемой речи.

Эти показатели речи характеризуются следующей таблицей (таблица 1.1).

Таблица 1.1. Классы качества и нормы разборчивости
класс качества по разборчивости	характеристика класса качества речи	Пределы нормы разборчивости в %
Высший	Понимание передаваемой речи без малейшего напряжения внимания	>93
I	Понимание передаваемой речи без затруднений	86-93
II	Понимание передаваемой речи с некоторым напряжением внимания, без переспросов и повторений	76-85
III	Понимание передаваемой речи с некоторым напряжением внимания, редкими переспросами и повторениями	61-75
IV	Понимание передаваемой речи с большим напряжением внимания, частыми переспросами и повторениями	45-60

Заметим, что в таблице 1.1 нормы указаны только для того, чтобы представить порядок величин. В реальной сети этот показатель нормируется в зависимости от применяемой аппаратуры. Например, при применении низкоскоростных способов кодирования (вокодерных, см. далее), он может быть значительно понижен [1.6].

При оценке качества речи большую роль также играют такие субъективные показатели, как узнаваемость речи, т.е. возможность слушателя по звучанию голоса определять конкретного человека, известного ему ранее.

При оценке принимаемой речи большую роль играет затухание телефонного тракта и уровень местного шума (шум внутри помещения). Например, телефонный аппарат должен обеспечивать слоговую разборчивость 80% при включении его в телефонный тракт с двумя абонентскими линями, при затухании каждой абонентской линии 4,5 дБ и затухании соединительной линии 22,5 дБ, при уровне шума в помещении приема 60 дБ.

(О затухании линий и способах его измерения будет сказано в дальнейшем; см. также [1.2].)

Показатели, характеризующие речь, конечно, являются субъективными и зависят от многих причин, в том числе от технических средств.

"Человеческая" составляющая разборчивости:

— слуховой аппарат принимающей стороны и тембр голоса передающей стороны.

Техническая составляющая:

— громкость воспроизведения.

Разборчивость речи, естественно, может оцениваться только статистически и по сравнению с некими эталонными условиями.

Например, проводятся испытания с группой абонентов. Группа состоит из 10-12 человек (мужчин и женщин). Они разделяются на две подгруппы: дикторы (не менее 5 человек), а остальные — слушатели (аудиторы). Дикторы произносят контрольную фразу. Сами контрольные фразы утверждены [1.8]. Каждая контрольная фраза произносится диктором два раза: один раз через оцениваемый тракт, затем — через эталонный тракт. Схема установки для испытаний показана на рис. 1.1. Порядок чередования трактов случайный, например: Э-И; И-Э; Э-И… (Эталонный — Испытуемый, Испытуемый — Эталонный, …).

Испытательная установка, показанная на рис. 1.1, содержит [1.5]:

• телефонный аппарат (ТА);

• переключатель (П);

• искусственные абонентскую и соединительную линии (ИАЛ, ИСЛ), имитирующие параметры реальных линий — прямое сопротивление, сопротивление между проводами (сопротивление утечки), емкость линии. Иногда в эти линии вводят генераторы, имитирующие помехи. Помехи будут рассмотрены в дальнейших главах.

Рис. 1.1.  Схема установки для испытаний

Аудиторы отмечают в своих таблицах оценки разборчивости в двух колонках: одна колонка — для первого произнесения фразы, вторая — при втором. После чего таблицы анализируются и вычисляются "предпочтения" ( ).

Для оценки результатов методом сравнения пользуются заранее заданными нормами. Например, при разности чисел предпочтения менее 15% тракты считаются одинаковыми и испытуемый канал по показателю речи равен эталонному. Поэтому он пригоден для использования в телефонной цепи.

где — сумма предпочтений фраз, принятых по эталонной модели;

— сумма предпочтений фраз, принятых по испытуемой линии;

— число всех единичных измерений.

Для более тонкой оценки по нескольким объективным параметрам применяют пятибалльную систему оценки аудиторами качества речи.

Пример рекомендаций по пятибалльной оценке приведен в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Соответствие между качеством речи и оценкой в баллах
характеристика качества речи	Баллы
Естественность звучания речи. Высокая узнаваемость. Полное отсутствие помех и искажений	4,6-5,0
Естественность звучания речи. Высокая узнаваемость. Отдельные малозаметные искажения или помехи	4,0-4,5
Естественность звучания речи. Высокая узнаваемость. Слабое постоянное присутствие отдельных видов искажений и помех	3,5-3,9
Незначительное нарушение естественности и узнаваемости. Заметное присутствие отдельных видов искажений или помех	3.0 -3.4
Заметное нарушение естественности и ухудшение узнаваемости, присутствие нескольких видов искажений (картавость, гнусавость и др.) или помех	2.5 - 2,9
Существенное искажение естественности и ухудшение узнаваемости, присутствие нескольких видов искажений (картавость, гнусавость и др.) или помех	1,7 - 2,4
Сильные искажения типа: картавость, гнусавость и др. "Механический голос". Наблюдается потеря естественности и узнаваемости	<1,7

При оценке результатов измерений вычисляется средний балл по формуле

где — результат оценки единичного измерения, — число единичных измерений.

Особенно ухудшение узнаваемости может наблюдаться в системах, использующих особенности речевого аппарата человека, передачи по линии и воспроизведение звуков человеческого голоса (см. [1.2]). Они будут рассмотрены в дальнейших разделах.

Испытания могут проводиться в нескольких режимах.

Нормальный темп речи — произнесение речи со скоростью, при которой средняя длительность контрольной фразы равна 2,4 с.

Ускоренный темп речи — произнесение речи со скоростью, при которой средняя длительность контрольной фразы равна 1,5—1,6 с.

Возможны два варианта оценки качества речи: по критерию "лучше/хуже" либо в баллах по пятибалльной шкале. Ниже приводятся рекомендуемая градация интегральной оценки качества речи, прошедшей через тракт (таблица 1.3), градации качества речи по смысловой разборчивости (таблица 1.4) и градации по узнаваемости (таблица 1.5).

Таблица 1.3. Градации интегральной оценки качества речи, прошедшей через тракт
Балл	Оценка качества	характеристика оцениваемого тракта
5	Отлично	В речи, прошедшей через оцениваемый тракт, незаметны какие-либо дополнительные искажения или помехи по сравнению с речью, прошедшей через эталонный тракт
4	Хорошо	Отличие речи на входе оцениваемого тракта от речи на выходе эталонного тракта не воспринимается как ухудшение, а наличие незначительных искажений и помех не создает затруднений при разговоре
3	Удовлетворительно	В речи на выходе оцениваемого тракта, по сравнению с эталонным трактом, имеются заметные искажения или помехи, несколько затрудняющие ведение разговора и требующие напряженного внимания
2	Неудовлетворительно	Искажения и помехи — сильные. Ощущается чувство утомления и раздражения. Разговор возможен лишь при сильном напряжении внимания и при условии привыкания к звучанию передаваемой оцениваемым трактом речи
1	Плохо	Разговор практически невозможен из-за сильных искажений или помех
Таблица 1.4. Градации качества речи по узнаваемости
Балл	Оценка качества	характеристика оцениваемого тракта
5	Отлично	Голос говорящего узнается без затруднений сразу после начала разговора
4	Хорошо	Голос говорящего узнается без затруднений через некоторое время после начала разговора и при повторных разговорах с данным лицом по оцениваемому тракту. После привыкания к звучанию голоса этого лица по оцениваемому тракту узнавание голоса говорящего не вызывает затруднений
3	Удовлетворительно	Голос говорящего узнается с трудом, больше по манере говорить, чем по звучанию. Голоса разных лиц различаются с трудом
2	Неудовлетворительно	Узнаются только голоса лиц с особо характерной манерой говорить. Тембр звучания речи усредненный не несущий индивидуальных особенностей
1	Плохо	Узнаваемость отсутствует

Таблица 1.5. Градации качества речи по смысловой разборчивости (наличию переспросов, неверно понятых фраз)
Балл	Оценка качества	характеристика оцениваемого тракта
5	Отлично	Понимание содержания речи корреспондента; полное без переспросов (за исключением всплеска шумов в телефонной сети) для любого голоса, в т.ч. для голосов с некоторыми дефектами произношения
4	Хорошо	Понимание речи полное, но возможны переспросы необычных слов, а также фамилий и терминов
3	Удовлетворительно	При разговоре необходимы переспросы отдельных слов и фраз, но в целом ошибочного восприятия принимаемой речи не происходит
2	Неудовлетворительно	Отдельные слова во фразах не понимаются даже после их повторения при переспросе, и их значение приходится объяснять целыми фразами. Разговор приходится вести в замедленном темпе
1	Плохо	Смысл передаваемой информации понимается с трудом, выпадают отдельные фразы

В настоящее время, при появлении цифровых методов преобразования и передачи речи с помощью Internet, процесс определения параметров качества речи желательно автоматизировать. Субъективные оценки с помощью человека требуют большого числа испытаний, поскольку их результаты зависят от множества принципиально случайных факторов (настроения участников, состояния здоровья, времени рабочего дня и т. п.). Для уменьшения влияния этих факторов создаются объективные методы испытаний, основанные на инструментальных средствах. В настоящее время определены несколько модификаций стандартизированных методов измерения качества восприятия речи [1.34, 1.38, 1.39]:

• PSQM (Perceptual Speech Quality Measure) — измерение качества восприятия речи — экспериментальная версия, предназначенная для оценки качества передачи речи в системе сотовой связи GSM [1.38];

• PESQ — Perceptual Evaluating of Speech Quality — оценка качества восприятия речи [1.39].

На исходящих пунктах в системы автоматизации устанавливаются устройства, производящие следующие действия:

1. автоматическое установление соединения;

2. передачу проверочной последовательности;

3. прием этой последовательности после прохождения по сети на звуковую карту;

4. сравнение между собой переданной и принятой последовательностей.

Подобные устройства будут рассмотрены в дальнейшем в разделе, посвященном автоматическим устройствам поддержки эксплуатации (например, автоабонентам).

Акустические свойства человеческого уха

Требования к потребительским характеристикам телефонного аппарата определяются в первую очередь свойствами человеческого уха.

Главные факторы, влияющие на слышимость, — мощность звукового давления и частота колебаний звука.

На рис. 1.2 показана так называемая "диаграмма слуха" [1.1] .

Рис. 1.2.  Диаграмма слуха

Здесь показаны области частот и звуковых давлений. Звуковое давление, обозначенное , измеряется в Паскалях (Па). С правой стороны диаграммы дана удельная мощность в Вт/м2, обозначаемая Вт/м2, а в средней части диаграммы показана относительная безразмерная величина — интенсивность, обозначаемая .

Интенсивность пропорциональна квадрату звукового давления.

величина определяется формулой

В определении принято использовать стандартный порог слышимости

или , определяемую формулой

В этом определении в децибелах; это есть безразмерная величина, но название указывает на другой принцип ее определения.

Области показывают звуки, которые воспринимает человеческое ухо. Верхняя кривая показывает порог болевого ощущения, когда волна перестает восприниматься как звук, вызывая в ухе давление и боли. Нижняя кривая показывает порог слышимости. На ней можно увидеть, что в области 1000 Гц звуки воспринимаются в наибольшем диапазоне от наименьшей интенсивности (удельной мощности, звукового давления) до максимального значения. Звук на этой частоте воспринимается при изменении интенсивности от 0 дБ до 140 дБ.

Промежуточные кривые показывают точки субъективного показателя — громкости звука, оценка которого дается человеком (в понятиях "громче", "еще громче", "тише", "еще тише"). Единица измерения громкости называется "фон".

При частоте 1000 Гц этот субъективный показатель совпадает с объективными показателями:

Например, при Па (или, что одно и то же, ). Эти показатели совпадают и равны

На уровне порога слышимости (на рисунке 1.2 нижняя кривая) для того чтобы получить одинаково различимый уровень громкости на частоте 16 Гц требуется Па ( ), а на частоте 1000 Гц Па ( ).

При высоких значениях звукового давления (на рисунке 1.2 верхние кривые) звук на этих же частотах, отклоняющихся от 1000 Гц, воспринимается громче и раньше наступает болевой порог, чем на частоте 1000 Гц.

Например, на частотах 62,5 Гц и 8000 Гц болевой порог наступает при звуковом давлении Па, а на частоте 1000 Гц — при Па.

Есть области звукового давления, где величины громкости и объективные показатели совпадают на больших участках диаграммы. Но, несмотря на это, эффект неравномерной слышимости на различных частотах необходимо учитывать при передаче и приеме речи.

Микрофон

Микрофон предназначен для преобразования акустической энергии звука в электрическую энергию. Основной принцип действия микрофона состоит в том, что в электрическую цепь включается прибор, изменяющий свои параметры (обычно сопротивление, иногда — емкость) под давлением звуковой энергии [1.24]. Микрофоны классифицируются по признаку преобразования акустических колебаний в электрические и подразделяются на:

• угольные;

• электростатические (конденсаторные и электретные);

• пьезоэлектрические.

В качестве основы для преобразования звука в электрический сигнал в микрофоне применялся также кварц и даже световые преобразователи.

Микрофоны характеризуются следующими параметрами [1.9].

Чувствительность микрофона ( ) — это отношение ЭДС ( ), развиваемой на выходе микрофона, к воздействующему на него звуковому давлению ( ) (SPL — Sound Pressure Level) при заданной его величине и частоте (как правило, 1000 Гц), и выраженное в милливольтах на Паскаль (мВ/Па):

Величина звукового давления, развиваемая в специальной камере при измерении чувствительности, обычно равна либо 94 дБ (около 2 Па) или 74 дБ (около 0,2 Па) (см. рис.1.2). Например, на расстоянии около метра уровень нормальной речи составляет 60 дБ SPL, уровень 74 дБ SPL — типичная интенсивность звука на расстоянии 30 см от говорящего, 94 дБ SPL — типичная интенсивность звука в 2-3 см от него же.

Уровень чувствительности — эта величина чувствительности, выраженная в относительных единицах (дБ). Уровень определяется относительно 1 В.

Номинальный диапазон рабочих частот — диапазон частот, в котором микрофон воспринимает акустические колебания и в котором нормируются его параметры.

Неравномерность частотной характеристики — разность между максимальным и минимальным уровнями чувствительности микрофона в номинальном диапазоне частот.

Характеристика направленности — зависимость чувствительности микрофона (в свободном пространстве, на определенной частоте) от угла между осью микрофона и направлением на источник звука.

Уровень собственного шума микрофона — это выраженное в децибелах отношение эффективного значения напряжения шума к напряжению, развиваемому микрофоном, при воздействии на него полезного сигнала с эффективным давлением 0,1 Па.

Напряжение шума обусловлено флуктуациями давления в окружающей среде и тепловыми шумами в электрической части микрофона. Согласно задаваемым нормам, напряжение собственного шума должно быть не более . Индекс указывает на то, что необходимо учитывать те особенности восприятия звука человеком, которые были рассмотрены в разделе 1.2.

Рассмотрим вначале принцип построения угольного микрофона.