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 1

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

Integrované obvody NL1 LM 358 NL2 LM 386 Reproduktor BA1 ARO 384

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