Технические науки 6.Электротехника и радиоэлектроника.

Д.т.н. Кривошейкин А.В., асп. Перелыгин С.В.

Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения

Принципы настройки микрофонных антенных решёток.

Для передачи и приёма радиосигналов в радиосвязи, радиолокации, радиопеленгации и радионавигации часто используют антенные решётки, состоящие из идентичных приёмников, которые распределены в пространстве на одинаковом расстоянии друг от друга. По аналогии с антенными решётками используются приёмники акустического сигнала, объединённые в массивы, называемые микрофонными решётками.

Наличие большого количества приёмников сигнала в решётке позволяет получить угловую избирательность при приёме сигнала, то есть даёт возможность принимать акустический сигнал, приходящий лишь под определённым угловым направлением к решётке. Микрофонная решётка настраивается на приём сигнала по требуемому угловому направлению (которых в общем случае может быть несколько) с помощью обработки сигнала в канале каждого микрофона и последующего суммирования этих сигналов. Подчеркнём, что сама решётка при этом остаётся неподвижной: она не поворачивается к источнику сигнала, а настраивается на необходимый угол приёма “электронным” способом.

Самый простой способ такой настройки – введение линий задержки, компенсирующих время распространения звуковой волны от первого приёмника решётки до последующих.

В случае приёма узкополосного сигнала в канале каждого приёмника осуществляется выделение комплексной амплитуды сигнала и её умножение на соответствующий взвешивающий коэффициент.

Известно, что звуковой сигнал является широкополосным, и это значительно затрудняет настройку микрофонной решётки. В отличие от узкополосного сигнала с небольшим диапазоном изменения частот в спектре, для звука на разных частотах будет иметь место разное соотношение между длиной звуковой волны и фиксированным расстоянием между микрофонами. В результате на очень низких частотах решётка оказывается ненаправленной, а на очень высоких частотах имеет максимумы чувствительности для ложных угловых направлений.

В докладе предлагается способ обработки суммы звуковых сигналов, полученных микрофонной решёткой из двух идентичных ненаправленных микрофонов от двух источников (дикторов), находящихся под разными углами к решётке и излучающих плоские волны. Способ позволяет выделить голос любого из дикторов и подавить голос другого независимо от их углового расположения и частотного спектра их голосов. Рассмотрим его подробнее.

На рис. 1 изображена решётка, состоящая из двух ненаправленных микрофонов. Выберем положение осей координат таким образом, чтобы центры обоих микрофонов лежали на оси Х, а центр левого (первого) микрофона находился в начале координат. Расстояние между микрофонами обозначим буквой d.

Рис. 1 Схема, поясняющая принцип работы решётки.

Если источник плоской звуковой волны находится под каким-либо углом φ к оси Y, то вызываемые им сигналы на выходе первого и второго микрофонов будут иметь временной сдвиг τ, который можно найти из геометрических соображений, зная скорость распространения звука c:

(1)

Пусть имеются два источника, находящиеся под углами φ’ и φ” к оси Y. Углы φ’ и φ” могут быть заданы произвольно из диапазона от -90⁰ до 90⁰. Каждый из источников излучает акустический сигнал с плоским волновым фронтом в широком диапазоне частот. Требуется настроить решётку так, чтобы:

1) она не давала отклик на второй источник сигнала,

2) отклик решётки на первый источник сигнала с точностью до постоянной был равен отклику первого микрофона на первый источник сигнала.

Сигналы на выходе каждого микрофона от каждого источника в отдельности и их спектры обозначим следующим образом:

– сигнал на выходе первого микрофона от первого источника,
а – его спектр (t – время, ω – циклическая частота, j – мнимая единица);

– сигнал на выходе первого микрофона от второго источника,
а – его спектр;

– сигнал на выходе второго микрофона от первого источника,
а – его спектр;

– сигнал на выходе второго микрофона от второго источника,
а – его спектр.

Суммарный сигнал на выходе первого микрофона

, (2)
его спектр

(3)
Сигналы на выходе второго микрофона от первого и второго источников сдвинуты по времени относительно соответствующих сигналов на выходе первого микрофона на величины τ’ и τ”, которые можно рассчитать по аналогии с (1).

Имеем соотношения для сигналов

(4)
(5)
и для спектров

(6)

(7)

Суммарный сигнал на выходе второго микрофона

, (8)
его спектр

(9)

Подставим (6) и (7) в (9), получим:

(10)

Взвешенная сумма спектров сигналов на выходе обоих микрофонов является откликом настроенной решётки в спектральной области и равна:

, (11)
где и – весовые коэффициенты.

Подставим (3) и (10) в (11), получим:

(12)

Необходимо подобрать такие и , чтобы при подстановке их в (12) выполнялось тождество:

, (13)
где K – произвольная постоянная.

В докладе показано, что весовые коэффициенты, удовлетворяющие поставленной задаче, рассчитываются по формулам:

(14)
(15)
Если требуется настроить решётку на подавление сигнала от первого источника и усиление сигнала от второго источника, то в формулах (14) и (15) следует произвести замену φ’ на φ”и наоборот.

С целью проверки работоспособности данного метода было проведено моделирование в среде Matlab, результаты которого подтвердили справедливость полученных соотношений.