Галяшина Е.И. Основы судебного речеведения. Монография Москва стэнси 2003 удк 343. 148 81 ббк 67. 5 Г17
 Скачать 2.7 Mb.
|
|
9. Элементы АРМа эксперта-речеведа Автоматизированное рабочее место (АРМ) эксперта-речеве- да — это специализированный аппаратно-программный комплекс, предназначенный для автоматизации процесса проведения экспертного исследования на всех его этапах. Методологию создания АРМ эксперта лучше всего описать на примере уже существующего и широко применяющегося в экспертной деятельности АРМ эксперта-фоноскописта. Развитие сети видеофоноскопических лабораторий в российской экспертной службе потребовало создания в кратчайшие сроки специализированного инструментария для быстрого и качественного производства экспертиз и исследований. Специалистами ГУ ЭКЦ МВД России2 была разработана концепция создания АРМа эксперта-фоноскописта на базе ПЭВМ. Собственно АРМ вместе с необходимым методическим обеспечением был создан в 1991—1993 гг. В настоящее время на нем выполняются в МВД, ГУВД, УВД практически все фоноскопи- ческие экспертизы. В типовой состав АРМ эксперта-фоноскописта входят три составные части:
2 В создании АРМа помимо автора непосредственное участие принимали В.О. Хурти- лов, В.Н. Галяшин, И.Е. Богданов. 152 153 ОСНОВЫ СУДЕБНОГО РЕЧЕВЕДЕНИЯ АЦП И ЗВУКОВЫЕ АДАПТЕРЫ Такой АРМ с небольшими изменениями и дополнениями может быть рекомендован экспертам-речеведам для проведения лингвистических исследований звучащей речи. В данной работе мы специально больше внимания уделяем анализу звучащей речи, так как это, как правило, вызывает у специалистов с базовым гуманитарным образованием наибольшую трудность, поскольку требует специальных устройств для прослушивания и объективного исследования звучащей речи. Письменная речь, с технической точки зрения, несколько проще для обработки и анализа программными средствами. АРМ эксперта-речеведа представляет собой специализированную или универсальную компьютерную систему, способную выполнять запись, хранение, воспроизведение и обработку цифрового звука. Специализированные цифровые компьютерные системы (рабочие станции), особенно предназначенные для обработки музыки, ориентированы часто только на работу с цифровым звуком и выпускаются в законченном исполнении, допускающем лишь ограниченное расширение, либо нерасширяемые вообще. Универсальные же системы представляют собой обычный персональный компьютер, снабженный средствами для ввода/вывода звука (ЦАП/АЦП и/или цифровые интерфейсы) и набором программ для его записи, воспроизведения и обработки. Кроме этого, станция может содержать и другие компоненты: например, аппаратные модули цифровой обработки сигналов (платы сигнальных процессоров), записывающие CD-приводы и т. п. Поскольку любая компьютерная система является сильным источником высокочастотных помех, возникают определенные проблемы со сведением к минимуму искажений звука при использовании встроенных АЦП/ЦАП. В таких случаях предпочтительны внешние модули АЦП/ЦАП, выдающие и получающие цифровую информацию в реальном времени через универсальные или собственные цифровые интерфейсы. Поэтому для решения сложных задач при работе с зашумленными речевыми сигналами желательно применять внешние модули АЦП/ЦАП. Аудиоаппаратура для воспроизведения фонограмм с магнитных носителей различных типов может быть отечественного (желательно высшего класса) или зарубежного производства класса Hi-Fi или Hi-End. Такая аппаратура не только практически не вносит собственных искажений в сигнал, но и позволяет корректировать некоторые параметры воспроизводимой звучащей речи. Для экспертного исследования звучащей речи помимо ауди- тивного анализа (многократного прослушивания), необходимо проводить его визуализацию речи, то есть представлять ее в удобном для исследования виде: при помощи программных средств обработки и визуализации речевого сигнала. Один из наиболее важных элементов АРМа — устройство ввода аналогового сигнала с магнитной ленты в ПЭВМ. Это устройство называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Оцифрованный АЦП/ЦАП речевой или акустический сигнал записывается на магнитный диск или в оперативную память ПЭВМ и соответствующим образом обрабатывается. 10. АЦП и звуковые адаптеры АЦП (Аналого-цифровой преобразователь, ADC) используется для оцифровки аналогового звука (обычно для записи в файл). ЦАП (Цифро-аналоговый преобразователь, DAC) осуществляет обратное преобразование цифрового звука в аналоговый (децифровка) — это основные элементы АРМа, от качества которого зависит достоверность экспертизы звучащей речи. Как правило, эти два устройства конструктивно смонтированы на одной плате (АЦП/ЦАП) и вставляются непосредственно в компьютер. Однако в высококачественных комплексах обработки речевого сигнала с низким уровнем собственных шумов и большим динамическим диапазоном устройства АЦП/ЦАП выполнены в виде отдельного изолированного от ПЭВМ модуля. В компьютерных средствах мультимедиа устоялся другой термин для таких плат — они обычно называются звуковыми картами или звуковыми адаптерами. На таких платах, кроме АЦП/ЦАП, присутствуют дополнительные компоненты, о которых будет рассказано ниже. По конструкции они делятся на обычные, или основные, называемые по традиции, которые вставляются в разъем системной магистрали, и дочерние, подключаемые к специальному разъему на основной карте. 154 155 ОСНОВЫ СУДЕБНОГО РЕЧЕВЕДЕНИЯ АЦП И ЗВУКОВЫЕ АДАПТЕРЫ Спецификация PC'99 требует отказаться от использования в звуковых подсистемах шины ISA, так как в современных компьютерах данная шина отсутствует. Поэтому сейчас выпускаются только звуковые карты с шиной PCI. В настоящее время для исследования речевых сигналов используют две группы устройств — это дорогие специализированные устройства, часто оснащенные дополнительными процессорами ускорения вычислений, и более дешевые звуковые адаптеры. Функционально обе группы устройств похожи. Поэтому будем использовать обобщенный термин — звуковой адаптер. Функциональная схема звукового адаптера состоит из следующих блоков. Первый — это устройства ввода/вывода сигнала (их называют портами). Они могут быть аналоговыми или цифровыми. Аналоговые порты. Порт является логическим понятием, а разъем на плате — физическим, так как один разъем может совмещать несколько портов (это практикуется ввиду недостатка места на планке карты; переключение режимов производится через утилиту управления). Линейные входы. Линейный стереовход относится к числу обязательных. Предназначен для подключения источника аналогового сигнала (стерео- или моно-) с линейного выхода внешних аналоговых устройств, например, аудиоплеера, радиоприемника, видеомагнитофона и пр. Штекер, согласно спецификации РС'99, окрашен в голубой цвет. Помимо него на плате обязательны еще два дополнительных внутренних линейных входа. Стереовход CD Audio (обязательный) предназначен для подключения CD-привода аудиокабелем. На плате также имеется дополнительный линейный вход (AUX-In), обязательный. На него передается аналоговый звук с карт FM- или TV-тюнера, или других внутренних устройств, например, второго CD-привода, DVD-привода или карты MPEG2 декодера. Окрашен в синий цвет. Обязателен также наружный микрофонный вход для подключения микрофона. Монофонический, с автоматической регулировкой усиления и с поддержкой как электретного, так и электродинамического микрофонов. Поддержка электродинамических микрофонов, для которых характерен слабый сигнал, осуществляется режимом включения дополнительного усиления (+20 дБ). Окрашен в красный или розовый цвет. Вход низкого качества и пригоден только для записи речи. Также на плате имеются линейные выходы. Такие выходы обязательно присутствуют, являются наружными и предназначены для вывода звука на активные акустические колонки, усилитель или линейный вход любого внешнего устройства (например, магнитофона). Число выходных (аналоговых) каналов определяет канальность платы и может быть равным 2, 4, 6. Имеется также выход на головные телефоны. Согласно AC'97 выход имеет импеданс 32 Ома, поэтому наушники надо также подбирать с таким же импедансом. Для передачи цифрового звука используют интерфейсы SPDIF и AES/EBU. Внешне AES/EBU выглядит как обычный микрофонный кабель, а коаксиальный S/PDIF — как аудио- провод с разъемами RCA. Оба интерфейса являются последовательными и используют одинаковый формат сигнала и систему кодирования — самосинхронизирующийся код BMC (Biphase- Mark Code — код с представлением единицы двойным изменением фазы), и могут передавать сигналы в формате PCM разрядностью до 24 бит на частотах дискретизации до 48 кГц. SPDIF, часто пишется S/PDIF (Sony/PЫИрs Digital Interface Format — формат цифрового интерфейса фирм Sony и РЫ^) — цифровой интерфейс для бытовой радиоаппаратуры. Интерфейс и последовательная шина передачи цифрового аудио от одного устройства к другому. Однонаправленный (в одном направлении). Используется всего один сигнальный провод (второй электрический провод — «земля»). SPDIF является несколько упрощенным вариантом студийного интерфейса AES/EBU. Недостатками SPDIF являются: невысокая пропускная способность, однонаправленность, отсутствие управляющих линий, наличие джиттера. AES/EBU (Audio Engineers Society / European Broadcast Union — Общество Звукоинженеров / Европейское Вещательное объединение) — цифровой интерфейс для студийной радиоаппаратуры. Обычные аудиопровода рассчитаны на передачу сигнала с частотой до 50 кГц. При передаче звука по цифровому протоколу с частотой сэмплирования 44,1 кГц данные должны пере 156 154 156 ОСНОВЫ СУДЕБНОГО РЕЧЕВЕДЕНИЯ АЦП И ЗВУКОВЫЕ АДАПТЕРЫ сылаться со скоростью 2,8 миллиона бит в секунду, что, учитывая метод кодирования, соответствует частоте 5,6 МГц. Так что провод должен быть высокочастотным, поэтому с электрической стороны SPDIF предусматривает соединение коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом и обычными разъемами типа RCA «тюльпан». AES/EBU предусматривает соединение симметричным экранированным двухпроводным кабелем, разъемы трехконтактные, типа Cannon XLR. Существуют также оптические варианты приемопередатчиков — TosLink (пластмассовое оптоволокно) и AT&T Link (стеклянное оптоволокно). Передача аудиосигнала по цифровым каналам позволяет снизить шумы от наводок. Поэтому цифровые порты и шины давно применяются в профессиональной аудиоаппаратуре. Особенностью мультимедийных шин является их изохронность, позволяющая передавать мультимедийные потоки без задержек. В персональный компьютер также давно встроены USB-порты, однако эта шина проектировалась на передачу данных и поэтому не изохронная. И хотя существуют цифровые USB-колонки, они не дают достаточного качества. В настоящее время для связи с периферийными устройствами используется в основном шина SPDIF — из-за широкого распространения в аудиоаппаратуре. Спецификация AC'97 рекомендует более современную высокоскоростную шину IEEE1394 (FireWire). Это шина совершенно универсальная, т. е. позволяет передавать не только аудио, но и видео и просто данные. Далее в звуковом адаптере необходимо выделить своеобразное сердце электронной платы — блок АЦП/ЦАП, который собственно и осуществляет преобразования сигналов. Состоит из узла, непосредственно выполняющего аналогово-цифровые преобразования, и узла управления. АЦП/ЦАП либо интегрируется в состав одной из микросхем платы (в дешевых моделях), либо применяется отдельная микросхема. От качества применяемого АЦП/ЦАП во многом зависит качество оцифровки и воспроизведения звука; не меньше зависит она и от входных и выходных усилителей. В основном применяется три конструкции АЦП. Первые — это параллельные АЦП. В них входной сигнал одновременно сравнивается с эталонными уровнями набором схем сравнения (компараторов), которые формируют на выходе двоичное значение. Далее, АЦП последовательного приближения, в них преобразователь при помощи вспомогательного ЦАП генерирует эталонный сигнал, сравниваемый с входным. Эталонный сигнал последовательно изменяется по принципу половинного деления (дихотомии), который используется во многих методах сходящегося поиска прикладной математики. Это позволяет завершить преобразование за количество тактов, равное разрядности слова, независимо от величины входного сигнала. Наконец, АЦП с измерением временных интервалов. Это широкая группа АЦП, использующая для измерения входного сигнала различные принципы преобразования уровней в пропорциональные временные интервалы, длительность которых измеряется при помощи тактового генератора высокой частоты. Иногда называются также считающими АЦП. Среди АЦП с измерением временных интервалов преобладают следующие три типа:
Наиболее популярным вариантом следящего АЦП является группа АЦП на основе сигма-дельта (sigma-delta) модуляции. Ее название отражает два процесса: интегрирование за малое время и сложение результатов интегрирования. Для улучшения соотношения сигнал/шум и снижения влияния ошибок квантования, которое в случае однобитового преоб 158 154 158 ОСНОВЫ СУДЕБНОГО РЕЧЕВЕДЕНИЯ АЦП И ЗВУКОВЫЕ АДАПТЕРЫ разователя получается довольно высоким, применяется метод формовки шума (noise shaping) через схемы обратной связи по ошибке и цифрового фильтрования. В результате применения этого метода форма спектра шума меняется так, что основная шумовая энергия вытесняется в область выше половины частоты Fs, незначительная часть остается в нижней половине, и практически весь шум удаляется из полосы исходного аналогового сигнала. ЦАП в основном строятся по трем принципам:
При использовании передискретизации в десятки раз становится возможным уменьшить разрядность ЦАП без ощутимой потери качества сигнала; ЦАП с меньшим числом разрядов обладают также лучшей линейностью. В пределе количество разрядов может сокращаться до одного. Форма выходного сигнала таких ЦАП представляет собой полезный сигнал, обрамленный значительным количеством высокочастотного шума, который, тем не менее, эффективно подавляется аналоговым фильтром даже среднего качества. ЦАП являются «прямыми» устройствами, в которых преобразование выполняется проще и быстрее, чем в АЦП, которые в большинстве своем — последовательные и более медленные устройства. На платах мультимедийных звуковых адаптеров обязательно присутствует блок синтезатора (MIDI блок). Он позволяет синтезировать звучание музыкальных инструментов, превращая нотную запись в аудио потоки. Обычно воспроизводятся MIDI файлы, в которых записана партитура (нотная запись) оркестрового произведения. MIDI файлы в тысячу раз меньше обычных PCM файлов. Параметрами MIDI блока является число аппаратно и программно синтезируемых голосов инструментов (полифония). MIDI блок современных адаптеров может иметь, например, 64 аппаратных голоса и 512 программных. В принципе достаточно 64-голосой полифонии, так как лишь избранные слушатели могут различать большее число голосов. Для наложения эффектов (изменение звучания инструментов для придания большей выразительности) MIDI блок использует эффект процессор. Хотя эффекты могут накладываться на любые потоки, впервые они возникли в MIDI. Поэтому и возможности наложения эффектов часто приводят как MIDI параметры. Он построен либо на базе микросхем FM-синтеза, либо на базе микросхем WT-синтеза, либо того и другого вместе. Работает либо под управлением драйвера (FM, большинство WT) — программная реализация MIDI, либо под управлением собственного процессора — аппаратная реализация. Имеется также блок MPU, который осуществляет прием и передачу данных по внешнему MIDI-интерфейсу, выведенному на разъем MIDI/ Joystick и разъем для дочерних MIDI-плат. Следующий блок звукового адаптера — процессор потоков. Блок управляет цифровой обработкой звуковых потоков. В числе функций обработки: микширование/расщепление потоков, регулировка их громкости, баланс стерео, маршрутизация потоков, т. е. направление их в блоки дополнительной обработки и прием обработанных потоков. Параметром процессора потоков является число одновременно аппаратно ускоряемых потоков, однако само число не столь существенно для выбора, главное — сам факт такого ускорения. Заметим, что если приложению не хватает аппаратных потоков, то DirectSound предусматривает добавление неограниченного числа программно-обрабатываемых потоков (хватило бы мощности центрального процессора). «Многопоточность» 154 160 ОСНОВЫ СУДЕБНОГО РЕЧЕВЕДЕНИЯ АЦП И ЗВУКОВЫЕ АДАПТЕРЫ используется, например, в играх, а также при монтаже нескольких записей. В дочерних музыкальных платах основными блоками являются собственно музыкальный синтезатор и блок MIDI-интерфейса, через который плата получает MIDI-сообщения от основного звукового адаптера. В цифровой магнитной звукозаписи принято, что динамический диапазон в 110 дБ позволяет без искажений преобразовывать любой самый сложный акустический сигнал. Этот диапазон можно получить, используя 18—20 разрядный АЦП/ЦАП. Однако использование такого устройства потребует резкого увеличения скорости передачи данных, большого объема накопителя информации, да и конструктивная реализация его чрезвычайно сложна. До недавних пор технически эта задача не была реализована. Сегодня несколько отечественных фирм, например «Инструментальные системы» (г. Москва), производят 18—24-разрядные АЦП на уровне лучших мировых образцов по цене менее тысячи долларов. Частота дискретизации при цифровой обработке звука обычно равна 44,1, 48 кГц, но для звука непритязательного качества используются еще их более низкие кратные производные (22,5 кГц и др.). 48 кГц является стандартной для компьютерного аудио, цифровых интерфейсов, DVD-аудио, и ей нужно отдавать предпочтение (если только файл не является копией аудиотрека). В настоящее время большинство современных бытовых и профессиональных звуковых адаптеров изготавливают 24-разрядными и с частотами дискретизации 192 кГц (стандарт DVD-audio). Особенность музыкальных звуковых карт — качество ЦАП в них обычно выше, чем у АЦП (примерно на 2—10 дБ), и разрядность ЦАП (воспроизведение) всегда не меньше, чем АЦП (запись). Например, часто АЦП 18-разрядный, а ЦАП 20-разрядный. Важно отметить, что именно ЦАП определяет в основном чистоту звучания адаптера. Вместе с тем, относительная стоимость ЦАП/АЦП в адаптере невелика. Первоначально при создании АРМ эксперта-фоноскописта для проведения криминалистических исследований речи в качестве основы были выбраны 16-разрядные АЦП/ЦАП со свободным динамическим диапазоном (иначе тот диапазон, в котором реально можно работать без искажения сигнала) свыше 80 дБ. Такое устройство позволяет практически без искажений оцифровывать звуковой сигнал. Кроме того, в некоторых случаях для визуализации криминалистических признаков речи можно было использовать даже 12-разрядные устройства с динамическим диапазоном около 70 дБ (на уровне аналоговой звуковоспроизводящей аппаратуры высшего класса). Использовать 8—10-разрядные АЦП при исследованиях речевых сигналов вообще не рекомендуется. В настоящее время за рубежом производится большое количество устройств АЦП/ЦАП бытового назначения. Раньше такие устройства обычно имели разрешение 8 или 16 бит. Сейчас выпускаются только 16-битовые устройства и устройства с более высоким разрешением (до 24 бит). Они часто оборудованы сигнальным процессором (ASP, DSP) и позволяют производить запись сигналов с частотой дискретизации до 48 Кгц (1—2 канала). Причем подавляющее их число имеет низкую стоимость (до 100 долларов). Однако они предназначены для использования исключительно в бытовых компьютерных системах «мультимедиа» и не являются средствами измерения. Зарубежные специализированные АЦП/ЦАП для обработки речи стоят несколько тысяч долларов (например, изделия фирмы «Data Translation», США). На отечественном рынке в настоящее время имеется несколько высококачественных 16-разрядных устройств АЦП/ЦАП, предназначенных для использования в составе станций по обработке музыкальных фонограмм (например, изделия фирмы «Диги- тон», г. С-Петербург). Из специализированных отечественных плат для обработки речевых и иных акустических сигналов следует отметить изделия Центра речевых технологий (г. С-Петербург) и фирмы «Инструментальные системы» г. Москва. Это большая группа 12 и 16-разрядных устройств с числом входных каналов от двух (ЦРТ) до 16—18 («ИнСис»). Центр речевых технологий производит две модели АЦП/ЦАП — 12-разрядную плату STC-H106 и STC-H118 «Икар» — 16-разрядная. Частота дискретизации — до 48 кГц. Перспективная плата «Икар» создана на базе микросхемы AD1848 фирмы «Analog Devices» (США) и имеет для первой серии устройств отношение сигнал/шум 75 дБ, коэффициент нелинейных искажений 0,05% и неравномерность АЧХ в полосе пропускания не более 1 дБ. Фирма «Инструментальные системы» производит несколько серий изделий международного уровня. Это 12, 14, 16 и 18-раз- 154 162 ОСНОВЫ СУДЕБНОГО РЕЧЕВЕДЕНИЯ АЦП И ЗВУКОВЫЕ АДАПТЕРЫ рядные инструментальные (многофункциональные) платы АЦП/ЦАП — изделия серии ADC (более дешевые устройства) и ADS12-18 (улучшенные изделия). Они предназначены для ввода аналогового сигнала в ПЭВМ с частотой квантования от 200 кГц до 40 мГц. Динамический диапазон — более 70—80 дБ для 12-разрядных изделий (на основе интегральных схем AD1671 и AD7547 фирмы «Analog Devices») и 92 дБ для 16-разрядных (на основе микросхем фирмы «Burr-Brown», США). Платы могут работать совместно с модулем цифровой обработки сигнала (сигнальный процессор) семейства DSP через совместную шину данных или через унифицированный интерфейс InSys-Link. Аналогичную шину данных имеют электронные платы фирмы ЦРТ. Платы серии ADS предназначены для профессиональной обработки звука. Наиболее совершенная из них марки ADS18x48 (на основе кристаллов фирмы «ADI») имеет 18-разрядный 4-канальный модуль ввода (АЦП) и 2-канальный 16-разрядный модуль вывода аудиосигналов (ЦАП). Частота дискретизации 48 кГц и свободный динамический диапазон более 100 дБ. Встроенные антиэлайзинговые фильтры имеют крутизну 140 дБ/окт. Имеются собственные средства самотестирования и интерфейс связи с сигнальным процессором. Кроме двухканального стереоввода сигнала в ПЭВМ, плату можно использовать в качестве 4-канального анализатора спектра для технического исследования фонограмм (фирма имеет необходимые для этого программные продукты). Высокие технические характеристики данных электронных плат ставят их в один ряд с наиболее совершенными зарубежными изделиями. Фирма «ИнСис» также выпускает специализированные 2-каналь- ные цифровые осциллографы на базе ПЭВМ с измерительной полосой 50 мГц на канал (АЦП 8 разрядов, 150 мГц), с памятью данных на 128 Кслов на канал и интерфейсом InSys-Link. В паспорте АЦП/ЦАП фирма-производитель обязательно должна указывать основные метрологические параметры изделия, такие, как полный коэффициент гармоник, отношение сигнал/шум, неравномерность АЧХ в полосе пропускания, реальный динамический диапазон, уровень проникновения сигнала из канала в канал (для двухканальных устройств), количество эффективных разрядов. Последнее обстоятельство связано с тем, что даже в самых дорогих и высококлассных АЦП, например, в 18-разрядном АЦП фирмы «ИнСис», реально задействовано всего (максимально достижимая цифра) 16,5 эффективных разрядов. Аналогичная картина для 12 и 16-разрядных изделий. Проблема указания фирмой в паспорте изделия основных статических, а главное — динамических характеристик объясняется тем, что существующие в настоящее время стандарты (напр., ГОСТ 2436-81 «Преобразователи интегральные. Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые. Основные параметры» и ГОСТ 8.009-84 «Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений») не регламентируют метрологическую поверку динамических параметров АЦП/ЦАП. Поэтому такими фирмами, как «ИнСис», «Центр АЦП» (АОЗТ «Руднев-Шиляев», г. Москва) и рядом других проводятся собственные работы по созданию своих методик тестирования электронных плат. Эти фирмы также проводят тестирование изделий на заказ, в том числе иностранных. Как уже указывалось выше, цифровая обработка сигналов требует выполнения громадного количества математических операций. Особенностью применяемых для обработки сигналов алгоритмов является то, что многие из них требуют постоянного выполнения сложных для компьютера математических операций, таких, как умножение и накопление сигнала. К такого рода алгоритмам в первую очередь относятся: быстрое преобразование Фурье, различные векторные и матричные операции, разного рода кодирование сигнала, корреляции и цифровая фильтрация оцифрованных сигналов, реализация алгоритмов сжатия сигнала. Для того, чтобы разгрузить при цифровой обработки сигналов центральный процессор компьютера, разработаны высокоэффективные специальные устройства, в которых в единое целое объединены умножитель и сумматор-накопитель. Такого рода устройства называются сигнальными процессорами. Причем, эти устройства выполняют вышеперечисленные операции умножения и накопления за один такт, и при этом собственно умножитель аппаратно встраивается в кристалл. Кроме того, для сигнальных процессоров разработана специальная система команд, которая позволяет объединять выполнение нескольких операций. Возможна также параллельная работа нескольких электронных плат сигнальных процессоров. Для дополнительного увеличения скорости выполнения математических операций сигнальные процессоры имеют независимые шины данных и команд, причем как внутренние (в самом сигналь 164 154 164 ОСНОВЫ СУДЕБНОГО РЕЧЕВЕДЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ном процессоре), так и внешние (между АЦП/ЦАП и платой сигнального процессора). Таким образом, сигнальные процессоры представляют собой реальную однокристальную микро-ЭВМ, которая по соответствующему алгоритму, находящемуся во встроенной памяти кристалла, проводит обработку оцифрованного сигнала и в которой реализована возможность быстро проводить специфические, наиболее сложные для реализации математические операции. Программы обработки не «вшиваются» намертво в кристалл, а могут меняться. К преимуществам таких процессоров следует отнести их высокую производительность, простоту подсоединения плат ускорителей с АЦП, модульность, наращиваемость, то есть возможность соединения нескольких сигнальных процессоров в единый комплекс, более простое матобеспечение. Точность представления сигнала зависит от разрядности используемого АЦП, а процесс разбиения сигнала на отсчеты носит название дискретизацией. Число отсчетов в секунду называется частотой дискретизации. При оцифровке происходит округление сигнала до разряда АЦП. Такой процесс называют квантованием сигнала (то есть представление сигнала с помощью конечного числа числовых разрядов). Операция квантования (или переход от дискретного сигнала к цифровому) происходит с ошибкой, величина которой определяется разрядностью АЦП. Разрешение таких устройств обычно выражается «весом» единицы младшего разряда (ЕМР). Диапазон, в котором сохраняется линейная зависимость между величиной входного сигнала и его оцифрованного значения, называется динамическим диапазоном и определяется в децибелах. Динамический диапазон преобразования определяется числом уровней квантования (N) и числом двоичных разрядов АЦП. Однако реальный динамический диапазон далек от теоретического — он может быть ниже теоретического на большую величину (до 10—20 дБ), что соответствует АЦП более низкого разряда. Такое снижение динамического диапазона объясняется уровнем собственных шумов АЦП и ЦАП и зависит от многих величин. Во-первых, — от разрядности изделия. Ею обусловлены так называемые «шумы квантования». Во-вторых, — от собственных помех изделия и зависящих от используемой элементной базы шумов электронных компонентов АЦП (не правильно соединенные сигнальные, аналоговые и цифровые компоненты, взаимное влияние аналоговой части на цифровую и т. п.). В-третьих, — от наводок от других элементов комплекса, например, ПЭВМ, монитора. В-четвертых, влияют помехи от источника питания. Все импульсные источники питания создают синфазные помехи, могут наблюдаться импульсные помехи и т. д. Уровень шумовых искажений, вносимых временной дискретизацией и амплитудным квантованием сигнала, в общем виде равен: 6N + 10 lg ^дис1ф^макс) + C (дБ), где константа C варьируется для разных типов сигналов. Например, для чистой синусоиды она равна 1,7 дБ, а для реальных звуковых сигналов может достигать 2 дБ. То есть к снижению шумов в рабочей полосе частот от 0 до F^ приводит не только увеличение разрядности отсчета, но и повышение частоты дискретизации относительно 2Fмакс, поскольку шумы квантования «размазываются» по всей полосе вплоть до частоты дискретизации, а звуковая информация занимает только нижнюю часть этой полосы. |