Разработка анализатора спектра речи

	Загрузить архив:
	Файл: ref-24108.zip (3572kb [zip], Скачиваний: 190) скачать

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНРИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТЕ

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

                                                             КАФЕДРА ОРТЗИ

           КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ПРЕДМЕТУ: СЕТИ И СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

                                 Тема: Разработка анализатора спектра речи.

                                                                                                     Выполнил:   

                                                                                                    студент группы БИ-4-2

                                                                                                     Зыков Антон В.

                                                                                                     Проверил:

                                                                                                     Проф. Сурков Д.М.          

                                                                                                     

                                                                                                      ___________________

                                                                                                             (Дата, подпись)

                                                               Москва 2006                                                  

                                                                Содержание.

АНАЛИЗ СПЕКТРА СИГНАЛОВ

1 Общие сведения..................................................................................................

2 Измерение спектральной плотности импульсных напряжений………..

3 Спектр речи…………………………………………………………………….

4 Распределение формантных частот…………………………………………

   5Спектральный анализ…………………………………………………………

   6 Дискретное преобразование Фурье…………………………………………

7 Разборчивость речи……………………………………………………………

8 Разборчивость и ее мера………………………………………………………

   9 Блок-схема анализатора спектра…………………………………………….

10 Схема анализатора спектра мощности……………………………………..

   11 Чем анализировать спектр..............................................................................

   12 Литература.

                                           АНАЛИЗ СПЕКТРА СИГНАЛОВ

    

                                                     Общие сведения

  

    Основная задача экспериментального анализа спектра сигна­лов— определение амплитуд и частот его гармонических состав­ляющих. Кроме того, в системах связи анализ спектра сигнала необходим для выявления паразитной модуляции; при помощи па­норамных анализаторов спектра можно найти детерминированную помеху, наблюдать спектр многочастотных сигналов в групповых и линейных трактах систем уплотнения. Особенностью методов из­мерений спектра является необходимость определения большого числа гармонических составляющих, которое' при исследовании непериодических сигналов стремится к бесконечности. При этом ли­нейчатый спектр вырождается в сплошной.

Спектральная функция- сигнала f (t) определяется    известнымвыражением   

       

   В   реальных   условиях функция S(iω) измеряется в течение конечного времени Т, поэтому измеряемый спектр в общем случае является функцией не только частоты, но и времени измерения:

       

Функция S_T(iω) называется текущим спектром сигнала. Она имеет большое значение при разработке методики измерения, в частности для определения времени измерения.    

Текущий спектр S_T(iω)связан с функцией спектральной плот­ности мощности G(ω) следующимсоотношением:

   Для конечного интервала времени измерения Т получим так называемый    статистический    или    энергетический    спектр   

                                                     Gт (ω) = |S_T(iω) |²/π*T:

                  Измерение спектральной плотности импульсных напряжений

• Спектральная плотность импульсных   напряжений    измеряется с помощью анализаторов гармоник и спектра. Анализаторы гармоник предназначаются для измерения амплитуд и частот отдельных гармонических составляющих периодических несинусоидальных сигналов, когда спектр исследуемого сигнала имеет линейчатый харак­тер и. относительный интервал между соседними    составляющими .достаточно велик по сравнению с полосой расфильтровки. В зависимости от способа выделения гармоник различают    анализаторы 'гармоник с резонансными и избирательными контурами  игетеродинпые. Наиболее широкое распространениеполучилигетеродин­ные анализаторы, принцип работы которых аналогиченпринципу работы селективных вольтметров или избирательных измерителей уровня. Гетеродинные анализаторы отличаютсятщательноотградуированной шкалой гетеродина,   обеспечивающей   заданную погрешность определения   частоты   измеряемой   гармонии,   обычно   -±(10^-6 ÷10^-3) ,и  высокой, избирательностью.

   Анализаторы спектра предназначаются для визуального наблю­дения спектра исследуемых сигналов. Эти приборы различаются поспособу проведения анализа — последовательного, одновременного и смешанного действия; по схемному решению —одноканальные и-многоканальные; по типу индикаторного устройства осциллографические и с самописцем; по диапазону частот — низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, широкодиапазонные} по способу предварительной обработки   исследуемых   сигналов — с непосредственным введением сигнала,    с    предварительной    за­писью сигнала на магнитной ленте, со сжатием сигнала во времени,

с накоплением сигнала по амплитуде, с использованием дисперси­онных линий задержки. Чаще других при измерениях пользуются анализаторами с последовательным и одновременным анализом.

   Анализаторы спектра с последовательным анализом.Анализаторы последовательного действия содержат или перестраивающийся фильтр (рис. 6.34а) или   перестраивающийся гетеродин (рис. 1.1б). В первом случае исследуемое напряжение через входное устройство поступает на перестраивающийся узкополосный фильтр, настройка которого изменяется, проходя после-

Рис. 1.1. Структурные схемы анализатора спектра последовательного дей­ствия: а) с перестраивающимся фильтром, б) с гетеродином

довательно весь исследуемый спектр частот. Выходное напряжение фильтра после детектирования фиксируется регистрирующим устройством, чаще всего самописцем. В качестве перестраивающихсяфильтров обычно применяются двойные Т-образные LС-мосты включенные в - цепь отрицательной обратной связи усилителя (рис. 1.2). Добротность такого фильтра определяется выражением Q= [(1+K)/2]Q_RC (Q_RC≈ 0,5 — добротность двойного Т-образного LС-моста; К — коэффициент усиления усилителя без отрицательной обратной связи).

    Относитель­ная ширина полосы пропускания фильтра 2∆f/f = 1/Q. ,

Рис. 1.2. Схема перестраивающе­гося фильтра          Рис. 1.2. К   определению  функции спектральной плотно

   Перестойка частоты f фильтра осуществляется плавным изменением ёмкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов. Часто. для этой цели используется двигатель, который одновременноперемещает ленту самописца. На выходе фильтра получаются составляющие спектра (f—∆f)÷(f+∆f), которые по мере изменения -резонансной частоты/ фильтра будут проходить рабочий диапазон измеряемого спектра (рис. 6.36). В результате детектирования в квадратичном детекторе выходное напряжение перестраивающе­гося фильтра преобразуется в видеоимпульс, напряжение которого пропорционально средней мощности Р∆ соответствующего участка спектра в полосе частот 2∆ƒ; усреднение производится в магнито-электрическом приборе самописца:

      

Если полоса 2∆ω достаточно узка, чтобы спектральную плотность мощности G_T(ω) можно было полагать в ней постоянной, справедливо равенство

          или          /.

   Значение 2∆ƒ определяется разрешающей  способностьюанализатора, равной минимальному расстоянию по оси частот между двумя составляющими спектра, при которой можно выделить от­дельные 'линии спектра и измерить с заданной погрешностью их

уровни.

   В СВЧ. диапазоне в качестве перестраивающихся фильтров используются высокодобротные резонаторы, обычно перестраиваемые вручную. Основным недостатком подобных приборов является срав­нительно низкая разрешающая способность из-за невысокой добротности фильтров.

    Анализаторы  сперестраивающимися     гетеродинами    (см. рис.1.1б) позволяют получить высокую разрешающую способность'

за счет применения высокодобротных резонаторов, обычно кварцевых фильтров, настроенных на постоянную промежуточную частоту /то, выбираемую достаточно низкой; поэтому применяется двойное и даже тройное преобразование частоты.

   Принцип работы подобных анализаторов нетрудно уяснить, рассматривая их обобщенную структурную схему (см. рис. 1.16).Пусть гетеродин имеет диапазон рабочих частот от tг.мин до tгмакс, резонатор и усилитель промежуточной частоты УПЧ настроены на частоту fпр и необходимо определить спектральную мощность входного сигнала на частотах гармонических составляющих           ƒ₁,ƒ_2,…..ƒ_v,….. ƒn.

     По мере перестройки частоты гетеродина -разность   между его текущей частотой/г<    и частотой v-й составляющей спектра в не­который момент окажется равной fпр±∆f; при этом получится следующее соотношение частот гетеродина и v-й гармоники:

                                                                   (1.4)

   После квадратичного детектора сигнал поступает на регистрирую­щее устройство, показания которого пропорциональны Р∆v •   В качестве примера анализатора с гетеродинным преобразова­нием 'рассмотрим   структурную схему панорамногоанализатора,(рис.1.4а).

Рис. 1.4. Структурные схемы анализаторов: а) последовательного действия с осциллографическим индикатором, б) одновременного дей­ствия

   Исследуемый периодический сигнал сложной формы поступает через входное устройство на смеситель, к которому подводится на­пряжение генератора качающейся частоты ГКЧ. Линейное измене­ние частоты во времени осуществляется модуляцией сигналов ГКЧ напряжением генератора развертки. Вследствие этого отклонение электронного луча по горизонтали пропорционально изменению частоты ГКЧ и горизонтальная ось масштабной сетки является осью частот. На выходе смесителя образуются напряжения комбинаци­онных частот. Составляющие спектра, частоты которых лежат в по­лосе пропускания усилителя промежуточной частоты fпр±∆f, усиливаются и после детектирования, и усиления подаются на верти­кально отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. Таким образом, отклонение луча в вертикальном направлении пропорционально мощности определенной узкой полосы спектра исследуемосигнала (f—∆f)+(ƒ+∆ƒ) и удовлетворяет неравенству, аналогичному (6.37):

                                                                                   (1.5).

где fгкч = fо+a*t — мгновенная частота   генератора качающейся частоты.

   

В некоторых анализаторах спектра применяются логарифмические усилители, которые дают возможность наблюдать составляющие спектра  с большим отношением амплитуд— 100:1 или 1000:1; В этих приборах обычно имеются переключатели для перевода из логарифмического режима усиления в линейный. В логарифмическом режиме проводится общая оценка спектра, а линейный режим используется длядетальногоанализа выбранного участка частот­ного 'спектра. В анализаторах спектра применяются трубки с по­слесвечением.

   Калибратор (рис.1.5) служит для создания частотных меток на экране. При включении калибратора на экране анализатора, кроме 'линий исследуемого   спектра,   появляются   линии   составляющих спектра, калибратора, частота которых известна. В результате   на " оси частот получают опорные точки известной частоты, что позво­ляет уточнить масштаб оси частот.

   Основным недостатком анализаторов последовательного действияявляется большая продолжительность анализа. Например, дляполучения nспектральных линий периодического напряжения минимальное время анализа должно быть равно nТ, где Т — период исследуемого напряжения. При непосредственном введении исследуемого напряжения эти приборы можно использовать для анализа спектра периодических, в том числе и редко повторяющихся, сигналов (радиоимпульсов или видеоимпульсов) когда время анализа особого значения не имеет.

   Спектры одиночных импульсов можно измерять анализатором последовательного действия при их 'предварительной неискажающей записи. В этом случае появляется возможность неоднократного повторения анализа,

   Выпускаемые промышленностью анализаторы последовательного  действия работают .в диапазоне от инфранизких до сверхвысо­ких частот. Порог чувствительности низкочастотных приборов находится в пределах 10^~4—10^-3 В, а сверхвысокочастотных—в пределах 10^-7-10^-12 Вт. Погрешность измерения по амплитуде составляет ± (5-10) %, по частоте —   ± (2-3) %.

   Анализаторы с одновременным анализом. Эти анализаторы позволяют осуществить одновременный анализ спект­ра исследуемого сигнала, т. е. их можно использовать для непо­средственного измерения спектров одиночных импульсов и стати­стических процессов. Исследуемый сигнал после входного устрой­ства (рис.6.376) одновременно подается на n резонаторов, каждый изкоторых выделяет узкую полосу частот. После детектирования

действующие значения составляющих через коммутирующее устрой­ство попадают на электроннолучевую трубку или самописец. Ана­лизаторы подобного типа предназначаются для работы в области низких частот, обычно не свыше 100кГц.

   Типы применяемых резонаторов зависят от частотного диапа­зона прибора. Для инфранизких и низких частот используются из­бирательные LС-цепи, для более высоких — LС-цепи или электро­механические фильтры. .Коммутаторы обеспечивают поочередное подключение детекторов к регистрирующему устройству. Если чис­ло каналов невелико, то коммутатор может отсутствовать. В этом случае число регистрирующих устройств должно быть равно числу каналов. Промышленностью выпускаются анализаторы с числом каналов от 8 до 80.

                                        

∆ƒ_p=qƒ_Ф                                                                                         (1.6)

где q — заданное число, определяемое допустимой погрешностью δ. Чем меньше полоса ∆ƒф, тем больше разрешающая способность прибора. На рис.1.6 поясняется различие между ∆ƒф и ∆ƒр при за­данной погрешности δ (для данного случая δ ~0,2); из рисунка видно, что чем меньше δ, тем больше q.

Рис. 1.6. Резонансные характеристики анализаторов; а) одновременного, б) последовательного действия; 1 ~ статическая, 2 — динамическая.

   В процессе проведения измерений необходимо учитывать переходные явления, которые приводят, к уменьшению разрешающей способности прибора. Степень этого уменьшения определяется параметрами анализатора и скоростью (временем) анализа.

   Динамическая разрешающая способность анализатора одновре­менного действия изменяется во времени примерно по экспонен­циальному закону. В момент включения (t=0) исследуемого сиг­нала на вход анализатора, состоящего из набора резонаторов с одинаковой добротностью и равноотстоящими резонансными частотами, выходное напряжение равно нулю. С течением времени динамические резонансные кривые приближаются к статическим, форми­руются седлообразные кривые (рис.6.38а), анализатор разделяет составляющие сигнала. Время, в течение которого характеристика анализатора приближается с заданной погрешностью к статической его характеристике, называют временем установления /у. Это время обратно пропорционально полосе пропускания ∆ƒф,

т. е.

                                                                             (1.7)

где В — коэффициент, зависящий от типа резонатора    и   близкий к единице.

    В анализаторах последовательного действия при измерении периодических сигналов переходные процессы возникают вследствие .непрерывного изменения возбуждающей резонатор частоты, опре­деляемой скоростью изменения частоты ∆ƒ генератора качающейся частоты; 

    На рис.1.6 6 показаны статическая / и динамическая 2 харак­теристики резонатора в виде зависимости квадрата коэффициента -передачи   резонатора /Сот   параметра   обобщенной   расстройки: х = 2(ω-ω₀)/dω₀, где ω_о — резонансная частота,  d — затухание резонатора, Искажения характеристик резонатора определяются следующими отношениями:S=8Vf/d²ω²₀ — смещение максимума; ∆С = 16тv²/dω² — уменьшение высоты максимума:

8v²_f-S₂—S₁=A(16v²_f/d²ω₀⁴) - приращение относительной ширины полосы пропускания, где А зависит от типа резонатора. Время анализа для анализаторов одновременного действия при­мерно равно времени установления резонаторов. Имея в виду уравнение (6.40), получим

                                                             (1.8)

Скорость анализа определяется отношением рабочего диапазона частот анализатора tр

(рис.6.38а) к времени анализа Tодн:

                                                                     (1.9)

Обозначим fp=k∆ƒ, где ∆ƒp—разрешающая способность резонатора; определяемая уравнением (6.39). После замены ∆ƒф = ∆ƒр/q получим
скорость одновременного анализа ν_одн(k/qB)∆ƒ²_p.

   Скорость последовательного анализа определяется уравнением v_посл = ∆fр/t_y или с учетом (6.39) и (6.40) v_посл = ∆ƒ_p²/qВ. Время анализа в этом случае будет равно

                                                                                (1.10)

     Из ур-ний (1.8) и (1.10) следует, что время последовательного анализа примерно в А раз больше времени, необходимого для одно­временного анализа.

Промежуточная частота выбирается так, чтобы при минималь­ной длительности исследуемого импульса т изображение спектра, получаемое по зеркальному каналу, не накладывалось на спектро­грамму основного канала (рис. 1.7). В большинстве случаев при исследовании спектра ограничиваются измерением основного и трех боковых лепестков спектра. Ширина основного лепестка прямо­угольного импульса равна 2 т, а боковых лепестков — 1/t. Таким об­разом, для устранения возможности перекрытия необходимо, чтобы fпр>4/t.

Рис. 1.7. Прямое и зеркальное изобра­жения спектра

  

    Диапазон качания частоты гетеродина определяется шириной исследуемого спектра. Для измерения основного и трех боковых ле­пестков диапазон качания должен быть равен (рис.6.39) fг.макс — fг.мин≥8t. Частота развертки определяет число циклов качания частоты гетеродина в секунду. Минимальный период развертки ха­рактеризуется временем последовательного анализа Тпосл. При анализе спектра периодических импульсных сигналов период развертки Тр связан с-периодом следования сигналов Тс соотношением

T_Tр = тТ ≥ Тпосл, где т — число линий спектра, наблюдаемых па экране трубки.

                                                    Спектр речи

Речевой сигнал с точки зрения его интенсивности есть величина переменная во времени. Однако средние значения уровня интенсивно­сти за достаточно длительное время наблюдения довольно устойчивы, хотя и разные в различных частотных полосах.

Интенсивность звука (I, Вт/м')— количество энергии, переноси­мой через площадку 1 м². расположенную перпендикулярно направле­нию распространения звуковой волны за 1 с.

Звуковое давление (Р, Па) — давление звукового поля в данной точке среды, являющееся избыточным по отношению к атмосферно­му давлению:

Pmin — 2 - 10^~5 Па — едва слышимый звук;

Рmax = 20 Па — максимально громкий звук;

Рср = 1,5 Па — среднее значение звука для естественной речи.

Для характеристики интенсивности речи обычно пользуются поня­тием спектрального уровня речи, который определяется выражением

Вр = 1016(/1//о),

где /1— интенсивность, отнесенная к полосе частот шириной 1 Гц; /о = 10~12 Вт/м2 — интенсивность, соответствующая абсолютному ну­левому уровню.

Так как I₁/Iо=(P₁/Р₀)2,то

В_Р = 20lg(P₁/Р₂),

где Р₁ — звуковое давление, отнесенное к полосе шириной 1 Гц, Па; р_о - звуковое давление, соответствующее абсолютно нулевому уров­ню (2 - 1СГ5 Па).

Спектр речи — зависимость среднего в течение длительного време­ни наблюдения спектрального уровня речи от частоты; В_р(f). Спектр Русской речи, усредненный для мужских и женских голосов, представлен на рис. 2.1. Как следует из рис.2.1, основная энергия в спектра речи сосредоточена в области низких частот.

70   100   150200       400 600    1000       2000     4000 5000Гц

      Рис.2.1Спектр русской речи.

      Если рассматривать раздельно спектры мужских и женских голосов, то в спектре мужских максимум незначительно сместится в область низких частот, в спектре женских — в область высоких частот.

                                        

                          Распределение формантных частот

Каждому звуку речи соответствует свое распределение энергии по частотному диапазону, называемое формантным рисунком.

Области частотного диапазона, где происходит увеличение ампли­туд спектральных составляющих, называются форматными областями, а частоты, на которых происходит максимальное увеличение амплиту­ды, — формантными частотами.

Спектральный состав звуков речи различен. Например, для глас­ных и звонких согласных (вокализованных звуков речи) энергетический спектр (формантный рисунок) имеет вид, представленный на рис. 2.2, для невокализованных звуков — на рис. 2.3

Форманта характеризуется амплитудой Аi, частотой Р± и шириной полосы ∆F, или добротностью Qi. Ширина i-й форманты ∆Fi; определяется на уровне 0,707Ai- и связана для гласных звуков с добротно­стью соотношением ∆Fi= Fi/Qi.

Различные звуки имеют разное число формант: гласные — до че­тырех формант, глухие согласные до 5-6 формант.

Первые две форманты называются основными, остальные — вспо­могательными. Основные форманты определяют произносимый звук речи, а вспомогательные характеризуют индивидуальную для каждого

Вр, дБ А

0.707A₃,

                                            Спектральный анализ

При дискретизации аналогового сигнала его спектр становится периодическим с периодом повторения, равным частоте дискретиза­ции. Однако одного только этого соотношения оказывается недостаточно для ре­шения всех практических задач спектрального анализа. Во-первых, в качестве исходных данных выступает именно последовательность дискретных отсчетов, а не аналоговый сигнал. Во-вторых, в большинстве случаев анализируемые сиг­налы являются случайными процессами, что требует выполнения какого-либо усреднения при расчете их спектров. Кроме того, в ряде случаев нам известна некоторая дополнительная информация об анализируемом сигнале, и эту инфор­мацию желательно учесть в спектральном анализе.

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 слы­шимостив 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.

Как это работает? Для пользователя все выглядит очень просто. Запускаем программу, в большинстве случаев такое ПО не нужно даже инсталлировать. На экране монитора появляется изображение осциллографа: с характерным для этих приборов экраном с координатной сеткой, тут же и панель управления с кнопками, движками и регуляторами, тоже часто копирующими вид и форму таковых с настоящих — аппаратных осциллографов. Кроме того, в программных осциллографах могут присутствовать дополнительные возможности, как, например, возможность сохранения исследуемого спектра в памяти, плавное и автоматическое масштабирование изображения сигнала и т.д. Но, конечно же, есть и свои недостатки.

Насчет программных спектроанализаторов стоит оговорится отдельно. Об амплитуде сигналов в спектре здесь мы можем судить лишь относительно, ведь звуковые платы, ввиду своей специфики, не имеют средств определения абсолютной величины амплитуды поступающего на них сигнала. Программы же, использующие уже оцифрованный сигнал со звуковой карты, тем более не в состоянии определить его действительный уровень. Но на практике от них этого и не требуется, обычно уровень сигнала спектра наглядно изображается на шкале в относительных единицах.

Spectrogram v5.0.5 — представитель программ-спектроанализаторов с удобным интерфейсом и довольно-таки продвинутыми возможностями. Анализ сигнала возможен как из файла, так и по входу звуковой карты. Последнее, в принципе, нас больше всего и интересует. В анализаторе предусмотрены гибкие возможности для настройки.

Способ восприятия сигнала устанавливается из меню File, Scan Input — сигнал сканируется со входа звуковой платы (или нажатием клавиши F3). Шкала частот может быть представлена как в линейном, так и в логарифмическом виде. Возможно включение одного либо двух каналов звуковой платы. Окно программы организовано просто и удобно (рис.8). По экрану с помощью мышки двигается курсор, в виде крестового прицела, достаточно навести его на интересующую точку, и внизу в окошке вы получите числовые значения относительной амплитуды (Дб) и частоты в выбранной точке. Таким образом, программу можно использовать и в качестве частотомера для сигнала фиксированной частоты, который будет виден на экране как единый (за исключением гармоник), самый высокий пик.

                         

                                                                  Рис. 8.

Перед началом каждого сеанса работы необходимо задать установки на панели настроек, она-то и будет каждый раз появляться при последующих нажатиях клавиши F3 (рис.9). Панель настроек организована довольно удобно, состоит из четырех основных разделов. Для начала необходимо задать способ отображения на экране сканируемого сигнала, в разделе Display Characteristic, в установках Display Type для нас лучше всего подойдет Line или Bar, график будет отображен линией либо в виде гистограммы соответственно. При этом по горизонтали расположена ось частот, и ось амплитуд по вертикали, как и положено.

                                                                    Рис. 9.

На интервал значений на оси частот влияют установки сразу из двух разделов панели настроек. В Sample Characteristic Sample Rate задается предел величины дискретизации, до 44кГц. Однако на реальный масштаб на экране еще сильно влияют и установки из раздела Frequency Analysis. Здесь следует обратить внимание на установки значений FFT Size. Значения FFT задают степень дискретизации в преобразованиях Фурье, используемых при программной обработке спектрограммы. Чем выше FFT, тем выше точность и разрешающая способность спектрограммы, однако требуется больше времени для расчета и сужается отображаемый интервал значений на оси частот. Так при установках Sample Rate на 5,5 кГц, а FFT Size в значение 16384, мы получим наименьший частотный диапазон (от 0 до 86 Гц) при наибольшем разрешении. Для использования же максимального размаха частот придется установить значения параметров в противоположные крайние значения: 44кГц, 512 — FFT, при этом мы получим интервал 0-22050 Гц. Интервал по оси частот может так же смещаться с помощью движка Band, таким образом, чтобы измерения проводились не от нуля, а от какого-либо более высокого значения, что тут же отображается в окошках справа от регулятора.

В этой программе-спектроанализаторе регулируется многое, вплоть до цветовой гаммы представления сигналов. Есть подробный Help, естественно на английском языке. Программа оставляет очень хорошее впечатление, если бы не ограниченный звуковой платой узкий диапазон измерений…

            СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СБОРЩИКОВ -               

            СПЕКТРОАНАЛИЗАТОРОВ ФИРМ-ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ

        При проведении диагностирования вращающегося оборудования по параметрам вибрации, прежде всего, необходимо получать достоверные измерения виброакустических сигналов в контрольных точках. Для этого нужно помимо соблюдения правил установки датчиков использовать приборы-спектроанализаторы, которые отвечают определенным требованиям.

В настоящее время, ряд российских фирм разрабатывают и производят оборудование, предназначенное для измерения характеристик виброакустических сигналов. Имея общее назначение, эти приборы значительно отличаются между собой по предоставляемым возможностям и удобству в эксплуатации. Поэтому, перед тем как остановить выбор на том или ином устройстве, необходимо предварительно провести их сравнительный анализ и оценить в какой мере удовлетворяют они уровню задач, предъявляемых виброакустической диагностикой. К необходимым возможностям, которыми должны обладать приборы, анализирующие вибрацию, относятся:

-проведение анализа временных характеристик сигналов и анализа временной развертки сигналов (режим осциллографа);

-проведение спектрального анализа вибрации, т.е. осуществление разделения вибрации на частотные составляющие в широком диапазоне частот (от долей Герца до 20 кГц), с возможностью выбора различных частотных поддиапазонов;    

-проведение спектрального анализа огибающих высокочастотных сигналов вибрации, с возможность перестройки средней частоты полосового фильтра и выбором различных пределов частотного диапазона;

-обеспечение достаточной разрешающей способности, до 1600 линий/спектр;

-обеспечение усреднений по спектральным характеристикам;

-оценка выбросов в сигнале вибрации, т. е. определение пик-фактора (отношение

пикового и среднеквадратичного значений);

-определение общего уровня вибрации в полосе частот, требуемой стандартами

вибрационного контроля;

-проведение измерений по маршруту;

-возможность передачи накопленных измерений в компьютер для их дальнейшей обработки.

Все приборы являются сложными программно-аппаратными комплексами, созданными на базе микропроцессорных модулей. Использование микропроцессоров, позволило (при сравнительно небольших размерах) реализоватьв устройствах широкий спектр измерительных и вычислительных возможностей, проводить различные виды анализа сигналов вибрации, а также рассчитывать дополнительные параметры виброакустических характеристик (СКЗ, пик-фактор и т.д.).

Тем не менее, только часть из перечисленных сборщиков-спектроанализаторов

отвечает всем основным требованиям, предъявляемым при проведении вибродиагностики. Другие устройства обладают необходимыми возможностями лишь частично. .

    Например, анализатор "Диана-2" - компактный, удобный в использовании прибор позволяет синхронно регистрировать вибросигналы по двум каналам, и по третьему каналу одновременно может проводиться регистрация сигнала с отметчика фазы. Но, при этом, максимальное частотное разрешение по спектрам составляет 800 линий. Такого разрешения оказывается не достаточно при определении ряда дефектов электромагнитной системы электрических машин. "Диана-2", не измеряет спектры огибающих. Это означает, что в значительной степени уменьшается возможность прибора выявлять дефектные подшипники, тем более распознавать конкретные виды неисправностей (например, износ наружного кольца). Также, частотного диапазона 10 кГц, бывает недостаточно при диагностировании высокоскоростных машин с мультипликаторами.

Преимуществом виброанализатора СМ-3001 по сравнению с "Диана-2"

является взрывозащитное исполнение по классу 1ExibIIAT4, и измерение вибрации одновременно по 3-м каналам (по двум каналам синхронно, и последовательно с ними по 3-ему каналу). Могут измеряться СКЗ, АМП, ПИК-ПИК, спектр огибающей в полосах 3, 6 и 12 кГц. К неудобству в эксплуатации можно отнести отсутствие графического дисплея, поэтому нельзя, например, при измерениях отслеживать качество спектральных характеристик, вид которых является одним из критериев правильной установки датчиков.

Восьмиканальный синхронный регистратор-анализатор вибросигналов "Атлант-8" выполнен на базе notebook и измерительного блока. Применение персонального компьютера позволило существенно улучшить такие характеристики сборщиков как количество подключаемых каналов (разновидность прибора "Атлант-8М" имеет 16 входных каналов с последовательным опросом) и внутренний объем памяти. Но, вместе с тем, появились ограничения на условия эксплуатации. Например, при использовании в запыленных помещениях, от попадания пыли может выйти из строя клавиатура. Частотный диапазон, поставляемых с анализатором вибродатчиков, составляет 5-5000 Гц. Как отмечалось во вступлении, этот диапазон должен составлять от долей герц до двадцати килогерц. Это связано с тем, что как в данном случае, нижний предел частотного диапазона 5 Гц не позволяет прибору в полном объеме проводить обследование тихоходных машин, когда частоты вращения валов составляют Герцы, и доли Герц (например, в бумажной промышленности). Значение границы верх него частотного диапазона 5000 Гц также снижает возможности прибора при диагностировании быстроходных машин.

Измерительная система ДСА-2001 еще одно решение на базе персонального компьютера notebook. Преимуществом данного прибора по сравнению с "Атлант-8" является взрывобезопасное исполнение по классу ExibIIA и возможность синхронного измерения по двум каналам. Недостатком устройства является ограничение частотного диапазона десятью Герцами снизу и десятью килогерцами сверху. Это, как и в случае "Атлант-8", не позволяет в полной мере проводить обследование низкооборотных и быстроходных машин.

СД-11 - анализатор, который также реализуюет весь спектр необходимых возможностей. Дополнительно имеет встроенную справочную систему по работе с прибором. Помимо основных характеристик позволяет вычислять СКЗ, пик и пик-пик. Предусмотрена установка автоотключения. Может поставляться с коммутатором на 4-16 каналов с последовательным опросом. К недостаткам прибора можно отнести отсутствие модификации во взрывозащищенном исполнении. Также, нужно отметить, что данный прибор представляет собой полностью закрытую систему. Это означает, что результаты измерений могут быть приняты и обработаны в компьютере только программным обеспечением, представленным разработчиками. Это исключает возможность дополнительного исследования измеренных характеристик другими программными продуктами, что в некоторых случаях может оказаться желательным.

Спектроанализатор ПР-200А, еще один прибор, реализующий весь перечень необходимых возможностей для проведения вибродиагностики. Позволяет измерять и анализировать временные и спектральные характеристики, рассчитывать СКЗ и пик-фактор.

Имеет модификацию ПР-200Ex во взрывозащищенном исполнении по классу 2ExeseIIТ5Х.

Использование цифровой обработки сигнала ПЧ позволяет увеличить разрешение прибора по амплитуде сигнала. Теперь можно просматривать спектр сигнала с разрешением 10, 5, 2 или 1 дБ на деление шкалы амплитуд экрана. Выбор логарифмического масштаба осуществляется с помощью «выпадающего» меню.

Реализован режим плавной установки опорного уровня (уровня сигнала, которому соответствует верхняя линия на дисплее). Это позволяет «прокручивать» изображение спектра в вертикальном направлении и просматривать участки спектра, которые расположены ниже или выше видимой области дисплея, или оказываются выше его при увеличении разрешения по амплитуде.

В приборе используется прецизионный электромеханический аттенюатор, обеспечивающий точность ±1 дБ при суммарном ослаблении 50 дБ (начиная с О Гц) и начальном ослаблении, не превышающим 0,5 дБ. Чувствительность прибора в низкочастотном диапазоне обеспечивается низким уровнем шумов первого гетеродина и высоким уровнем его ослабления (около 55 дБ) в первом смесителе. Это позволяет использовать прибор при анализе проводных коммуникаций и исследовании ПЭМИН.

Высокая точность определения амплитуды сигнала упрощает поисковый режим прибора. Оператору достаточно указать начальную и конечную частоты поиска, и прибор определит все радиостанции, работающие в этом диапазоне с точностью 10 кГц. Скорость поиска зависит от загрузки диапазона (в Москве не превышает 10 МГц/с.). Более высокой скорости сканирования (до 250 МГц/с) можно достичь при управлении прибором с помощью ПК (по последовательному порту).

Алгоритм поиска надежно фиксирует импульсные и работающие и режиме ППРЧ передатчики. Прибор не может правильно определить вид модуляции передатчика, но это нетрудно сделать при анализе результатов поиска в режиме анализатора спектра.

                                  Блок-схема анализатора спектра

В приборе поддерживаются 2 списка частот: режектированные и обнаруживаемые в ходе поиска. При анализе спектра можно автоматически перестраивать прибор последовательно по обнаруженным частотам в сторону увеличения или уменьшения частоты, что облегчает и ускоряет анализ обнаруженных частот. Есть возможность перенести обнаруженную частоту или все частоты в список режектированных, чтобы не обращать на них внимание в следующем сеансе поиска. Оператор имеет возможность режектировать не только одну конкретную частоту, а целый диапазон.

                                      Технические характеристики

Частотные характеристики:

     - Диапазон рабочих частот: от 9 кГц до 2,2 ГГц.

     - Минимальный шаг перестройки частоты 10 Гц.

      -Полосы обзора; нулевая полоса обзора, далее от 10 Гц/деление до 220 МГц/деление.

      - Точность установки полосы обзора ± 0,5% от установленной полосы.

      - Точность графического отображения спектральных составляющих сигнала: точность установки полосы обзора + точность опорного источника частоты +   50% от полосы пропускания фильтра ПЧ.

Измеритель частоты:

      - Разрешение: 10 КГц.

      - Относительная погрешность измерения частоты ± 2E10-8 от измеряемой частоты.

      - Чувствительность частотомера: не хуже -70 дБм.

     - Паразитная девиация частоты гетеродинов измеренная и полосе от 20 Гц до 20 кГц, не превышает 50 Гц.

      - Спектральная плотность шумов в одиночной боковой полосе на частоте 1 ГГц (при отстройке на 10 кГц от несущей) не превышает -90 дБс/Гц.

Амплитудные характеристики:

     - Диапазон измерения уровня сигнала: от +30 дБм до -115 дБм.

     - Ошибка измерения уровня: от +30 дБм до -95 дБм не более ±0,2 дБ: от -95 дБм /(0-115 дБм не более ±2 дБ.

      -Средний уровень отображаемых шумов составляет -120 дБм в диапазоне от 100 кГц до 2,2 ГГц при использовании фильтра ПЧ 1 кГц, видеофильтра 10 Гц и входном аттенюаторе 0 дБ.

      - Линейность тракта по уровню компрессии выходного сигнала 1 дБ составляет –10 дБм минимум (входной аттенюатор О дБ, частота > 10 МГц).

Масштабирование экрана:

    - 80 дБ при логарифмическом масштабе 10 дБ/дел.

     - 40 дБ при логарифмическом масштабе 5 дБ/дел.

     - 6 дБ при логарифмическом масштабе 2 дБ/дел.

      - 8 дБ при логарифмическом масштабе 1 дБ/дел.

       Единицы измерения амплитуды: дБм.

       Неравномерность АЧХ; ±1,5 дБ и диапазоне рабочих частот.

      - Уровень паразитных частотных откликов в диапазоне рабочих частот: не более -100 дБм.

      - Гармонические искажения 2-го порядка: < -60 дБс (при входном сигнале не более -20 дБм и входном аттенюаторе 10 дБ). Гармонические искажения 3-го порядка: < -70 дБс (при воздействии 2 сигналов с уровнями не более -30 дБм, разносом частот 2 МГц, средней частотой >100 МГц и входном аттенюаторе 0 дБ).

                                                 Входной аттенюатор:

  

    Диапазон: от 0 до 50 дБ с шагом перестройки 10 дБ.

       Точность: от ± 0,2 до ±1,0 дБ (в зависимости от затухания аттенюатора).

Опорный уровень:

       -130 дБм +30 дБм при использовании логарифмического масштаба 1 дБ/дел.

       Точность установки опорного уровня ±1,0 дБ (F= 100 МГц).

Разрешающая способность фильтров ПЧ:

       Выбирается из ряда: 1 кГц, 3 кГц. 10 кГц, 30 кГц, 100 кГц, 300 кГц, 1 МГц.

       Точность установки центра фильтра ПЧ определяется опорным источником К) МГц.

       Коэффициент прямоуголыюсти фильтра 114, измеренный по уровню 60 с1В/3 с1В: не более 4:1.

       Амплитудная ошибка при переключении фильтра: не более ±0.2 дБ

       Полоса фильтра видео: 10 Гц, 100 Гп. 1 кГц, 10 кГц.

Скорость развертки:

       Определяется соотношением полосы обзора и полосы пропускания фильтра ПЧ.

       Минимальное время развертки экрана равно 70 мс.

       Максимальное время определяется пользователем.

       Запуск развертки только внутренний

Вход:

       Радиочастотный вход: разъем N типа 50 Ом,

       КСВН <2 (при входном аттенюаторе 0 dB), КСВН<1,5

       КСВН <1,5 (при входном аттенюаторе > 10 dB).

Выход:

Радиочастотный выход: разъем BNC типа, третья ПЧ 10,7 МГц, полоса ПЧ 1 МГц.

Источник опорной частоты:

Термостатированный источник: 10 МГц, относительная долговременная стабильность частоты: 2Е10-9; старение: 5Е10-8 в год. Шумы при отстройке на 10 кГц: -155 Дбс/Гц.

RS-232-интерфейс:

       Максимальная скорость обмена: 115 кБод.

       Проверка на четность - отсутствует.

       Длина слова: 8 бит.

       Два стоповых бита, один стартовый.

Дополнительные возможности:

       Фиксация максимальных и минимальных значений.

       Замораживание спектрограммы.

       Установка маркера на пиковые значения.

       Установка центральной частоты по положению маркер

                                  Схема анализатора спектра мощности

Значения функций распределения вероятности, корреляционных и спектральных

функций с последующим восстановлением вида самих функций. Перечисленные анализаторы рассчитаны в основном на унифицированный входной сигнал и позволяют измерить от 256 до 4096 ординат анализируемой функции. Погрешность измерения не превышает ±5 %.Кроме того, для определения вероятностных характеристик случайных сигналов могут использоваться электроизмерительные приборы, предназначенные для измерения среднего и действующего значений сигнала. Для определения среднего значения применяют магнитоэлектрические приборы и цифровые интегрирующие приборы. Для определения среднего квадратического отклонения используют приборы, показания которых определяются действующим значением сигнала (термоэлектрические, электростатические и др.).Корреляционные устройства получили применение в различных областях науки и техники для измерения различных величин. В качестве примера можно указать корреляционное устройство для измерения скорости прокатки. Эти устройства измеряют корреляционную функцию, зависящую от т, которая, в свою очередь, зависит от скорости прокатки.

                                       Чем же анализировать спектр?

Разумеется проще всего это сделать анализатором спектра заводского изготовления: с осциллографической индикацией или с ручной установкой частоты (селективным высокочастотным микровольтметром), но подобные приборы недоступны большинству радиолюбителей. Роль селективного микровольтметра может сыграть связной приемник, имеющий узкополосный фильтр по промежуточной частоте. Для того чтобы можно было для составляющих третьего порядка надежно измерить уровни - 30... - 40 дБ, подавление основного (двухтонального) сигнала фильтром при расстройках на 800...1000 Гц должно составлять 40...55 дБ. Подобные характеристики имеет далеко не каждый связной приемник.

Между тем сравнительно нетрудно изготовить простой анализатор спектра передатчика (селективный милливольтметр), используя технику прямого преобразования (например, [3]). Действительно, вся селективность приемника прямого преобразования определяется элементами низкочастотного тракта, где реализовать фильтры с достаточно крутыми скатами не представляет особой трудности. Наличие специфического зеркального канала приема прилегающего непосредственно к основному каналу не является в этом случае помехой: просто полоса пропускания приемника будет в два раза больше полосы пропускания селективных каскадов усилителя НЧ.

Структурная схема подобного селективного ВЧ милливольтметра приведена на рисунке. 7

Сигнал исследуемого передатчика, пройдя через входной аттенюатор АТТ, поступает на смеситель СМ, на который также подается и ВЧ напряжение с гетеродина ГЕТ. Продукты смешивания проходят через фильтр нижних частот ФНЧ и измеряются милливольтметром MB. Устанавливая частоту гетеродина вблизи частоты какой-нибудь составляющей исследуемого сигнала (разница между этими двумя частотами должна быть меньше частоты среза ФНЧ), мы можем измерить уровень этой составляющей милливольтметром. На практике на самом деле вовсе нет необходимости иметь в таком приборе перестраиваемый гетеродин. Он, кстати, должен быть весьма стабильным — ведь полоса пропускания приемника не может превышать 100 Гц, иначе будет крайне трудно эффективно подавить остальные составляющие сигнала. Гетеродин селективного ВЧ милливольтметра удобно застабилизировать кварцевым резонатором, а «подводить» составляющие сигнала к частоте, на которую настроем милливольтметр, генератором плавного диапазона трансивера.

Очевидно, что в таком приборе лучше всего иметь автономное питание — это позволит исключить наводки передатчика на смеситель по цепям питания, а также наводки с частотой сети (они попадают в полосу пропускания селективных каскадов) от сетевого трансформатора.

Принципиальная схема прибора

Один из возможных вариантов схемного решения селективного ВЧ милливольтметра на основе приемника прямого преобразования показан на рис. 4.

Прибор предназначен для анализа спектра SSB передатчиков в диапазоне 7 МГц. С входного разъема X1 сигнал передатчика поступает через регулируемый аттенюатор (резистор R1) и развязывающий аттенюатор (R2 - R4) на кольцевой смеситель (диоды V1 - V4). Нагрузка гетеродина — низкоомная (смеситель на диодах), поэтому между генератором (транзистор V6) и смесителем введен эмиттерный повторитель на транзисторе V5. Он работает при относительно большом токе эмиттера (около 30 мА), что обеспечивает малые искажения формы сигнала гетеродина.

Низкочастотный сигнал с выхода смесителя проходит через два фильтра нижних частот (LC-фильтр на элементах C2L1C3 и активный, 2-го порядка, на операционном усилителе А1). Коэффициент передачи активного фильтра в полосе прозрачности выбран равным единице. Оба фильтра имеют частоту среза около 100 Гц и вместе обеспечивают крутизну ската амплитудно-частотной характеристики прибора примерно 20 дБ на октаву. На выходе активного фильтра включен низкочастотный милливольтметр переменного тока на операционном усилителе А2. Милливольтметр имеет несколько пределов измерения, которые выбирают переключателем S1.

   Суммарная амплитудно-частотная характеристика обоих фильтров и милливольтметра приведена на рис. 9.

При указанных на схеме номиналах элементов полоса пропускания по уровню — 3 дБ составляет примерно 80 Гц, а подавление сигналов, отстоящих от частоты среза ФНЧ на 800 Гц достигает 50...60 дБ. Как уже отмечалось, из-за зеркального канала приема полоса пропускания со входа милливольтметра в два раза больше (около 160 Гц), а сквозная АЧХ имеет провал точно посередине, в области нулевых биений между сигналами передатчика и гетеродина приемника.

Максимальный завал АЧХ в области низших частот определяется емкостью конденсатора С22 и сопротивлением резистора R26. На других пределах этот завал будет меньше, чем показано на рис. 5.

Питание прибора двуполярное, напряжением ±9 В, осуществляется от четырех батарей 3336 Л. Светодиод V9 служит индикатором включения прибора. Ток, потребляемый милливольтметром от источников питания, составляет примерно 40 мА и определяется в основном эмиттерным повторителем в гетеродине.

Поддиапазоны измерений в низкочастотном милливольтметре отличаются друг от друга в 3,16 раза, т.е. на 10 дБ. Это дает возможность при измерениях пользоваться одной, отградуированной в децибелах шкалой микроамперметра .

                             

                                                   Конструкция прибора

Большинство деталей селективного ВЧ милливольтметра собрано на печатной плате, которая показана на рисунке.

Плата рассчитана под установку следующих деталей:

резисторы — МЛТ-0,125;

конденсаторы (кроме электролитических) — КМ;

электролитические конденсаторы — К53-1;

дроссель L1 - Д1,3;

дроссель L2 - Д0,1;

кварцевый резонатор в корпусе Б1.

Трансформатор Т1 намотан проводом ПЭВ-2 0,3 (каждая обмотка — 13 витков) на кольцевом магнитопроводе типоразмера К7Х4Х2 из феррита с начальной и магнитной проницаемостью 400...600. Намотку ведут одновременно тремя проводами: начало и конец одного из них — обмотка I, соединенные вместе начало и конец оставшейся пары — средняя точка обмотки II. Провода перед намоткой можно свить вместе, но можно подготовить их к намотке и другим способом. Болванку (из любого материала — металла или диэлектрика) подходящего диаметра (так чтобы длина окружности была не меньше требуемой длины провода обмоток с учетом выводов) обматывают лентой из тефлона. Поверх нее наматывают плотно виток к витку (всего не менее трех витков) провод требуемого диаметра и, закрепив его копии, несколько pas промазывают обмотку тонким слоем клея («Суперцемент», «Момент» и им подобные). Перед нанесением очередного слоя клея необходимо убедиться, что предыдущий слой уже высох (не прилипает к пальцам). Затем обмотку перерезают в одном месте по образующей болванки и снимают получившийся плоский жгут. Он отстает от болванки свободно, так как клей практически не держится на тефлоне. Отделив полоску из трех проводов, наматывают таким плоским жгутом трансформатор Т1.

Диоды V1-V4, V7 и V8 - любые современные кремниевые высокочастотные диоды (КД503 и т. п.). Операционные усилители могут быть также практически любые (кроме К1УТ401 и К1УТ402). Разумеется при замене ОУ придется соответствующим образом изменить цепи коррекции и конфигурацию проводников печатной платы прибора. Кварцевый резонатор — на любую частоту в пределах любительского диапазона 7 МГц. В качестве L2 можно использовать, например, корректирующие дроссели индуктивностью 150... 320 мкГ от ламповых черно-белых телевизоров. При отсутствии стандартного дросселя индуктивностью 5 Г его можно намотать на Ш-образном магнитопроводе от низкочастотного трансформатора. Полевой транзистор V6 — любой из серий КП303 и КП302. Вместо транзистора КТ606 подойдут маломощные транзисторы КТ312 и им подобные в металлических корпусах. При такой замене к корпусу транзистора следует припаять легкоплавким припоем небольшую металлическую пластину — радиатор.

Микроамперметр РА1 может быть на ток полного отклонения 50...200 мкА с сопротивлением рамки в пределах 500... 1500 Ом. Указанные на схеме номиналы резисторов R26 — R30 являются исходными для прибора М24 на 100 мкА (сопротивление рамки 820 Ом). Печатную плату и остальные детали (батареи, конденсатор С22 и т. д.) размещают в металлическом корпусе размерами примерно 200 х 120 х 120 мм. Внешний вид прибора в корпусе и расположение органов управления на его передней панели показаны здесь.

                                      

Работа с анализатором спектра.

Для проверки передающей SSB аппаратуры и анализа спектра ее выходного сигнала собирают установку, функциональная схема которой показана на рис. 6 в тексте (ДТГ — двухтональный генератор, ПЕР — исследуемый передатчик, R — эквивалентантенны, ОСЦ — осциллограф, АС — анализатор спектра).

Уровень сигнала генератора устанавливают таким, чтобы получить максимальный неискаженный (по осциллографическому контролю) сигнал передатчика. Часть этого сигнала снимается с делителя на резисторах R' и R", образующего эквивалент нагрузки, и подается на анализатор спектра. Уровень ВЧ напряжения, необходимый для нормальной работы прибора,составляет 2...20 В. Установив переключатель пределов измерения в положение «0 дБ», а ручку «Уровень» в среднее положение, изменением частоты ГПД передатчика добиваются максимального отклонения стрелки измерительного прибора (при необходимости регулируют ручкой «Уровень» поступающий на анализатор спектра сигнал). При перестройке ГПД должны наблюдаться два максимума, соответствующие выходному двухтональному сигналу. Максимумы эти «двойные», поскольку АЧХ анализатора, как уже отмечалось, имеет провал. Уровни этих двух составляющих могут несколько отличаться из-за неравномерности АЧХ микрофонного усилителя, (в них нередко умышленно ослабляют низшие частоты), а также АЧХ фильтра передатчика. В этом случае регулировкой уровня одного из НЧ сигналов генератора следует добиться того, чтобы амплитуды этих составляющих были по возможности близкими. Затем регулировкой чувствительности анализатора устанавливают стрелку измерительного прибора на деление «0 дБ».

Незначительно изменяя частоту ГПД «подводят» к рабочей частоте анализатора интермодуляцнонную составляющую и регистрируют ее уровень (не трогая ручки «Уровень», а лишь переключая пределы измерения). Отсчет производят по шкале прибора и по положению переключателя пределов. Так, если переключатель находится в положении «—20 дБ», а стрелка прибора находится на делении « — 8 дБ», то уровень данной интермодуляционной составляющей по отношению к уровню двухтонального сигнала будет — 28 дБ. На практике обычно измеряют только составляющие 3-го и 5-го порядков.

Следует отметить, что анализ спектра передатчика, равно как и осциллографический контроль формы сигнала позволяют лишь наладить SSB аппаратуру, определить, в частности, предельные пиковые уровни выходного сигнала. В дальнейшем нормальная работа аппаратуры должна обеспечиваться либо эффективными автоматическими регулировками (ALC), либо постоянным контролем выходного уровня пиковыми индикаторами, из которых самым простым и надежным является обыкновенная неоновая лампочка.

Функциональная схема анализатора спектра представлена на рис.10:

Вырабатываемое при измерениях датчиком неравномерности вращения напряжение Ис поступает на один из входов балансного смесителя 1; на другой его вход подается напряжение Иг от гетеродина 2. Преобразованный смесителем сигнал усиливается резонансным усилителем 3, выполненным на электромеханических фильтрах и работающим на промежуточной частоте Fп4=Fг-Fcj=1900 Гц, где Fг , Fcj - частоты гетеродина и j -той гармоники входного сигнала.

Гармонические сигналы с выходов усилителя 3 и гетеродина 2 воздействуют на входы фазовращателей 4,5,6,и 7. Первые два из них осуществляют сдвиг колебаний по фазе на +450, а последние два - на -450. Создаваемые фазовращетелями напряжения Ип41, Иг1, Ип42 и Иг2 поступают соответственно на входы кольцевых смесителей 8 и 9, выходные сигналы которых суммируются в блоке сложения10. При этом получается практически напряжение синусоидальной формы с частотой, равной F=Fг-Fп4= Fcj. Его измерение производится с помощью индикаторного устройства11. Частотная шкала гетеродина проградуирована в единицах частот входного сигнала.

Смесители 1,8 и 9 выполнены по резистивно-диодным схемам.

Для анализатора спектра характерны достаточно большая помехоустойчивость и высокая разрешающая способность по частоте.

    Анализатор спектра предназначен для визуального наблюдения спектра используемых сигналов. Эти приборы различаются по способу проведения анализа - последовательного, одновременного и смешанного действия, по схемному решению - одноканальные и многоканальные, по диапазону частот – низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, широкодиапазонные. Чаще других при измерениях пользуются анализаторами с последовательным и одновременным анализом. Параметры анализаторов спектра, такие, как диапазон рабочих частот, чувствительность, погрешности измерения, приводятся в технических паспортах. Чаще других при измерениях пользуются анализаторами с последовательным анализом.

   Анализаторы спектра с последовательным анализом содержат или перестраивающийся фильтр или перестраивающийся гетеродин. В первом случае исследуемое напряжение через входное устройство поступает на перестраивающийся узкополосный фильтр, настройка которого изменяется, проходя последовательно весь исследуемый спектр частот. Выходное напряжение фильтра после детектирования фиксируется регистрирующим устройством.

SHAPE* MERGEFORMAT

Входное устройство

Фильтр

Квадр. детект.

Регист. уст-во

Рис. 1. Структурная схема анализатора спектра последовательного действия

Речь – это процесс, частотный спектр которого находится в пределах от 50…100 до 8000…10000 Гц. Установлено, что качество речи остается весьма удовлетворительным, если ограничить спектр снизу и сверху частотами 300 и

3400 Гц. Эти частоты приняты Международным союзом электросвязи (МСЭ)

в качестве границ эффективного спектра речи. При указанной полосе частот

сохраняется хорошая разборчивость речи и удовлетворительная натуральность ее звучания.

Усиленные области спектра называются формантами. Звуки речи различных людей  отличаются числом формант и их расположением в частотном спектре. Отдельные звуки могут иметь до шести формант, из которых только одна или две являются определяющими. Они обязательно находятся в диапазоне частот 300…3400 Гц. Между формантами лежат менеемощные составляющие звуковых частот. Однако именно они придают голосу каждого человека индивидуальность, позволяющую узнать говорящего.

   Разработаем анализатор спектра речи в среде MATLAB 7.01. В качестве входного сигнала возьмем женский голос. В библиотеке Simulinkнаходим необходимые блоки: Signal Processing Sources, Signal Management / Buffers, Estimation / Power Spectrum Estimation, Signal Processing Sinks.

Спектр сигнала выглядит следующим образом:

                                                       Литература.

1. http://ru3ga.qrz.ru/

2. Шульгин Г. Двухтональный генератор.— "Радио", 1981, № 4, с. 19—20.

3. Ganter Schwazbeck, SSB—QRM,— EsSlamlintiercq - D1, Band 1 (1972—1977). DARСе. V.

4. Поляков В. Приемники прямого преобразования.— Москва, изд-во ДОСААФ GC'GP, 1981.

5. www.monumental.com/rshorne/gram.html Взять программу можно там же, на «Паяльнике» в разделе «Приборы/ Спектроанализаторы» (http://payalnik.hypermart.net, 245 кб)

6.интернет-источник: www.схem.net