PROJEKTRAPPORT INFOMET KTH IS HANINGE GRUPP 10 ANALYS AV DIGITAL TALMASKIN

Transkript

1 PROJEKTRAPPORT INFOMET KTH IS HANINGE GRUPP ANALYS AV DIGITAL TALMASKIN HANINGE 999

2 PROJEKTRAPPORT INFOMET KTH IS HANINGE GRUPP Projektrapport TEMA: TITEL: GRUPP: INFOMET 3p Analys av digital talmaskin Grupp E99B DELTAGARE: Thomas Kihlberg Mohammad Manouchehr Tomas Carlsson Göran Lindgren Sandra Öberg HANDLEDARE: EXAMINATOR: Torgny Forsberg Jean-Pierre Leibig DATUM: KTH IS Haninge KTH HANINGE SIDA 2

3 Sammanfattning I denna rapport beskriver vi ljudets väg genom en digital talmaskin. Vi beskriver också hur ljudvågor omvandlas till elektriska signaler och vice versa. Ett avsnitt behandlar den funktion som digitala talmaskiner kan ha i samhället. Figur - Principskiss av en talmaskin (Egen produktion) KTH HANINGE SIDA 3

4 Innehållsförteckning INLEDNING... 5 LJUD... 6 INENHET... 6 MIKROFON...6 FILTER...7 DIGITALENHET... 7 GRÄNSSNITT...7 STYRENHETEN...7 ANALOG/DIGITALOMVANDLAREN...8 Upplösning / kvantisering... 8 Sampling... 8 MINNE...9 Binära talsystemet... 9 Minnesceller och adressering... 9 Minnestyper... DIGITAL/ANALOGOMVANDLAREN... UTENHET... FILTER... FÖRSTÄRKARE... HÖGTALARE... SPÄNNINGSKÄLLA...2 ANVÄNDNING...2 SLUTSATS...3 INDEX...4 KÄLLFÖRTECKNING...5 BÖCKER...5 INTERNET...5 ÖVRIGT...5 KTH HANINGE SIDA 4

5 Inledning Gruppens uppgift var att göra en analys av en talmaskin vars funktion är att lagra meddelanden digitalt. Analysen skulle innefatta beståndsdelar och funktion. Resultatet presenteras i denna rapport samt i en muntlig redovisning. Målet var att skriva en, ej tekniskt detaljerad, beskrivning av en digital talmaskin i allmänhet. Beskrivningen skall vara skriven på ett intressant och engagerande sätt och skall med lätthet kunna förstås av en elev i årskurs 3 på gymnasieskolans NV-program. För att göra detta så delade vi upp maskinen i fem delar: Inenhet - innefattande mikrofon och filter. Utenhet - innefattande förstärkning, högtalare. AD/DA innefattande funktion av AD/DA-omvandlare och styrenhet. Minneshantering och spänningskälla innefattande minnets metod för sparande och kapacitet, samt drivningen av maskinens komponenter. Gränssnitt och användning innefattande utseende och användningsområden. Var och en ansvarade för varsin del. Information söktes i böcker och på internet. Till hjälp hade vi också en enkel modell av en digital talmaskin. För ytterligare fördjupning anordnades resursföreläsningar och seminarium. Som avgränsning i storlek var målet att skriva ungefär en A4 sida löpande text per del, uppblandat med förklarande bilder. Allt skrivet på ett sådant sätt att det skulle gå lätt att följa ljudets väg genom maskinen. Till grund för rapportens utformning låg KTHs projekthandbok. KTH HANINGE SIDA 5

6 Ljud Överallt i vår omgivning finns det ljud och det är svårt att hitta en plats där det är helt tyst. Ljudet uppstår då ett föremål eller en kropp vibrerar. Det kan vara allt från våra stämband till strängen hos en gitarr. Vibrationerna orsakar tryckvariationer i luften och dessa variationer utbreder sig som ljudvågor. När ljudvågorna fortplantar sig i luften uppstår det förtätningar och förtunningar av luftpartiklarna. Man kan jämföra ljudvågorna med de vågor som bildas på vattenytan när en sten kastats i. Man talar ofta om begreppet frekvens. Frekvensen anger det antal hela svängningar vågrörelsen gör på en sekund. Frekvens anges i perioder per sekund eller Hertz (Hz). Inenhet Mikrofon Det finns många olika mikrofontyper vilket gör att vi har valt att behandla den typ av mikrofon som kallas kondensatormikrofon. Det finns en modell av kondensatormikrofon som kallas elektretmikrofon. Mikrofoner av denna modell används i exempelvis telefoner och i vissa typer av talmaskiner. Kondensatormikrofonen innehåller ett membran, vars funktion är att få ljudvågen att bli en analog elektrisk signal. Rent praktiskt går omvandlingen från ljud till elektrisk signal till på följande sätt: Kondensatorn består av två plattor. Då någon talar i mikrofonen trycks kondensatorplattorna samman och dessa låter då en större mängd elektroner hoppa över till den andra plattan. Detta gör att den elektriska signalen förändras i takt med ljudet. Elektretmikrofonen (se figur 2), som är en annan version av kondensatormikrofonen, är speciellt lämpad för mindre talmaskiner som inte har så stor spänningskapacitet. Orsaken till detta är att den inte kräver någon driftspänning för att fungera. Dock behöver den inbyggda förstärkaren en viss spänning. Kondensatorns plattor har redan blivit uppladdade vid tillverkningen. Därför behöver de inte laddas upp vid användning. Figur 2 Kondensatormikrofonens princip (Lindell, Elektronik från början) KTH HANINGE SIDA 6

7 Filter Filtrets funktion definieras som en relativt brant avskärning av frekvensinnehållet över eller under en så kallad gränsfrekvens. Filtret skapar ett litet frekvensområde så att informationen som skall lagras inte använder så mycket minne. Filtren kan delas in i lågpassfilter, högpassfilter och bandpassfilter. Ett lågpassfilter släpper igenom låga frekvenser och skär bort all signalinformation över gränsfrekvensen. Ett högpassfilter släpper igenom höga frekvenser och filtrerar bort de låga frekvenserna. Bandpassfiltret är en kombination av dessa båda filter. Om man vill återge ett litet frekvensområde väljer man ett smalt bandpassfilter. Digitalenhet Gränssnitt Ordet gränssnitt är ett ord som kan vara svårt att ge en exakt definition på. Nedan ges därför beteckningen gränssnitt till apparatens utseende och funktionalitet för användaren. Variationsrikedomen är stor vad gäller utseende: Allt från små nyckelringsstora plastlådor från Hobbex till telefonsvararna i Ericssons stora AXE-växlar. Dessa talmaskiner har stora skillnader i kapacitet, men bygger på en enkel grundteknik. Två kontroller är nödvändiga på samtliga talmaskinerna: Inspelning och uppspelning. Inspelningsknappen har den enkla funktionen att den startar upp write, dvs. maskinen börjar skriva i minnet. Den andra kontrollen är uppspelning och då aktiveras read funktionen och det inspelade läses ur minnet. Dessa två funktioner är nödvändiga och ingår i de enklaste varianterna, men finns också i andra mer avancerade talmaskiner. Styrenheten Styrenheten styr hela händelseförloppet i talmaskinen och är en elektrisk programmerbar logikkrets alternativt en processor. Den mest påtagliga funktionen för styrenheten är att tala om för minnet när den ska lagra eller skicka signalen vidare. När man trycker på inspelningsknappen skickar styrenheten en signal till A/D-omvandlaren att börja läsa av insignalen. Minnet sätts i writeläge och lagrar signalen från A/Domvandlaren. När man sedan väljer att spela upp meddelandet talar processorn om för minnet att den skall skicka den lagrade informationen vidare till D/A-omvandlaren. Som i sin tur får en klarsignal från processorn att omvandla informationen tillbaka till analog form. KTH HANINGE SIDA 7

8 Analog/Digitalomvandlaren A/D-omvandlaren står som en tolk mellan den analoga inenheten och det digitala minnet. A/D-omvandlare gör om den analoga signalen till digitala ord, eller binära tal som man mer dagligt kallar dem. Antalet bokstäver som finns i ordet bestäms av vilken typ av A/Domvandlare som används. Varje bokstav motsvarar en etta eller nolla i det binära talet. Hur bra en A/D-omvandlaren kan återge en analog signal beror på hur många bokstäver ordet består av och hur ofta den läser av signalen. En utförligare beskrivning av det binära talsystemet finns att läsa under avsnittet minne. Figur 3 Enkel skiss över AD-omvandlarens funktion (Egen produktion) Upplösning / kvantisering I en åttabitars A/D-omvandlare översätts den analoga signalens amplitud till en av 256 (256 = 2 8 därav namnet åttabitars ) möjliga nivåer av referensspänningen. Detta kallas kvantisering. Använder man istället en sexton bitars A/D-omvandlare har den 2 6 (65536) olika nivåer att välja mellan, vilket kräver mycket minneskapacitet. Det är alltså ett vågspel mellan bättre upplösning och kvalitet på signalen och längden på meddelandet. Vill man ha en hög upplösning på ett lika långt meddelande får man skaffa sig ett större minne. Ljudomvandling i åtta bitar räcker för tal, men är helt otillräckligt för musik. Sampling Hur bra en A/D-omvandlare översätter en analog signal beror även på hur ofta den läser av signalen. Det kallar man för samplingshastighet. När man samplar tar man egentligen en enorm mängd prover (samples) på ljudet och gör om dessa prover till ettor och nollor. Antalet prover som tas per sekund kallas för samplingsfrekvens. För att signalen skall behålla samma kvalitet efter att ha omvandlats till binärt format använder man sig av en regel som kallas samplingsteoremet. Den innebär att samplingsfrekvensen måste vara minst dubbelt så stor som signalens högsta frekvens. Höjden på trappstegen (se fig. 4) är kvantiseringen. Hur många nivåer den analoga signalen delas in i och längden på stegen är samplingshastigheten. Ju kortare steg desto fler samplingar. Figur 4 Förklaring av kvantisering och samplingsfrekvens (Egen produktion) KTH HANINGE SIDA 8

9 Minne För att kunna lagra och sedan spela upp ett röstmeddelande i en digital talmaskin så behövs det minne. För att förstå hur minnesdelen fungerar så behöver man förstå det binära talsystemet. Binära talsystemet I stället för att använda sig av decimalsystemet med siffrorna noll till nio med basen tio, så använder datorer det binära talsystemet med siffrorna noll och ett med basen två. Här kan talen med basen tio representeras med ettor och nollor. Genom att kombinera ettor och nollor till en så kallade byte kan man bilda ett binärt tal. En byte består av åtta bitar. Figur 5 "Bitar blir till binärt tal" (Egen produktion) I det decimala talsystemet befinner sig det lägsta talet till höger och sedan ökas exponenten med ett för varje steg åt vänster. Gör man samma förflyttning i ett binärt tal så fördubblas det Exempel: Det binära talet () 2 uttryckt i decimal form = 99 Minnesceller och adressering I minnet finns det ett antal minnesceller. Dessa celler är anpassade för att innehålla en byte var. För att den mängd av bytes som matas in ska läggas i rätt ordning behöver minnescellerna adresseras. Informationen lagras och hämtas genom att speciella adressledningar pekar på den adress som byten ska skrivas i. Adressledningarnas antal avgör hur många olika adresser det finns. Har vi exempelvis en minneskrets med 8 ledningar innebär det då att vi kan adressera 2 8 minnesceller, vilket innebär att vi har 256 smålådor, binärt numrerade -255, där vi kan lägga in bytes. När det binära talet, t.ex., kommer in i minneskretsen tilldelas det en cell med adressen, vilken är den allra första minnescellen. Sedan kommer minnet att fylla på cellerna i ordning till minnescellerna tar slut. Vid avläsning av minnet sker samma procedur. När det inlästa informationen ska läsas ställs minnet om för att läsa och sedan läses minnescellerna i tur och ordning. Den börjar läsa av cell och slutar med cell. KTH HANINGE SIDA 9

10 Minnestyper Det finns olika minnestyper och dessa används på olika sätt. Minnena delas in i flera kategorier och i den enklaste formen av en digital talmaskin finns ett minneschip som är av typen DRAM (Dynamic Random Access Memory). I jämförelse med andra minnestyper behöver DRAM uppdateras konternuerligt. Innehållet i en sådant minne töms när strömmen slås av. För strömbesparning är ofta DRAM av CMOS-typ (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), vilket innebär att kretsen är strömsnål. Digital/Analogomvandlaren D/A-omvandlaren fungerar ungefär som en A/D-omvandlare fast tvärtom. Den har till uppgift att av en digital signal skapa dess analoga spegelbild. Det som är viktigt vid omvandlingen tillbaka till analog signal är att man använder sig av en D/A-omvandlare, som passar till den A/D-omvandlare som användes vid inspelningen. Antalet bitar och samplingsfrekvensen måste vara densamma. Figur 6 - Enkel skiss över DA-omvandlarens funktion (Egen produktion) Varför då omvandla signalen först från analog till digital bara för att sedan göra om den till analog igen? Genom digital signalbehandling, av i grunden analoga signaler, kan man få en bättre kontroll på signalen. Man kan lättare få bukt med störningar och brus på signalen, samt att det är billigare att ta fram digitala komponenter. Utenhet Filter Även på utenheten finns det filter som är till för att filtrera bort de störningar som produceras av DA-omvandlaren och minneshanteringen. Detta filter fungerar ungefär som det filter som finns vid mikrofonen, eftersom de frekvenser som filtrerades bort vid inspelningen inte heller nu är intressanta. Dessa är störningar, då det aldrig spelats in något på de frekvensbanden. KTH HANINGE SIDA

11 Förstärkare När ljudet kommer från D/A-omvandlaren så är det en varierande spänning, vilken skulle kunna liknas vid en sinuskurva. Denna kurva beskriver på ett elektriskt sätt ljudet. Dock måste denna signal förstoras upp för att man skall kunna lyssna på den på ett bekvämt sätt. Detta sker i en förstärkare. Effekt Frekvens Ursprunglig effekt Förstärkt effekt Figur 7 Schematisk skiss över förstärkt signal (Egen produktion) Förstärkaren består av ett antal transistorer vilka kopplas på ett sådant sätt att den ingående effekten uppförstoras. Den signal man då får ut har samma frekvens som den inmatade effekten, men en större amplitud (se fig. 7). Högtalare Förklaringstext till figur 8:. Fjädrande upphängning ofta veckat papper 2. Stativ med magnet 3. Membrankon av papp 4. Talspole med anslutningstrådar 5. Permanentmagnet 6. Centreringsanordning för membranet. 7 & 8 Talspolens anslutningar Figur 8 Illustration över en högtalares konstruktion (Lindell, Elektronik från början) När den elektriska signalen från förstärkaren kommer in i högtalaren går den in i en spole vilken är fastsatt i högtalarens membran. Det magnetfält som bildas i spolen drar till sig eller trycker bort membranet från högtalarens permanenta magnet. Denna är placerad bakom membranet. Den svängning som membranet kommer i har samma frekvens som den inkommande spänningen. Detta genererar vibrationer i luften, vilka tolkas som ljud av det mänskliga örat. I figur 8 ovan ses de olika delarna och deras placeringar i högtalaren. Lägg särskilt märke till punkt 4, som är den spole där strömmen går in och punkt 5 permanentmagneten vilken spolen jobbar mot. KTH HANINGE SIDA

12 Spänningskälla För att få en digital talmaskin att fungera så behövs en spänning över de olika delarna. Exempelvis har ett batteri en visst bestämt spänning, men bara efter ett tags användning börjar batteriet att laddas ur och spänningen sjunka. För att hålla en konstant likström över kretskortet så behövs en spänningsregulator. Spänningsregulatorn ser till att kretsarna erhåller en konstant spänning. Har vi till exempel en spänningskälla mellan fem och nio volt och komponenterna ska ha fyra volt, så kapar regulatorn av allt över fyra volt. Användning Ett gränssnitt kan vara biltelefonen där det finns några funktioner som bygger på talmaskinen. Exempelvis är telefonsvararen i en biltelefon en typ av talmaskin. Du aktiverar write och read genom att trycka på telefonens knappar. Telefonsvararen finns inte i telefonen utan hos teleoperatören, men du fjärrstyr din talapparat och du kan spela in och spela upp meddelanden. Också den relativt nya funktionen med röststyrd uppringning bygger på den digitala talmaskinen. Funktionen går ut på att du talar om för telefonen vem du vill ringa upp. En modell av denna talmaskin är en som du spelar in namnen du vill ha i telefonboken med din egen röst och en digital modell av din röst byggs upp i telefonens minne. När detta är gjort så säger du till exempel mamma, så ringer telefonen upp mamma. Din röst är unik och telefonen reagerar dåligt eller inte alls på andra röster. Ett annat användningsområde är telefonväxlar. Crimp, ett danskt företag med dotterbolag i Huddinge, säljer televäxlar med inbyggda talmaskiner. Den fungerar så att en telefonist lägger in ett antal meddelanden som ska aktiveras vid olika situationer, exempelvis nattetid eller vid telefonkö. Meddelandet lagras digitalt i maskinens minne. När det sedan blir samtalskö till växeln kan maskinen ge besked till den uppringande om hur länge denne måste vänta innan svar fås. Slutligen så kan man konstatera att gamla sciencefictionfilmer har fått rätt. Vi kan använda våra röster som ID-kort. Om företaget Keyware Technologies i Belgien (se fig.9) får som dom vill så ska man inte ens kunna starta bilen utan att ha rätt röst. Det låter komplicerat, men är som princip lika enkelt som den lilla plastlådan från Hobbex. Rösten som ska registreras läses in i en talmaskin. Det analoga ljudet översätts till digitala data och kallas för ett röstavtryck. När man sedan läser upp sitt lösenord för maskinen så jämförs det med röstavtrycket. Om det är rätt röstavtryck så släpps man in på jobbet, i skolan eller bilens motor startas. Ljudavtrycken tar inte mycket dataminne: 4 Mb för c:a 4 personer. Som jämförelse så finns det i de flesta persondatorer idag mellan 32 och 64 Mb internminne. Därför är det ett billigt system att sätta upp enligt företaget Keyware Technologies Figur 9 Logotyp Voice Guardian ( KTH HANINGE SIDA 2

13 Slutsats Vi har skrivit en rapport som behandlar en talmaskin i allmänhet. Rapporten är skriven så att en elev i årskurs 3 på gymnasieskolans NV-program, med lätthet ska kunna förstå talmaskinens princip. Speciell vikt har lagts vid rapportens koncentrerade struktur, som vi anser vara avgörande för elevens engagemang. Vi anser att vi uppfyllt uppgiften. KTH HANINGE SIDA 3

14 Index A A/D-omvandlare...7, 8 Amplitud... Analog/Digitalomvandlare...8 AXE-växlar...7 B Bandpassfilter...7 Batteri...2 Binära talsystem...9 Byte...9 C CMOS... D D/A-omvandlare...7, Digital/Analogomvandlare... DRAM... E Elektretmikrofon...6 F Filter...7, Frekvens...6 Förstärkare... G Gränssnitt...7 H Högpassfilter...7 K Kondensator...6 Kondensatormikrofon...6 Kvantisering...8 L Ljudavtryck...2 Lågpassfilter...7 M Membran...6, Mikrofon...6 Minne...9 Minnescell...9 P Processor...7 S Sampling...8 Samplingsfrekvens...8 Samplingshastighet...8 Samplingsteorem...8 Spänning...2 Spänningskälla...2 Spänningsregulator...2 Styrenhet...7 T Transistor... KTH HANINGE SIDA 4

15 Källförteckning Böcker Lindell, Elektronik från början, Liber, Kristianstad Zetterberg, Ljudinspelningens ABC, Spektra, Arlöv X Hemert, Digitala kretsar, Studentlitteratur, Lund, Internet Crimp A/S Ny teknik Techweb Tidningen EE Times Ulitimate Memory Guide Övrigt Elfakatalogen: nr. 47, Stibo Graphic, Horsens, KTH HANINGE SIDA 5