Характеристики речевого сигнала

ОАК

1. Приведите основные характеристики речевого сигнала и требования к телефонному тракту.

Тракт телефонной передачи

Речь человека представляет собой совокупность звуковых колебаний, распространяющихся в акустической среде. Телефонной передачей речи называется процесс преобразования речевых сигналов в электрические сигналы, передачи их на расстоянии и преобразование последних в речевые сигналы.

Телефонные тракты содержат:

– акустико-электрические преобразователи – микрофоны;

– электроакустические преобразователи – телефоны;

– соединительные тракты – линейные и стационарные устройства сети связи.

При телефонной передаче звуковые колебания, возбуждаемые источником звука (ИЗ), через акустическую среду (АС) – воздух воздействуют на акустико-электрический преобразователь (М) телефонного аппарата, который преобразует их в соответствующие колебания электрического тока (рис. 7.1).

 

Рис. 7.1. Телефонный аппарат

 

Энергия этих колебаний через линию связи (ЛС) поступает на телефон (Т) или громкоговоритель, где преобразуется в звуковую энергию. Для двусторонней телефонной передачи микрофон и телефон должны устанавливаться в телефонных аппаратах (ТА) обоих абонентов. ТА соединяются через коммутационный узел (КУ) с помощью линий, называемых абонентскими линиями (АЛ) (рис. 7.2).

 

Рис. 7.2. Схема связи телефонных аппаратов

 

ТА предназначены для приема и передачи управляющих, вызывных и речевых сигналов, а также для посылки адресных (набор номера) сигналов. Адресную информацию передают с помощью номеронабирателя. В настоящее время функции ТА намного шире и включают ряд услуг.

Коммутационные узлы, в которые включаются абонентские линии (АЛ) и которые соединяются с другими КУ по соединительным линиям, называются телефонными станциями (ТС). Станционные устройства по адресной информации обеспечивают соединение автоматическим способом ТА на время разговора, а также предоставляют целый ряд услуг.

Телефонные тракты могут быть двухпроводными, четырехпроводными, а также составленными из двух- и четырехпроводных участков. Четырехпроводный телефонный тракт состоит из двух двухпроводных ТЛФ трактов, обеспечивающих двустороннюю передачу речи (рис. 7.3).

Такой тракт устойчив против самовозбуждения вследствие незначительного электромагнитного влияния между параллельными участками трактов и небольшой акустической связи между микрофоном и телефоном.

 

Рис. 7.3. Четырехпроводный телефонный тракт

 

Использование в городских СТС 4-проводных трактов экономически нецелесообразно. Поэтому в ТА вводится двухобмоточный трансформатор или трехобмоточный трансформатор с балансным контуром. С помощью этого контура обеспечивается подключение преобразователей ТА к двухпроводной АЛ.

 

Рис. 7.4. Переход с 2-проводного на 4-проводный тракт

 

Трехобмоточный трансформатор с балансным контуром образует дифференциальную систему, которая уменьшает электрическую обратную связь между микрофоном и телефоном ТА.

При ведении разговора к качеству передачи речи по телефонному тракту предъявляются требования разборчивости, громкости и натуральности.

МККТТ разработал нормы оценки качества телефонной передачи.

 

Приведите противоместную компенсационную схему телефонного аппарата при работе на передачу и кратко опишите принцип ее работы.

 

Рис.7.15. Компенсационная противоместная схема

 

Цепь телефона имеет магнитную и электрическую связь с линейной и балансной обмотками автотрансформатора. В режиме передачи токи i ₁ и i ₂ индуцируют в III обмотке ЭДС е₁ и е₂. схему подбирают так, чтобы е₁ была больше е₂, тогда на III обмотке индуцируется ЭДС е=е₁ - е₂. Часть разговорного тока i _К создает на компенсационном сопротивлении Z _К падение напряжения U_K = i_KZ_K. В телефоне не будет тока, если е= U_K.

Опишите функциональные возможности телефонного аппарата «Электроника Элетап микро 4».

Подробнее: метода 3048.

Приведите упрощенную схему одной точки коммутации многократного герконового соединителя и кратко опишите принцип ее работы.

Подробнее: метода 3048.

Объясните преимущества неблокирующих полнодоступных многозвенных схем по сравнению с однозвенными. Приведите соотношение, связывающее число входов и выходов в отдельном коммутаторе неблокирующего коммутационного блока.

В рассмотренных ранее звеньевых включениях имели место внутренние блокировки.

Покажем возможность построения неблокирующих коммутационных блоков, т. е. блоков, в которых отсутствуют внутренние блокировки. Оказывается, как доказал Клоз, при условии симметричная, трехзвенная, односвязная схема будет полнодоступной и неблокирующей (рис. 9.19).

 

Рис. 9.19. Неблокирующий коммутационный блок

 

Проанализируем количество точек коммутации для однозвенной и трехзвенной полнодоступной схемы без блокировок при разном количестве входов N (табл. 9.1)

Таблица 9.1

Количество в ходов M=N

Количество точек коммутации

Однозвенная схема Трехзвенная схема 4 16 36 9 81 135 16 256 336 25 625 675 36 1296 1188 64 4096 2880 81 6561 4131 100 10000 5700 1000 1000000 186737 10000 100000000 5970000

 

При N > 25 трехзвенные схемы становятся экономичнее однозвенных, т. е. имеют меньше точек коммутации. Трехзвенные схемы без блокировок применяются в коммутационный системах, где требуется получить полнодоступные схемы искания.

17. Объясните преимущества образования ступени абонентского искания в координатных АТС. В каких режимах работает ступень абонентского искания?

Принципы построения коммутационной системы и управляющих устройств АТСК заметно отличаются от принципов построения АТС ДШ.

Для АТСК характерны следующие основные особенности:

1. Применение общих управляющих устройств – маркеров, обеспечивающих повышение гибкости управления при обходном способе установления соединения.

В АТСК управляющие устройства (маркеры) обслуживают один коммутационный блок. После выполнения функций искания и создания цепи вход-выход коммутационного блока, маркер отключается. Искание осуществляется маркером по обходным путям, которые не проходят через коммутационный блок (рис. 11.2.1).

 

Рис.11.2.1. Принцип искания при обходном способе установления соединения

 

2. Применение косвенного (регистрового) управления, согласованного с принципом управления МКС.

При регистровом управлении информация о номере вызываемой линии принимается регистром, который временно подключается к шнуровому контакту. Полученную адресную информацию регистр передает в маркеры. По требованию маркера регистр обеспечивает повторную выдачу цифры номера. Т.к. маркеры, при регистровом управлении, не занимаются во время набора номера и получают быстродействующим способом адресную информацию, то время их занятия уменьшается.

3. Звеньевой принцип построения коммутационных систем ступеней искания. При этом обеспечивается существенная экономия оборудования, необходимого для построения коммутационной системы.

В АТСК применяются три вида ступеней искания:

- ступень абонентского искания (АИ);

- ступень группового искания (ГИ);

- ступень регистрового искания (РИ).

Количество маркеров равно числу обслуживаемых блоков.

Преимущества АТСК по сравнению с АТС ДШ заключаются в следующем:

- большая надежность действия (0,05-0,15 повреждений в год на один номер, в 6 раз меньше);

- меньшие эксплуатационные расходы;

- применение контактов давления, а не скольжения как в ДШ АТС обеспечивает высокое качество контакта;

- применение звеньевых ступеней позволяет повысить пропускную способность пучков линии;

- возможность автоматизации производства при изготовлении МКС.

 

Телефонная нагрузка

Для правильного построения коммутационной системы недостаточно знать только характеристики потока вызовов, связанные с числом поступающих вызовов или средним числом вызовов в единицу времени, т. е. интенсивность. Необходимо знать и характеристики приборов облуживания.

Так, если на АТС поступает простейший поток с интенсивностью вызовов в час, облуживание осуществляется одним прибором , и средняя длительность занятия системы  не зависит от интенсивности , то при мин.=1/60 часа, для обслуживания такого потока потребуется  часов чистого времени. Если обслуживание идет по  линиям параллельно, то потребуется 1 час.

Поэтому важной характеристикой системы коммутации является суммарное время обслуживания потока вызовов, поступающих в единицу времени, т.е. нагрузка системы коммутации.

Нагрузку классифицируют следующим образом:

- поступающая нагрузка; - пропущенная нагрузка;   - потерянная нагрузка.

Пропущенная за промежуток времени  нагрузка – это сумма времени занятия всех выходов коммутационной системы, обслуживающей поступающий поток вызовов, за промежуток времени (рис. 6.1).

 

Рис. 6.1. Пропущенная нагрузка

 

Обозначим - число выходов коммутационной системы, а  –сумма отрезков времени, в течение которых -ый выход был занят за время . Тогда пропущенная нагрузка определяется как

.                                 (6.6)

Нагрузка обладает аддитивным свойством: пропущенная на некотором отрезке времени, она равна сумме нагрузок, пропущенных на отдельных непересекающихся участках времени, составляющих этот отрезок.

.

Найдем зависимость, связывающую число занятых в момент  выходов системы  с нагрузкой. По свойству аддитивности

.

Отсюда по определению производной , то есть

                              .                                   (6.7)

Единица измерения нагрузки 1 часо-занятие. Одно часо-занятие – это такая нагрузка, которая может быть пропущена одной линией (выходом) в течение часа при непрерывном занятии линии.

Производная нагрузки характеризует ее скорость приращения и называется интенсивностью нагрузки (математическое ожидание нагрузки за час). Измеряется интенсивность нагрузки в часо-занятиях, отнесенных к часу, единица измерения – Эрланг: 1 эрл=1ч.-зан./ч. Наименование интенсивности нагрузки установлено в честь Эрланга А.К. математика, которому принадлежат многие ранние работы по теории телефонных сообщений.

Один Эрланг – это такая интенсивность нагрузки, при сохранении постоянства которой в течение часа будет пропущена нагрузка в одно часо–занятие. Интенсивность пропущенной в момент  нагрузки равна числу занятых в этот момент линий.

Под поступающей на коммутационную систему в промежутке времени  нагрузкой  будем понимать такую нагрузку, которая была бы обслужена коммутационной системой на отрезке , если бы каждому поступающему вызову тотчас было предоставлено соединение со свободным выходом.

Потерянная коммутационной системой в течение времени нагрузка – это разность между поступающей и пропущенной нагрузками                                                           (6.8)

Основные параметры нагрузки

К основным параметрам нагрузки относятся: а) Число источников нагрузки или число потоков вызовов – ;

б) Среднее число вызовов, поступающих от одного источника нагрузки в единицу времени – ;

в) Средняя длительность занятия коммутационной системы при обслуживании одного вызова - .

Так как при объединении N потоков интенсивности складываются, то поступающая в единицу времени нагрузка определяется как y = N * c * β.

Как и поток вызовов, нагрузка подвержена разным колебаниям. Характер изменения нагрузки в течение суток представлен на рисунке 6.2.

 

Рис. 6.2. Характер изменения нагрузки

 

Максимум нагрузки приходится на дневные часы суток. При расчете объема оборудования нельзя исходить из среднего значения нагрузки за сутки. Следует выбрать время, когда нагрузка имеет наибольшее значение. Это время носит название часа наибольшей нагрузки (ЧНН). Под ЧНН понимается непрерывные шестидесятиминутные интервалы суток, в течение которых в среднем наблюдается наибольшая величина нагрузки. Наблюдения ведутся в течение многих суток.

Доля нагрузки в ЧНН по отношению к нагрузке за сутки выражается коэффициентом концентрации К примеру:  для г.Москвы; для г.Санкт–Петербурга;  для областного центра;  для районного центра.

 

Рассмотрим более подробно параметры нагрузок.

1.Число источников нагрузки –

,                             (6.9)                                

где категории источников:

– общественные источники;

– индивидуальные источники (квартирные и мобильные);

– таксофоны;

– служебные источники (соединительные линии от учережденческих телефонных  станций).

2. Среднее число вызовов от одного источника в единицу времени:

                                  (6.10)

Это число существенно различается для источников различных категорий. Примерные данные для среднего числа вызовов от данного источника в ЧНН: , , , .

Под величиной во всех случаях понимается среднее число занятий, но не разговоров, так как  ( - среднее число разговоров). Это связано с тем, что не каждое соединение заканчивается разговором. 

3. Средняя длительность занятия–  или распределение продолжительности занятия . Средняя длительность занятия обычно меньше средней продолжительности чистого разговора ,так как не все соединения заканчиваются разговором, а время занятия приборов для соединений, не окончившихся разговором, значительно меньше. В некоторых случаях, в частности, когда вызовы должны ожидать обслуживания, используется статическое распределение продолжительности занятия. Чаще всего применяется показательное распределение, при котором вероятность того, что соединение продолжается, по меньшей мере , задается выражением

,                                 (6.11)

где - среднее время занятия (рис. 6.3).

 

Рис.6.3. Распределение продолжительности занятия

 

Такое распределение хорошо описывает продолжительность занятия на местных и междугородних линиях связи при разных параметрах .

4. Длительность занятия приборов при состоявшемся разговоре  определяется следующими составляющими:

,                                  (6.12)

где  - средняя длительность установления соединения;

  - среднее время ожидания ответа, вызывающего абонента для состоявшегося разговора;

 - средняя длительность разговора.

 

Решение: колич. соед. Линий=1000*1/10=100

ОАК

1. Приведите основные характеристики речевого сигнала и требования к телефонному тракту.

Тракт телефонной передачи

Речь человека представляет собой совокупность звуковых колебаний, распространяющихся в акустической среде. Телефонной передачей речи называется процесс преобразования речевых сигналов в электрические сигналы, передачи их на расстоянии и преобразование последних в речевые сигналы.

Телефонные тракты содержат:

– акустико-электрические преобразователи – микрофоны;

– электроакустические преобразователи – телефоны;

– соединительные тракты – линейные и стационарные устройства сети связи.

При телефонной передаче звуковые колебания, возбуждаемые источником звука (ИЗ), через акустическую среду (АС) – воздух воздействуют на акустико-электрический преобразователь (М) телефонного аппарата, который преобразует их в соответствующие колебания электрического тока (рис. 7.1).

 

Рис. 7.1. Телефонный аппарат

 

Энергия этих колебаний через линию связи (ЛС) поступает на телефон (Т) или громкоговоритель, где преобразуется в звуковую энергию. Для двусторонней телефонной передачи микрофон и телефон должны устанавливаться в телефонных аппаратах (ТА) обоих абонентов. ТА соединяются через коммутационный узел (КУ) с помощью линий, называемых абонентскими линиями (АЛ) (рис. 7.2).

 

Рис. 7.2. Схема связи телефонных аппаратов

 

ТА предназначены для приема и передачи управляющих, вызывных и речевых сигналов, а также для посылки адресных (набор номера) сигналов. Адресную информацию передают с помощью номеронабирателя. В настоящее время функции ТА намного шире и включают ряд услуг.

Коммутационные узлы, в которые включаются абонентские линии (АЛ) и которые соединяются с другими КУ по соединительным линиям, называются телефонными станциями (ТС). Станционные устройства по адресной информации обеспечивают соединение автоматическим способом ТА на время разговора, а также предоставляют целый ряд услуг.

Телефонные тракты могут быть двухпроводными, четырехпроводными, а также составленными из двух- и четырехпроводных участков. Четырехпроводный телефонный тракт состоит из двух двухпроводных ТЛФ трактов, обеспечивающих двустороннюю передачу речи (рис. 7.3).

Такой тракт устойчив против самовозбуждения вследствие незначительного электромагнитного влияния между параллельными участками трактов и небольшой акустической связи между микрофоном и телефоном.

 

Рис. 7.3. Четырехпроводный телефонный тракт

 

Использование в городских СТС 4-проводных трактов экономически нецелесообразно. Поэтому в ТА вводится двухобмоточный трансформатор или трехобмоточный трансформатор с балансным контуром. С помощью этого контура обеспечивается подключение преобразователей ТА к двухпроводной АЛ.

 

Рис. 7.4. Переход с 2-проводного на 4-проводный тракт

 

Трехобмоточный трансформатор с балансным контуром образует дифференциальную систему, которая уменьшает электрическую обратную связь между микрофоном и телефоном ТА.

При ведении разговора к качеству передачи речи по телефонному тракту предъявляются требования разборчивости, громкости и натуральности.

МККТТ разработал нормы оценки качества телефонной передачи.

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА

Одной из важных характеристик речевого сигнала является спектр звуковых частот. Частоты звуковых колебаний сосредоточены в диапазоне 80-12000 Гц. При этом тип голоса определяется диапазоном частот, образуемых в полости рта, так, бас – это частоты 80-320 Гц, баритон – 100-400 Гц, сопрано – 250-1200 Гц и т.д.

Кроме используемого диапазона частот речевой сигнал характеризуется интенсивностью звука – количеством энергии звуковых колебаний, проходящих через единицу поверхности, расположенную перпендикулярно к направлению ее распространения, за единицу времени. Интенсивность звука I [Вт/м²] и звуковое давление Р [Па] связаны соотношением I = kP, где k – коэффициент, зависящий от давления и температуры воздуха.

Следующей звуковой характеристикой является динамический диапазон речи

                , дБ,                             (7.1)

где I_max, I_min – максимальное и минимальное значение интенсивности звука.

Минимальное значение интенсивности звука, которое воспринимается ухом I ₀ =10^-12 Вт/м², а порог болевого ощущения определяет I_{max max} =1 Вт/м2, т.е. максимальный динамический диапазон речи равен D_max =120.

Для неискаженной передачи звуков различной возможной интенсивности необходимо обеспечить динамический диапазон речи D _р =57 дБ. При передаче речи без выкриков достаточен динамический диапазон 30-40 дБ, поэтому такой сигнал рекомендуется для передачи по ТЛФ трактам.

Для уха характерен также эффект маскировки речи, под которым понимается понижение чувствительности уха к слабым звукам при одновременном воздействии звуков большой интенсивности. Этот эффект связан с адаптацией слухового аппарата, т.е. способностью уха изменять свою чувствительность, приспосабливаясь к интенсивности воздействующих колебаний.

Каждому звуку речи соответствует усиление частот в одной или нескольких областях. Такие области называются формантными или просто формантами (рис. 7.5).

 

Рис. 7.35. Формантные области звуков речи

 

Если исключить из передачи любую из формант, то передаваемый звук исказится. Анализ европейских языков показывает, что подавляющее большинство формант находится в диапазоне 300-3400 Гц. Поэтому МККТТ рекомендует передавать по ТЛФ тракту этот диапазон тональных частот.

Для оценки уровня громкости используется

L =10 lg (I ₁₀₀₀ / I ₀) [фон],

где I ₁₀₀₀ – интенсивность гармонического колебания с частотой 1000 Гц, равногромкого исследуемому звуку.