Владимир Поляков - Посвящение в радиоэлектронику
Роботы, говорящие «механическим» голосом, уже прочно вошли в книги и появились на киноэкране. Заставить ЭВМ говорить сравнительно несложно. Словарный запас она запомнит, и он наверняка будет больше, чем у людоедки Эллочки из известного романа И. Ильфа и Е. Петрова. Звукогенератор тоже можно сделать, и он будет управляться цифровым сигналом с выхода ЭВМ. Голос получится очень ровный, лишенный всякой эмоциональной окраски. Научить машину эмоциям — задача очень сложная, если не сказать невозможная. А вот научить разговаривать ее не «механическим», а вполне человеческим голосом можно.
Микроэлектронный синтезатор речи, «говорящая» СБИС, устроен следующим образом. Часть кристалла отведена под ПЗУ, в которое раз и навсегда занесена информация, полученная преобразованием в цифровой код аналоговых сигналов, соответствующих словам и отдельным фразам, произнесенным диктором перед микрофоном. Эта информация и образует словарный запас синтезатора. При работе ЭВМ наступает момент, когда надо произнести фразу, т. е. выдать результат в «речевом» виде. На кристалле синтезатора расположены дешифратор и счетчик адресов. Они получают команду от ЭВМ, и содержимое соответствующих ячеек памяти поступает на цифро-аналоговый преобразователь, выполненный на том же кристалле. Цифровой код превращается в аналоговый звуковой сигнал и звучит в громкоговорителе.
В зависимости от назначения синтезатора в ПЗУ запоминается либо набор числительных (например, в БИС для часов с устным объявлением времени или при необходимости вывода только цифровой информации), либо набор фонем. Фонема — это элементарный звук речи, соответствующий слогу или одному звуку. В этом случае синтезатором речи управляет специальный микропроцессор, «собирающий» из отдельных фонем слова и фразы. Такие системы уже сегодня используют для вывода данных на терминалах. Словарь и язык, на котором «разговаривает» кристалл, можно изменить, применив ПЗУ с другим набором слов и фонем.
Значительно более сложная задача — заставить машину «понимать» слова, произносимые оператором. Но и здесь достигнуты определенные успехи. Наиболее простой путь состоит в следующем. На этапе «обучения» оператор произносит ряд слов и фраз, которые преобразуются в последовательный двоичный код и запоминаются в ЗУ. Им в соответствие ставятся определенные команды или данные, которые также запоминаются. При работе речевого терминала любая фраза, произнесенная оператором, также превращается в двоичный код и сравнивается с содержимым памяти. Если обнаруживается совпадение, терминал выдаст команду, соответствующую произнесенной фразе.
Таким образом, машина «учится» почти безошибочно работать со «своим» оператором, голос которого она уже «знает» и хранит в памяти. Трудности начинаются, когда одна и та же команда произносится различными людьми, разными голосами и в различном темпе. В этом случае распознавание возможно, но лишь на общих признаках, присущих данной фразе. Здесь мы вплотную соприкасаемся с целой проблемой распознаванием образов. Образ может быть звуковым, видимым (оптическим), электронным и т. д. В любом случае образ можно закодировать путем развертки или иным способом и предложить машине для распознавания в виде двоичного кода. Выделение общих признаков из множества предложенных образов или сигналов осуществляется путем фильтрации. Последняя выполняется во временной, частотной или пространственной области.
Говорящая ЭВМ.
До последнего десятилетия в радиотехнике использовался преимущественно один вид фильтрации — частотная с помощью аналоговых фильтров. Такой фильтр пропускает одни частоты спектра сигнала и задерживает другие. Оказывается, то же самое может сделать и ЭВМ, превратив предварительно сигнал в поток цифровых данных. В этом случае фильтрация представляет собой обработку сигнала по заданной программе. Характеристики цифрового фильтра легко изменять, изменяя программу. Возможности цифровой фильтрации оказались огромными. Один случай — распознавание слов и фраз — мы уже упомянули. Но точно так же можно распознавать изображения, скажем сравнивать изображение на фотокарточке с оригиналом, изображение местности с картой. Смазанный и нечеткий снимок можно превратить в четкий, а зашумленную фонограмму избавить от шумов. Таким способом были восстановлены, например, многие старинные граммофонные записи. В последнем случае используют адаптивные фильтры, параметры которых изменяются в соответствии с сигналом.
Перечень областей применения цифровой обработки сигналов компьютерами можно продолжать до бесконечности, но мне кажется, что читатель несколько утомлен перечислением открывающихся перспектив, и поэтому на некоторое время попрощаемся с ЭВМ, сказав ей через речевой терминал: «До свидания!», и перейдем к другой теме. Машина же, проанализировав ситуацию, ответит что-нибудь, что в переводе на человеческий язык прозвучит как: «Куда вы от меня денетесь? Ведь в любой области науки и техники вам теперь без меня не обойтись». И нам волей-неволей придется с этим согласиться.
11. КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА И ОПТОЭЛЕКТРОНИКА
В этой главе вас ожидает рассказ о видимых и невидимых лучах, о светящихся кристаллах, о красном луче, позволяющем разговаривать тысяче человек, и о тоненькой ниточке, по которой все сказки «Тысячи и одной ночи» можно передать за несколько минут, о том, как составляют карты и следят за спутниками, а также о многих-многих других возможностях, открываемых нам этой молодой и удивительной техникой — оптоэлектроникой.
Что это такое?
Оптоэлектроника — это сплав, синтез оптики и электроники. Она занимается вопросами совместного использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации.
Давно прошло время, когда единственными источниками света были Солнце, Луна, звезды и костры, а единственным имеющимся в нашем распоряжении приемником света — собственные глаза. Естественные источники излучают некогерентный свет — электромагнитные волны с различными частотами, хаотически изменяющимися фазами и всевозможной поляризацией. Такой же свет дают и различные электрические светильники: лампа накаливания, газосветная трубка, вольтова дуга. Некогерентный свет не удастся сфокусировать в достаточно узкий и тонкий пучок — луч хотя бы потому, что источник имеет конечные размеры, причем далеко не малые по сравнению с длиной волны.
Но как же так, спросит читатель, раньше мы говорили, что чем больше размеры излучателя электромагнитных воли антенны, тем уже его диаграмма направленности. Это верно, но при условии, что волны, излучаемые разными участками источника, когерентны, т. е. имеют одинаковую частоту и постоянный сдвиг фаз. Тогда излучение отдельных участков источника складывается в главном направлении, формируя узкий луч. Некогерентные источники не обладают таким свойством, и сложения волн не происходит. Разумеется, удается в определенной мере сфокусировать лучи и некогерентных источников. Примером тому служит обыкновенный прожектор. Но расходимость его луча остается значительной, и высокой концентрации энергии в луче не получается.
Эпоха когерентной оптики наступила с изобретением оптического квантового генератора — лазера. Он открыл невиданные прежде возможности и в оптоэлектронике. Приведу лишь некоторые примеры. С помощью лазерного локатора (лидара) расстояние до Луны можно определить с точностью до нескольких сантиметров. Мощные лазеры способны «прожигать» толстые стальные листы. В современной геодезии многие работы (нивелирование, определение координат опорных пунктов) производятся с помощью лазерных оптоэлектронных приборов. Оптические устройства голографической памяти способны хранить на пластинке (микрофише) размером не более обычного кадра на кинопленке несколько мегабайт цифровой информации.
Видимый участок электромагнитного спектра.
Оптоэлектронные приборы могут работать в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. Освоенной областью считается диапазон длин волн излучения от 0,2 до 50 мкм. Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования оптических сигналов в электрические и наоборот — электрических в оптические. Оптоэлектроника изучает также процессы распространения излучения в различных средах и взаимодействие излучения с веществом. Оптоэлектроника примыкает к ряду дисциплин, превратившихся уже в целые научные направления. Сюда относятся квантовая электроника, полупроводниковая электроника, физика твердого тела, голография, нелинейная оптика и многие другие. Большинство оптоэлектронных приборов содержит в своем составе генераторы и приемники излучения. К их описанию мы и перейдем.
