Audiokonferenčný modul - diplom.utc.skdiplom.utc.sk/wan/633.pdf · Amatérske rádio a Rádio...
Transcript of Audiokonferenčný modul - diplom.utc.skdiplom.utc.sk/wan/633.pdf · Amatérske rádio a Rádio...
Audiokonferenčný modul
DIPLOMOVÁ PRÁCA
MARTIN BÖHM
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
Elektrotechnická fakulta Katedra telekomunikácií
Študijný odbor: TELEKOMUNIKÁCIE
Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Martin Vaculík Phd.
Stupeň kvalifikácie: inžinier (Ing.) Dátum odovzdania diplomovej práce: 19. Máj 2006
ŽILINA 2006
Abstrakt:
Hlavným cieľom tejto diplomovej práce bol návrh audio konferenčného zariadenia,
ktoré by slúžilo ako náhrada dnešných audio konferenčných prístrojov bežne dostupných na
telekomunikačnom trhu jednoduchým pripojením namiesto mikrotelefónu. Zariadenie by
bolo univerzálnejšie, nebola by potrebná konfigurácia prístroja. Navrhol som tri riešenia, dve
realizované pomocou analógových obvodov a teoretický rozbor riešenia pomocou
mikroprocesora. Popri vlastných návrhoch som analyzoval vlastnosti ľudského hlasu
a stability telefónneho prístroja ako aj podmienky použitia konferenčného telefónneho
zariadenia v bežných kancelárskych priestoroch z hľadiska akustiky, uviedol som možnosti
úprav akustických priestorov potrebných na dosiahnutie vhodných podmienok z hľadiska
akustiky miestnosti, ako aj prehľad audio konferenčných modulov, ktoré ponúka súčasný
svetový telekomunikačný trh.
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, Katedra telekomunikácií
___________________________________________________________________________
ANOTAČNÝ ZÁZNAM - DIPLOMOVÁ PRÁCA Priezvisko, meno: Martin Böhm školský rok: 2005/2006
Názov práce: Audiokonferenčný modul
Počet strán: 55 Počet obrázkov: 8 Počet tabuliek: 1
Počet grafov: 0 Počet príloh: 9 Použitá lit.: 7
Anotácia (slov. resp. český jazyk):
Hlavným cieľom tejto diplomovej práce bol návrh audio konferenčného zariadenia, ktoré by slúžilo ako náhrada dnešných audio konferenčných prístrojov, jednoduchým pripojením namiesto mikrotelefónu. Navrhol som tri riešenia, dve realizované pomocou analógových obvodov a teoretický rozbor riešenia pomocou mikroprocesora. Analyzoval som vlastnosti ľudského hlasu a stability telefónneho prístroja ako aj podmienky použitia konferenčného telefónu z hľadiska akustiky.
Anotácia v cudzom jazyku (anglický resp. nemecký):
This diploma project is based on development a new type of audio conferencing device used as a replacement of handset. I designed three variations. The first two by using analog circuits and the third one - theoretical solution by using microprocessor. I also analyzed quality of human voice, stability of telephone device and utilization of using an audio conferencing device from acoustic point of view.
Kľúčové slová:
audio konferencia, audio konferenčné zariadenie, telefónny prístroj, regulácia hlasitosti, spojitá regulácia, skoková regulácia, analógové obvody, stabilita telefónneho prístroja, akustika miestnosti, akustické úpravy, vlastnosti ľudského hlasu.
Vedúci práce: doc. Ing. Martin Vaculík Phd.
Recenzent práce : Ing. Miroslav Dzurek
Dátum odovzdania práce: 19. máj 2006
Obsah:
1.Úvod..................................................................................................................................1
2. Cieľ riešení.......................................................................................................................2
3. Ľudský hlas......................................................................................................................3
4. Stabilita telefónneho prístroja..........................................................................................5
5. Úvod do akustických úprav priestorov............................................................................8
5.1 Akustické úpravy priestorov.......................................................................................9
5.2 Subjektívne parametre a objektívne miery uzavretých priestorov..............................9
5.3 Mechanizmy pohlcovania zvuku..............................................................................11
5.4 Pórovité materiály.....................................................................................................12
5.5 Obklady na rezonančnom princípe...........................................................................12
5.6 Princíp úpravy doby dozvuku uzavretého priestoru.................................................14
6. Prehľad súčasných audio konferenčných telefónnych zariadení...................................16
6.1 Polycom....................................................................................................................16
6.1.1 Polycom SoundStation VTX 1000.....................................................................16
6.2 Konftel......................................................................................................................18
6.3 Max...........................................................................................................................18
6.4 Zhrnutie.....................................................................................................................19
7. Vlastné návrhy audio konferenčného modulu..............................................................19
7.1 Návrh obvodu regulácie zisku mikrofónov pomocou analógových obvodov.........20
7.1.1 Princíp činnosti obvodu popísaný podľa schémy v prílohe číslo 4 - Analog 1.21
7.2 Návrh obvodu regulácie zisku mikrofónov pomocou analógových obvodov so spojitou
reguláciou hlasitosti jednotlivých mikrofónov...........................................23
7.2.1 Princíp činnosti obvodu popísaný podľa schémy v prílohe číslo 5 - Analog 2..24
7.3 Návrh obvodu regulácie zisku mikrofónov pomocou mikroprocesora so spojitou
reguláciou hlasitosti jednotlivých mikrofónov popísaný podľa schémy v prílohe číslo 6
– Mikroprocesor............................................................................................25
7.3.1 Mikroprocesor AT89C2051................................................................................25
7.3.2 Princíp činnosti ..................................................................................................27
7.4 Riešenie obvodu hlasitého odposluchu popísaný podľa schémy v prílohe číslo 7 –
Repro.........................................................................................................................28
8. Technicko-ekonomické zhodnotenie práce....................................................................29
9. Záver..............................................................................................................................30
10. Zoznam použitej literatúry...........................................................................................31
Zoznam príloh:
Príloha číslo 1 - Polycom 1/2
Príloha číslo 2 - Konftel
Príloha číslo 3 - Tabuľka merania 1
Príloha číslo 4 - Analog 1
Príloha číslo 5 - Analog 2
Príloha číslo 6 - Mikroprocesor
Príloha číslo 7 - Repro
Príloha číslo 8 – Rozpiska
Príloha číslo 9 – Filter
1. Úvod:
V dnešnej rýchlej dobe plnej informačných technológií sú čím ďalej kladené väčšie
nároky na prenos dát a súčasne rastie aj potreba prenosu informácií. Ako jedným
z najrozšírenejších zariadení slúžiacich na komunikáciu a tým aj na prenos informácií sa už
v minulosti stal telefónny prístroj. Príchodom telefónu vznikali aj snahy organizovať porady
– konferencie nie štandardne v jednej miestnosti, ale medzi dvomi akýmikoľvek miestami.
Musela tu vždy platiť podmienka prepojenia daných dvoch bodov telefónnou linkou.
S myšlienkou audio konferenčného hovoru sa vynorili technické problémy ako umožniť
účastníkom čo najpohodlnejšiu a najprirodzenejšiu komunikáciu. Prvé audio konferenčné
telefónne prístroje boli vybavené jedným reproduktorom a viacerými mikrofónmi so
spínačmi. Účastník, ktorý chcel hovoriť, stlačil príslušný prepínač, ktorým uviedol do
prevádzky daný mikrofón (zvyčajne ten, ktorý bol čo najbližšie k hovoriacemu), a ostatné
mikrofóny odpojil. Zariadenia tohto typu boli veľmi jednoduché a nespĺňali nároky na
pohodlnú, plynulú a prirodzenú komunikáciu.
Až ďalším vývojom polovodičov a mikroprocesorov sa objavili prvé audio
konferenčné zariadenia, ktoré dokázali inteligentne regulovať výšku hlasitosti od závislosti
na vzdialenosti jednotlivých účastníkov audio konferenčného hovoru od zariadenia.
V súčasnosti sú takéto telefónne prístroje vybavené DSP signálnymi procesormi, ktoré riadia
celý proces regulácie hlasitosti a zisku mikrofónov. Tieto prístroje sú vybavené viacerými
vstupmi a výstupmi, pomocou ktorých je možné pripojenie externých zariadení. Na dnešnom
telekomunikačnom trhu sú v ponuke aj bezšnúrové audio konferenčné moduly
komunikujúce prostredníctvom technológie Bluetooth. Dnešné audio konferenčné telefónne
prístroje sú kompatibilné s iným bežným komunikačným prostredím a spĺňajú štandardy
moderných telefónnych prístrojov .
1
2. Cieľ riešení:
Cieľom tejto diplomovej práce je analyzovať podmienky použitia konferenčného
telefónneho prístroja v bežných kancelárskych priestoroch z hľadiska akustiky, uviesť
prípadné úpravy akustických priestorov na dosiahnutie vhodných podmienok z hľadiska
akustiky miestnosti, uviesť prehľad audio konferenčných modulov, ktoré ponúka súčasný
svetový telekomunikačný trh a navrhnúť funkčné riešenia, ktoré by slúžili ako náhrada
dnešných audio konferenčných prístrojov bežne dostupných použitím analógových obvodov
a použitím mikroprocesora. Dôvodom vytvorenia vlastného riešenia je vytvoriť zariadenie,
ktoré by sa dalo použiť na akomkoľvek type telefónneho prístroja digitálneho alebo
analógového jednoduchým pripojením namiesto mikrotelefónu. Takéto zariadenie by
umožnilo používanie audio konferenčného zariadenia následne po sebe s malými časovými
odstupmi na rôznych miestach. Oproti bežným audio konferenčným zariadeniam by mal
tento modul vysokú portabilitu, nebolo by potrebné zdĺhavé konfigurovanie pri pripojení na
inú účastnícku prípojku. Keďže dnešný trh neponúka takýto typ zariadenia, uvedením
takéhoto výrobku na trh by vznikla konkurencia spoločnostiam vyrábajúcim audio
konferenčné telefóny. Predpokladom použitia týchto náhradných riešení je aplikácia
v podmienkach, kde jedným z kritérií voľby je v neposlednom rade aj cena zariadenia.
Pri písaní tejto práce som okrem literatúry uvedenej v kapitole 10. - Zoznam použitej
literatúry, čerpal námety a myšlienky z kníh: Boleslav, A.: Mikrofony a přenosky. Praha:
SNTL, 1962. Svoboda, J. – Brda, J.: Elektroakustika do kapsy. Praha: SNTL, 1981. Luhár, J.:
Elektroakustika, Bratislava: Alfa, 1990. Makáň, F.: Elektroakustika pre odbor
telekomunikačná technika, Bratislava: SVŠT, 1985. Černoch, B. – Syrovátko, M.:
Polovodičová technika – Zapojení s integrovanými obvody, Praha: SNTL, 1975. a časopisov
Amatérske rádio a Rádio plus konstrukce, technika, elektronika.
2
3. Ľudský hlas:
Veľmi dôležitým akustickým signálom z hľadiska prenosu je ľudský hlas. Reč vzniká
svalovým pôsobením na rôzne dutiny od hlasiviek až k perám. Reč sa delí na vety, slová,
slová sa delia na slabiky, slabiky na hlásky. Z hľadiska frekvenčného rozboru je každá hláska
tvorená základným tónom a radom vyšších harmonických, ktorých najdôležitejšie frekvenčné
oblasti nazývame formanty. Tieto formanty sú veľmi dôležité na rozpoznateľnosť hlásky.
Slová prijímame ako ucelené obrazy, a preto človek môže mnoho chýbajúcich informácií
doplniť. Kontrola správnosti a doplnenia potom vyplýva zo zmyslu vety a textu.
Potrebná kmitočtová oblasť pre dokonalý prenos reči, napríklad umelecký prednes, je
80 Hz až 16 000 Hz, t.j. v podstate celá počuteľná oblasť . Pre dobrú zrozumiteľnosť
postačuje oblasť podstatne menšia, 300 Hz až 4000 Hz. Pre bežný hovor postačuje oblasť
doporučená aj k telefónnemu spojeniu, a to 300Hz až 3400 Hz.
Vhodnou úpravou frekvenčnej charakteristiky prenosovej cesty môžeme pre druhy
prevádzky s väčším okolitým hlukom zlepšiť zrozumiteľnosť reči zdôraznením vyšších
kmitočtov, t.j. zdôraznením formantov, ktoré by inak vplyvom malej intenzity zostali
maskované hlukom.
Kvalita hlasového prenosu sa všeobecne vyjadruje pomocou parametra Mean
Opinion Score (MoS).Táto veličina udáva priemernú hodnotu reprezentatívneho počtu
názorov na kvalitu hlasového prenosu. MoS hodnoty sú reprodukovateľné a spoľahlivé a tak
môžu byť použité pre meranie kvality hlasového prenosu. V odporúčaní ETSI D EG /STQ-
00-001 sa kvalita hlasového prenosu koniec-koniec definuje ako stupeň kvality, ktorú
poslucháč vníma na svojom termináli od účastníka na vzdialenom konci.
Meradlom kvality reči je zrozumiteľnosť. Zrozumiteľnosť sa podľa druhu skúšky
rozdeľuje na vetnú, slovnú a slabikovú. Skúška zrozumiteľnosti najlepšie dokáže vhodnosť
skúšaného zariadenia pre prenos reči v danom prostredí. Zrozumiteľnosť sa udáva
v percentách a vyjadruje percento zariadením správne sprostredkovaných slov. Napríklad
80% zrozumiteľnosť znamená, že zo 100 slov je 80 správne sprostredkovaných. Medzi
jednotlivým druhmi zrozumiteľnosti sa vzťahy udávajú graficky, napríklad 95%
zrozumiteľnosti zodpovedá 90% slovnej zrozumiteľnosti a 80% zrozumiteľnosti slabikovej.
Druh skúšky je vhodné voliť podľa kvalitatívnych parametrov zariadenia. Pre zariadenie
3
s veľmi dobrou zrozumiteľnosťou sa používa slabiková skúška, pre zariadenie so zlou
zrozumiteľnosťou sa používa vetná skúška. Používané vybrané slová, slabiky a vety pre
skúšky zrozumiteľnosti musia zodpovedať charakteru jazyka (slovenčina, ruština, angličtina,
atď.), pre ktoré je dané zariadenie určené. Výber týchto textov je pomerne zložitá záležitosť,
a preto skúšobné texty spracovávajú jazykové oddelenia ústavov zaoberajúcich sa touto
problematikou. V SR to je jazykovedné oddelenie SAV.
4
4. Stabilita telefónneho prístroja:
Telefónny spoj je duplexný, čo znamená, že musí umožňovať výmenu otázok
a odpovedí – konverzáciu. Z akustickej strany sa javí ako kanál dvoch oddelených
protismerných ciest. Napriek tomu v elektrickej časti reťazca nepredstavuje tento spoj
v celom priebehu oddelený štvordrôt pre smer prenosu jedným smerom a iný štvordrôt pre
smer spätný. Tesne za elektroakustickými meničmi – mikrofón a slúchadlo sa štvordrôtový
systém mení na dvojdrôtový systém, predstavovaný účastníckym telefónnym vedením.
Tento prechod je možné realizovať len tak, že vzniká určitá väzba medzi mikrofónom
a slúchadlom vlastného telefónneho prístroja. Pri bližšom pohľade na problematiku sa
rozpadá elektrická väzba cez elektrické obvody - hovorový transformátor a na väzbu cez
akustické meniče – cestou akustickou medzi mikrofónom a slúchadlom vlastného
telefónneho prístroja.
Ani najlepšie tzv. protimiestne zapojenie telefónnych prístrojov tento jav spätnej
väzby nevylúči celkom. Časť mikrofónových prúdov sa prijíma vo vlastnom slúchadle.
Rozmedzie miestnych väzieb je dosť veľké. Úplne potlačenie miestnej väzby nie je žiadúce.
Slabá miestna väzba dáva účastníkovi pocit, že jeho prístroj je v poriadku. Na druhej strane
predstavuje miestna väzba parameter, ktorý má veľký vplyv na kvalitu telefónneho spoja.
Z hľadiska subjektívneho hodnotenia veľkosti miestnej väzby je únosné pripustiť takú väzbu,
aby aj do zakrytého ucha mikrotelefónu sa dostala taká akustická energia ako do ucha
voľného.
Akustický výkon ľudského hlasu má približnú priemernú hodnotu cca 86 dB. Ak
uvažujem približnú hodnotu akustického výkonu modulu cca 90 dB (86 dB ľudský hlas) do
jedného metra od zdroja, dostávame výkon cca 1 W na 1 meter. Keďže zariadenie bude
určené do priestorov s maximálnou plochou 25 m2, predpokladám, že najďalej sediaci
účastníci audio konferencie budú vzdialení maximálne 2 metre od prístroja. Na základe
predchádzajúcich zistení dostávame elektrický výkon telefónneho prístroja cca 1-2 W
potrebný pre daný audio konferenčný modul, čo znamená okrem nevyhnutnosti potláčania
spätnej väzby aj potrebu vonkajšieho napájania zo zdroja alebo batérie.
Znižovaním vzťažného tlmenia elektroakustických meničov – respektíve zvyšovaním
citlivosti ako mikrofónov, tak aj slúchadiel vystupuje do popredia problém stability
5
telefónneho prístroja. Problém kompromisného vyváženia a diferenciálneho transformátora
v telefónnom prístroji prispieva značnou mierou k nestabilite a k tomu pristupuje vlastná
akustická väzba medzi slúchadlom a mikrofónom vlastného telefónneho prístroja. Ukazuje
sa, že prispôsobenie vedenia na diferenciálnom transformátore v telefónnom prístroji
prispieva veľkou mierou k nestabilite. Pri určitých kmitočtoch miera nestability môže
spôsobiť rozkmitanie celého systému vplyvom vzájomných väzieb medzi mikrofónom
a slúchadlom a cestou akustickou zo slúchadla do mikrofónu.
Obmedzujúcim faktorom zvyšovania citlivosti elektroakustických meničov, ako je
vidieť, je stabilita. Veľkosť miestnej väzby priamo súvisí so stabilitou a teda aj s možnosťou
zvyšovania citlivosti elektroakustických meničov. Pri úplnom oddelení oboch protismerných
ciest v elektrickej časti, teda vylúčenia väzby, zostáva tu ešte väzba akustická, ktorá síce
nemá podstatný vplyv (aspoň priamy vplyv) na stabilitu vlastného telefónneho prístroja. Do
úvahy tu však prichádza väzba cez protiľahlý telefónny prístroj, bližšie cez akustickú väzbu
elektroakustických meničov. Pritom musíme mať na mysli maximálne možné zvyšovanie
citlivosti elektroakustických meničov, čo súvisí so znižovaním ich vzťažného tlmenia.
Musíme počítať naviac aj s určitou veľkosťou miestnej väzby cez diferenciálny
transformátor, čo do určitej miery komplikuje možnosť zvyšovania citlivosti
elektroakustických meničov.
V súčasných digitálnych telefónnych prístrojoch sa používajú obvody obdobného
typu ako obvod od firmy Infineon, typ 4851 http://www.infineon.com/cgi-
bin/ifx/portal/ep/programView.do?channelId=-
65188&programId=34154&programPage=%2Fep%2Fprogram%2Fdocument.jsp&pageType
Id=17099( obr. 2.1). Tento obvod obsahuje štandardné analógové rozhranie pre rôzne
digitálne obvody súčasných telefónnych prístrojov. Obsahuje dva obojsmerné kanály, ktoré
transformujú signál z analógovej sféry na digitálnu. Taktiež obsahuje zariadenie určené na
potlačenie akustickej väzby, integrovaný multiplexer, ktorý umožňuje pripojenie troch
zdrojov signálu (z telefónneho slúchadla, výstupu z obvodov hlasitého odposluchu
a analógovej linky) do dvoch kanálov a súbor zosilňovacích obvodov pre mikrofóny
a reproduktory. Hlasové dáta sú prenášané 16 bitovým lineárnym kódovaním v dvoch
kanáloch.
6
Vref
D
A
Obr. 4.1
Miera akustickej väzby je zisk pomocného zosilňovača vradeného do obvodu
miestnej väzby, pri ktorom práve nasadzujú oscilácie prejavujúce sa akustickou väzbou
slúchadlovej vložky. Sústava telefónneho spojenia sa rozpadá do dvoch, respektíve do troch
slučiek spätnej väzby. Je to spätná väzba cez vlastný telefónny prístroj, spätná väzba cez
navzájom spojené dva telefónne prístroje (telefónne spojenie) a napokon slučka spätnej
D
A
D
A
D
A
AFE CLK
AFE FS
AFE DD
AFE DU
Control Interface
DATA Interface
MWX
MUX
VREF
MID1
MIN1
MID2
MIN2
AX1
4851
LSP
LSN
HOP
HON
SDX
RST
SDR
SCLK
CS
AXO
7
väzby cez montáž telefónneho prístroja. Posledná slučka je v súčasných podmienkach
zanedbateľne malá, a preto ju neberieme do úvahy.
Telefónne prístroje používajú zapojenie potlačujúce miestnu väzbu. Úplné potlačenie
miestnej väzby však nie je žiadúce. Požaduje sa určitý stupeň miestnej väzby.
Podľa zapojenia sa používajú dva typy potlačenia miestnej väzby, a to mostíkové
zapojenie a kompenzačné zapojenie. Použitie typu potlačenia miestnej väzby je závislé od
základných vlastností elektroakustických meničov. Spravidla sa používajú elektretové alebo
elektromagnetické mikrofóny a elektromagnetické slúchadlá. Hranica citlivosti (činiteľa
prenosu) elektretových mikrofónov u jednotlivých typov je rôzna. Líšia sa priebehom
frekvenčnej charakteristiky, veľkosťou nelineárneho skreslenia, veľkosťou vysielacieho
činiteľa v závislosti od povahy v priestore, stability v závislosti na čase, veľkosťou vlastného
šumu atď. Dynamický odpor elektretového mikrofónu je omnoho nižší ako je impedancia
účastníckeho vedenia a nemôže byť zväčšený bez zhoršenia základných prenosových
vlastností mikrofónu.
Iná situácia je s elektromagnetickými slúchadlami. Je známe, že činiteľ
prenosu slúchadiel s jednoduchým elektromagnetickým systémom. Zvolené zapojenie
telefónneho prístroja závisí od súladu technických, estetických a ekonomických faktorov.
5. Úvod do akustických úprav priestorov:
Hlavným cieľom priestorovej akustiky je dosiahnutie optimálnych akustických
vlastností určitého priestoru, hodnotenie akustickej kvality priestoru. Hodnotenie akustickej
kvality priestoru je subjektívne a súvisí s účelom, ktorému slúži. Z hľadiska technickej
akustiky je snaha nájsť objektívne miery, ktoré zodpovedajú jednotlivým subjektívnym
parametrom a dosiahnuť pre ne doporučené alebo požadované hodnoty, pomocou vhodných
akustických úprav. Obvykle sa požaduje minimálne zodpovedajúca doba dozvuku
a dostatočná izolácia od okolitých priestorov.
8
5. 1 Akustické úpravy priestorov:
Ak chceme dosiahnuť čo najlepšie prevádzkové vlastnosti hlasitého telefónu, je
dôležité poznať, v akom priestore sa bude dané zariadenie využívať. Pri použití telefónneho
audio konferenčného modulu v bežných kancelárskych miestnostiach s plochou do 25 m2
a s predpokladaným využívaním zariadenia malým počtom osôb - traja, štyria ľudia,
postačujú minimálne a jednoduché úpravy ako je odizolovanie podlahy a zabránenie
prenikaniu hluku z okolia (nadmerný hluk z vonkajšieho okolia, hluk z prípadných
prevádzok v budove). Postačujúce je spĺňanie hygienických noriem o maximálnej hlučnosti
kancelárskych priestorov.
Pri použití telefónneho audio konferenčného modulu v kancelárskych miestnostiach
a konferenčných miestnostiach určených na konferencie, prípadne video, audio konferencie
s plochou väčšou ako 25 m2 a s predpokladaným využívaním zariadenia väčším počtom
osôb, sú potrebné zložitejšie a náročnejšie akustické úpravy daného priestoru.
5.2 Subjektívne parametre a objektívne miery uzavretých priestorov:
Základnou vlastnosťou uzavretých priestorov je dozvuk, ktorý je spôsobený
mnohonásobnými odrazmi zvuku na hraničných plochách. Preto je najdôležitejším
parametrom uzavretých priestorov doba dozvuku. V rámci subjektívnych testov sa hodnotí,
či je doba dozvuku (resp. dozvuk) krátka, dlhá alebo priemerná. Výsledky sú porovnateľné s
objektívnou dobou dozvuku T60, ktorá je definovaná ako čas, za ktorý klesne hladina
akustického tlaku v uzavretom priestore o 60 dB po vypnutí zdroja zvuku. Tieto porovnania
sa prevádzajú od začiatku dvadsiateho storočia a boli nájdené doporučené hodnoty pre
jednotlivé činnosti a rôzne objemy uzavretých priestorov. Doba dozvuku je zároveň závislá
od frekvencie a všeobecne sa doporučuje, aby bola pre všetky frekvencie rovnaká, iba
smerom nízkych frekvencií môže mierne stúpať (cca 20 % ). Musím poznamenať, že
sluchom sme schopní rozlíšiť zmenu doby dozvuku približne o 10%, preto dobu dozvuku
môžeme považovať za vyrovnanú, pokiaľ sa jej hodnoty v rámci sledovaného frekvenčného
rozsahu pohybujú v rozmedzí cca ± 10 %. Avšak doba dozvuku, ktorá zodpovedá
predchádzajúcim odporúčaniam, nie je zárukou dobrej akustickej kvality. Preto sa pri
9
projektovaní ako aj pri meraniach v už existujúcich priestoroch sledujú aj ďalšie parametre.
So subjektívnym dozvukom niekedy lepšie koreluje objektívna počiatočná doba dozvuku,
ktorá je definovaná ako doba poklesu o prvých 10 dB vypnutia zdroja zvuku a označuje sa
ako T10.
Ďalším subjektívnym parametrom, ktorý sa v rôznych formách hodnotí, je
priestorovosť. Súvisí s pocitom, že sa poslucháč nachádza v uzavretom priestore so
zodpovedajúcim objemom. Pojem priestorovosti je založený na skutočnosti, že k nám zvuk
v uzavretom priestore prichádza v rôznych smeroch a sluch nie je schopný rozlíšiť jednotlivé
smery a príspevky. Z toho vyplýva, že priestorovosť súvisí s difúznosťou zvukového poľa.
Podrobné štúdie v umelo vytvorených zvukových poliach ukázali, že samotná difúznosť nie
je postačujúca pre pocit priestoru. Ukázalo sa, že tento pocit súvisí s čiastočnou
nekoherentnosťou jednotlivých prírastkov z rôznych smerov. Priestorovosti najlepšie
zodpovedá miera bočnej energie, ktorá je definovaná na základe impulzovej odozvy
vzťahom:
1.1
kde θ je uhol medzi osou prechádzajúcou ušami poslucháča a smerom, z ktorého prichádza
odrazený zvuk, p2 je impulzová odozva, E5 zvuková energia v priebehu prvých 5 ms po
priamom zvuku, E80 zvuková energia v priebehu prvých 80 ms po priamom zvuku.
Subjektívny parameter – hlasitosť charakterizuje primeranosť intenzity vnemu ku
zdroju. S parametrom hlasitosti najlepšie koreluje miera hlasitosti v decibeloch, ktorá je
definovaná vzťahom:
1.2
10
kde p210 je impulzová odozva snímaná v referenčnej vzdialenosti 10 metrov, E∞ energia
zvuku v pozadí.
Jedným z hlavných parametrov uzavretých priestorov určených k produkcii
hovoreného slova je zrozumiteľnosť. Tento subjektívny parameter je predmetom testov už
niekoľko rokov, a preto sú vypracované metódy a postupy pre jej určovanie založené ako na
bežných slovách a slovných spojeniach, tak aj na spojeniach slabík bezo zmyslu ( tzv.
logatomoch). Zrozumiteľnosť je potom definovaná ako percentuálny pomer správnych
odpovedí k celkovému počtu slov a slabík. So zrozumiteľnosťou najlepšie koreluje
objektívna miera zreteľnosti, ktorá je podobná miere jasnosti pre hudbu:
1.3
Jej hodnoty by mali byť väčšie ako 0 dB, aby bola zrozumiteľnosť hodnotená ako
prijateľná. Teda väčšina zvukovej energie by mala k poslucháčovi prísť v priebehu prvých 50
ms po priamom zvuku, t.j. E50 . Ďalším dôležitým parametrom uzatvoreného priestoru je
hladina hluku v pozadí, energia zvuku v pozadí E∞, ktorá súvisí s izoláciou od okolitých
priestorov.
5.3 Mechanizmy pohlcovania zvuku:
Všetky akustické parametre uzavretých priestorov s výnimkou akustickej izolácie
súvisia s úpravou vnútorných povrchov uzavretých priestorov. Základným nástrojom sú
akustické obklady. V niektorých prípadoch je potrebné dosiahnuť väčšiu odrazivosť, inokedy
je potrebné pomocou difúzorov dosiahnuť optimálne rozloženie zvukovej energie v mieste
posluchu. Najčastejšie je cieľom zvýšenie pohltivosti povrchov.
11
5.4 Pórovité materiály:
Mechanizmus pohlcovania zvukovej energie pórovitými materiálmi je založený na
nevratnej premene zvukovej energie na inú formu (obvykle tepelnú). Množstvo energie
premenenej na teplo je (za predpokladu lineárnej akustiky) závislé od amplitúdy akustickej
rýchlosti. Pre pórovitý materiál umiestnený priamo na stene hodnota činiteľa zvukovej
pohltivosti rastie so vzrastajúcim kmitočtom a svoje maximum dosahuje pre f = c/(4d), kde d
je hrúbka obkladu.
Ak chceme potlačiť niektorý nízky kmitočet a vyhnúť sa vytváraniu mohutnej vrstvy
pohltivého materiálu (často aj z ekonomických dôvodov) umiestnime relatívne tenkú vrstvu
pórovitého materiálu do vzdialenosti l = λ/4 (t.j. v mieste pohltivej dosky je uzol akustickej
rýchlosti), je pohltivosť minimálna.
5.5 Obklady na rezonančnom princípe:
Spôsob pohlcovania energie akustickým obkladom môže tiež vychádzať z teórie
tlmených rezonátorov. Ak dopadajú zvukové vlny na akustický rezonátor, výsledkom sú
vynútené kmity, ktoré dosahujú maximálnu amplitúdu pre rezonančnú frekvenciu fr. Pre túto
frekvenciu môže v závislosti na tlmení rezonátora dosiahnuť činiteľ zvukovej pohltivosti až
hodnotu 1. Obklady na rezonančnom princípe môžeme podľa konštrukcie deliť na kmitajúce
membrány, kmitajúce dosky alebo panely a Helmholtzove rezonátory. Vo všetkých
prípadoch je možné nájsť ekvivalentný zjednodušený mechanický model vychádzajúci
z telesa s hmotnosťou m na pružine s pevnosťou k a tlmením δ. Dôležitou vlastnosťou
rezonátorov je doznievanie, čo je v podstate dokmitávanie rezonátoru na rezonančnom
kmitočte po zániku dopadajúcej zvukovej vlny. Tento jav je zrejmý predovšetkým u slabo
zatlmených rezonátorov (napr. Helmholtzových).
Kmitajúca membrána je tenká doska alebo fólia s malou ohybovou tuhosťou
upevnená v určitej vzdialenosti od pevnej steny (viac obr. 5.1). Membrána koná
predovšetkým základné kmity (t.j. piestový pohyb). Pre analógiu s telesom na pružine je
potrebné tuhosť pružiny nahradiť poddajnosťou vzduchového vankúša medzi membránou
12
a pevnou stenou. Rezonančná frekvencia netlmenej membrány za predpokladu malej
výchylky je daná vzťahom:
1.4
kde m je hmotnosť membrány, S je jej plocha, d je hrúbka vzduchovej vrstvy a ρ je hustota
vzduchu. V praxi sa do časti vzduchovej medzery pridáva pohltivý materiál (napr. mäkká
minerálna plsť), čím sa dosahuje zvýšenie činiteľa pohltivosti a rozšírenie pásma tlmených
frekvencií.
Obr. 5.1
Kmitajúce membrány nie je možné pre ich mechanické vlastnosti použiť všade. Zároveň
zo vzťahu 1.4 vyplýva, že na dosiahnutie nižších frekvencií je potrebná väčšia hmotnosť.
Preto sa často v praxi používajú kmitajúce dosky (kmitajúce panely). Tuhosť dosky značne
prevyšuje tuhosť vzduchového vankúša. Kmitajúce membrány a dosky sa využívajú
predovšetkým na tlmenie nízkych frekvencií, obzvlášť dosky môžu byť vhodne
architektonicky zabudované do stien uzavretých priestorov. Pre prakticky ľubovolné
spektrum frekvencií môžeme použiť obklady na báze Helmholtzovho rezonátora (obr. 5.2).
Za určitých zjednodušených podmienok hrdlo predstavuje piest o hmotnosti m, ploche
S s tlmením δ daným akustickým odporom Ra, dutina o objemu V predstavuje akustickú
poddajnosť Ca (=1/k). Množstvo vzduchu, ktoré koná piestový pohyb, je však o niečo väčšie
ako objem lS, kde l je dĺžka hrdla, pretože spoločne so vzduchom v hrdle kmitajú aj častice
bezprostredne pred aj za hrdlom. Preto predpokladáme tzv. efektívnu dĺžku vzduchového
stĺpca. Helmholtzov rezonátor (ako každý rezonátor) akumuluje energiu, čo spôsobuje jav
doznievania na vlastnej frekvencii, ktorá môže pôsobiť ako zdanlivé zosilnenie tejto
13
frekvencie. Pre potlačenie tohto javu je potrebné rezonátor vhodne zatlmiť. Helmholtzove
rezonátory sa pre široký rozsah možných frekvencií využívajú ako k pohlcovaniu zvuku, tak
aj ku konštrukcii akustických filtrov. Zriedkavo sa používajú jednotlivo, v praxi sa bežne
využívajú tzv. dierované panely, ktorých konštrukcia spočíva v relatívne pevnej doske
umiestnenej vo vzdialenosti d od tuhej steny (obr. 5.3). Doska má obyčajne otvory
v pravidelných rozostupoch, ktoré môžu byť rôznych tvarov.
Obr. 5.2 Schéma Helmholtzovho rezonátora
Obr. 5.3 Dierovaný panel nad vzduchovou medzerou
Do dutiny medzi panel s otvormi a stenu sa vkladá pohltivý materiál, čím sa upravuje
tlmenie rezonátorov. Príklad pohltivosti dierovaného panelu je na obrázku :
5.6 Princíp úpravy doby dozvuku uzavretého priestoru:
Aj keď sa pri uzavretých priestoroch sledujú subjektívne parametre a objektívne
charakteristiky vo väčšej miere, najdôležitejšia je doba dozvuku. Princíp jej úpravy je
vysvetlený na príklade: Predpokladáme miestnosť s objemom V a povrchom stien S. Po
určité frekvenčné pásmo je nameraná doba dozvuku T. Vzhľadom k funkcii miestnosti sa
14
však požaduje doba dozvuku T’. Pre túto úvahu vychádzame zo Sabinovho vzorca, z ktorého
vypočítame stredný činiteľ pohltivosti miestnosti α podľa vzťahu:
1.6
Pre zmenu doby dozvuku musíme časť povrchu stien S’ pokryť obkladovým materiálom,
ktorý v danom frekvenčnom pásme má činiteľ pohltivosti α’. Pre novú dobu dozvuku platí:
1.7
A potrebná plocha obkladu musí byť:
1.8
Predpokladajme, že cieľom bolo zníženie doby dozvuku. Potom materiál, ktorý
použijeme na obklad, musí mať α>α’. Ak je tento rozdiel malý, môže nám potrebná plocha
vyjsť príliš veľká a nerealizovateľná. V takom prípade je potrebné použiť pohltivejší materiál
alebo umelo zväčšiť povrch stien.
Činiteľ zvukovej pohltivosti α a doba dozvuku sú funkcie frekvencie a dosiahnutie
požadovanej doby dozvuku pre všetky frekvenčné pásma nemusí byť jednoduché. Ako už
bolo spomenuté, človek dokáže rozpoznať zmenu doby dozvuku približne o 10 %. Ak sa
požaduje napríklad vyrovnaná doba dozvuku pre všetky frekvenčné pásma, znamená to, že je
ju potrebné dosiahnuť približne s takouto toleranciou.
15
Pretože sú akustické vlastnosti obkladových materiálov špecifickým spôsobom
závislé na frekvencii, obyčajne je potrebné použiť kombináciu niekoľkých druhov obkladov.
Ich voľba a výsledné rozloženie jednotlivých materiálov po danom priestore nie je iba jedno.
Často je potrebné priestor akusticky upraviť nielen s ohľadom na dobu dozvuku, ale je
potrebné projektovať aj ďalšie prvky, ako sú napríklad difúzory alebo odrazné plochy.
Názory akustika sa potom väčšinou rozchádzajú s názormi architekta.
6. Prehľad súčasných audio konferenčných telefónnych zariadení:
6.1 Polycom:
(www.polycom.com)
Viaceré spoločnosti ponúkajú na svetovom telekomunikačnom trhu audio
konferenčné telefóny s rôznymi parametrami, vlastnosťami a prevádzkovými nárokmi.
Najširší sortiment takýchto telefónov ponúka americká spoločnosť Polycom, ktorá je lídrom
na trhu od roku 1992. V súčasnosti má v ponuke šesť typov takýchto telefónov. Vlajkovou
loďou spoločnosti je SoundStation VTX 1000, ďalej sú v ponuke zariadenia počínajúc
bezdrôtovým modulom SoundStation 2W, SIP konferenčný telefón SoundStation IP 4000 až
po Polycom QSX, ktorý umožňuje ovládanie cez počítač.
6.1.1 Polycom SoundStation VTX 1000:
(http://www.polycom.com/products_services/0,,pw-34-3133,00.html)
Je to prvý audio konferenčný telefón, ktorý sa dokáže plne adaptovať prostrediu,
v ktorom má byť použitý. Poskytuje čistý zvuk nezávisle od toho, či sú účastníci hovoru
vzdialený 0,5 m alebo 20 m (po pripojení externých mikrofónov).
Jadrom je TriMedia 200 MHz DSP procesor, ktorý dokáže spracovávať 5 rôznych
operácií v tom istom čase, čo znamená viac ako 1000 miliónov operácií za sekundu (MOPS)
a viac ako 800 miliónov plávajúcich operácií za sekundu (MFLOPS). V porovnaní výpočtu
operácií by sa mohol dať porovnať s 1 GHz procesorom Pentium IV. Programová pamäť je 4
MB, operačná 16 MB.
16
Modul obsahuje šesť nezávislých 14 kHz audio vstupov, jeden pre každý z troch
interných mikrofónov, dva pre externé mikrofóny a jeden prídavný výstupný kanál. Kontrola
hlasitosti je zaistená dvomi potenciometrami, jeden pre výšky a jeden pre basy. Napájanie je
zo štandardného zdroja (100 — 264VAC, 50/60 Hz).
Široko pásmové komunikačné protokoly: Široko pásmový audio signál je prenášaný
kompresiou na blízkom konci s kodekom veľkej šírky pásma. Ten je vybraný na základe
požiadaviek z menu zahŕňajúc G.722.1, G.722.2 a iné vhodné kodeky. Signál cez vlastný
modem, ktorý optimalizuje oneskorenie, čas spojenia, rýchlosť obojsmerného prenosu dát
a spoľahlivosť spojenia.
Rýchlosť vzorkovania a vlastná šírka pásma: Základná vzorkovacia rýchlosť audio
signálu je 48 kHz (ktorá udáva vyšší teoretický limit šírky pásma ako 44.1 kHz používaná
pri CD diskoch). Vlastná šírka pásma hardverových komponentov (okrem mikrofónov
a reproduktora) je následne vyššia ako 22 kHz. Vnútorné mikrofóny a reproduktor sú
dimenzované na 14 kHz.
Konfigurácia mikrofónov: Tri kardioidné mikrofóny poskytujú konštantnú frekvenciu
a citlivosť pri frekvencii do 14 kHz. U starších typov boli použité mikrofóny
s hyperkardioidnou charakteristikou, ktoré boli limitované na 3.3 kHz.
Konfigurácia reproduktora: Základom je akustický reproduktor so šírkou pásma 14 kHz.
Vnútorný reproduktor môže byť pomocou užívateľského ovládania odpojený, čo môže byť
v určitých situáciách veľmi užitočné.
Zariadenie obsahuje oddelené audio vstupy a výstupy na prepojenie s externými
systémami. U starších typov je len jedno spojenie, ktoré je buď prepnuté ako vstup, alebo
výstup.
Prídavný vstup je možné konfigurovať pre externé mikrofóny, bezdrôtové mikrofóny
alebo zvukové systémy (napr. CD prehrávače, rekordéry). Ako doplnková výbava sú
dodávané externé mikrofóny a subwoofer.
Externý subwoofer: Šírka pásma nepresahuje iba smerom k 14 kHz, ale aj k 80 Hz.
Vnútorný reproduktor je efektívny cca pri 250 Hz. Pod touto úrovňou preberá úlohu
subwoofer (dodávaný ako súčasť štandardne dodávanej zostavy). Systém však dokáže
pracovať aj bez pripojenia subwoofera. Nekvalita zvuku sa prejaví len pri veľmi nízkych
frekvenciách.
17
LCD: monochromatický displej, má rozlíšenie 60 x 240 bodov a je podsvietený LED
diódami.
Polycom SoundStation VTX 1000 ako typ najvyššej rady v podstate zahŕňa funkcie
všetkých typov audio konferenčných telefónov firmy Polycom. V prílohe číslo 1. – Polycom
1,2 prikladám porovnávaciu tabuľku všetkých súčasných typov.
6.2 Konftel:
(http://www.konftel.com/)
Švédska firma Konftel dodáva na trhu niekoľko typov audio konferenčných modulov,
ktoré je možné pripojiť na akýkoľvek typ digitálneho, analógového, IP alebo mobilného
telefónu. Všetky z modelov sú plne kompatibilné s bežnými typmi telefónov. V ponuke
nájdeme telefóny s klasickým pripojením cez kábel, bezdrôtové pripojenie technológiou
Bluetooth alebo s kombináciou oboch typov pripojenia. Audio konferenčný telefónny modul
typu Konftel 200 W (http://www.konftel.com/default.asp?id=2647&PTID=&refid=2663) je
schopný sa bezdrôtovo pripojiť na akýkoľvek analógový terminál cez Konftel základovú
stanicu. To umožňuje pohodlné uskutočnenie audio konferenčného hovoru s akéhokoľvek
miesta kancelárie. V ponuke sú aj moduly, ktoré sa dajú pripojiť a priamo ovládať
z počítača, ktorý však musí byť vybavený IP telefónnou alebo technológiou Softphone.
V prílohe číslo 2 - Konftel prikladám porovnávaciu tabuľku všetkých súčasných typov.
6.3 Max:
(http://www.clearone.com/)
Taktiež americká firma ClearOne má v ponuke dva typy modulov: Max Ex a Max
Wireless - bezdrôtový model a model s pripojením cez kábel
(http://www.clearone.com/products/index.php?cat=3). Tieto dva modely sa v podstate líšia
iba typom pripojenia k telefónnej linke. Obidva poskytujú plne duplexné spojenie
technológiou ClearOne, ktorá zaručuje plynulú komunikáciu bez akýchkoľvek rušení. To
znamená, že všetci zúčastnení môžu hovoriť v tom istom čase, čo zabezpečuje vysokú
interaktivitu audio konferenčného hovoru a teda aj prirodzenejšiu formu komunikácie. Model
18
Max Ex je možné pre účely pokrytia väčšej miestnosti spojiť až so štyrmi ďalšími modulmi
rovnakého typu. Oba modely sú vybavené zariadením na potlačenie echa a šumu, ktoré
dokonale potláčajú akékoľvek nežiadúce zvuky v miestnosti ako napríklad: hluk ventilátorov,
klimatizačných zariadení, ventilátorov počítačov atď.
6.4 Zhrnutie:
Na svetovom telekomunikačnom trhu je viacero firiem, ktoré majú vo svojej ponuke
rôzne druhy audio konferenčných modulov. Ja som spomenul iba tri spoločnosti, ktoré
ponúkajú najrozšírenejšie a technicky najnáročnejšie prístroje, ostatné sú v podstate
obmenami alebo modifikáciami, prípadne sú technickým riešením veľmi podobné vyššie
uvedeným typom.
7. Vlastné návrhy audio konferenčného modulu:
Vlastnými návrhmi som sa snažil vytvoriť funkčné zariadenie, ktoré by pracovalo na
podobnom princípe ako moderné audio konferenčné prístroje. Zariadenie by nahradzovalo
klasické slúchadlo, ktoré je súčasťou každého štandardného telefónneho prístroja,
a zabezpečovalo by kompatibilitu medzi rôznymi druhmi telefónnych prístrojov
jednoduchým pripojením pomocou štandardného konektora J45, ako je tomu u bežných
slúchadiel. Zariadenie bolo navrhované ako náhrada telefónneho slúchadla a mikrofónu
a skladalo by sa z viacerých mikrofónov a jedného reproduktora určeného pre hlasitý
odposluch. Už pri skúmaní zabezpečenia kompatibility sa vyskytli komplikácie, pretože
rôzne telefónne prístroje od rôznych výrobcov sa líšia zapojením slúchadla k telefónnemu
terminálu. Tým vzniká potreba vytvorenia jednoduchého rozhrania pre daný typ telefónu
podľa zapojenia daného telefónu. Toto rozhranie zložené z dvoch konektorov J45, ktorého
zapojenie by bolo realizované podľa daného telefónu, by zabezpečil kompatibilitu pripojenia
zariadenia na rôzne typy telefónnych prístrojov. Analyzoval som osem telefónnych prístrojov
od troch výrobcov: Siemens, telefóny typu : Siemens Optipoint 500, Siemens Optipoint 410,
Siemens Otpiset E standard, Siemens ProfiSet 70 a Siemens ProfiSet 35, Cisco, typ Cisco
7940 - digitálne telefóny, Tesla Stropkov, typ GS 2832 a Concorde, typ Analog Concorde 58
19
-analógové telefóny. Z toho iba telefóny firiem Tesla Stropkov a Concorde mali rovnaké
zapojenie slúchadiel, ostatné boli rôzne. Analyzované telefóny od firmy Siemens mali všetky
rovnaké zapojenie slúchadiel. Na daných telefónoch som vykonal merania napätia na
slúchadle a meranie napätie na mikrofóne, ktoré malo informatívny charakter a poskytlo mi
obraz o hodnotách napätia, o ktorých som neskôr teoreticky uvažoval. Tabuľku merania
prikladám v prílohe číslo 3 - Tabuľka merania 1.
7.1 Návrh obvodu regulácie zisku mikrofónov pomocou analógových obvodov:
Tento obvod sa skladá z diskrétnych súčiastok, operačných zosilňovačov LM 358,
obvodov MHB 4002, MHB 4066 a koncového zosilňovacieho stupňa LM 386. Je tvorený
štyrmi kanálmi (prvky sú označené v priloženej schéme číslami 100 pre prvý kanál až 400
pre štvrtý kanál), z ktorých každý je zakončený elektretovým mikrofónom. Zvolil som
štandardný elektretový mikrofón typ MCE 101, ktorý je vhodný svojimi konštrukčnými
parametrami (frekvenčný rozsah 50 – 10 000 Hz, vstupná impedancia 2Ω, prúdový odber
<0.5 mA, odstup signál/šum >34dB) a je aj bežne dostupný v predajniach s elektronikou.
20
7.1.1 Princíp činnosti obvodu popísaný podľa schémy v prílohe číslo 4 - Analog 1:
Obr. 7.1.1 Bloková schéma zapojenia
Rezistor R101 vytvára predpätie pre elektretový mikrofón M101 a oddeľovací
kondenzátor C101 oddeľuje jednosmernú zložku mikrofónového napätia. Následne rezistor
R103 upravuje vstupný odpor zosilňovača NL101A na hodnotu vhodnú pre mikrofón. Signál
z mikrofónu je zosilnený operačným zosilňovačom v neinvertujúcom zapojení
s nastaviteľným zosilnením. Odporovým trimrom P101 je možné v spätnej väzbe nastaviť
zosilnenie v rozsahu 1 – 100krát. Signál z mikrofónu sa privádza na spínač MHB 4066 cez
zosilňovač NL101B. Výstupný signál z NL101A je vedený cez operačný zosilňovač NL102A
so zosilnením 11 na rezistor R111 a oddeľovaciu diódou D101 a následne aj na rezistor
R110 a oneskorovací kondenzátor C102. Ak je na výstupe komparátora NL102A kladná
polvlna mikrofónneho signálu, kondenzátor C102 sa rýchlo nabije cez diódu D101 a
rezistor R110. Naopak pri zápornej polvlne je pomaly vybíjaný len cez rezistor R111.
Výsledné napätie kondenzátora C102 je potom privedené na komparátor NL102B
21
s rozhodovacou úrovňou danou deličom R112, R113. Rezistor R114 zavádza do obvodu
hysteréziu, ktorá zabraňuje rozkmitávaniu výstupného signálu v prípade, že úroveň
vstupného napätia sa pohybuje tesne okolo preklápacej hladiny. Pretože najnižšie kladné
napätie operačného zosilňovača sa pohybuje okolo 2V, nasleduje za komparátorom ešte
odporový delič R115 a R116 zaisťujúci bezpečné uzavretie spínacieho stupňa tvoreného
tranzistorom VT101, ktorý má v kolektore rezistor R117. Obidva operačné zosilňovače
NL101 a NL102 sú napájané nesymetrickým napätím, a preto je u nich pre korektnú funkciu
vytvorená umelá zem (stred napájacieho napätia) jednoduchým deličom z rezistorov R102
a R104. Uzavretím spínacieho stupňa tvoreného tranzistorom dostávame na jeho kolektore
úroveň logická nula. Hore uvedený popis je analogický pre všetky štyri kanály. Tento signál
je privedený na vstup NL3A hradlového obvodu MHB 4002. Tento obvod zabezpečuje pri
privedení na jeden vstup hradla logickú nulu zablokovanie ostatných kanálov pomocou
invertujúceho výstupu, ktorý je privedený na vstupy ostatných troch hradiel, pri realizácii so
štyrmi kanálmi sú potrebné dve puzdrá. Obvod MHB 4002 obsahuje dve nezávislé
štvorvstupové hradlá NOR – negovaný logický súčet. Každé hradlo realizuje matematickú
funkciu Y = A+B+C+D, ktorá je na invertujúcom výstupe negovaná. Na výstupe Y bude H
len vtedy, ak na všetkých vstupoch bude L.
Funkčná tabuľka obvodu MHB 4002: A B C D YL L L L HH X X X L X H X X L X X H X L X X X H L
Výstupy hradiel NL3A, NL3B, NL4A a NL4B obvodu MHB 4002 sú privedené na
vstupy spínača NL5A, NL5B, NL5C a NL5D obvodu MHB 4066, ktorý obsahuje štyri
nezávislé obojstranné analógové spínače – prenosové hradlá. Každý spínač má dva
vstupy/výstupy (Y,Z) a vstup pre ovládanie spínača E. Ak E je pripojené na H, spínač je
zopnutý. Pokiaľ by sme E pripojili na L, je spínač blokovaný a medzi Y a Z je veľký odpor,
typicky väčší ako 109 Ω. Medzný kmitočet spínaného signálu je až 90 MHz. Spínané napätie
22
musí byť v rozsahu danom napájacím napätím napätiami UDD a USS . Obvod má malý a
stabilný odpor v zopnutom stave.
Obvod má na vstupe indikačnú LED diódu H101 pripojenú cez rezistor R121, ktorá
slúži na vizuálnu indikáciu zopnutého kanála. Rezistory R120, R220, R320, R420
zabezpečujú, aby sa dostal signál prenášaný aj z ostatných – nezopnutých kanálov na
koncový stupeň a jeho následné prenesenie cez telefónny spoj do slúchadla účastníka hovoru
na druhom konci vedenia. Pred koncovým stupňom je realizovaný súčtový obvod tvorený
rezistormi R119, R219, R319 a R419, kde sa sčítajú signály všetkých štyroch kanálov.
Výstup tohto súčtového obvodu je pripojený cez oddeľovací kondenzátor C5 a
potenciometer, príp. trimer P2 určený na reguláciu hlasitosti na koncový stupeň – obvod
NL6, ktorý je pripojený na vstup telefónneho mikrofónu .
7.2 Návrh obvodu regulácie zisku mikrofónov pomocou analógových obvodov so
spojitou reguláciou hlasitosti jednotlivých mikrofónov:
Hlavným cieľom tohto návrhu bolo navrhnúť obvod so spojitou reguláciou zisku
jednotlivých mikrofónov. Tento obvod sa skladá z diskrétnych súčiastok, operačných
zosilňovačov LM 358, obvodov MHB 4002, NE 571 v zapojení ako napätím riadený
prúdový zdroj a koncového zosilňovacieho stupňa LM 386. Je tvorený štyrmi kanálmi (prvky
sú označené v priloženej schéme číslami 100 pre prvý kanál až 400 pre štvrtý kanál),
z ktorých každý je zakončený elektretovým mikrofónom, plynulú reguláciu zabezpečujú
integračné členy. Použil som rovnaký štandardný elektretový mikrofón typ MCE 101 ako
v prvom návrhu.
23
7.2.1 Princíp činnosti obvodu popísaný podľa schémy v prílohe číslo 5 - Analog 2:
Obr. 7.2.1 Bloková schéma zapojenia
Činnosť obvodu je totožná s obvodom v prvom návrhu (príloha číslo 4 – Analog 1),
zmena nastáva za riadiacou časťou (príloha čislo 5 Analog 2), kde obvod obsahuje integračný
člen zložený z diódy D02, rezistora R19 a kondenzátora C04. Tento integračný člen
zabezpečuje plynulý prechod – spojitú reguláciu z úrovne 0 na úroveň 1. Túto zmenu
zabezpečuje obvod NE 570 v zapojení ako prúdový zdroj riadený napätím. Pred koncovým
stupňom je ako aj v prvom návrhu (príloha číslo 4 – Analog 1) realizovaný súčtový obvod
tvorený rezistormi R118, R218, R318 a R418, kde sa sčítajú signály všetkých štyroch
kanálov. Výstup tohto súčtového obvodu je pripojený cez oddeľovací kondenzátor C5 a
potenciometer, príp. trimer P2 určený na reguláciu hlasitosti na koncový stupeň – NL7, ktorý
je pripojený na vstup telefónneho mikrofónu .
24
7.3 Návrh obvodu regulácie zisku mikrofónov pomocou mikroprocesora so spojitou
reguláciou hlasitosti jednotlivých mikrofónov popísaný podľa schémy v prílohe číslo 6 -
Mikroprocesor:
Pri navrhovaní obvodu regulácie zisku mikrofónov pomocou mikroprocesora so
spojitou reguláciou hlasitosti jednotlivých mikrofónov som sa rozhodol pre známy
a v jednoduchých aplikáciách často využívaný mikroprocesor AT89C2051 od firmy Atmel.
Spoločnosť Atmel Corporation založená v roku 1984 v San Jose, Kalifornia, USA je výrobca
polovodičovej techniky, mikrokontrolérov, mikroprocesorov, zariadení RF, Flash
a EEPROM pamäti, WiMAX zariadení a mnohých ďalších ako aj rôznych zákazníckych
obvodov.
7.3.1 Mikroprocesor AT89C2051: Je 8 bitový mikroprocesor typu CMOS s Flash pamäťou 2K, 128 bajtov pamäte
RAM, pätnásť vstupno/výstupných portov, dva šestnásť bitové časovače/čítače, plne
duplexný sériový port, analógový komparátor, oscilátor priamo na čipe a má časové
usporiadanie obvodov. Vstupy sú aktívne v nule a napájanie má od 2,7 V do 6 V.
25
Obr. 7.3.1 Bloková schéma mikroprocesora AT89C2051 (prebrané z:
http://atmel.com/dyn/general/advanced_search_results.asp?device=1&tools=1&faqs=1&data
sheets=1&appNotes=1&userGuides=1&software=1&press=1&articles=1&flyers=1&checkA
llReference=1&target=89C2051)
26
7.3.2 Princíp činnosti:
Obr. 7.3.2 Bloková schéma zapojenia
Ako aj v druhom návrhu činnosť obvodu je totožná s obvodom v prvom návrhu
(príloha číslo 4 – Analog 1), zmena nastáva v riadiacej časti obvodu. Tu som sa snažil
riešenie priblížiť moderným audio konferenčným prístrojom a navrhol som zapojiť do
obvodu mikroprocesor AT89C2051. Tento mikroprocesor som zvolil pre jeho praktickosť
a v porovnaní s inými modernejšími mikroprocesormi aj pre jeho pomernú jednoduchosť.
V celkovom zapojení má zabezpečovať reguláciu zisku jednotlivých mikrofónov. Pri
naprogramovaní mikroprocesoru bude stanovené zosilniť kanál s najvyšším ziskom a zatlmiť
ostatné kanály na požadovanú úroveň za požadovanú časovú konštantu. Pre takýto kanál
uvažujeme ten mikrofón, ktorého signál sa cez komparačný člen vyhodnotí prvý. Ten by sa
spínal v obvode NE 570, ktorý som navrhol zapojiť ako napätím riadený prúdový zdroj.
Obvod SN74LS07 s otvoreným kolektorom zabezpečuje prechod s 5V napájania na 12V.
Pred obvodom NE570 je zapojený integračný člen použitý z druhého variantu, zložený
27
z diódy D02, rezistora R19 a kondenzátora C04. Tento integračný člen zabezpečuje plynulý
prechod – spojitú reguláciu z úrovne 0 na úroveň 1. Pred koncovým stupňom je ako aj
v prvom a druhom návrhu (príloha číslo 4 – Analog 1) realizovaný súčtový obvod tvorený
rezistormi R119, R219, R319 a R419, kde sa sčítajú signály všetkých štyroch kanálov.
Výstup tohto súčtového obvodu je pripojený cez oddeľovací kondenzátor C5 a
potenciometer, príp. trimer P2 určený na reguláciu hlasitosti na koncový stupeň – NL7, ktorý
je pripojený na vstup telefónneho mikrofónu .
Pri tomto variante je potrebné vytvoriť vývojový diagram presnej činnosti procesora
a podľa inštrukčnej sady danej pre tento mikroprocesor naprogramovať daný čip
v programovacom jazyku Assembler prípadne jazyku C. Po odladení a následnom napálení
programového vybavenia do čipu by bolo možné prejsť k prvej fáze testovania takto
zapojeného obvodu.
7.4 Riešenie obvodu hlasitého odposluchu popísaný podľa schémy v prílohe číslo 7 -
Repro:
Obvod hlasitého odposluchu sa skladá z reproduktora...... koncového stupňa LM 358
a aktívneho filtra – pásmového priepustu.
Výstup z mikrotelefónu je pripojený na aktívny filter – pásmový priepust, ktorý
prepúšťa frekvencie od 120 Hz z do 3,2 kHz so zosilnením 6 dB. Zapojenie pásmového
priepustu je s jedným operačným zosilňovačom LM 358 a s jednoduchou zápornou spätnou
väzbou. Vstupný člen R1C1 predstavuje horný priepust a spätnoväzobný člen R2C2 dolný
priepust. Dvojitý T článok zaisťuje (s výnimkou úzkeho pásma okolo svojej strednej
frekvencie) silnú zápornú spätnú väzbu operačného zosilňovača. Stredná frekvencia
pásmového priepustu zodpovedá strednej frekvencii dvojitého T článku. Výpočet prvkov
obvodu a diagram pásmového priepustu prikladám v prílohe číslo 9 – Pásmový priepust.
Výstup filtra je pripojený cez potenciometer, príp. trimer P2 určený na reguláciu hlasitosti
koncového stupňa. Pre realizáciu som použil tiež obvod LM 386, ktorý je pripojený na
reproduktor Repro 1 .
28
8. Technicko-ekonomické zhodnotenie práce:
Všetky tri uvedené návrhy majú nesporne mnoho výhod aj nevýhod. Oproti bežne
dostupným zariadeniam je najdôležitejšou výhodou vysoká portabilita a univerzálnosť
riešenia, ktorá bola aj hlavným cieľom tejto práce.
Prvý a druhý variant riešenia je pomerne jednoduchý na realizáciu. Cena súčiastok
podľa daného zapojenia by nemala presiahnuť 2000 Sk. K celkovej cene zariadenia je nutné
pripočítať cenu výroby plošného spoja, 12V napájacieho zdroja a plastového krytu
zariadenia.
Variant s použitím mikroprocesora je technicky náročnejší kvôli programovej
realizácií procesora a celková cena je o to navŕšená.
Dané návrhy sú technicky aj finančne menej náročné ako audio konferenčné moduly
bežne dostupné na trhu. Poskytujú jednoduchšie a univerzálnejšie riešenie, avšak na úkor
kvality prenosu a reprodukcie hlasu. Vzhľadom na amatérske konštrukčné prevedenie
v daných podmienkach nie je možné konkurovať profesionálnemu modernému dizajnu
sériovo vyrábaných zariadení.
29
9. Záver:
V tejto diplomovej práci som analyzoval vlastnosti ľudského hlasu a stability
telefónneho prístroja ako aj podmienky použitia konferenčného telefónneho zariadenia
v bežných kancelárskych priestoroch z hľadiska akustiky, uviedol som možnosti úprav
akustických priestorov potrebných na dosiahnutie vhodných podmienok z hľadiska akustiky
miestnosti. Uviedol som prehľad audio konferenčných modulov, ktoré ponúka súčasný
svetový telekomunikačný trh.
Jadrom tejto práce bol návrh funkčných riešení, ktoré by slúžili ako náhrada dnešných
audio konferenčných prístrojov bežne dostupných použitím analógových obvodov a použitím
mikroprocesora. Pri návrhu som sa snažil vytvoriť zariadenie, ktoré by sa dalo použiť na
akomkoľvek type telefónneho prístroja digitálneho alebo analógového jednoduchým
pripojením namiesto mikroteléfónu, umožnilo by používanie audio konferenčného zariadenia
následne po sebe s malými časovými odstupmi na rôznych miestach. Takýto modul by mal
vysokú portabilitu, nebolo by potrebné zdĺhavé konfigurovanie pri pripojení na inú
účastnícku prípojku .
Oproti bežným audio konferenčným zariadeniam sú uvedené návrhy univerzálnejšie
a jednoduchšie. Navrhol som tri varianty. Prvý variant je zložených z diskrétnych súčiastok
a analógových obvodov, ktoré zabezpečujú skokovú reguláciu úrovne mikrofónov. V
druhom a treťom variante je zisk mikrofónov regulovaný spojito. V druhom návrhu to
zabezpečuje napätím riadený prúdový zdroj. Tretí návrh sa najviac približuje riešeniu
sériovo vyrábaných zariadení použitím mikroprocesora ako jadra riadiacej časti. Prvý a druhý
variant som podľa daných schém zapojil, odladil a odskúšal na skúšobnej doske v zapojení
pre dva kanály. Riešenie s použitím mikroprocesora som pre jeho technickú a časovú
náročnosť vzhľadom k širokému rozsahu danej problematiky rozobral teoreticky.
Všetky tri uvedené typy riešenia môžu poslúžiť ako náhrada súčasných typov a po
dostatočnom testovaní a odladení by po uvedení do sériovej výroby mohla vzniknúť nová
konkurencia pre dnešné telekomunikačné spoločnosti zaoberajúce sa audio konferenčnými
zariadeniami.
30
10. Zoznam použitej literatúry:
[1] SVOBODA, L., ŠTEFAN, M.: Reproduktory a reproduktorové sústavy. Praha: SNTL,
1976.
[2] ROŽAI, J.: Elektroakustika a elektrooptika – Technická prevádzka telekomunikácií.
Žilina: VŠDS, 1980.
[3] JIŘÍČEK, O.: Elektroakustika. Praha: ČVUT, 2002. ISBN 80-01-02460-1.
[4] KAŇKA, J.: Akustika v architektuře. Praha: ČVUT, 1994. ISBN 80-01-01188-7.
[5] WHITE, H.E.,WHITE D.H.: Physics and music, The science of musical sound. University
of California, Oregon College of Education, 2002.
[6] JEDLIČKA, P.: Přehled obvodů řady CMOS 4000 díl. 1. 4000...4099. Praha: BEN, 1994.
[7] KABEŠ, K.: Operační zesilňovače v automatizační technice. Praha: SNTL, 1988. 260 s.
31
ČESTNÉ VYHLÁSENIE
Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod
odborným vedením vedúceho diplomovej práce doc. Ing. Martina Vaculíka Phd. a používal
som len literatúru uvedenú v práci.
Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.
V Žiline dňa : 19.5.2006 Martin Böhm
Poďakovanie:
Dovoľujem si touto cestou úprimne poďakovať vedúcemu diplomovej práce doc. Ing.
Martinovi Vaculíkovi Phd., Ing. Martinovi Vestenickému a Ing. Rudolfovi Adamemu za
cenné rady a pripomienky, ktoré mi počas mojej práce veľmi ochotne poskytovali.
Zoznam príloh:
Príloha číslo 1 - Polycom 1/2
Príloha číslo 2 - Konftel
Príloha číslo 3 - Tabuľka merania 1
Príloha číslo 4 - Analog 1
Príloha číslo 5 - Analog 2
Príloha číslo 6 - Mikroprocesor
Príloha číslo 7 - Repro
Príloha číslo 8 – Rozpiska
Príloha číslo 9 – Filter
Príloha číslo 1- Polycom 2
Porovnávacia tabuľka aktuálnych typov audio konferenčných telefónov firmy Polycom, prebrané z: http://polycom.com/resource_center/1,1454,pw-26-482-10158,00.html
Príloha číslo 2 - Konftel
Porovnávacia tabuľka aktuálnych typov audio konferenčných telefónov firmy Konftel,
prebrané z: http://www.konftel.com/default.asp?id=1512&PTID=&refid=1618
Príloha číslo 3 - Tabuľka merania 1
typ telefónu slúchadlo [mV] mikrofón [mV]
Siemens Optipoint 500/410 300 150
Siemens 35 Profiset 300 150
Siemens Optiset E standard 150 150
Siemens Profiset 70 150 150
Cisco 7940 300 300
Analog Concorde 58 200 80
-
+
1
4
82
UCC
+
-R7
R6 C7
C6
C8 NL2
18
63
2
4
53
UCCC1 R1
C2 R2
NL1
P1
BA1
R3 R4
C3
R5 C4 C5
UVstup
Príloha číslo 7 - Repro
FILTER
Príloha číslo 8 - Rozpiska súčiastok MIKROFÓNNY ZOSILŇOVAČ A KOMPARÁTOR Odpory R101, R201, R301, R401 20k R102, R202, R302, R402, R104, R204, R304, R404 2k2 R103, R203, R303, R403 51k R105, R205, R305, R405, R106, R206, R306, R406, R108, R208, R308, R408, R113, R213, R313, R413, R115, R215, R315, R415, R116, R216, R316, R416 10k R107, R207, R307, R407, R112, R212, R312, R412, R117, R217, R317, R417 6k8 R109, R209, R309, R409, R111, R211,R311, R411, M1 R110, R210, R310, R410 100R R114, R214, R314, R414 1M Odporové trimre P101, P201, P301, P401 1M Kondenzátory C101, C201, C301, C401 10M C102, C202, C302, C402 25M C103, C203, C303, C403 220n Integrované obvody NL101, NL201, NL301, NL401, NL102, NL202, NL302, NL402 LM358 Tranzistory VT101, VT201, VT301, VT401 BC237 Dioda D101, D201, D301, D401 KA206 Mikrofón M101, M201, M301, M401 MCE101
LOGICKÝ OBVOD – ANALOG 1 Rezistory R118, R218, R318, R418, R120, R220, R320, R420, R22 10k R121, R221, R321, R421 6k8 R119, R219, R319, R419 1k R23 1k2 R22 10R Potenciometer P2 10k Kapacitory C5, C11 10M C6 220n C4 47n C7 10M C8, C9, C10 M1 Integrované obvody NL3, NL4 MHB4002 NL5 MHB4066 NL6 LM386 LED dioda H101, H201, H301, H401 BC237 LOGICKÝ OBVOD – ANALOG 2 Rezistory R38 10R R124, R224, R324, R424, R133, R233, R333, R433 100R R127, R227, R327, R427, R136, R236, R336, R436 1k R37 1k2 R119, R219, R319, R419 2k R123, R223, R323, R423 5k45 R120, R220, R320, R420 13k R121, R221, R321, R421 51k R131, R231, R331, R431, R132, R232, R332, R432 62k R118, R218, R318, R418, R122, R222, R322, R422, R126, R226, R326, R426, R134, R234, R334, R434 100k R125, R225, R325, R425, R129, R229, R329, R429, R135, R235, R335, R435 150k R128, R228, R328, R428, R130, R230, R330, R430 220k
Potenciometre P5 10k P102, P202, P302, P402, P103, P203, P303, P403, P104, P204, P304, P404 100k Kondenzátory C109, C209, C309, C409 39p C13 47n C105, C205, C305, C405, C108, C208, C308, C408, C110, C210, C310, C410, C15, C16 1M C106, C206, C306, C406 2M C11 5M C107, C207, C307, C407, C12 10M C104, C204, C304, C404 50M C14 220M Tranzistory VT103, VT203, VT303, VT403, VT104, VT204, VT304, VT404 KC 238 Integrované obvody NL3, NL4 MHB 4002 NL5, NL6 NE 570 NL107, NL207, NL307, NL407 LM 358 NL 8 LM 386 LOGICKÝ OBVOD – MIKROPROCESOR Rezistory R38 10R R124, R224, R324, R424, R133, R233, R333, R433 100R R127, R227, R327, R427, R136, R236, R336, R436 1k R39 1k2 R119, R219, R319, R419 2k R123, R223, R323, R423 5k45 R137, R237, R337, R437 10k R120, R220, R320, R420 13k R121, R221, R321, R421 51k R131, R231, R331, R431, R132, R232, R332, R432 62k R118, R218, R318, R418, R122, R222, R322, R422, R126, R226, R326, R426, R134, R234, R334, R434 100k R125, R225, R325, R425, R129, R229, R329, R429, R135, R235, R335, R435 150k R128, R228, R328, R428, R130, R230, R330, R430 220k
Potenciometre P5 10k P102, P202, P302, P402, P103, P203, P303, P403, P104, P204, P304, P404 100k Kondenzátory C109, C209, C309, C409 39p C13 47n C105, C205, C305, C405, C108, C208, C308, C408, C110, C210, C310, C410, C15, C16 1M C106, C206, C306, C406 2M C11 5M C107, C207, C307, C407, C12 10M C104, C204, C304, C404 50M C14 220M Tranzistory VT103, VT203, VT303, VT403, VT104, VT204, VT304, VT404 KC 238 Integrované obvody NL4 M74LS07 NL5, NL6 NE 570 NL107, NL207, NL307, NL407 LM 358 NL 8 LM 386 Mikroprocesor NL3 AT89C2051 FILTER – Repro Rezistory R7 10R R6 1k2 R1 52k R2, R3, R4, R5 103k Potenciometer P1 10k Kondenzátory C2, C3, C4, C5 1n C7 47n C1 2M C6 10M C8 220M
Príloha číslo 9 -Filter Výpočet prvkov aktívneho filtra podľa výpočtu prebraného z literatúry číslo 7.
U1 – napätie na vstupe filtra
U2 – napätie na výstupe filtra
AU – zosilnenie aktívneho filtra
f02 – dolná frekvencia pásmového priepustu
f01 – horná frekvencia pásmového priepustu
fR – stredná frekvencia pásmového priepustu
F(jω)R – napäťový prenos pri strednej frekvencii
Q – činiteľ akosti (pomer strednej frekvencie a rozdielu medzných frekvencii)
hodnota kondenzátoru C je zvolená
( )mVU
jFU
U
UC
UUA
KHzfHzfKHzf
nFCdBA
mVU
R
A
U
R
U
U
400210*200*2
10*200*10
*10
log20
54,1120
2,31
6200
2
32
3206
2
120
1
2
02
01
1
=
=⇒=
=
=
=
======
−
−
ω
( ) ( )
QN
NQ
Q
21
215,0
=⇒=
=ff
fQ
CfR
RCf
NjFMNMjF
R
RR
RR
12,02,354,1
21
21
*
0201 −=
−=
=⇒=
=⇒=
ππ
ωω
Príloha číslo 9 -Filter
( )2
1*2*
15,0*2
121
===
=
==
MNjFM
NQ
N
RωΩ=⇒=
== −
KRRCf
RR
10310340010*54,1*10*1*28,6
12
139π
Ω=⇒=
==
Ω=⇒=
==
KRRNRR
KRRMRR
F
S
1031034001
103400
52517002
103400
2
2
1
1
nFCNCC
nFCMCC
11*10*1*
22*10*1*
2
92
1
91
===
===
−
−
R= R =R =R C=C =C =C3 4 5 3 4 5 Frekvenčná charakteristika pásmového priepustu:
120 Hz
3,2 KHz