CC BY
10
а) Схематическое изображение функциональных узлов речевого тракта: 1 - голосовые связки, 2 - гортанная трубка, 3 -небная занавеска, 4 - носовая полость, 5 - ротовая полость
б) Функция испытательного сигнала
в) Схема алгоритма кодирования речи GSM 06.10 Рисунок 1
Сигнал Vi ■ sin(2nft + ф.) моделирует импульсы возбуждения, частоту его f , целесообразно выбирать вблизи максимальной частоты сигнала основного тона для мужских голосов, а амплитуду номинальной. Сигналы
d
суммы ^ Vi ■ sin(2nf.t + ф.) моделируют звонкие и глу-i = c
хие звуки речи, частоты fi которых лежат в диапазоне (f /в ). Для последующего расчета разборчивости, их
количество должно соответствовать количеству формант в передаваемой полосе Д/, а их значения fi - средним
формантным частотам.
С целью увеличения информационной эффективности аппаратуры коммутации, заключающейся в взаимном согласовании характеристик источника передаваемых сообщений и канала связи, целесообразно амплитуду Vi
сигнала с частотой fi выбирать, исходя из графика
спектральной мощности речи [4] с определенным уровнем форсирования.
Для исключения искажений результатов измерений комбинационными гармоническими составляющими, во-
зникающими при суммировании частот и входного измерительного сигнала Уис(Г) , выражающегося в изменении амплитуды и фазы выходного сигнала с частотой , целесообразно:
- использовать минимальное количество входных сигналов, частоты взаимных биений которых с учетом частоты дискретизации не попадают в полосу частот измерительного прибора или метода измерений, регистрирующего выходной сигнал У*(Г) канала с частотой ;
- амплитудно-частотные характеристики используемых приборов или методов измерений должны с требуемой точностью подавлять гармонические составляющие, образующиеся при формировании измерительного сигнала.
Таким образом, для проведения измерений характеристик каналов связи по предложенному методу необходимо:
- сформировать входной измерительный сигнал Уис( Г)
из суммы составляющих, первой - моделирующей сигналы основного тона и второй - моделирующей звонкие и глухие звуки речи, частоты и амплитуды сигналов составляющих должны быть выбраны в соответствии с параметрами источника сообщений, требованиями канала и режимами измерений;
- подать сигнал Уис(Г) в канал связи и на его выходе
измерить значение выходного сигнала У* , моделирующего звонкие и глухие звуки речи;
- неравномерность характеристики канала связи оценить выражением
у *
ДГ = 20Lg-V- .
(2)
Предложенный метод поличастотного спектрального формирования измерительного сигнала (ИС) при расчете параметров и характеристик низкоскоростных каналов связи, предназначенных для передачи речевых сигналов и содержащих устройства адаптации, обладает следующими преимуществами по сравнению с традиционными методами.
Позволяет повысить точность измерений, так как более полно отображает структуру реального речевого сигнала, а выбор гармонических составляющих позволяет использовать методы спектрального анализа при расчете характеристик канала.
При выборе частот испытательного сигнала, равным средним формантным частотам, можно, после снятия характеристик, рассчитать разборчивость по рекомендациям, изложенным в [4].
При испытании речепреобразующих устройств с инерционным компандированием и адаптацией предлагаемая методика, по нашему мнению, позволяет подучить более объективные характеристики передачи высокочастотных
10
"Радюелектронжа, шформатика, управлшня" № 1, 1999
составляющих речевого сигнала, так как изменение шага квантования Н( кт) будет происходить преимущественно в зависимости от уровня сигнала основного тона.
Необходимо учитывать, что измерительный сигнал, сформированный по данному методу, не учитывает экспоненциальную составляющую вокализованных звуков и автокорреляционные характеристики речи, которые могут быть учтены изменением амплитуды Vj что,
при дальнейших исследованиях, позволит повысить точность измерений.
ВЫВОДЫ
С целью увеличения информационной эффективности аппаратуры коммутации цифровых низкоскоростных речевых каналов связи, содержащих речепреобразую-щие устройства с компандированием и адаптацией, заключающейся в взаимном согласовании характеристик
источника передаваемых сообщений и канала связи, целесообразно испытательный сигнал формировать в виде суммы гармонических составляющих, учитывающих реакцию алгоритмов адаптации на амплитудные и спектральные составляющие речевого сигнала.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Журавлёв В.Н. Влияние параметров окна просмотра ДМ-сигнала транскодеров на характеристики составного канала связи:-"Электрический журнал" №2(6) 1997г.-с 35-38. Серия 33 №113.
2. Глухов A.A., Зорин И.Ф., Никонов А.В. Измерение и контроль в трактах звукового вещания.-М.: Радио и связь, 1984,-304 с.,ил.
3. Рабинер Л.Р., Шафер Р.В. Цифровая обработка речевых сигналов: Пер.с англ./Под ред. М.В.Назарова и Ю.Н.Прохорова.-М.: Радио и связь, 1981.-496 с.,ил.
4. Вемян Г.В. Передача речи по сетям электросвязи. -М.: Радио и связь, 1985. - 272 с.
5. http://www.ddj.com/articles/1994/9412/9412b/9412b.htm
Надшшла 07.05.98
УДК 621.372.8.01
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ТЕНЗОРОВ ГРИНА ДЛЯ ПОЛОСКОВО-ЩЕЛЕВЫХ
СТРУКТУР В СЛОИСТОЙ СРЕДЕ
Л. М. Карпуков
Предложена элементная база и методика моделирования в спектральной области тензоров Грина для полосковых и щелевых волноведущих структур, реализуемых на многослойной подложке. Методика основана на построении декомпозиционной схемы подложки и её анализе методами теории цепей СВЧ.
Запропонована елементна база i методика моделювання в спектральнт областi тензорiв Грiна для смужкових i щiлинних хвилеведучих структур, як реалiзуються на багатошаровт тдкладщ. Методика основана на побудовi декомпозицшног схеми тдкладки та и аналiзi методами теорп ланцюгiв НВЧ.
The method and the base elements for modeling of Green's tensors in spectral domain for microstrip and slot structures on multi-layerd substrate are proposed. The method is based on the building of substrate's decomposition scheme and its analysis by the circuit theory methods.
Объёмный принцип конструирования современных интегральных схем СВЧ предполагает широкое использование разнообразных полосково-щелевых волноведущих структур, элементы конструкций которых располагаются в различных слоях многослойной подложки [1]. Моделирование подобных структур может быть выполнено с помощью интегральных уравнений импедансного и адмитансного типа [1-3]. При этом эффективность и универсальность вычислительного процесса во многом определяется способом нахождения тензоров взаимного импеданса Z и адмитанса Y, являющихся ядрами интегральных уравнений.
Нахождение тензоров Ъ и У для плоскослоистой маг-нитодиэлектрической среды представляет собой самостоятельную задачу, решение которой обычно проводится в спектральной области (пространство преобразования Фурье) и сводится к расчету напряженностей электрического и магнитного полей, возбуждаемых в исследуемой структуре точечными источниками стороннего электрического и магнитного токов [3,4].
Цель работы - описание алгоритма и методики моделирования, позволяющей заменить сложные аналитические расчеты [2-4] при вычислении тензоров Ъ и У для многослойных полосково-щелевых волноведущих конструкций простой и наглядной процедурой построения декомпозиционной схемы исследуемой структуры и её последующего анализа методами теории цепей СВЧ.
На рис.1 изображено поперечное сечение подложки, состоящей из п магнитодиэлектрических однородных и изотропных слоёв. Слои имеют бесконечную протяженность вдоль осей х и у. Каждый 1-й слой характеризуется относительными диэлектрической и магнитной
¡¡г проницаемостями. Первый и последний слой может
быть ограничен электрическим или магнитным экранами. На границах раздела слоёв располагаются бесконечно тонкие идеальные металлические проводники, образу-
ющие конструкции полосково-щелевых структур. Символом 8п обозначим поверхность проводников, символом 8щ - поверхность щелей между ними. Зависимость от времени примем в виде ехр (/юг) .
MnA
£n-bMn-1,hn-1
ei,^i,hi
jra
2 э d GzT(k ,k z) (JkT)2 ■ G-ci(kx,ky,z) + JkT--
Y = Y + Y ,
при этом
+ м +
(kX'kyZ) = -(kx,kyz)-
J Ю
2 м+ 9GzM+ (k k z)
(Jk%)2 ■ G%+ (kxkyz) + Jk% ■ z% э/ y
Y%n(kx'kyz*) = T Jkn X k
■ + 3GM+ (KX, z)
■ 0%%+ (kxkyz)+ z% y
->x
Рисунок 1 - Поперечное сечение подложки Для расчета полей воспользуемся векторными элек-
А Э А м т-\
трическим А и магнитным А потенциалами. В плоско-слоистой среде связь этих потенциалов с поверхно-
тэ
стной плотностью сторонних электрического J и магнитного Jм токов имеет тензорный характер [2] АУ(г,г0) = | gv(r,r0)jv(г0)^0 , V =э.м,
где О (г,Го) - тензор Грина, ^ - точка источника, г-
точка наблюдения, 5 о - поверхность полоска 8п с током
эм J или щели ащ с током J .
В спектральной области, соответствующей преобразованию Фурье по координатам х,у, имеет место следую-
э
щая связь между компонентами О и тангенциальными компонентами тензора Ъ на поверхности раздела сло-ёв[2-4]:
ZTT(kxkyz = - jra GTT(kx'ky ¿)-
В выражениях индексы т , % , п принимают значения х, у, символы кх , ку - переменные преобразования Фу-2 2
рье, к = к 0£ГЦГ, ко - волновое число свободного пространства.
Компоненты тензоров GV определяются из решения следующих краевых задач [2]:
-KgTT(KK;)-klGrT(hKz) = -Jp*(z - zo),
dz
2 TT x' yr
z TT x' yr
2
—Gp(k ,k z)- k2 GpT(k ,k z) = 0
2 zv x y^' z zTv x' y^'
dz
(1)
с граничными условиями
[ G
p
p —\
I^tt Xd z
= [ GVx] =
jkTGp + — z T T TT dz
/(e„^a)
-A-Gp(k ,k z)- k2GP(k k ,z) = -JPS(z - z0)
о zzv x z zz x y5 7 v 0y
Э z'
2 zz x y
с граничными условиями
[ Gi/г] =
dG
1/(£a »a^ ;
p-,
;(2)
(3)
(4)
дz
Тангенциальные компоненты тензора Y, связывающе-
э
го поверхностный ток J с напряженностью электрического поля на 8щ, определяется через тензоры поверхностных адмитансов Y+ (над щелью) и Y (под щелью) при металлизации щели:
Здесь Jp= (хexp(-jkxx0 -jkyy0))/(4п ) - Фурье-изображение точечного источника тока, S(z - z0) - дельта-
2 2 2 2 функция Дирака, kz = kx + ky - k . Для источника
электрического тока берётся х = , для магнитного -
X = £ш-, где £aj, - абсолютные диэлектрическая и
магнитная проницаемости i - го слоя. Квадратными скобками в граничных условиях обозначены разрывы функций на поверхности раздела магнитодиэлектрических сред.
Для алгоритмизации вычислений компонент тензоров
GV введём элементную базу с целью построения декомпозиционных моделей многослойных подложек.
z
k
X
0
S
0
12
"Радюелектрошка, ¡нформатика, управлшня" № 1, 1999
Выразим функцию О х,У, 2) в точке наблюдения г
с координатами х, у, г через её Фурье-изображение следующим образом
х,У, 2) = | | и^(кх)и^(ку)и^(г)dkxdky , (5)
и^
Пх.
(6)
= ехр (-к2Н) 4-2 = еХР(-к2к) и^т+1 • Для плоскости г', где расположена точка наблюдения, в сечениях г^ = 2 - 0 и 22 = г' + 0
и—|2 = иЕ+|1,
V I,
и!;П( 2) = и&1 + и£+|2,
2) = - кги^П|1 + кги+П2.
= и^П2 + х/(( 2 к2),)
= и+п1 + (Х/(2к2)).
(и^1 + и^1 )7*1 = (и^2 + и\\2)/Х2,
к2 1 ( и + £, 1 - и £, £, 1 ) = к2 2 ( и £, £, 2 - и+£, 2 )
Т2
V . ехР[-/'Ы^- ¡¡0)] е
где и V =--, ^ = х>У .
Для нахождения и ¡п(2) выделим граничными сечениями, проведенными перпендикулярно оси г, ключевые фрагменты структуры подложки, соответствующие базовым элементам (БЭ). Описание БЭ осуществим с помощью матриц рассеяния, связывающих Фурье-изображе-
- +
ния амплитуд отраженных и падающих волн
в граничных сечениях.
В среде без источников поле определяется решением однородных уравнений Гельмгольца в (1), (3) в виде суперпозиции прямой и обратной волны, поэтому в граничных сечениях 21 и 22 = 21 + к слоя магнитодиэлектрика толщиной Ь,
и
+
и
Здесь
¡¡¡1 = и\\1 + Х1/Х2 '(1 - и^2> ¡¡¡2 = Х1/Х1 '(1 + и+^1 - ГV■ и+^2 .
(9)
= [к21 ) - к22/(Т2%2)]/[к21/(Т1 Х1) - к22/(ВД] -
коэффициент отражения от границы раздела сред,
2 2 2 2 к21 = кх + ку - кг .
Для ГТ берется
Ъ егг^гг
Х1 = Х2 = 1 , = ¡г 1 , = ¡г2 , а для Г2- Х1 = ¡г 1 ,
э э
Х2 = ¡г2 , = ег1 ¡г1 , Ъ = ег2^г2 . Переход от Гт , Г2
к Гт , Г2 осуществляется заменой цгг- на гг{ и гг{ на
цгг- . Предельный переход в ^ позволяет непосредственно получить коэффициенты отражения для электрической и магнитной стенок.
Возбуждение вертикальных составляющих поля на границе раздела сред под действием тангенциальных составляющих можно определить из граничных условий в (4), (5) следующим образом
(7)
и-т1 = (1 + Г2 )■ ит 1 / 2 + Х1 /*2 ■(1 - Г2 )■ ит 2 /2,
и-2 = *1 /*2 ■(1 + ГV)■ 72 + (1 - Г>(К2/2),
(10)
В граничных сечениях 21 = 20 - 0 и 22 = 20 + 0 , где 20 - плоскость расположения точечного источника, фун-V / \
кции 2) определяются решением неоднородных
уравнений Гельмгольца (1), (3), поэтому
V V
„V ., итт 1 „V ., итт 2
где ит 1 = А — , ит2 = "АТ~
21 к22
(8)
На поверхности 2' раздела сред в сечениях
21 = 2р - 0 и 22 = 2р + 0 для функций 2) , £, = Т, 2 в соответствии с граничными условиями из (2), (4) имеет
Для тангенциальных составляющих на границе раздела сред
V V _ . V + . V +
итт1 = итт2 = (1 + Гт^ итт1 + (1 - Гт^ итт2 . (11)
Введенная элементная база моделирования многослойных подложек представлена таблицей 1, где приведены ключевые структуры, матрицы рассеяния, составленные по (6)-(9), и соответствующие ориентированные графы.
Для примера выполним моделирование структур, состоящих из слоя магнитодиэлектрика с толщиной Ь и с параметрами £г, ¡г, расположенного в свободном пространстве. В сечении 2 = к находятся точка источника г0 и точка наблюдения г. При анализе несимметричной
полосковой линии (НПЛ) в сечении 2 = 0 помещается металлический экран. Для щелевой линии (ЩЛ) металлический экран, закрывающий поверхность щели, помещается в сечении 2 = к . На рис.2,а представлен
или
место
