автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Методы определения качества стохастической передачи испанской речи в цифровых сетях интегрального обслуживания

Министерство Путей Сообщения Российской Федерации Московский Государственный Университет Путей Сообщения (МИИТ)

ТТ5 ОТ

с ,Г1...Г на правах рукописи

Кинтана Тамаю Марибель

УДК 621.: 391 (.024,)

Методы определения качества стохастической передачи испанской речи в цифровых сетях интегрального обслуживания

05.13Л7-Теореткческие основы информатики

Автореферат диссертапии на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Московском Государственном Университете

путей сообщения.

Научный руководитель - Действительный член Академии Транспорта Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Г.З.Горелов.

Офз/тиальные оппоненты - Действительный член Международной

Академии информатизации, доктор технических наук, профессор М.Д.Венедиктов канд.техн.наук С.А.Дмитриев.

Ведущее предприятие - ВНИИКТ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИТа. Автореферат разослан

" Ч " 9 1995г.

Защита диссертации состоится 1995г.

в " ¿У" часов на заседании . диссертационного совета К 114.05.10 при Московском Государственном Университете путей сообщения (МИИТ) по адресу:

103055, г.Москва, А - 55, ГСТ, ул. Образцова, 15. ¿Ссс^

j Учёный секретарь диссертационного - <

совета К 114.05.10 д.т.н., профессор Ю.А.Хохлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ' АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. Исследования и практические разработки, повышающие эффективность передачи информации, являются традиционными. Однако, в настоящее время интерес к ним увеличивается. Это вызЕано, во-первых, конкурирующими разработками цифровых сетей интегрального обслуживания (ЦСИО); во-вторых, проникновениёмтехноло-гий вычислительной математики и компьютеров в технологию исследований и практических разработок связистов; в-тротькх, достижениями теории и техники передачи и обработки речевых сообщений в цифровой форме; в-четЕёртнх, возможностями, которые предоставляют последние результаты исследований в области информатики..

Проблемам определения качества передачи дискретизированных сообщений посвящены фундаментальные работы.В.А.Котельникова, Н.Винера, К.Шеннона и др.; теоретические и прикладные исследования по цифровой обработке и передаче непрерывных, в том числе цифровых сообщений Л.А.Баранова, И.Билинскиса, Дк.Беллами, А.И.Величкина, Г.В. Вемяна, М.Д.Бенедиктова, В.Н.Гордиенко, Г.В.Горелова,В.Я.Загурского, А.Г.Зюко, Г.В.Кузнецова,Л.Рабинера, А.Ф.Фомина, В.А.Прокофьева и др.

исследования средств и систем передачи информации производственного и специального назначения В.Й.Багуч, А.Н.Голубева, Д.В.Дьякова, И.А.Лозоеого, В.Н.Новикова, В.Л.Тюрина и др.

ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Реферируемая работа направлена на повышение эффективности систем передачи испанской речи в цифровых сетях интегрального обслуяива-ния, создание методики опенки качества передачи испанской речи в стохастических цифровых системах.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. При решении поставленных задач использованы положения теории информации, методы моделирования случайных процессов с применением

теории вероятностей и математической статистики, модели теории массового обслуживания.

При моделировании иропессов восстановления дискретизированной испанской речи,произведено подтверждение результатов аналитического исследования экспериментальными данными.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1. Аналитические описания основных характеристик речевого сообщения.

2. Модели потоков отсчётов в стохастических цифровых системах передачи (СЦСП) инфармании.

3. Методика аналитической опенки качества испанской речи в СЦСП.

4. Результаты опенки качества передачи испанской речи в цифровых сетях интегрального обслуживания (ЦСИО).

5. Варианты построения первичной сети радиуса гаванского метрополитена, ориентированные на применение СЦСП.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

В диссертации находит развитие теория восстановления речевых сообщений, разрабатываются методика и математический аппарат аналитической опенки качества передачи испанской речи в стохастических пифровых системах передачи информации. Оригинальные математические модели разработаны для применения в анализе и проектировании систем, реализующих восстановление как регулярно, так и нерегулярно дискретизироЕанкых речевых сообщений.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ. Практическая ценность разработанного в диссертации математического аппарата заключена в предоставленной возможности получения анали-тичеекими методами объективных результатов опенки качества испанской речи по критериям разборчивости, использованных при анализе и проектировании конкретных СЦСП, реализующих передачу и госстанов-

ление речевых сообщений. Самостоятельное практическое значение имеют полученные при разработке методики оиенкй качества модели испаноязычного речевого сообщения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ.

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, перечислены основные научные результаты диссертации, определена их практическая ценность и области применения, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В ПЕРВОМ РАЗДЕЛЕ рассмотрены основные направления развития ЦСИО. Их будущее определяется двумя положениями:

- цифровые сети дают возможность объединить в единый технический комплекс цифровые системы передачи (ЦСП) и цифровые системы коммутации (интеграции I рода);

- цифровой сигнал является базой объединения различных еидов связи (телефония, телеграфия, передача данных и т.д.) е ЦСИО (интеграция II рода). В качестве прототипа ЦСИО гаванского метрополитена (Республика Куба) рекомендована ЦСИО с коммутацией пакетов (ЦСИ0-КП),В которой, например, время доставки сообщения через пять транзитов может быть доведено до 10 мс и менее, отсутствует проблема синхронизации (в асинхронной ЦСИО-КП).

Рассмотрена модель' системы.пакетной передачи речи, выполнен аналитический обзор литературы по потерям при пакетной передаче, по опенкам её качества. Задержки пакетов свыше порогового времени менее чем на 1% практически не влияют на качество речи,- причём уровень потерь задаётся как вероятность передачи пакета за время, равное пороговому или превышающее его.

Произведенпыйанализ методов передачи речи и опенки качества речевого сообщения в ЦСИО позволил сделать следующие.йыводы.

I. Перспективными направлениями развития ЦСП являются совер-

шенстЕование оборудования в рамках существующей иерархии ЦСП, повышение эффективности использования каналов и увеличения их числа, создание ЦСП, повышающих эффективность использования цифрового тракта первичной ЦСП.

2. Для повышения эффективности использования тракта передачи могут применяться СЦОП, использующие один из трёх основных методов группового сжатия: уплотнение речевого сигнала путём удаления из него пауз, статистическое уплотнение стандартного цифрового канала и пакетную передачу речи.

3. ЦСП речи, использующая один из основных методов обработки-речевых сообщений во временной области и любой из трёх указанных выше методов группового - сжатия, в общем случае является ЦСП со стохастическим потоком отсчётов дисхретизированной речи на входе воо-станавливащего устройства.

ВТОРОЙ РАЗДЕЛ посвящен моделированию испаноязычного речевого сообщения. Представлена полученная в результате эксперимента одномерная плотност£ распределения вероятностей 1л5А (ос) мгновенных значений речевого сообщения на испанском языке.

Для её аппроксимации использована формула

ненке:.; соответствующих значений при положительных и отрицательных

где и ^ - коэффициенты;

' ¿х - среднеквадратическое отклонение сообщения. Значения и"*0х) » представленные в таблице I .получены усред-

значениях аргумента.

Таблица I.

плотность значение произведения «о^и^) при значениях мента ос/^ аргу-

0 0,143 0,429 0,714 I 1,29 1,86 2,14

и*(ж) 1,052 0,821 0,173 0,0815 0,0578 0,044 0,028 0,024

1,052 0,719 0,385 0,2361 0,1551 0,105 0,050 0,035

1,275 0,566 0,358" 0,2404 0,1619 0,109 0,050 0,034

При вычислении -Ц (х)использовалось 240 ООО отсчётов сообщения (при частоте дискретизации КкГи). Методом наименьших квадратов определено, что наилучшую аппроксимацию даёт (Г) при =35

Эта аппроксимация ы[(х) представлена в таблице I, наряду с ал- ' проксимацией ЪГ?(ос) (при /А = 14,14), используемой в случае сообщения на русском языке. *

Из сравнения ц|(х) и ы"(х) следует, что для сообщения на испанском языке увеличивается по сравнению с сообщением на русском ' языке удельный вес отсчётов, уровни которых превышает 1,6 ё

Экспериментально получены спектральные плотности мощности испанской речи для женского и мужского голоса.

Спектр речевого сообщения предварительно ограничивался фильт-■ ром нижних частот с частотой среза 3400 Гц. На рис.1 представлен график аппроксимации усреднений спектральной

Усредненные Спе,<тр(цЬные плотное тч мацыостек РСЧЧЬСЮ- Сообщений НЧ rituClHCKOM языке

6 JO

Р КС I

плотности мощности (х) речевого сообщения на испанском языке.

Усреднение производилось по 90 реализациям, общее число отсчётов 22680. С использованием определения

о

получены значения эффективной ширины спектра в случае русскоязычного сообщения 3550,4Гц , а в случае испаноязычного сообщения -2935,5 : Их сравнение позволяет сделать вывод, что погрешность дискретизации и восстановления во втором случае будет меньше. Итак.

1. На достаточно продолжительных отрезках Бремени речевое сообщение может удовлетворять условии. стационарности, что позволяет его рассматривать как квазистационарный процесс.

2. Экспериментальное распределение вероятностей испанского речевого"сообщения ,-аппроксимируется гипёрэкппоненциаяьной плотностью.

3. Разработанные аппроксимации энергетического спектра речевого сообщения испанской речи являются аналитическими зависимостями, достаточно близкими к экспериментальным, и могут'быть использованы для решения задач, поставленных в диссертационной работе.

ТРЕТИЙ РАЗДЕЛ диссертации посвящен моделированию потоков отсчётов речевого сообщения на входе интерполирующего фильтра оконечного устройства. Для решения задачи использования систем передачи речи помимо известных аналитических моделей: простейшего случайного, регулярного потока и др., могут быть использованы конкретные потоки Пальма, более точно отражающие специфику потоков отсчётов в различных вариантах СПСП, в интегральных сетях с коммутацией пакетов речи и данных. При использовании стационарного потока Пальма плотность распределения вероятностей интервала между соседними отсчётами в потоке определяется в виде

А К*" "х-1). *= • • (2)

Ь ос

да Р(х) - распределение вероятностей случайной величины X числа отбракованных подряд отсчётов; £"(•.) - дельта функция.

т - число отсчётов в пакете фиксированной длины; ■ $ - частота исходной дискретизации;

Выполненный анализ и разработка моделей потоков дискретных отсчётоЕ речевого сообщения в ЦСИО позволяет сделать следующие выводы .

1. Рассмотренные модели потоков отсчётов дают возможность проводить исследования ЦСИО, использующих цифровую передачу речи, прогнозировать их функционирование, выбирать технические параметры, а следовательно, оказывать влияние на-'качество передачи речевого сообщения.

2. Свойства потоков отсчётов на входе восстанавливающего устройства любой ЦСП в основном зависят, от структуры и особенностей функционирования этой системы, и задача, возникающая при конструировании рекуррентной модели потока отсчётов речевого сообщения на ■входе восстанавливающего устройства, состоит в отыскании распределения вероятностей интервала между соседними отсчётами.

ЧЕТВЁРТЫЙ РАЗДЕД. Формируется методика оценки качества стохастической цифровой передачи речи. Определяются отношения мощности речевого сигнала к мощности шумов реконструкции, дискретизации и восстановления к мощности шумов квантования (Рз/Рмс).

Можно привести, например, выражение (Р^/Р^с)» полученное при использовании предложенной аппроксимации (I) плотности распределения вероятностей мгновенных значений речевого сообщения для случая компрессии А-характеристики

П м I о I < аЧ^ЩЦ

Я»/е -1

* е '^ [ш + Н + е~%|А+рУ

где Л и ^ - коэгМящиенты;

Д - величина шата квантования.

Основными результатами данного раздела являются следующие.

1. Разработанная методика аналитической опенки- качества передачи речевого''сообщения в ЦСИО универсальна в смысле возможности её■применения для различных ЦСП испанской речи со стохастическим потоком отсчётов на входе восстанавливающего устройства.

2. Аналитические выражения, разработанные для опенки влияния шумов квантования на качество передачи речи в ЦСИО, позволяют производить сравнительную опенку каче'ства стандартных ЦСП с ИКМ, оценивать влияние статистического уплотнения на величину шумов квантования (в случав изменения структуры кодовых слов), составлять рекомендации для проектирования ЦСИО.

3. Произведённое сравнение полученных результатов с нормой рекомендованной МККТТ(б.712)даёт возможность оценить влияние характеристик ЦСП и, е том числе, закона,командирования на качество передачи испанской речи.

4. Разработанное в общем виде выражение для. отйошения мощное-•ти шумов дискретизации и восстановления Р^/Р^ конкретизировано

для энергетического .спектра испанского речевого сообщения.

5. С применением разработанного выражения ддя Рд /Рм<Д произведена опенка влияния интенсивности потока отсчётов на входе восстакавлиЕакщего ФНЧ^ на,качество передачи, что позволяет давать, в частности рекомендации по проектированию устройств статистического уплотнения цифровых телефонных каналов и их наиболее эффективной эксплуатации.

В ПЯТОМ РАЗДЕЛЕ определяется качество стохастической передачи испанской речи в конкретных ДСП, в частности в СЦСП', на которые предложено ориентироваться при создании ЦСИО метрополитена г.Гавана (Республика Куба).

При использовании полученных моделей речевого сообщения, восстанавливающего фильтра, потока отсчётов'для различных процессов функционирования устройств статистического уплотнения и аналитических выражений для Р^/Р^ получены количественные результаты опенки качества передачи речи.

Произведена оценка качества в системах с пакетной передачей речи. Предложена методика расчёта и произведена опенка по критерию ' разборчивости качества пакетной передачи речи с учётом влияния отбраковки пакетов из-за временных задержек, шумов квантования и дискретизации. Произведена опенка разборчивости речи при перегрузках в интегральной цифровой сети с коммутацией пакетов, речи, а также при различных методах ЕосстаноЕления речи.

Предложены ориентированные на применение статистического уплотнения семь базовых вариантов организации первичной цифровой сети связи для радиуса метрополитена г.Гавана.

В таблице 2 представлены семь базовых вариантов применения оборудования цифровых систем передачи (ДСП) и цифровых автоматических телефонных станций (АТСЦ) для организации первичных цифровых

Вариант йспопьъоызиия шршшия при органшции nep&uwoú ctnj оши линии нетрололигею

Таблица 2 '

Шнер варианта ЦСП стандарта Р1Н УСЛ стонлорта SLH Свору-iotauuü ИТСУ

UKH-2Û ■ UKMMQV SKH-1D PJJHX

i .

г + +

ъ +

+

s + +

с + + '

/ + + +

сетей. :связи линии метрополитена. Структурные схемы первичных сетей связи приведены на рис.2 - 8.

Вариант №1 (рис.2) использование цифровых АТС различной ёмкости. В центре управления метрополитеном устанавливается узловая АТС абонентской емкостью 800-1000 номеров.

Вариант $2 (рис.3) использование цифровых систем передачи (ЦСП) типа ИКМ - 30 и узлово.й АТСЦ в данной схеме узловая АТСЦ выполняет функции по коммутации всех соединений устанавливаемых в сети.

Вариант №3 (рис.4) использование ЦСП, ИКМ-30 и АТСЦ различной ёмкости.•

Вариант №5 (рис.5) использование ЦСП, стандартных транспортных модулей &7М-1 и АТСЦ различной ёмкости. Это наиболее дорогостоящий вариант структуры сети, из-за высокой стоимости (не. меньше десяткоЕ тысяч американских долларов) оборудования РЭИХ' на каждой станции.

Вариант №5 (рис.6) использование ЦСП, програмируедаг цифровые мультиплексоров РДЯ и узловой АТСЦ, применение РДМХ позволяет организовать гибкую топологию каналов связи и высокую структурную надёжность.

Вариант Ив (рис.7) совместное использование ЦСП, РД/К,{ГГМ-1, а также узловой АТСЦ.. Данная схема является комбинацией из двух предыдущих схем.

Вариант Ю (рис.8) в отличии от предыдущего варианта в рассма'..' риваемом оборудовании РД'Ж заменено более дешёвым ИКМ-30. Это значительно снижает стоимость организации сети, но и ухудшает её функциональные возможности.

ПО МАТЕРИАЛАМ РАЗДЕЛА СДЕЛАШ, ВЫВОДЫ.. • ' '

I. Пр;г использовании разработанных моделей речевого сообщения

i

I

I

I

41

II

â § ?f

Q

Q -<t;

§

ÛJ

'S

cj

I

§ I

«а

§

ч:

c>

■0 ">

?• I

S

Э

Sa

I

<5

û)

Ль <?Jb

5"

§ Sí

5 1

ч. ÎJ;

5) lï

%i

ts «J Ç. ta 3 «j

§ I

CD

1

ОС-wo

or-xo

сср

сз

Set

jo

к:1-*-'

>СЗ

К»' tj

ое-ю Т~

oc-XJ

Т

JÇ90

О—

ПГ

<

о—

л

Т

к о—

<

_Е

Т

чг

сИ

tíf

т

<

<

On

о—

Ч)

, M 4i

\

т.

О-—

Т

s

on

TJ

*м

Nf"

О

Сиена организации пёрьичнои ши шьи с uznouïoôOHUÊH УСП ÍTM-A и АТСУ

иу

leño

О—

АТйУ

ст./Л -fr-

CT д/7

er ¿/s -ö-

СГл/S

-в—

CK

АТСУ CX CT

АТСУ

Е,-

CX CT

с

$ «о

(X

сГ

ex сГ

-3

£t-

атсу km (X (У

cr.t/n

-В-

ту

CT.fi/З -0-

АТСУ

CT.t/í —Ö

Am

¿v-э

(X i (X

ai J (У

Ei'S

-а

Ск

er

л

-f-£

■ /-?

ûf-л// -0

£f-t

V*

d-

«О

АТСУ LO

-о

MC У

АТСУ

-6

exj СУ

£i-i

-3

АТСУ СХ СГ

£>-5

СХ

СХ СУ

АТСУ АТСУ СХ СГ fis

Am

лтм

-3

СХ СГ

СХ (Г

-3

в,-

/-7

ш -о

X)

(ЪЕ{ Рис . 5

с:

'л

ч

сз

ïcp

sa

O-J

Vû й

Схема оРгонизоции первичной сети смьи С испольъованим УСП 5ТН-1, ММХ и АТЫ

цу

Лепо

О-

скм

-а-

ст.»/?

-В-

с г, л/г: -й-

ст. л/5

-е-

СГ.лП! -8-

си/} -й-

сгуг

-9—

-3

ст.*//

Рис . Г

АГО/

5h 5t

ь

is cö

C3

ScJJ tj ^^

S ca

« Cü

Soi

ч

_

ktJ Ot-HVn ti

получены результаты опенки качества передачи рачи в различных условиях функционирования конкретных СЦСП. ,

2. На основании произведенной опенки можно заключить, что качество передачи в дополнительном комплекте рассмотренной СЦСП со статистическим уплотнением уменьшается по сравнению с основным комплектом, но качество передачи в обоих комплектах остаётся удовлетворительным. Это подтверждает целесообразность применения устройств статистического уплотнения каналов ЦСП, на гаванском мегро-политоно, которые позволяют практически в два раза увеличить пропускную способность тракта передачи.

3. Получены зависимости оценки качества пекетной передачи речи от длины пакота, числа отбракованных подряд пакетов, вероятности отбраковки пакета.

4. Подвергнуты анализу семь базовых вариантов организации первично;! цифровой сети связи метрополитена.

С пелью повышения эффективности использования дорогостоящего оборудования необходимо применять технические и программные способы интенсивного использования ресурсов сети (статистическое уплотнение каналов, пакетную передачу речи и данных).

Розюмируя изложенное, сформулируем основные еыводы и результаты диссертационной работы в целом.

Теоретически обоснована и решена сформулированная в первом разделе научно-техническая задача аналитической оценки качества испанского речевого сообщения в СЦСП, имеющая существенное значение для теории и практики цифровых систем сбора, передачи и обработки информации е испаноязычных странах.

. Перечислим наиболее Банные выводы работы:

I. Получены экспериментальные плотности распределения

вероятностей мгноветтых значений испанского речевого сообщения и разработаны их аппроксимации с использованием гиперэкспоненциальной модели.

2. Разработанные аппроксимации энергетического спектра речевого сообщения испанской речи являются аналитическими зависимостями, достаточно близкими к экспериментальным и могут быть использованы для решения задач, поставленных в диссертационной работе.

3. Рассмотренные модели потоков отсчётов позволяют проводить исследования различных ЦСИО, использующих цифровую передачу речи, прогнозировать их функционирование, выбирать технические параметры, оказывать влияние на качество передачи речевого сообщения.

4. Разработанная методика аналитической оценки качества передачи речевого сообщения в ЦСИО универсальна по её применению для различных ЦСП испанской речи со стохастическим потоком отсчётов

на входе восстанавливающего устройства. Аналитические выражения, разработанные для опенки влияния шумов квантования на качество передачи речи в ЦСИО, позволяют давать сравнительную оценку качества передачи ЦСП с ИКМ, оценивать влияние статистического уплотнения на величину шумов квантования (в случае изменения структуры кодовых слой .), составлять рекомендации для проектирования новых ЦСИО.

5. На основании произведенной опенки можно заключить, что качество передачи в дополнительном комплекте рассмотренной СЦСП со. статистическим уплотнением уменьшается по сравнению с основным комплектом, но качество передачи в обоих комплектах остаётя удовлетворительным. Это подтверждает целесообразность применения устройств статистического уплотнения каналов ЦСП,. на метрополитене

г.Гавана, которые позволяют практически в два раза увеличить пропускную способность тракта передачи.

6. Произведенный анализ влияния характеристик передаваемого

сообщения на качество пакетной передачи предоставил зависимости, показывающие насколько качество передачи уменьшается о" увеличением длины пакета сообщения, с увеличением количества отбракованных пакетов, о увеличением вероятности отбраковки пакетов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУТСЩИХ РАБОТАХ.

Т: Горелов Г.В., Кинтана М. _ Квантование по уровню при стохастическом уплотнении цифровой системы передачи "Радиотехника"1992,КЗ,с.3-5

2. Ромашкова О.Н., Кинтана М. Перспективы применения нифровы" систем связи на гаванском метрополитене. Четвёртая международная конференция МНТО РЭС им.А.С.ПопоЕа - 1995г. с • 16-17.

3. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Кинтана М. Одномерная плотность распределения вероятностей речевого сообщения на испанском языке. Конференция СНО (ШИТ, 1995г.)

Методы определения качества стохастической передачи испанской речи в цифровых сетях интегрального обслуживания .

05.13.17-Теоретические основы информатики

сдано в набор 20. РС.95. подписано к печати 2ЛД&.9&.

формат бумаги 60X90 1/16 объем 1,5 п.л. заказ ткрак./А? экз.

Типография МНИ.Т, 101475, Ь1оскьс1 А— 55, ул.Образцовз, Г5

Кинтана Тамаго Марибэль