Предисловие
В первой части данной статьи было показано, как конкретные проблемы разведчиков-нелегалов, работающих на чужой территории или в тылу врага обусловили появление механизма сжатия цифрового кода.
Цифровым кодом в то время был обычный код Морзе, а сжатие информации по времени осуществлялось с помощью пары двухскоростных магнитофонов. Это позволяло в определённой мере не только защитить передаваемую информацию от прослушивания вражеской крнтрразведкой, но и снижало вероятность радиопеленгации радиопередатчика за счёт резкого сокращения времени нахождения в эфире.
Впоследствии этот механизм сжатия цифрового кода по времени и был положен в основу построения стандарта GSM современной сотовой связи.
Так что один из основополагающих принципов построения стандарта GSM был заложен ещё в годы второй мировой войны.
Другой основополагающий принцип, а именно сжатие речевого сигнала по спектру для увеличения количества радиоабонентов в заданном частотном диапазоне (решение проблемы тесноты в эфире) был взят из послевоенной разработки американских специалистов для КВ радиосвязи.
В послевоенное время (50е годы) у американцев возникли проблемы связи с самолётами дальней бомбардировочной авиации. Телеграфная связь их не устраивала, а для передачи речевой информации требовалась относительно широкая полоса радиоприёмника, что снижало чутьё последних и увеличивало уровень шумов.
Поэтому перед американскими инженерами военными была поставлена задача: в полосе частот приёмника телеграфных сигналов, а это примерно 300 -500 Гц передать речевой сигнал, имеющий полосу частот не менее 300 - 3400 Гц.
Надо сказать, что американские специалисты проявили, как всегда не стандартный подход к решению данной проблемы.
Зачем передавать весь речевой сигнал. Достаточно передать по каналу связи только те его фрагменты, по которым можно будет восстановить исходный речевой сигнал. Так в конце 50х годов был создан первый вокодер для систем КВ радиосвязи.
Следует отметить, что вокодерные технологии широко используются в настоящее время. Они используются не только в системах современной цифровой и сотовой радиосвязи, но и в системах шумоподавления, системах подавления акустической обратной связи, современных радиомикрофонах, особенно репортажных, в музыкальных синтезаторах и т. д. и т. п.
Возможно, когда нибудь у меня и дойдут руки для подробного освещения принципов работы этих устройств, ну а пока рассмотрим принцип работы простейшего вокодера именно тех годов, который и строился по сути на элементной базе того времени.
Однако для уяснения принципа работы частотного вокодера необходимо хотя бы поверхностное знакомство с речеобразующем аппаратом человека.
Механизм речеобразования
Избыточное давление в лёгких, создаваемое диафрагмой брюшного пресса поступает в гортань человека в виде воздушного потока и и далее в полость его рта.
В гортани размещены "клапаны", перекрывающие полностью или частично воздушный поток, регулируя как скорость его изменения (частоту), так и его объём (амплитуду). Они называются голосовыми связками.
Далее в полости рта этот воздушный поток с помощью языка, зубов и губ подвергается, в основном, дополнительной амплитудной модуляции.
Поскольку скорость размахивания языком, шлёпанья зубами и щёлканья зубами весьма не велика (балаболы не в счёт) то частота дополнительной амплитудной и частотной модуляции воздушного потока не превышает нескольких Гц.
Кроме того с помощью языка и зубов обеспечивается небольшая турбулентность в воздушном потоке для формирования шипящих звуков (Щ, Ш, звуков Х и др.).
Но вот что обнаружили американские учёные при исследовании процесса речеобразования.
Во первых. "Частота" воздушного потока, поступающего в полость рта достаточно низкая и варьируется в пределах от 80 - 100Гц до 400Гц.
Сам не проверял, верю американским учёным.
Певцы эту частоту маркируют по своему. Это бас или баритон, меццо- сопрано или дискант и т. д. Технари же называют эту частоту частотой основного тона.
Во вторых. Не смотря на "шумовой" характер осциллограммы звука на коротких интервалах времени звуковой сигнал имеет линейчатый, или дискретный спектр, причём его гармоники кратны частоте основного тона. Учитывая симметричность звукового сигнала эти гармоники являются нечётными.
Из полученной информации можно сделать очевидный вывод. Для передачи речевого сигнала по каналу связи достаточно передать частоту его основного тона и номера его гармоник, присутствующих в данный момент в его спектре.
Разумеется, что необходима и о наличии турбулентности в выдыхаемом воздушном потоке (наличие шумовой компоненты).
А теперь перейдём непосредственно к структурным схемам вокодера.
Структурная схема кодека вокодера.
Как следует из приведённой структурной схемы, сигнал с микрофона подаётся на фильтр выделения частоты основного тона 200- 400 Гц ( усреднённая частота основного тона для большинства людей находится в этих пределах) и на восемь полосовых фильтров для выделения его гармоник, вплоть до 17й, если таковые в данный момент времени присутствуют в речевом сигнале.
Если при создании вокодера заложить пределы изменения частоты основного тона от100 до 400 Гц, то необходимо просто увеличить число фильтров.
Наличие гармоник в том или ином фильтре фиксируется амплитудным детектором, причём в высококачественных вокодерах по каналу связи передаётся не только их наличие, но и уровень последних, который также меняется крайне медленно (единицы Гц.).
Если в речевом сигнале появляется шумовая компонента, то факт её наличия в полосе частот 300 - 3400 Гц фиксирует узел тон -шум. Принципы его построения практически не отличаются от принципа построения шумоподавителя УКВ радиоприёмника
Полученные сигналы суммируются в мультиплексе и подаются на узкополосный радиопередатчик.
Ещё раз отметим, что в передатчик отправляется "кусок" аналогового сигнала (частота основного тона) и 10 битовое слово, напр. 1010011011, где единичками фиксируется номер фильтра, в котором присутствует гармоника.
Скорость смены информационных сигналов (ноль- единичка) с фильтров и узла тон-шум, как уже упоминалось выше достаточно низка..
Для её передачи достаточно полосы всего лишь 0 - 200 Гц.
Таким образом суммарная полоса всего приёмо-передающего тракта может быть ограничена полосой 0 - 600 Гц.
Это не совсем полноценный вокодер, главным образом из за примитивизма выделения частоты основного тона. Поэтому профи его часто называют полувокодером, но зато он очень понятен при изложении принципов его работы. .
Современным "продвинутым" вокодерам (формантные, с предсказанием и т. д.) оказывается достаточно суммарной полосы радиотракта не более 200 - 300Гц.
Теоретически речевой сигнал высокой степени разборчивости можно "упаковать" в полосу 0 - 100 Гц
Ну а что же представляет из себя декодер вокодера.
Структурная схема декодера вокодера
Принятый сигнал с радиоприёмника поступает на фильтр выделения частоты основного тона. Последняя подвергается клиппированию для обеспечения работы восьми умножителей частоты.
Управляемые ключи по получаемой команде подключают к динамику те или иные гармоники речевого сигнала, или генератор шума, формируя таким образом речевой сигнал. Всё очень просто.
Хочу ещё раз повторить. О вокодерах можно писать очень много в силу широкого распространения последних не только в КВ радиосвязи или цифровой и сотовой связи, но и в современных музыкальных инструментах (синтезаторах), системах подавления акустической обратной связи в акустически не приспособленных помещениях, репортажных радиомикрофонах для фильтрации уличных помех и т. д. и т. п.
Мне бы хотелось бы написать статью о способах подавлении акустической обратной связи в системах с транспонированием спектра речевого сигнала при использовании вокодерных методов его обработки.
Хотелось бы рассказать и о высокоэффективном вокодерном усилителе звуковых сигналов. Многополосный УНЧ ничего не напоминает?
Но мне нужна ваша поддержка для возможности регистрации СЕГОДНЯ на дзене. Сейчас я в "песочнице" Поэтому только вашей подпиской и лайками определяется судьба моего возможного будущего канала.