Анализатор информационных признаков речевых сигналов. Блок выделения огибающей речевого сигнала

Работа из раздела: «Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника»

УДК 534.782.001.; 621.39.

Дипломный проект

Коротицкий А.И. Группа Р-35

Таганрог, ТРТУ, 2000 г.

АННОТАЦИЯ

страниц, рисунков, таблиц.

В дипломном проекте разработан блок выделения огибающей речевого сигнала, входящий в состав анализатора информационных признаков речевых сигналов. Устройство предназначено для формирования квадратурных составляющих сигнала, поступающего с выхода АЦП. В проекте рассматривается процесс синтеза цифрового преобразователя Гильберта и его реализация на базе микропроцессорного комплекта БИС К1815. Приводятся экспериментальные исследования, выполненные с помощью моделирования на ЭВМ. Освещены вопросы экономики, безопасности и экологичности разработанного блока.

УДК 534.782.001.; 621.39.

РЕФЕРАТ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 Распознавание речевого сигнала

1.2 Достоинства цифровой обработки сигнала

1.3 Выбор частоты дискретизации

1.4 Выбор разрядности АЦП

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ БЛОКА ВЫДЕЛЕНИЯ ОГИБАЮЩЕЙ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА

2.1 Расчет импульсной характеристики

2.2 Определение коэффициента передачи

2.3 Описание работы преобразователя Гильберта

3. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ БЛОКА ВЫДЕЛЕНИЯ ОГИБАЮЩЕЙ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА

4. РАСЧЕТ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ БЛОКА ВЫДЕЛЕНИЯ ОГИБАЮЩЕЙ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА

4.1 Выбор микросхем и описание их функций

4.2 Назначение выводов БИС ВС К1815ВФ1

4.3 Назначение выводов БИС ОРП К1815ИР1

4.4 Назначение выводов БИС К1815ИМ1

4.5 Требования к источнику питания

5. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ БЛОКА ВЫДЕЛЕНИЯ ОГИБАЮЩЕЙ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА

6. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЕКТА

6.1 Обоснование экономической целесообразности разработки

6.2 Экономическое обоснование используемой элементной базы

6.3 Выбор аналога

6.4 Расчет затрат на техническую подготовку производства

6.5 Расчет себестоимости и цены изделия

6.6 Расчет прибыли завода изготовителя

6.7 Выводы

7. Безопасность и экологичность проекта

7.1 Системный анализ безопасности и надежности при эксплуатации блока выделения огибающей речевого сигнала

7.2 Мероприятия по повышению безопасности и надежности блока выделения огибающей речевого сигнала

7.3 Пожаробезопасность блока выделения огибающей речевого сигнала

7.4 Защита окружающей природной среды при изготовлении, эксплуатации и утилизации блока

8. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

8.1 Алгоритм проведения экспериментального моделирования

8.2 Результаты моделирования

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

ВВЕДЕНИЕ

За 30-летний период своего развития ЭВМ были существенно усовершенствованы. Число лиц, имеющих прямой доступ к машине, возросло. Возникла необходимость использования таких терминалов, которые были бы более простыми, не требующими сложной подготовки в процессе управления. Стало бурно развиваться направление «человек-ЭВМ».

Диалог «человек-ЭВМ» представляет собой обмен информацией в двух аспектах. Для аспекта «ЭВМ-человек» коммуникация может осуществляться через устройство синтеза, которое извлекает из запоминающего устройства ЭВМ данные, необходимые для составления сообщения по определённым правилам. Разнообразные системы, применяющиеся в настоящее время, осуществляют синтез различных языковых единиц. При этом исходной единицей является слово. Однако для такой исходной единицы синтез значительных словарных объемов не представляется возможным, так как предполагает нежелательную перегрузку машинной памяти. Современные исследования направлены на определение правил синтеза, применимых к более мелким единицам, таким как, например, дифоны, фонемы, слоги. С помощью этих единиц можно синтезировать в принципе безграничное число словарных единиц-слов.

В диалоге «человек-ЭВМ» информация передается обычно с помощью клавиатуры, что предполагает некоторую подготовку пользователя при запросе на том языке, который ЭВМ способна интерпретировать. Если бы ЭВМ смогла понимать человеческую речь, то это было бы оптимальным решением проблемы. При первом подходе к данной проблеме необходимо было заменить человеческий голос кодом на клавиатуре, т.е. ввести в схему вычислительной машины распознающее устройство, способное, например, воспринимать десять цифр и простейшие слова, такие как да и нет. Конечная цель состоит в том, чтобы добиться такой диалоговой системы, которая была бы наиболее естественной для человека и представляла бы больше «инициативы» ЭВМ для передачи семантического содержания речи. Эта сложная задача относится к области распознавания речи.

В области телефонной и телеграфной связи также предполагается использование диалога «человек-ЭВМ». Такие случаи, как указание на номер абонента и расчет стоимости (информация о стоимости коммуникации), носят лимитированный характер, поскольку ЭВМ дает лишь типовой ответ. Более сложным является, например, создание автоматического справочного центра, который включает в себя распознающее и синтезирующее устройства.

Речь является наиболее естественной опорой коммуникации. Она представляет собой процесс производства и приема сложного акустического сигнала, посредством которого мысль одного индивида (адресанта) может быть передана и понята другим (адресатом). Простой акт говорения затрагивает такие сложные процессы, которые по сегодняшний день остаются недостаточно понятными. Процесс мышления уподобляется источнику информации. Затем информация кодируется на различных уровнях мозговой деятельности для создания сложного акустического сигнала, передающегося адресату с помощью канала (например, воздушного пространства или телефона). Ухо адресата декодирует этот сигнал и воспроизводит его форму, необходимую для последующей интерпретации.

Усилия, предпринятые в направлении создания успешного диалога «человек-ЭВМ», привели к неоднозначным результатам, поскольку не было достаточной информации в области фонации и артикуляции. Обратились к результатам, основанным на спектральном анализе речевого сигнала. Конечная цель заключается в том, чтобы смоделировать совокупность процессов, принимающих участие в производстве речи, исходным моментом которой является мышление, представляющее собой основной источник информации. На сегодняшний день для окончательного достижения этой цели сведений еще недостаточно.

Видимо, перспективно опираться на моделирование слуховой системы человека. Однако этот процесс еще мало известен, что затрудняет его оптимальное моделирование. Вместе с тем известно, что внутреннее ухо осуществляет предварительный спектральный анализ речевого сигнала непосредственно перед поступлением его в мозг. Так что вполне закономерна опора процедуры узнавания именно на спектральный анализ речевого сигнала.

Эффективность анализа речи зависит от адекватности извлечения искомого типа информации и ее компрессии в потоке речи. Классическим примером применения речевого анализа является цифровая передача речи. В этом случае анализатор должен осуществлять такое сокращение речевой информации, подлежащей передаче, например, которое обеспечивало бы на должном уровне соответствующее ее восстановление при телефонной связи. Все операции по анализу и синтезу при этом должны осуществляться за реальный отрезок времени.

Данные, необходимые для синтеза речи в диалоге «человек-машина», получают с помощью анализа. В целях определения опорной единицы информации (фонемы, дифона, слога и т.д.), которую предполагается использовать для синтеза, выбирают оптимальный исходный речевой материал. Качество синтезированной речи зависит, главным образом, от качества воспроизводства сигнала после анализа. Интерес к использованию единиц, воспроизводство которых ведет к синтетическому сигналу, связан с проблемой запоминания данных.

В основе диалога лежит необходимость распознавания ЭВМ человеческой речи. Можно выделить различные уровни сложности такого применения: узнавание нескольких ключевых слов, узнавание большего словарного запаса (например, машине задается выполнение относительно простых видов работ, таких как модификация картотеки, содержащей данные по состоянию складов какого-либо магазина и т.д.); распознавание обширного словарного запаса в контексте завершенного диалога «человек-машина». В данном случае предусмотрены программированное обучение и прямое программирование ЭВМ. Независимо от применения качество распознавания зависит от качества полученных с помощью анализа параметров. В данной области используется, как правило, спектральный анализ. Первоначальный этап анализа состоит в распознавании различных речевых единиц по параметрам, полученным в ходе анализа акустического сигнала. Согласно гипотезе идентификация подобного рода должна привести к полному распознаванию последовательности фонем в непрерывно звучащей речи. Поскольку результаты данного подхода оказались недостаточными, поиски были переориентированы на ввод в процедуру по распознаванию лингвистических ограничений. В связи с этим активно разрабатывались системы, включающие различные языковые уровни: фонологический, лексический, синтаксический, семантический.

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 Распознавание речевого сигнала

Большинство систем распознавания «работает» на фонемном уровне. Тем не менее, существуют системы, в которых первоначальный анализ проводится на уровне синтаксиса. Поскольку в данных анализа речи содержится слишком много двусмысленностей и искажений, следует прибегнуть к высшим языковым уровням для того, чтобы найти средства по уменьшению неясных моментов акустического уровня.

При применении методов динамического программирования, в основе которых лежит распознавание целых слов, уровень распознавания гораздо выше того, который достигается при фонемном распознавании. Проблема получения оптимальных параметров с помощью спектрального анализа речи не получила ещё своего окончательного решения. Это связано с тем, что некоторые важные параметры при анализе выделяются недостаточно однозначно.

Ранее было отмечено, что мысль, как правило, уподобляется основному источнику информации. Прежде чем эта информация будет передана рецептору, она должна быть закодирована в форме сложной акустической волны. Первый этап обработки на уровне мозга состоит в том, чтобы перевести мысль на язык лингвистических единиц. Второй включает в себя трансформацию этих единиц в нейродвигательные команды, которые подаются мускулам артикулярного аппарата. Под воздействием этих команд мускулы напрягаются и расслабляются, воспроизводя формы и движения, присущие различным артикуляционным органам (языку, губам и т.д.). Третий этап заключается в создании акустического возбуждения в ротовой и носовой полостях. При прохождении воздуха возникает либо вибрация голосовых связок, находящихся в напряженном состоянии, либо шум в месте сужения голосового канала. Из этого вытекает, что среди различных типов параметров, с помощью которых возможно описание речи, самыми близкими к источнику сообщения являются нейродвигательные команды.

В любом случае употребления речи в качестве информационной опоры прибегают к некоторой форме устного сигнала. Цель анализа состоит в извлечении из акустического сигнала небольшого числа постоянных параметров, описывающих некоторые аспекты этого сигнала.

1.2 Достоинства цифровой обработки сигналов

В настоящее время ЦОС все более широко используется в различных радиотехнических устройствах с целью повышения их эффективности. Требуемые алгоритмы ЦОС могут быть реализованы либо на однопроцессорных вычислителях (программным путем), либо на многопроцессорных (аппаратно-программная реализация). Многопроцессорная реализация позволяет обрабатывать процессы с любой заранее заданной полосой частот. При этом реализация алгоритмов ЦОС требует учета особенностей, присущих многопроцессорным системам.

К основным достоинствам ЦОС можно отнести:

возможность реализации различных алгоритмов обработки на однотипной микроэлектронной базе;

возможность длительного накопления слабых сигналов;

стабильность характеристик;

большой динамический диапазон;

высокую точность выполнения арифметических операций;

высокую надежность;

малые веса, габариты;

отсутствие необходимости настройки электрических цепей.

Особенностью ЦОС в РПрУ являются обязательная дискретизация аналогового сигнала во времени, квантование значений и преобразование дискретных выборок в числа при помощи аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Преобразованию может подвергаться как сигнал целиком, так и его отдельные параметры, необходимые для выделения заложенной в сигнале информации. Далее все операции производятся над полученными в результате преобразования числами.

В то же время для нормальной работы современных АЦП необходимо наличие сигнала на его входе в пределах нескольких вольт. Следовательно, ЦОС требует предварительного аналогового усиления сигналов, что в общем является недостатком.

1.3 Выбор частоты дискретизации

В соответствие с теоремой Котельникова, если наивысшая частота в спектре функции меньше, чем , то функция полностью определяется последовательностью своих мгновенных значений, взятых через интервалы .

Для колебаний речевого сигнала можно считать, что ширина спектра и, следовательно, частота дискретизации равна:

Речевые сигналы лежат в области низких частот, и, как показывают опыты, обычно не превышает. Исходя из этого, получаем, что частота дискретизации равна:

Большую частоту дискретизации брать нецелесообразно из-за увеличения времени обработки информации.

1.4 Выбор разрядности АЦП

Определим разрядность АЦП по известному диапазону входных сигналов . Связь динамического диапазона входного сигнала с разрядностью преобразователя R определяется выражением:

где ]x[ означает ближайшее целое, не меньшее x, а число децибел динамического диапазона, приходящихся на один разряд АЦП, равно:

Отсюда находим разрядность АЦП без учета знакового разряда:

С учетом знакового разряда, общее количество разрядов АЦП будет:

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ БЛОКА ВЫДЕЛЕНИЯ ОГИБАЮЩЕЙ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА

2.1 Расчет импульсной характеристики

Рассмотрим связь между огибающей, фазой и частотой узкополосного сигнала

(1)

При такой форме записи возникает неопределенность в выборе функций и , так как всегда можно удовлетворить выражению (1) при любой функции соответствующим выбором . Можно показать, что нерациональный выбор аргумента приводит к тому, что перестает быть огибающей в общепринятом смысле, так как она может «пересекать» .

Неопределенности можно избежать, если представить функции и в форме следующих соотношений

где - функция, сопряженная по Гильберту функции .

Итак, обозначим через последовательность, а через - ее преобразование Фурье. Запишем в виде

где и - действительные последовательности.

Другим представлением s(n) является представление через амплитуду и фазу, т.е.

где - огибающая последовательности s(n),

- ее фаза.

Пусть является преобразованием Фурье от - мнимой части , а - преобразование Фурье от - действительной части. и можно связать непосредственно

или , (2)

где (3)

Согласно (2) может быть получено из путем пропускания через дискретную систему с частотной характеристикой , определяемой (3). Эта частотная характеристика имеет единичную амплитуду и фазовый угол, равный для и для . Такая система часто называется фазовращателем на или преобразователем Гильберта. Из выражения (2) следует, что

Импульсная характеристика h(n) фазовращателя, соответствующая частотной характеристике , определяемой из (3), имеет вид

Из тригонометрии известно

Используя эту формулу, получим окончательное выражение

(4)

Рассчитанная по этой формуле импульсная характеристика для представлена на рисунке 1

Рисунок 1 - Импульсная характеристика преобразователя Гильберта

Таблица 1 - Значения отсчетов импульсной характеристики

n
h(n)		0		0		0
n
h(n)	0		0		0

2.2 Определение коэффициента передачи

Импульсная характеристика цифрового фильтра практически полностью определяет его структуру. Зная импульсную характеристику, получим разностное уравнение, которое будет иметь вид:

где - импульсная характеристика дискретной линейной системы.

Тогда разностное уравнение для усеченной импульсной характеристики примет вид:

где - коэффициенты, указанные в таблице 2.

Таблица 2 - Значения коэффициентов


-0,049	-0,058	-0,071	-0,091	-0,127	-0,212	-0,637

0,637	0,212	0,127	0,091	0,071	0,058	0,049

При математическом описании дискретных последовательностей, а также дискретных цепей большую роль играет функция . Изображения по Лапласу временных процессов, а также передаточные функции цепей, в которые входит , оказываются трансцендентными функциями , что существенно затрудняет анализ. Его можно упростить при переходе к новой переменной , связанной с соотношением:

где . При такой замене, указанные функции от преобразуются в рациональные функции от переменной , благодаря чему упрощается представление на плоскости .

Из (4) видно, что - преобразование от сходится только на единичной окружности. Действительно, из-за наличия разрыва в мнимой части ряд

(5)

сходится к (3) только в среднеквадратическом. Поэтому идеальный гильбертов преобразователь или фазовращатель на является теоретическим понятием, соответствующим физически нереализуемой системе, у которой передаточная функция существует только в ограниченном смысле.

Получим выражение для коэффициента передачи нашего устройства с помощью метода - преобразования.

Отсюда, определим зависимость

График зависимости представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Модуль коэффициента передачи преобразователя Гильберта

Использование усеченной импульсной характеристики приводит к явлению Гиббса в частотной области, заключающееся в том, что имеют место выбросы на краях полосы пропускания (задерживания) фильтра, составляющие, как видно из графика на рисунке 2, примерно 18% вверх и 10% вниз от установившегося значения.

Значения модуля коэффициента передачи преобразователя Гильберта приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Численные значения

0	0,8	1,168	1,095	0,925	0,923	1,034	1,067
0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7
0,991	0,943	0,99	1,048	1,024	0,963	0,966	1,025
0,8	0,9	1	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5
1,041	0,989	0,954	0,996	1,048	1,021	0,953	0,96
1,6	1,7	1,8	1,9	2	2,1	2,2	2,3
1,042	1,064	0,968	0,9	1,014	1,175	1,018	0,364
2,4	2,5	2,6	2,7	2,8	2,9	3	3,1

2.3 Описание работы преобразователя Гильберта

Рисунок 3 - Структурная схема преобразователя Гильберта

Из проведенных расчетов видно, что наш преобразователь Гильберта представляет собой нерекурсивный КИХ-фильтр. Структурная схема преобразователя Гильберта приведена на рисунке 3.

Устройство работает следующим образом. Речевой сигнал преобразуется с помощью микрофона в электромагнитные колебания, которые с микрофона поступают на фильтр нижних частот. С ФНЧ сигнал подается на аналого-цифровой преобразователь, в котором он дискретизируется по времени в соответствии с теоремой Котельникова. На выходе АЦП образуется последовательность отсчетов . Далее осуществляется задержка сигнала с умножением на весовые коэффициенты. Эти коэффициенты представляют собой значения импульсной характеристики КИХ-фильтра. Задержанные отсчеты сигнала подаются на сумматор. В результате на выходе получаем Re , опережающую по фазе Im на /2. Re и Im представляют собой квадратурные составляющие, которые затем поступают в блок определения огибающей сигнала.

Реально невозможно выполнить устройство по структурной схеме, представленной на рисунке 3, так как для этого потребуется сумматор, имеющий 14 входов. Поэтому структурная схема блока выделения огибающей речевого сигнала примет вид, как показано на рисунке 4.

3. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ БЛОКА ВЫДЕЛЕНИЯ ОГИБАЮЩЕЙ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА

Функциональная схема всего нашего устройства представлена на рис.6. Работает данное устройство следующим образом. Входной сигнал с микрофона поступает на фильтр нижних частот (FL) и далее на аналого-цифровой преобразователь (A / D). Управление АЦП осуществляется от управляющего автомата (COU) таким образом, чтобы работа всего устройства была синхронной. Импульс запуска на АЦП подается через время Т. Таким образом осуществляется преобразование аналогового сигнала в параллельный код. С учетом выбранной разрядности, за интервал времени Т в блоке преобразования (P/S) должно произойти преобразование параллельного кода в последовательный. Преобразование параллельного кода в последовательный производится за один такт работы АЦП, а следовательно, частота поступления отдельных разрядов последовательного кода должна быть осуществлена с частотой в соответствующее число раз большей. Информация в виде знакоразрядных кодов поступает на первую цифровую комплексную ячейку (U1), общее число которых в ЦФ равно тринадцати. Все ЦКЯ соединены последовательно. Выход последней ячейки соединен с блоком определения амплитуды (CP), который вычисляет результирующий отклик обработанных отсчетов. Одновременно цифровой сигнал поступает через устройство ввода-вывода (COIO) на вход персональной ЭВМ (CPU). Коэффициенты, определяющие характеристики всего фильтра, поступают из ЭВМ через устройство ввода-вывода в устройство выбора регистра ЦКЯ (SERG), которое направляет их в параллельном виде в соответствующую ячейку памяти, выполненную на регистрах. Через каждый интервал времени Т, после прихода сигнала из управляющего автомата (COU), из регистра (RG) считывается информация о весовых коэффициентах в параллельных кодах. Эти коды преобразуются в преобразователе кода (S/Z) в последовательные знакоразрядные и поступают в соответствующую ячейку старшими разрядами вперед. Схема ввода-вывода коэффициентов из ЭВМ соединяется с управляющим автоматом, что позволяет при перестройке параметров фильтра осуществлять команду «Сброс» как автоматически, так и вручную (RES). Функциональная схема устройства представлена на рисунке 5.

SERG - схема выбора регистра ЦКЯ

RGM - регистры хранения коэффициентов

GSUM - синхрогенератор

4 РАСЧЕТ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ БЛОКА ВЫДЕЛЕНИЯ ОГИБАЮЩЕЙ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА

4.1 Выбор микросхем и описание их функций

Для непосредственного проектирования преобразователя Гильберта необходимы функциональные узлы, выполняющие три основные операции: задержку информации, умножение и сложение. Эти узлы можно эффективно реализовать на БИС сдвиговых регистров К1815ИР1 (задержка, запоминание), БИС весового суммирования К1815ВФ1 (умножение) и БИС многовходового сумматора К1815ИМ1 (сложение).

Рассмотрим работу микросхемы К1815ВФ1. БИС процессорного элемента выполняет перемножение двух пар 8-разрядных чисел и суммирование полученных произведений:

(6)

где , , , - 8-разрядные операнды, непрерывно поступающие на входы БИС. Числа представлены в последовательно-параллельном коде. Они поступают на входы БИС по два разряда в такте младшими разрядами вперед.

В БИС также предусмотрена возможность структурной перестройки для обработки 16-разрядных операндов.

При реализации цифровых фильтров параллельными методами возникает необходимость умножать непрерывно поступающие данные на постоянный множитель (коэффициент), который хранится в памяти. Чтобы уменьшить число обращений к основной памяти коэффициентов, в этом случае оказывается целесообразным использовать локальную память перемножителя для хранения постоянного коэффициента. В связи с этим в БИС К1815ВФ1 введен режим хранения операндов А, который позволяет в определенный момент времени прекратить прием новых значений операндов А в рабочие регистры БИС, а умножение поступающих операндов В производить на последнее значение операнда А, загруженное до перехода в режим хранения.

Очевидно, что в качестве операндов А целесообразно подавать на входы микросхемы значения отсчетов импульсной характеристики h(n), а в качестве операндов В - значения отсчетов входного сигнала.

Таким образом, из общего алгоритма работы БИС можно выделить пять основных частей:

1) Вычисление произведений двух чисел, представленных в прямом последовательном коде.

2) Определение знака вычисленного произведения.

3) Преобразование прямого кода в дополнительный.

4) Вычисление суммы двух чисел, представленных дополнительным кодом.

5) Нормализация (масштабирование) результата.

На рисунке 6 представлена упрощенная функциональная схема БИС К1815ВФ1. Для получения одного отсчета на выходе преобразователя Гильберта требуется произвести 14 умножений. Именно столько значащих значений имеет импульсная характеристика. Из рисунка 6 видно, что для этого потребуется семь микросхем К1815ВФ1.

Рисунок 6 - Упрощенная функциональная схема БИС К1815ВФ1

Для реализации задержки отсчетов воспользуемся микросхемой ортогональной регистровой памяти (ОРП) К1815ИР1. БИС ОРП предназначена для приема, хранения и выдачи данных в двоичном коде разрядностью 8 или 4 бита. Структурная схема БИС представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Структурная схема БИС ОРП К1815ИР1

БИС содержит регулярный массив из 32 запоминающих ячеек, организованных в прямоугольную матрицу размером 4Х8. Запоминающие ячейки построены на основе D-триггеров, которые срабатывают по фронту синхросигнала SYN. При высоком уровне сигнала MO информация принимается со входов D1. При низком уровне - с входов D2. Соответственно при MO=1 происходит прием 4-битовых слов данных с входов D1 БИС ОРП, горизонтальный (слева направо) сдвиг принятых ранее 4-битовых слов и их выдача на выходы DO2. Легко видеть, что при MO=1 запоминающие ячейки объединяют в четыре 8-битовых регистра, поэтому принятые данные поступают на выходы через 8 тактов после записи их в первый слева столбец матрицы ячеек. Аналогичным образом при MO=0 происходит прием 8-битовых слов данных со входов D2, сдвиг принятой ранее информации и ее выдача на выходы DO1. В этом случае микросхема имеет конфигурацию «восемь 4-битовых сдвиговых регистров».

Именно с помощью последней конфигурации лучше всего реализовать задержку отсчетов, представленных в последовательно-параллельном коде. Для организации линии задержки с отводами следует выходы DO1.1 и DO1.2 соединить с входами D2.3, D2.4 соответственно. Выходы DO1.3 и DO1.4 соединить с входами D2.5 и D2.6 и т.д. Последовательно-параллельный код подавать на входы D2.1, D2.2 (вход линии задержки). На входах DO1 будут появляться значения задержанных отсчетов, которые можно подавать для дальнейшей обработки на микросхему весового суммирования.

Очевидно, что на одной БИС ОРП К1815ИР1 можно реализовать четыре элемента задержки на один интервал дискретизации отсчетов, представленных в 8-разрядном последовательно-параллельном коде.

Реально разрабатываемый преобразователь Гильберта имеет 26-й порядок, следовательно необходимо 26 элементов задержки. Это значит, что потребуется семь микросхем ОРП К1815ИР1.

Для реализации сумматора произведений, поступающих с выходов БИС К1815ВФ1 можно использовать БИС восьмивходового сумматора К1815ИМ1

Микросхема предназначена для суммирования восьми двоичных чисел неограниченной разрядности, представленных в последовательно-параллельном (по 2 бита) дополнительном модифицированном коде.

Для сохранения точности вычислений необходимо использовать два сумматора, работающих параллельно. На выходе одного из них формируются отсчеты выходного сигнала для моментов времени , на выходе другого - для моментов времени .

Таким образом, для реализации проектируемого цифрового фильтра необходимо две БИС К1815ИМ1.

Память коэффициентов импульсной характеристики преобразователя Гильберта легко организовать с помощью программируемого ПЗУ.

Необходимо отметить, что процесс вычислений в БИС занимает некоторое время. Поэтому сигнал на выходе появляется с дополнительной задержкой. Для сохранения постоянного сдвига фазы между составляющими и в сигнал , задержанный на 13 тактов, необходимо внести дополнительную задержку. Величина дополнительной задержки равна сумме задержек в БИС К1815ВФ1 и сумматоре К1815ИМ1. Задержка в БИС весового суммирования составляет 10 периодов синхросигнала, в сумматоре - 8 периодов. Дополнительная задержка организована с помощью БИС К1815ИР1 и регистров микросхемы 530ИР12.

4.2 Назначение выводов БИС ВС К1815ВФ1

БИС весового суммирования К1815ВФ1 конструктивно помещена в корпус 4131.24-3, имеющий 24 вывода. Графическое обозначение БИС представлено на рисунке 8.

Рисунок 8 - Графическое обозначение БИС К1815ВФ1

Функциональное назначение выводов БИС можно определить по таблице 4.

Таблица 4 - Назначение выводов БИС К1815ВФ1

Обозначение вывода	Номер контакта	Назначение вывода
D1.0, D1.1 D2.0, D2.1 D3.0, D3.1 D4.0, D4.1	19, 21 16, 17 23, 22 15, 14	2-разрядная параллельная шина последовательных данных
DO1 DO2	3, 2 10, 11	Выходная шина данных
	24	Напряжение питания (+5В)
	18	Напряжение питания (+3В)
GND	1, 12, 20	Общий (0В)
MO1	9	Вход «выбор режима работы»
MO2	13	Вход «выбор режима хранения»
SYN	4	Вход синхронизации
CSI	5	Вход сигнала сопровождения знака
SR	7	Вход сигнала общего сброса регистров

Работа микросхемы синхронизируется двумя внешними синхросигналами SYN и CSI. Запись в регистры БИС осуществляется передними фронтами синхросигнала SYN. Синхросигнал SCI подается вместе с синхросигналом SYN одновременно с поступлением на входные магистрали знаков операндов.

Работа БИС начинается с подачи сигнала SR, который устанавливает БИС в начальное состояние. После прихода первого импульса синхросигнала SCI необходимо подавать операнды для выполнения операции. Для выполнения операции (6) зададим MO=0.

После загрузки операндов А, которыми являются коэффициенты импульсной характеристики, хранящиеся в ПЗУ, входные регистры БИС можно перевести в режим хранения операндов А, подав на вход MO2 уровень 1.

Определим частоту синхросигнала SYN:

Частота синхросигнала SCI равна частоте дискретизации.

БИС К1815ВФ1 потребляет мощность 1275 мВт.

4.3 Назначение выводов БИС ОРП К1815ИР1

БИС ортогональной регистровой памяти К1815ИР1 размещена в 28-выводном металлокерамическом корпусе типа 4119.28-1 с планарным расположением выводов. Графическое обозначение БИС представлено на рисунке 9.

Рисунок 9 - Графическое обозначение БИС К1815ИР1

Функциональное назначение выводов БИС ОРП сведено в таблицу 5.

Таблица 5 - Назначение выводов БИС К1815ИР1

Обозначение вывода	Номер контакта	Назначение вывода
D1	26, 27, 1, 2	Входная параллельная шина последовательных данных
D2	18-25	Входная параллельная шина ортогональных данных
DO1	3-10	Выходная параллельная шина ортогональных данных
DO2	11, 12, 13, 14	Выходная параллельная шина последовательных данных
MO	17	Вход управления приемом информации
SYN	16	Вход синхронизации
	28	Питание (+5В)
GND	14	Общий (0В)

Мощность, потребляемая БИС К1815ИР1 составляет 990 мВт.

На вход MO следует подавать низкий уровень напряжения (MO=0) для того, чтобы обеспечить конфигурацию «восемь 4-битовых сдвиговых регистров». Входы D1 и выходы DO2 при реализации преобразователя Гильберта не используются, поэтому на принципиальной схеме их можно не указывать.

4.4 Назначение выводов БИС сумматора К1815ИМ1

БИС восьмивходового сумматора размещена в 24-выводном металлокерамическом корпусе типа 4118.24-3. Графическое обозначение микросхемы показано на рис.11. Функциональное назначение входных и выходных информационных выводов, а также их номера можно определить по рисунку 10 и таблице 6.

Таблица 6 - Назначение выводов БИС сумматора К1815ИМ1

Обозначение вывода	Номер контакта	Назначение вывода
MO	18	Вход выбора режима работы
CO	7	Вход сигнала «конец слова»
SYN	6	Вход синхронизации работы БИС
	24	Напряжение питания (+5В)
GND	1, 12	Общий (0В)

Управляющий сигнал, подаваемый на вход MO управляет режимом работы сумматора. В нашем случае следует задавать MO=0. Сигнал «конец слова» подается на вход CO одновременно с приходом на входы D пары старших знаковых разрядов. Сигнал CO может быть получен задержкой сигнала SCI.

БИС сумматора потребляет мощность 770 мВт.

Рисунок 10 - Графическое обозначение БИС К1815ИМ1

4.5 Требования к источнику питания

Согласно данным, изложенным в пунктах 4.2 - 4.4, блок питания должен вырабатывать два напряжения питания: +3В и +5В. Напряжение питания +3В необходимо только для работы микросхемы К1815ВФ1. Одна такая микросхема потребляет не более 300 мА тока от источника +3В. Следовательно, ток потребления преобразователя Гильберта от источника +3В составит

От источника +5В микросхема К1815ВФ1 потребляет не более 60 мА, микросхема К1815ИР1 - не более 180 мА, микросхема К1815ИМ1 - не более 180 мА. Суммарный ток потребления от источника +5В составляет:

Таким образом, источники питания должны обеспечивать ток, равный 2,1 А.

Суммарная мощность, потребляемая БИС, составляет:

Схема электрическая принципиальная цифрового преобразователя Гильберта, составленная на основании вышеизложенной информации и функциональной схемы приведена в разделе Приложение Б.

5. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ БЛОКА ВЫДЕЛЕНИЯ ОГИБАЮЩЕЙ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА

цифровой сигнал питание преобразователь

Применение печатных плат создает предпосылки для механизации и автоматизации процессов сборки радиоэлектронной аппаратуры, повышает ее надежность, обеспечивает повторяемость параметров монтажа (емкость, индуктивность) от образца к образцу.

Простейшим элементом любой печатной платы является печатный проводник - участок токопроводящего покрытия, нанесенного на изоляционном основании. Характерной особенностью печатного проводника является то, что его ширина значительно больше толщины.

Система печатных проводников, обеспечивающая возможность электрического соединения элементов схемы, которые впоследствии будут установлены на печатную плату, а также экранирование отдельных проводников, образует печатный монтаж. Изоляционное основание с нанесенным на него печатным монтажем образует печатную плату.

Иногда непосредственно на печатной плате, используя технологические процессы нанесения токопроводящего или изоляционного покрытия, получают отдельные электрорадиоэлементы - катушки индуктивности, контакты разъемов и переключателей и др. Такие элементы также называют печатными. Система печатных проводников и печатных электрорадиоэлементов, нанесенных на изоляционное основание, образует печатную схему.

По конструкции печатные платы делятся на однослойные и многослойные. Однослойные печатные платы всегда имеют один изоляционный слой, на котором находятся печатные проводники. Если они расположены на одной стороне изоляционного основания, то такую плату называют односторонней, если на двух сторонах - то двусторонней. Многослойная печатная плата состоит из нескольких печатных слоев, изолированных склеивающими прокладками.

Для изготовления печатных плат используют фольгированный и нефольгированный листовые диэлектрики. Исходными для изготовления фольгированных диэлектриков могут быть бумага и стеклоткань, пропитанные синтетическими смолами, или полимерные пленки из лавсана, фторопласта и др. на поверхность этих материалов приклеивается металлическая фольга. Нефольгированные материалы изготавливаются из тех же компонентов. При изготовлении печатной платы на нефольгированном материале проводящий рисунок формируют осаждением металла из растворов или приклеиванием вырубленных из фольги элементов проводящего рисунка.

Процесс изготовления изоляционной платы с печатным монтажем состоит из двух основных операций.

1) Создание изображения печатных проводников (копированием изображения с негатива на светочувствительный слой, печатанием изображения защитной краской через сетчатый трафарет или с помощью офсетной формы).

2) Создание токопроводящего слоя на изоляционном основании.

Широкое распространение получили следующие способы создания токопроводящего слоя.

1) Химический, при котором производится вытравливание незащищенных участков фольги, предварительно наклеенной на диэлектрик.

2) Электрохимический, при котором методом химического осаждения создается слой металла толщиной 1..2 мкм, наращиваемый затем гальваническим способом до нужной толщины. При электрохимическом способе одновременно с проводниками металлизируют стенки отверстий, которые можно использовать как перемычки для соединения проводников, расположенных на разных сторонах платы.

3) Комбинированный метод, сущность которого состоит в сочетании химического и электрохимического методов. При использовании комбинированного метода проводники получают травлением фольги, а металлизированные отверстия - электрохимическим методом.

Для изготовления печатных плат наиболее широко используют комбинированный и химический методы. Химический метод обеспечивает большую производительность, но позволяет получить фольгу, расположенную только на одной стороне печатной платы. Естественно, что при этом не может быть получена высокая плотность монтажа. Кроме того, он не может обеспечить такую же высокую надежность пайки, какую дают платы с металлизированными отверстиями, изготовленные комбинированным методом. Поэтому химический метод используется для получения односторонних печатных плат бытовой аппаратуры. Комбинированный метод используют для получения одно- и двусторонних печатных плат в аппаратуре, к которой предъявляются более жесткие требования по надежности.

Процесс разработки чертежа печатной платы складывается из следующих операций.

1) Компоновка печатной платы, в процессе которой находят оптимальное размещение навесных элементов на печатной плате. Компоновку обычно выполняют с помощью шаблонов устанавливаемых на плате элементов, изготовленных из бумаги или другого материала. Шаблоны выполняют в том же масштабе, в котором оформляется чертеж печатной платы. Эти шаблоны размещают на листе бумаги или другого материала с нанесенной координатной сеткой и ищут такое расположение деталей, при котором длина соединяющих их проводников минимальна. В результате компоновки находят положение контактных площадок для подключения всех элементов.

2) Разводка печатных проводников - «трассировка». Цель этой операции - провести проводники, соединяющие контактные площадки так, чтобы они имели минимальную длину и минимальное число переходов на другие слои с целью устранения пересечений.

3) Оформление чертежа с соблюдением требований стандарта.

Первые два процесса - компоновка и разводка - неразрывно связаны между собой, так как иногда в процессе разводки конструктор обнаруживает, что компоновку нужно изменить. На выполнение этих двух процессов при разработке сложных плат затрачивается много времени. Поэтому в последнее время при разработке сложных многослойных печатных плат применяют машинное проектирование с помощью ЭВМ.

Печатная плата блока выделения огибающей речевого сигнала изготавливается двусторонней, с гальваническим соединением проводящих слоев. Двусторонняя печатная плата с гальваническим соединением проводящих слоев в настоящее время является самой распространенной конструкцией. Она позволяет обеспечить наибольшую по сравнению с другими типами двусторонних печатных плат плотность размещения электрорадиоэлементов при высокой надежности соединений. Толщина печатной платы определяется исходным материалом, используемой элементной базой и воздействующими механическими нагрузками. Предпочтительными значениями толщин печатных плат являются 0,8; 1; 1,5; 2 мм. Толщина печатной платы должна быть увязана с диаметрами применяемых металлизированных отверстий (для качественной металлизации отношение диаметра металлизированного отверстия к толщине платы должно быть более 0,33).

Подходящим материалом для изготовления печатной платы используемого типа является фольгированный стеклотекстолит марки СФ-1-35. Толщина фольги стеклотекстолита этого типа составляет 35 мкм, при толщине материала с фольгой равной 1,5 мм. Плата изготавливается комбинированным методом.

Размещение элементов конструкции печатной платы регламентируется условной координатной сеткой из двух взаимно перпендикулярных систем параллельных линий, расположенных на одинаковом (2,5 или 1,25) расстоянии друг от друга. Две взаимно перпендикулярные линии координатной сетки с точкой пересечения в левом нижнем углу чертежа платы используют как оси координат, а точку их пересечения (узел координатной сетки) - как начало или базу координат.

Стороны печатной платы размещают на чертеже таким образом, чтобы они совпадали с линиями координатной сетки. Центры монтажных отверстий и контактных площадок под выводы навесных электрорадиоэлементов располагают в узлах координатной сетки. Номинальные значения диаметров монтажных отверстий d рассчитываются по формуле:

d = dэ+d н.о.+ r,

где dэ - максимальный диаметр вывода устанавливаемого электрорадиоэлемента; d н.о. - нижнее предельное отклонение от номинального диаметра монтажного отверстия; r - разница между минимальным диаметром отверстия и максимальным диаметром устанавливаемого вывода (исходя из условий пайки, выбирают в пределах 0,1… 0,4 мм).

Чертеж печатной платы блока выделения огибающей речевого сигнала приведен в разделе Приложение В.

6. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЕКТА

6.1 Обоснование экономической целесообразности разработки

В настоящее время активно разрабатываются различные устройства распознавания речи. Эти устройства реализуются как в «железе», так и программным путем для работы с ЭВМ. Острая необходимость в подобных разработках возникла в связи с огромным потенциалом в области применения данных устройств и возможности их реализации, благодаря бурному развитию цифровой техники в последние годы.

Устройства распознавания речи могут применяться в самых различных сферах нашей деятельности, причем как в военной, так и в гражданской областях. Например, применение подобных устройств, реализованных программным путем, позволяет значительно ускорить работу пользователя ЭВМ, сделать работу с ЭВМ более доступной и приятной. Однако их применение не ограничивается только домом или офисом. Немаловажное значение приобретает установка устройств распознавания речи, например, в автомобилях. Это позволит водителю выполнять целый ряд второстепенных операций командами голосом, не отвлекаясь от дороги. Еще более актуальна установка таких систем на современных боевых самолетах, ведь перегрузки, которым подвергаются летчики доходят до 9g. В результате этого управление самолетом и его системами требует значительных физических усилий. Поэтому целесообразно осуществлять управление некоторыми самолетными системами голосом. Это позволит повысить боевую эффективность и, возможно, спасти жизнь пилоту.

Разработка устройств распознавания речи ведется как у нас в стране, так и за рубежом. Анализируя рыночную ситуацию можно отметить, что в настоящее время подобная продукция, имеющаяся на нашем рынке - в основном зарубежного производства. Это относится как к программным продуктам, так и к отдельным устройствам. Они имеют достаточно неплохие характеристики, но обладают и серьезными недостатками:

- зарубежная элементная база, что усложняет эксплуатацию и ремонт;

- высокая цена.

6.2 Экономическое обоснование используемой элементной базы

При разработке системы были поставлены жесткие требования по следующим характеристикам:

- динамический диапазон;

- диапазон частот;

- габариты;

- частота дискретизации;

- максимальная масса изделия;

- потребляемая мощность.

Ввиду того, что кроме вышеперечисленных параметров одним из основных является параметр безотказной работы - надежность, для предотвращения отказов, вызванных дефектами производства элементов, ввиду небольшого количества последних, рекомендуется непосредственно перед установкой (полной) проверять по возможности элементы на соответствие номинала. Для уменьшения массогабаритных показателей системы рекомендуется использовать ИМ отечественного производства, исчерпывающая информация о характеристиках которых доступна во многих справочниках. Кроме того ИМ отечественного производства отличаются заметной дешевизной по сравнению с зарубежными аналогами.

6.3 Выбор аналога

Поскольку в задачу дипломного проекта не входит детальная проработка всего анализатора признаков речевых сигналов, а лишь отдельного блока, представляющего собой преобразователь Гильберта, то в качестве аналога этого блока может быть принят некоторый преобразователь Гильберта. Однако, как известно из теории, огибающую можно выделить только для узкополосного сигнала. До настоящего времени в мире отсутствовала информация о применении преобразователя Гильберта для обработки речевых сигналов. В дипломном проекте впервые применен преобразователь Гильберта для обработки речевого сигнала, лежащего в диапазоне f=300..3400Гц. Полученные экспериментальным путем предварительные результаты показали принципиальную возможность такого подхода.

6.4 Расчет затрат на техническую подготовку производства

Затраты на техническую подготовку производства - это затраты связанные с проектированием и разработкой устройства. Они включают:

- зарплату разработчика (основную, дополнительную, а также отчисления на социальные нужды);

- материальные затраты на производство образца;

- накладные расходы.

6.4.1 Расчет заработной платы разработчика

Часовая ставка исполнителя (условно обозначим буквой ) рассчитывается по формуле , где

110 - тарифная ставка первого разряда;

169,2 - часовой фонд за месяц;

- коэффициент, зависящий от ученой степени исполнителя

(для профессора , для инженера ).

Таблица 7 - Расчет основной заработной платы

Этапы разработки	Исполнитель	Трудоемкость, норма/час.	Часовая ставка, руб/час.	Зарплата, руб.
Составление технического задания	профессор	10	4,34	43,4
Анализ технического задания	инженер	50	2,39	119,5
Разработка функциональной схемы	инженер	50	2,39	119,5
Разработка принципиальной схемы	инженер	50	2,39	119,5
Разработка конструкции	инженер	90	2,39	215,1
Экспериментальное исследование	инженер	140	2,39	334,6
Экономический анализ проекта	инженер	40	2,39	95,6
Безопасность и экологичность проекта	инженер	40	2,39	95,6
Приложение	инженер	40	2,39	95,6

Дополнительная заработная плата берется в размере 8..20% от основной.

Примем ее равной 10% от основной.

Отчисления на социальные нужды составляют 38,5% от суммы основной и дополнительной заработных плат.

Основная заработная плата 1195 руб. 00 к.

Дополнительная заработная плата 119 руб. 50 к

Отчисления на социальные нужды 506 руб. 08 к.

Всего 1820 руб. 58 к.

6.4.2 Расчет материальных затрат

Таблица 8 - Расчет затрат на сырье и основные материалы

Наименование материала	Единица измерения	Расходы на изделие	Цена за единицу, руб.	Сумма, руб.
Сталь Ст.3	кг	0,5	6	3
Стеклотекстолит фальгированный СФ-2	кг	0,2	50	10
Припой ПОС-61	г	20	0,1	2
Хлорное железо	кг	0,1	100	10

Транспортно-заготовительные расходы составляют от 3 до 5% от расходов на материалы. Примем их равными 5% от расходов на материалы.

Итого затраты на сырье и основные материалы 25 руб. 00 к.

Транспортно-заготовительные расходы 5% 1 руб. 25 к.

Всего 26 руб. 25 к.

Таблица 9 - Расчет затрат на комплектующие изделия

Наименование	Единица измерения	Количество на одно изделие	Цена за единицу, руб.	Сумма затрат на одно изделие, руб.
Микросхемы
К1815ИР1	шт.	7	6	42
К1815ВФ1	шт.	7	7	49
К1815ИМ1	шт.	2	10	20
530ИР12	шт.	1	5	5

Затраты на комплектующие изделия 116 руб. 00 к.

Транспортно-заготовительные расходы 5 руб. 80 к.

Всего 121 руб. 80 к.

6.4.3 Накладные расходы

Накладные расходы составляют 200..250% от основной заработной платы. Примем их равными 200% от основной заработной платы.

Накладные расходы составят 2390 руб. 00 к.

Таблица 10 - Затраты на техническую подготовку к производству

Наименование	Сумма, руб.
Заработная плата разработчика Затраты на сырье и основные материалы Затраты на комплектующие изделия Накладные расходы	1820,58 26,25 121,8 2390
Итого	4358,63

Таким образом, затраты на техническую подготовку к производству составляют 4458 руб. 63 к.

6.5 Расчет себестоимости и цены изделия

Себестоимость это затраты на производство и реализацию продукции. Она рассчитывается по следующим статьям.

6.5.1 Калькуляция себестоимости

1 Основные и вспомогательные материалы 26 руб. 25 к.

2 Покупные комплектующие изделия 121 руб. 80 к.

Таблица 11 - Основная заработная плата производственных рабочих

Наименование операции	Разряд	Трудоемкость, норма/час.	Часовая тарифная ставка, руб.	Заработная плата
Фотографическая	6	1	1,36	1,36
Гальваническая	4	1	1,17	1,17
Токарная	6	0,5	1,36	0,68
Фрезерная	6	0,1	1,36	0,13
Штамповочная	4	0,1	1,17	0,12
Сборочная	4	1	1,17	1,17
Монтажная	4	2	1,17	2,34
Регулировочная	5	4	1,23	4,92

3 Основная заработная плата производственных рабочих11 руб. 89 к.

4 Дополнительная заработная плата производственных рабочих

(10% от основной заработной платы) 1 руб. 19 к.

5 Отчисления на социальные нужды (38,5% от суммы основной

и дополнительной заработных плат) 5 руб. 40 к.

6 Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования

(160% от 3-ей статьи) 19 руб. 02 к.

7 Цеховые расходы (160% от 3-ей статьи) 19 руб. 02 к.

8 Общезаводские расходы (100% от 3-ей статьи) 11 руб. 89 к.

Производственная себестоимость 216 руб. 46 к.

Внепроизводственные расходы (2% от производственной

себестоимости) 4 руб. 33 к.

Полная себестоимость 220 руб. 79 к.

Таким образом, затраты на производство составляют 220 руб. 79 к.

6.5.2 Расчет цены изделия

Рассчитаем оптовую цену на изделие по формуле

Цопт = Сп + Пн + Н ,

где Сп полная себестоимость;

Пн норма прибыли (30% от полной себестоимости);

Н налог на добавленную стоимость (20% от суммы полной себестоимости и ожидаемой прибыли).

Цопт = 220,79 + 66,24 + 57,41 = 344,44 (руб.)

Рассчитаем розничную цену на изделие по формуле

Цроз= Цопт + Нпр ,

где Нпр - налог с продаж (5% от оптовой цены).

Цроз= 344,44 + 17,22 = 361,66 (руб.)

6.6 Расчет прибыли завода изготовителя

Прибыль от реализации рассчитывается по формуле

Пор = (Цбн Сп) N,

где Цбн цена изделия без НДС;

N количество выпускаемых изделий в год (500 штук).

Пор = (287,03 220,79)500 = 33120 (руб.)

6.7 Выводы

В ходе проделанной работы была обоснована экономическая целесообразность проекта с учетом выбора элементной базы разрабатываемого изделия. Теоретические предположения были подкреплены соответствующими расчетами. На основе результатов расчетов были составлены таблицы. Из таблиц видно, что затраты на техническую подготовку к производству, включающие в себя заработную плату разработчиков, материальные затраты на производство образца и накладные расходы, полностью окупают себя уже на первый год производства изделия. Это является подтверждением правильности сделанных ранее предположений.

7. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА

7.1 Системный анализ безопасности и надежности при эксплуатации блока выделения огибающей речевого сигнала

Проектируемое устройство входит в состав анализатора информационных признаков речевых сигналов, предназначенного для использования в системе распознавания речи. Так как данный дипломный проект является комплексным, то проектируемый блок входит в состав анализатора информационных признаков речевых сигналов вместе с блоком выделения количества звуков в слове.

Проектируемый блок является цифровым устройством, т.е. он выполнен на цифровой элементной базе. В состав проектируемого блока входят: линия задержки сигнала, реализованная на БИС К1815ИР1 и ИС 530ИР12, умножители, построенные на БИС К1815ВФ, и сумматор на БИС К1815ИМ1. Состав и функциональное назначение узлов, входящих в проектируемый блок, подробно рассмотрено в разделах 3 и 4 данного дипломного проекта.

Произведем системный анализ безопасности и надежности при эксплуатации проектируемого блока. Целью системного анализа является выяснение всех возможных отказов и несрабатываний данного блока при его эксплуатации.

Рассмотрим подробно все возможные отказы в работе проектируемого блока. В качестве головного события, происхождение которого наиболее нежелательно, выбираем неработоспособность данного блока. Блок будем считать не функционирующим если сигнал на выходе блока отсутствует полностью, либо если сигнал есть, но он не соответствует заданным техническим характеристикам. В первом случае, отсутствие сигнала на выходе блока может быть вызвано несколькими причинами. Среди этих причин могут быть как выход из строя одного из предыдущих блоков (микрофон, АЦП., блок питания), так и брак при изготовлении устройства или повреждения при эксплуатации. В свою очередь повреждения при эксплуатации могут быть как механическими, появившимися, например, в результате падения устройства, удара об некоторое инородное тело, вибраций и т.п., что может привести к разрыву контактов и соединений, повреждению микросхем , так и возникшими в результате попадания жидкостей, что может привести к короткому замыканию. Во втором случае, выходной сигнал будет не соответствовать заданным техническим характеристикам, если на вход блока поступает уже искаженный сигнал или же полезный сигнал на входе полностью отсутствует, либо произошли сбои в работе блока или, что самое худшее, были допущены ошибки при проектировании. Искажения входного сигнала могут возникнуть из-за неисправности микрофона или АЦП. Сбои в работе блока могут быть вызваны в результате перебоев с питанием или неисправностью в умножителе, сумматоре или линии задержки. Неисправность в сумматоре, умножителе или линии задержки возникает в результате выхода из строя одной или сразу нескольких микросхем. Выход узлов из строя может быть вызван заводским браком используемых изделий, старением элементной базы, неправильными условиями эксплуатации, скачками напряжения питания и т.д. Также работоспособность устройства зависит от качества монтажа при изготовлении. Если монтаж выполнялся не в соответствии со стандартом или с использованием некачественного припоя или флюса, то он будет недолговечным. При нарушении монтажных соединений блок становится неработоспособным. Эффективной процедурой выявления причин возможных отказов в работе анализируемого устройства является построение «деревьев причин отказов». Все возможные неисправности блока и причины, вызывающие их появление, представляются в виде схемотического изображения, показывающего причинно-следственную связь между возможными событиями. Это схемотическое изображение строится по определенным правилам с использованием специальных логических символов и носит название «дерево причин отказов». Построение дерева произведем по методике, изложенной в /26/. «Дерево причин отказов» для проектируемого блока построено на рисунке в разделе Приложение Г.

7.2 Мероприятия по повышению безопасности и надежности блока выделения огибающей речевого сигнала

Чтобы понять, какие мероприятия необходимо применять для повышения надежности и безопасности проектируемого блока, надо обратиться к «дереву причин отказов», построенному в подразделе 7.1. Анализируя все возможные виды отказов и несрабатываний, а также причины их появления, видим, что часть отказов может быть вызвана плохим монтажем элементной базы и соединений. Для предотвращения отказов такого рода необходимо проводить монтажные работы в соответствии со стандартами, с использованием качественных материалов. Большая часть отказов приходится на элементную базу. Для устранения отказов необходимо при изготовлении устройства производить четкий отбор и проверку используемых узлов на работоспособность, внимательно осуществлять соединение и подключение узлов устройства. Часть отказов происходит из-за сбоев, скачков или пониженного напряжения питания. Для обеспечения стабильного напряжения питания необходимо предъявлять повышенные требования к блоку питания устройства. Блок питания должен обеспечивать необходимое значение напряжения питания с достаточной фильтрацией от помех сети и стабилизацией. Для защиты устройства от скачков напряжения питания сети необходимо применять защитные устройства, отключающие устройство от сети в момент скачка. В качестве таких устройств могут применяться плавкие, либо автоматические предохранители.

Следует учесть, что безопасность и надежность проектируемого устройства также зависит от условий его эксплуатации. При несоблюдении установленных правил эксплуатации, таких, например, как использование в непредусмотренных изготовителем климатических условиях: повышенная или пониженная температура окружающей среды, повышенная влажность и т.п., сокращается срок службы устройства и повышается вероятность выхода его из строя. Также при эксплуатации недопустимыми являются механические нагрузки (удары, падения, вибрации) и контакты устройства с жидкостями. Все эти факты говорят о жестких требованиях к соблюдению правил эксплуатации данного блока. Тем не менее для эксплуатации устройства не требуется специальная подготовка персонала. Устройство рассчитано на массового потребителя.

7.3 Пожаробезопасность блока выделения огибающей речевого сигнала

Целью данного подраздела является выяснение, может ли проектируемый блок быть источником пожаров или взрывов. Данный блок относится к электротехническим устройствам. При изготовлении электронных приборов применяются пожароопасные изоляционные материалы: лаки, краски, эмали. После монтажа печатной платы ее поверхность покрывается лаком, для защиты контактов от влаги и пыли. Краски и эмали применяются при маркировке и покраске. Такие изоляционные материалы нетеплостойки. При нарушении температурного режима работы устройства возможно разложение этих материалов и выделение различных горючих веществ. Поэтому в целях пожаробезопасности предпочтительно применение несгораемых материалов (например, политетрафторэтилена, обладающего значительной тепло- и огнестойкостью и высокими изоляционными качествами). В электронных приборах следует предотвращать нагрев и излучение тепла деталями из легковоспламеняющихся материалов, а также их воспламенение, возгорание трансформаторов, сопротивлений и дросселей вследствие недопустимого возрастания тока; нарушение изоляции соединительных проводов, пробой конденсаторов, короткое замыкание и возникновение электрической дуги; местные перегревы и искрения.

Короткие замыкания в электронной аппаратуре возникают при ее неправильном устройстве или эксплуатации, старении или повреждении изоляции. Ток короткого замыкания зависит от мощности источника тока, расстояние от источника тока до места замыкания и вида замыкания. Большие токи короткого замыкания вызывают искрения и разогревание токоведущих частей до высокой температуры, что влечет за собой воспламенение изоляции проводов и находящихся рядом сгораемых конструкций и материалов.

Выбор конструкции электронной аппаратуры, а также материалов, из которых она изготовлена, выбор сечения и изоляции проводов зависит от степени пожароопасности окружающей среды, режима работы и возможных перегрузок.

Одной из основных мер предотвращения пожаров в РЭА является правильный выбор аппаратуры защиты. Наиболее часто при токовых перегрузках в электросетях применяются плавкие предохранители и воздушные автоматические переключатели. В предохранителях находятся плавкие вставки, которые при значениях тока в цепи выше предельнодопустимого расплавляются и отключают потребителя от источника электроснабжения. Автоматические выключатели размыкают электрическую цепь в случае короткого замыкания или перегрузки сети с помощью электромагнитных, тепловых или комбинированных расцепителей. Поскольку плавкие предохранители и автоматические выключатели могут быть источниками искрообразования, их следует помещать в закрываемые места из несгораемых материалов.

Все вышеперечисленные причины возникновения пожаров справедливы для проектируемого устройства, поэтому при его изготовлении следует учитывать все меры предосторожности при выборе изоляционных материалов и покрытий, а также обязательно применять предохранители от токовых перегрузок в электросетях.

7.4 Защита окружающей природной среды при изготовлении, эксплуатации и утилизации блока

На этапе производства загрязнения окружающей среды происходит в основном при монтаже устройства. В процессе пайки происходит выделение токсичных веществ в атмосферу, поэтому для защиты рабочего персонала необходимо обеспечить вентиляцию помещения. Основным токсичным веществом, выделяемым при пайке, являются пары свинца. Для очистки воздуха применяются улавливающие волокнистые фильтры типа ФВГ, которые доводят содержание паров свинца в воздухе до минимальной ПДК. Твердые отходы (обрезки пластмасс, оргстекло, остатки лакокрасочных материалов и др.), появляющиеся в процессе работы, собираются в специальные контейнеры и отправляются в утилизацию. Для предотвращения загрязнения окружающей среды и для уменьшения отходов производства является использование малоотходных и безотходных технологий. Защита гидросферы от вредных веществ (хлорное железо и др.), образуемых в результате рабочего процесса, обеспечивается очисткой сточных вод.

При эксплуатации данное устройство не оказывает никакого вредного воздействия на природную среду, естественно, если оно работает в нормальном режиме и не происходит никаких экстренных ситуаций (возгорание из-за короткого замыкания или искрения и т.п.). Также следует отметить, что материалы, применяемые при изготовлении устройства должны быть нетоксичными, не выделяющими токсичных веществ, вредящих здоровью пользователя.

Процесс утилизации должен проходить по всем предусмотренным правилам. Отработавшие свой срок службы узлы устройства подвергаются переплавке или какой-либо другой переработке для защиты окружающей среды от загрязнения.

8. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

8.1 Алгоритм проведения экспериментального моделирования

В ходе выполнения дипломного проекта было проведено экспериментальное моделирование работы отдельных блоков анализатора информационных признаков речевых сигналов для подтверждения правильности методов, заложенных в его основу, и наглядной демонстрации его работоспособности.

Экспериментальные исследования проводились в следующем порядке. Речевой сигнал в виде отдельных фонем или слов вводился с помощью микрофона CPT2-GX в ЭВМ типа IBM PC. В ЭВМ сигнал обрабатывался с помощью 16-ти битной звуковой карты. Запись речевого сигнала в ЭВМ производилась в звуковом редакторе «Cool». В нем же формировался файл данных, содержащий дискретизированные отсчеты речевого сигнала. Частота дискретизации устанавливалась равной 8 кГц. Сформированный файл данных хранился в памяти под присвоенным ему именем с расширением dat или txt. В качестве исследуемого речевого сигнала в ЭВМ записывались отдельные фонемы, соответствующие буквам русского языка, и изолированные слова речи. Уровень внешних акустических помех и шумов при записи был незначителен. Алгоритм проведения экспериментального моделирования показан на рисунке 11.

Моделирование работы анализатора информационных признаков речевых сигналов проводилось с помощью программного пакета «Mathcad Professional 7.0». В данном программном пакете была написана программа, моделирующая работу отдельных блоков проектируемого устройства. Программа работает по следующему алгоритму. С помощью функции READPRN считываются входные данные, представляющие собой массив дискретизированных чисел. На рисунке 12 в качестве примера изображен график реализации речевого сигнала, построенный для слова «абракадабра». В ходе проведения экспериментального

Рисунок 11 - Блок-схема алгоритма проведения экспериментального моделирования

моделирования осуществляется спектральный анализ поступающего речевого сигнала и его огибающей. Для этого необходимо провести быстрое преобразование Фурье (БПФ). В программном пакете Mathcad специально предусмотрена функция fft, выполняющая быстрое преобразование Фурье. Однако эту функцию можно применять только в том случае, если количество отсчетов сигнала N равно , где n - любое целое положительное число. Поэтому в первую оче-

Рисунок 12 - График реализации речевого сигнала, поступившего на анализ

редь определяется число отсчетов сигнала и проверяется, является ли оно равным . Если нет, то программой предусмотрено нахождение ближайшего к N большего числа, равного . Далее создается массив чисел, в котором N значений отсчетов соответствуют значениям отсчетов сигнала, а остальные отсчеты принимаются равными нулю. Выделение квадратурных составляющих сигнала происходит в соответствии с пунктом 2.2 дипломного проекта. Эти составляющие нормируются, после чего определяется корень квадратный из суммы квадратов квадратурных составляющих. График огибающей для слова «абракадабра» представлен на рисунке 13. Получившаяся огибающая речевого сигнала и сам сигнал подвергаются быстрому преобразованию Фурье.

Рисунок 13 - График огибающей речевого сигнала, поступившего на анализ

Блок-схема алгоритма работы программы представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Блок-схема алгоритма работы программы

8.2 Результаты моделирования

В первую очередь необходимо было промоделировать работу блока выделения огибающей речевого сигнала. Чтобы убедиться в правильности получаемых результатов, на блок подавался тестовый сигнал. В качестве тестового сигнала послужило синусоидальное гармоническое колебание, представленное на рисунке 15.

Рисунок 15 - Тестовый сигнал

Этот сигнал подвергся дальнейшей обработке. В результате были получены квадратурные составляющие сигнала si и s1i, представленные на рисунке 16.

Рисунок 16 - Квадратурные составляющие сигнала

Из рисунка 16 видно, что фазовый сдвиг между квадратурными составляющими составляет 90 градусов. Это означает, что функция si является сопряженной по Гильберту функции s1i, то есть устройство работоспособно.

Вторым шагом было необходимо проверить правильно ли осуществляется с помощью функции fft быстрое преобразование Фурье. В качестве тестового сигнала на обработку поступал прямоугольный импульс различной длительности. Как известно из теории спектр прямоугольного импульса представляет собой функцию . Тестовый сигнал gk и его спектр представлены на рисунке 17.

Рисунок 17 - Тестовый сигнал и его спектр

После проверки работоспособности программы были проведены экспериментальные исследования по обработке речевого сигнала. В качестве исследуемого сигнала брались звуки, соответствующие буквам русского алфавита, и отдельные изолированные слова речи. Слова и звуки произносились разными людьми. В с помощью преобразования Гильберта были получены графики огибающей речевого сигнала. Графики спектров сигнала и его огибающей были получены в результате проведения БПФ. Результаты проведенных экспериментов приведены в приложении .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы над дипломным проектом был произведен обзор литературы с целью поиска существующих методов анализа речи. Также был проведен патентный поиск устройств, осуществляющих выделение признаков речевых сигналов. Оказалось, что предложенный метод анализа речевых сигналов, базирующийся на обработке сигналов во временной области, на сегодняшний день не имеет аналогов. Особенностью предложенного метода является представление модели речевого сигнала не в аддитивной форме, как в методах спектрального анализа, а в мультипликативной. Это объясняет использование ряда Тейлора при разложении полной фазовой функции речевого сигнала на компоненты, а не ряда Фурье. Характерной особенностью данного метода является выделение скорости изменения частоты речевого сигнала как информативного параметра. Ранее ни в одном методе анализа речи этого не проводилось. Также впервые была получена огибающая речевого сигнала и проведен ее спектральный анализ. В дипломном проекте был обоснован выбор структурной схемы блока выделения огибающей речевого сигнала, являющегося частью анализатора информационных признаков речевых сигналов. Были разработаны функциональная и принципиальная схемы блока выделения огибающей. На основе результатов расчета была разработана конструкция печатной платы проектируемого блока. Для подтверждения работоспособности предложенного метода проводилось моделирование работы устройства на ЭВМ. Полученные результаты показали возможность использования выделяемых параметров речевых сигналов для распознавания речи. В дипломном проекте было проведено экономическое обоснование целесообразности разработки и рассмотрены вопросы безопасности и экологичности спроектированного устройства.

Параметры спроектированного блока полностью удовлетворяют требованиям ТЗ.

ЛИТЕРАТУРА

Искусственный интеллект. Системы общения и экспертные системы. Кн. 1 / Под ред. Э.В.Попова. - М.: Радио и связь, 1990. - 461 с.

Оппенгейм А.В., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов, М.: Радио и связь, 1979 ., 347 с.

Рабинер Л.Р. Шафер Р.В. Цифровая обработка речевых сигналов, М.: Радио и связь, 1981 ., 258 с.

Литюк В.И. Методическое пособие № 2231 часть 3 «Методы расчета и проектирование цифровых многопроцессорных устройств обработки радиосигналов», Таганрог, 1995, 48 с.

Кузнецов В., Отт А. Автоматический синтез речи. - Таллинн: Валгус, 1989. - 135 с.

Методы автоматического распознавания речи / Под ред. У.Ли. - М.: Мир, 1983. - 716 с.

Сапожков М.А. Речевой сигнал в кибернетике и связи. - М.: Связьиздат, 1963. - 452 с.

Сапожков М.А. Электроакустика. - М.: Связь, 1978. - 272 с.

Сапожков М.А., Михайлов В.Г. Вокодерная связь. - М.: Радио и связь, 1983. - 247 с.

Ахманова О.С. Словарь лингвистических терминов. - М.: Изд. Советская энциклопедия, 1969. - 607 с.

Блохина Л.П., Потапова Р.К. О значимости просодических характеристик в структуре интонационного инварианта. / Сб. научных трудов, МГПИИЯ. 1974.

Бондарко Л.В. Звуковой строй современного русского языка. - М.: Просвещение, 1977. - 175 с.

Брызгунова Е.А. Вводный фонетико-разговорный курс русского языка. - М.: Русский язык, 1982 - 158 с.

Зиндер Л.Р. Общая фонетика. - М.: Высшая школа, 1979. - 312 с.

Златоустова Л.В., Потапова Р.К., Трунин-Донской В.Н. Общая и прикладная фонетика. М.: МГУ, 1986. - 304 с.

Использование ЭВМ в лингвистических исследованиях / Т.А.Грязухина, Н.Д.Дарчук, Р.Ф.Клименко и др.; Отв. ред. В.И.Перебейнос. - Киев: Наукова думка, 1990. - 228 с.

Линдсей П., Нордман Д. Переработка информации у человека. - М.: Мир, 1974. - 550 с.

Матусевич М.И. Современный русский язык. Фонетика. - М.: Просвещение, 1976. - 288 с.

Потапова Р.К. Речевое управление роботом. - М.: Радио и связь, 1989. - 248 с.

Потапова Р.К. Введение в лингвокибернетику. - М.: МГИИЯ, 1990. - 140 с.

Abe Y., Nakajima K. Speech Recognition using Dynamic Transformation of Phoneme Templates Depending on Acoustic-phonemic Environments // ICASSP. - 1989. - P.326-329.

Allen C.D. The location of Rhythmic Stress Beats in English: An Experimental Study I and II // Language and Speech, 15 and 16. - 1972. - P.72-100. - P.179-195.

Bergh A.F., Soong F.K., Rabiner C.R. Incorporation of Temporal Structure into a Vector-Quantization. Based Preprocessor for Speaker Independent Isolated-Word Recognition // AT&T Technical Journal. - 1985. - Vol.64. N№5. - P.1047-1063.

Bernstein J., Pisoni D.B. Unlimited Text-to-speech System: Description and Evaluation of a Microprocessor based System // Proc. ICASSP-80. - 1980. - P.576-579.

Бакаева Т.Н. Системный анализ безопасности: Методическая разработка к самостоятельной работе по курсу «Безопасность жизнедеятельности». Таганрог: ТРТУ, 1995, 18 с.

Бакаева Т.Н. Безопасность жизнедеятельности. Часть 2: Безопасность в условиях производства: Учебное пособие. Таганрог: ТРТУ, 1997, 318 с.

Фрумкин Г.А. «Расчет и конструирование РЭА», Москва: Высшая школа, 1997, 289 с.