автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Исследование и разработка речевых ДМ-кодеков для подвижной радиосвязи

Воронежский государственный технический университет

На правах рукописи

того пользе »• N 7.3

ИНВ. №3^84-ДСП Для служебного пользования

Эка.

Валерий Нвавовт САПРЫКИН

НССДЗДОВАНШ И РАЗРАБОТКА РЕЧЕВЫХ ДМ-КОДНШВ ДЛЯ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ

Специальность 05.12.17 Радиотехнические и телевизионные системы и устройства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 1954

Работа выполнена в Воронежском НИИ связи.

Научный руководитель - действительный член Международной Академии информатизации, доктор технических наук, профессор П. Д. Венедиктов .

Официальные оппоненты: член-корреспондент Академии ' Транспорта Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Г. В. Горежов ;

кандидат технических наук, доцент Ю. Ф. Выдро .

Ведущая организация - Московский научно-исследовательский радиотехнический институт (ЫНИРТИ).

Защита диссертации состоится "алАС-^Ъ- 199&. г.

в " /4 " часов на васедании диссертационного совета К. 063.81.06 по присуждению степени кандидата наук при Воронежском государственном техническом университете (ЕГТУ) по адресу:

394026, г. Воронеж, Московский пр., Д. 14, конференц-зал.

»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЕГТУ.

Автореферат разослан " "_199__г.

Ученый секретарь диссертационного совета К.063.81.05

к.т.н., с.н.с.

С. А. Плахотнюк

Общая характеристика работы

Актуальность томи. Одним из основных направлений современного развития в нашей стране является создание Единой системы сухопутной подвижной радиосвязи (ЕС СПР). При этом разработка радиотелефонной сети общего пользования Российской Федерации, входящей со -ставной частью в ЕС СПР , ¡предусматривает переход от традиционных рэдшьних 'сетей с ^аналоговыми методами модуляции к перспективным ■с&тонш система» подвижной радиосвязи (ССПР) с цифровыми методами передачи и обработки информации. Основными направлениями развития цифровых ССПР, включающих стационарные сети передачи сообщений между узловыми, базовыми станциями и системами радиосвязи с подвижными объектами, являются:

* увеличение пропускной способности систем, позволяющей об -служивать высокую плотность нагрузки до 500 Эрл/м2 и более;

* уменьшение размеров cor с одновременным снижением мощности передатчиков;

а сбсспсчслкс различными видами услуг гак автомобильных абонентов, так и пешеходных;

* увеличение объема и качества предоставляемых услуг;

* обеспечение конфиденциальности передаваемых сообщений.

Важная проблема цифровых ССПР связана с разработкой цифрового

радиоканала для передачи речевых сообщений, цифровых данных и сигналов управления и взаимодействия (СУВ) в- условиях воздействия помех в трйкте передачи.

Созданная в 1991 г. Пан-европейская цифровая система GSM имеет ¡речепреовразующее устройство, постросяное по типу кодеков с ли-пейнт тгредстеззаяием на скорости 13 кбит/с. Вместе с тем, кодек этой 'спетекм характеризуется сравнительной сложностью и снижением •натураяьяоети ( узнаваемости по голосу ) передаваемых речевых сообщений, приближающим его по этим характеристикам, скорее, к вокодерам. С учетом технических требований к ССПР представляется перспективна! применение в них сроднескоросгных Качалов на основе разновидностей дельта-модуляции (ДМ).

Пр:Гэтом необходимо учитывать воздействие помех, обусловленных спецификой работы ССПР в УКВ диапазоне и з районах крупных праг.тдашш городов. В отличие от достаточно изученных вопросов по - ут*зг!Ь"?!;гсэ плиния цифровых ошибок при воздействии помех в других системах, проблема повышения точности передачи сообтений в каналах с ДМ требует дополнительных исследований.

Более эффективное использование радиоспектра в ССПР по сравнению с радиальными системами подвижной радиосвязи достигается усложнением управляющего оборудования и , как следствие, приводит к росту трафика эпизодически передаваемых СУВ. При этом важной задачей является совмещенная передача низкоскоростной цифровой информации СУВ по телефонным каналам на основе 704.

Требование конфиденциальности передаваемых речевых сообщении в современных ССПР выдвигает проблему обеспечения маскирования передаваемой информации. Необходимость решения перечисленных и других проблем определила тематику диссертации.

Цель работы. Системное обоснование построения цифровых сред-нескоростных каналов в условиях воздействия помех в тракте передачи с маскированием передаваемой информации при совмещении обмена речевыми сообщениями с эпизодической передачей сигналов управления и взаимодействия в ССПР.

Основные задачи исследования . Достижение цели осуществляется решением взаимосвязанных задач с учетом особенностей используемых цифровых каналов:

1. Развитие принципов системного подхода к выбору типа кодека речевого сигнала для цифровых ССПР по обобщенному показателю на основе регрессионной зависимости между частными техническими характеристиками сравниваемых вариантов.

2. Разработка и исследование вариантов совмещенной передачи СУВ и информационных сообщений в ССПР при использовании деухлара-ивтрической модуляции цифрового сигнала, например, ДМ-АИМ.

3. Разработка различных вариантов ДМ-кодеков, устойчивых к воздействию в тракте передачи помех , характерных для ССПР, и исследование повышения помехоустойчивости передаваемой информации по таким каналам связи.

4. Разработка вариантов маскирования речевых сообщений в цифровых каналах ССПР и оценка эффективности "закрытия" информации.

иетсди исследования. В диссертации используются элементы теории вероятности, теории массового обслуживания, методы статистической радиотехники,, теории передачи цифровых и речевых сообщений. Ряд исследований связан с моделированием на ЭВМ, а такие с экспериментальными макетами устройств.

Научная повизна:

1. Предложена методика выбора конструктивного варианта Л»И;о-дека по обобщенному показатели, в основе которого лекит опрадсхо-ние регрессионной зависимости меяву частными харахтерганакхя: качества сравниваемых вариантов.

2. Разработаны варианты кодеков с двухпараметрической модуляцией ДМ-ЧИМ, ДМ-ОШИМ, ДМ-АИМ. Предложена методика оценки эффективности двухпараметрической модуляции ДМ-АИМ на основе показателя пропускной способности канала связи.

3. Разработаны варианты ДМ-кодеков с переменной частотой дискретизации. Предложена методика оценки повышения помехоустойчивости таких кодеков при воздействии в канале связи помех типа белого вума на основе графо-аналитического метода.

4. Разработаны варианты ДМ-кодеков с коррекцией цифровых ошибок в условиях воздействия импульсных помех в канале связи:

а) методом периодического сброса интеграторов до уровня математического ожидания;

б) методом предыскажения ДМ-сигнала на передающей стороне путем подмешивания помех из тракта передачи в цепь обратной связи ДМ-кодера;

з) методом дополнительной передачи на приемную сторону корректирующих сигналов в паузах да-сигнала, образованных за счет временного сжатия исходного цифрового потока.

5. Предложен метод маскирования речевых сообщений путем подмешивания "балластной" информации ( или дезинформации ). Разработан метод повышения разборчивости маскированной речи в условиях воздействия помех в тракте передачи путем изменения частоты следования сегментов'речевой информации.

Практическая целость:

■ 1. Предложенная методика выбора конструктивного ДМ-кодека позволяет на инженерном уровне сравнивать по обобщенному показателя качества различные варианты ДМ-кодекса и может быть использована при проектировании аппаратуры для цифровых каналов ССПР.

2. Разработанные варианты ДМ-кодеков с двухпараметрической модуляцией ДЫ-ЧИМ, ДМ-ОШ, ДМ-йй? и инженерная методика оценки их эффективности на базе показателя пропускной способности канала связи могут быть использованы при построении ССПР и организации связи в ячейке ССПР.

3. Предложенные варианты построения .ДМ-кодеков с переменной частотой дискретизации и методика оценки их помехоустойчивости могут быть использованы при проектировании цифровых помехоустойчивых каналов связи в ССПР.

4. Разработанные методы повышения помехоустойчивости да-сигнала при воздействии импульсных помех в тракте передачи с коррекцией ошибок в интегратооах могут быть использованы при проектировании помехоустойчивых ДМ-кодеков «да щ-фговнх каналов СП7Р.

5. Предложенные методы увеличения степени маскирования речевых сообщений позволяют проектировать телефонные каналы с высокой степенью конфиденциальности передачи речевой информации.

Внедрение результатов. Результаты исследований и изобретения использованы в учебном процессе кафедр и научных лабораторий ЫТУСИ и в отчете по НИР "Система СПР" Воронежского НИИ связи, а также внесены в практические разработки:

* серийно выпускаемого изделия "Палтус" Рязанского радиозавода;

* опытных образцов изделия "Акведук" Воронежского НИИ связи.

Апробация результатов. По теме диссертации опубликовано 46 работ, в том числе 5 статей и 28 изобретений. Конкретные результаты обсуждались со специалистами на научно-технических конфренциях Воронежского НИИ связи, МТУСИ, Новосибирского электротехнического института связи, Рижского технического университета и др.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем составляет 167 страниц , в том числе основного текста - 102 страницы, таблиц 11, рисунков 45.

Защищаемые положения

1. Выбор конструктивного варианта ДМ-кодека для ССПР целесообразно вести комплексным методом ( по обобщенному показателю ), в основе ■ которого лежит определение регрессионной зависимости между частными характеристиками качества сравниваемых вариантов.

2. Для организации связи в ячейке CC1IP е помощью телефонных каналов с ДМ можно использовать двухпараметрическую модуляцию цифрового сигнала, при этом предпочтительным является вариант ДМ-АИМ, увеличивающий скорость передачи, ориентировочно, на 40 %.

3. Можно повысить помехоустойчивость речевой информации в цифровых каналах ССПР при воздействии помех типа белого шума в среднем на 1,5 дБ, применяя переменную частоту дискретизации с последующим приемом на согласованный со спектром сигнала фильтр. Конкретный выигрыш зависит от'статистики фонем речевого сигнала.

4. Для повышения точности передачи сообщений с помощью ДМ в условиях воздействия импульсных помех в канале связи следует использовать следующие методы коррекции цифровых ошибок:

а) путем периодического сброса интеграторов в кодере и в декодере до уровня математического ожидания сигнала;

f) > пут>-м предыскажения дм-сигнала в кодере ра счет подыешива-1Ш>1 в цепь обратной овжш пом^х из тракта передачи;

в) путем периодической установки интеграторов в кодере и декодере в истинное значение сигнала за счет дополнительной передачи корректирующих сигналов в паузах передачи, образованных от временного сжатия исходного цифрового потока. При этом наибольшей точностью обладает последний метод.

5. Чтобы существенно повысить степень маскирования речевых сообщений в цифровых телефонных каналах связи ( или совсем- дезинформировать постороннего наблюдателя ), можно применять подмешивание балластной информации, а снижение разборчивости маскированной речи в условиях воздействия помех в тракте передачи модно компенсировать за счет изменения частоты сегментов речевой информации.

Краткое содержание

Во введении обоснована актуальность развития систем подвижной радиосвязи, в том числе ССПР. Сформулированы цель и задачи исследования. Кратко изложено содержание диссертации.

В первой раздела с обвдх позиций рассматриваются вопросы построения ССПР. Приводится классификация СПР и виды передаваемой в них информации. Обсуждаются международные рекомендации и пути развития СПР. Показано, что наиболее перспективными являются СПР общего пользования с сотовой структурой сети, а основным видом передаваемой в них информации считаются речевые сообщения.При этом отмечается, что действующе в настоящее время радиотелефонные сети общего пользования СПР, например "Алтай", характеризуются применением аналоговых методов передачи сообщений л не обеспечивают требований, предъявляемых к современным системам связи, поэтому целесообразно использование цифровых методов передачи информации.

Исследуются возможности организации совместной передачи сигналов управления и взаимодействия и информационного сигнала в цифровых СПР на основе дельта-модуляции .

Известно, что СУВ по цифровому каналу можно передавать :

а) взамен речевого сообщения в полосе,300-3400 Гц;

б) в цифровом виде взамен ДМ-сигнала;

в) в паузах обычных речевых сообщений.

При этом в первых двух вариантах происходят потери основной информации, поэтому было предложено передавать СУВ по каналу с ДМ: ■ г) в паузах, образованных за счет временного сжатия РС;

д) комбинационным объединением символов СУВ с ДМ-сигналом;

е) путем модуляции яиих параметров импульсов цифрового переносчика, например, с помощью двухпярлметричеекой ДМ.

Оценивается эффективность совмещенной передачи СУВ с сигналом ДМ для четырех вариантов организации связи в ячейке ССПР:

1) с фиксированным вызывным каналом;

2) с плавающим вызывным каналом;

3) с равнодоступными каналами',

4) с комбинационным объединением каналов.

Обычно ячейка ССПР состоит из базовой А/-канальной станции (ВС) и группы М подвижных Л-канальных абонентских радиостанций (ПС). Отказ связи в такой ячейке происходит как при занятости вызывного канала (ВК), так и при отсутствии свободных связных каналов. Вероятность потери вызова Рп можно записать в виде формулы (1)

Рп ~ Рпвк+ Рпс " Рпвк Рпс • (1)

где РПвк ~ вероятность отказа из-за занятости ВК; Рпс - вероятность отказа из-за отсутствия свободных связных каналов.

Для 1-го варианта организации связи в ячейке ССПР эти вероятности определяются формулой Эрланга для одного и (ДО - 1) обслуживающих аппаратов соответственно и зависят от варианта организации передачи СУВ и основной информации (табл.1).

Таблица 1

Вариант ■передачи СУВ и информации Рпвк Рпс

Последовательная передача Хг^изб + Х2^упр)М"1/'(АГ- 141

♦ Хееупр)1/"

Совмещенная передача XI ¿изб XI £ИНФ

1 + Х^иэа •(V - ЬИНФ)1/!!

Введем обозначения: ¿изе - время занятия канала; - среднее время передаваемой информации; tyпp - время передачи СУВ; >1 -интенсивность вызовов на ВК; Хг - интенсивность вызовов при передаче СУВ; х\ , х'г -параметры входящего потока требований со стороны базовой станции ; х! , Х"г - параметры входящего потока со стороны подвижной станции.

В табл.2 приведены выражения потерь вызовов для четырех вариантов организации связи в ячейке ССПР. Анализ построенных по он;:.! формулам графических зависимостей (рис.1) показал, что потер'.!

Таблица 2

Вариант системы. Вероятность потерь Рп при последовательной передаче сигналов управления и информации Вероятность потерь Рп при совмещенной передаче НШ и Дм-сигнала

Первый ^(Х^ин« + *г£упр)1

N-1 (1 + Х1£и8е)1?0(М£инФ + Лг£упр)'/¿Л 1 (1 + Х1ЬМзв) ^(Х^инф)1/^

Второй Ы-1 4 + Хгйупр) /11

(1 + ХгЬинФ + Шупр)*/И 1 (1 + Х^иэбЗДсх^инф)1/^

Третий

N1 ¿СХ1(1ИНф + Сиз б) + ХгСупрЗ1^! ЛМ Д^!««» + ¿избЛ'/Я

Четвертый \2tynp + Х2еУПр+ Л031/11 ЛО'/П

(1 + ^Ьизб) ^оСХ^УПР + х'купр+ ЛОЗ1/!! (1 + А^б^С ЛО1/*!

где Лг - ¿инф + х'1 (£Инф + ЬИзб)

зовов для всех вариантов организации связи в ячейке ССПР значительно меньше при совмещенной передаче СУВ с ДМ сигналом, и этот выигрыш составляет от 5 до 10 Креме того, при фиксированном суммарном времени занятия канала СУБ вариант с равнодоступными каналами имеет минимальную вероятность потерь вызовов.

Рис.1. Зависимости вероятности отказа в связи при ¿ин«>- 2 ыин, tynp - 20 с от количества каналов и параметров потока требований: а) N - 4; At^® - 1; 6) N - 32; \tmф - 18

Во втором разделе с системных позиций рассматриваются вопросы построения цифровых телефонных каналов в подвижной радиосвязи.

Цифровая передача речевых сообщений в СПР требует компромие -сного решения по скорости кодирования речи. С одной стороны, она должна быть достаточно низкой для обеспечения спектральной эффективности, с другой стороны, достаточной для обеспечения качества передачи телефонных сообщений. Б настоящее время при высоком уровне развития технологии кодирование речи для скорости 16 кбит/с сможет удовлетворить вышеуказанньм требованиям.

При проектировании цифровых каналов приходится сравнивать различные варианты построения кодеков формы речевых сигналов с целью выбора оптимального . Вели варианты кодеков определяются несколькими показателями качества, то возникает задача объединения этих показателей в один комплексный, который затем можно использовать как критерий для выбора оптимального варианта.

Для сопоставления N вариантов кодеков использовался метод, основанный на определении регрессионной зависимости между показателями качества кодеков. Каждый к-й вариант ( к -1,2,...// ) характеризуется "набором" из n + 1 показателей качества, где Bi(k) -субъективное качество передачи сообщения; B'2tk> - помехоустойчивость передачи ; Вз1К) - простота реализации устройства ; G(1° -скорость передачи информации в канале.

Определяющий показатель для к-ro варианта кодека, найденный

с помоиыо регрессионной зависимости, имеет вид

б(к) - Gcp[ 1 fjíBjíWj],

гвв 1 fi,... - выпуклые, монотонно возрастающие функции

свои* аргументов ( в нашем случае использовались логарифмы исходных показателей качества кодеков); ai С 1 - 1,..., п )- параметры, значения которых находятся методом наименьших квадратов.

В результате анализа методов кодирования формы речевых сигналов со скоростью до 15 кбит/с наиболее приемлемымидля условий ССПР вариантами оказались подполосное кодирование, а также адаптивное кодирование с предсказанием шага квантования.

Показано, что с учетом технических, эксплуатационных и экономических требований к ССПР наиболее перспективным является применение в них среднескоростных каналов на основе вариантов ДМ.

Разрабатывались некоторые вопросы маскирования речевой информации в цифровых каналах ССПР. Известно, что маскирование включает в себя две основные функции.

Первая функция - это обеспечение заадты системы от непреднамеренного и преднамеренного, но несанкционированного доступа в систему. Эта функция используется в целях защиты экономических интересов системы в целом и ее отдельных абонентов, поскольку не допускает предоставления услуг связи без оплаты или за счет других абонентов. В настоящее время эти задачи,в основном, решены. Например, в i цифровой системе SSM путем аутентификации (установления принадлежности подвижного абонента системе GSM) и периодическим изменением условных идентификационных номеров подвижных абонентов.

Вторая функция - обеспечение конфиденциальности передаваемой информации (как речи, так и данных) и обеспечение конфиденциальности абонентов системы связи. Эта функция обеспечивает техническую защиту юридических интересов абонентов системы. Эта сторона маскирования нуждается в дополнительном исследовании.

В настоящее время известны разнообразные методы маскирования речевых сообщений. Наиболее распространенным из них является перемешивание • (скремблирование) по случайному закону сегментов информации на передающей стороне с последующим восстановлением нормального порядка их следования на приемной стороне. Однако данный метод не обладает высокой степенью маскирования информации.

Предложен метод повышения степени маскирования информации путем подмешивания на иереданцей стороне к полезной информации, подвергаемой скремблированию, еще мешающей ("балластой") информации : (или дезинформации). которая ?атем на приемной стороне отсеир^ст-

ся. Это осуществляется за счет применения временного сжатия полезной информации (преобразования ее временного масштаба). Произведена оценка повышения степени маскирования информации.

При маскировании без подменивания "балластной" информации степень "закрытия речи" определяется числом перестановок сегментов. Относительный выигрыш в повышении степени маскирования речевых сообщении можно определить по формуле

и - (л + к>1 / л! ,

ГД& п - число сегментов информации в кадре; к - число сегментов "балластной" информации в кадре. При п - к - 8 относительный выигрыш составляет и - 5хЮ8 (раз).

Отмечается, что цифровые каналы с маскированием речевой информации имеют меньшую разборчивость речи, чем каналы без маскирования в условиях воздействия помех в тракте связи, поскольку на передающей стороне при перемешивании сегментов возникают разрывы речевой функции, которые затем на приемной стороне при восстановлении нормального порядка следования сегментов не удается точно состыковать. Это приводит к потере части спектра речевого сигнала за счет образования т.н. просечек в спектре . Показано, что в цифровых каналах с маскированием информации при воздействии помех в тракте связи разборчивость речи определяется формулой

Р£ - Р1 4, Н .

где Р1(Го) - разборчивость как функция частоты сегментов

информации Гс (монотонно убывает с увеличением аргумента); Рг(С/П) - разборчивость как функция отношения сигнал/помеха (С/П) (монотонно возрастает при увеличении аргумента).

Предложено в каналах с маскированием речи в условиях воздействия помех в тракте связи снижение разборчивости компенсировать за счет уменьшения частоты сегментов информации (путем перераспределения составляющих Р1 и Рг).

В третьем раздам рассматриваются вопросы повышения помехоустойчивости каналов с ДМ к цифровым ошибкам при воздействии в тракте связи импульсных помех. В начале раздела дается характеристика импульсных помех и классификация методов их подавления. Отмечается, что в ДМ-кодеках воздействие помех имеет свои особенности, а методы борьбы с ними - свою специфику. Это связано о тем , что ДМ является относительным видом модуляции (последующее значение сигнала зависит от предыдущего), поэтому передача сообщений при ЯЛ сопровождается с течением времени накоплением ошибок в декодере

г г

приемника (на интеграторе). Известный метод борьбы с импульсными помехами в ДМ-кодеках путем периодического сброса до нуля уровня сигнала на интеграторах в кодере и декодере (рис. За) не обеспечивает высокой помехозащищенности, поскольку приводит к дополнительным потерям информации во время коррекции, так как на интервале коррекции Тк после сброса до нуля интеграторов требуется некоторое время установления ТУь чтобы восстановить значение сигнала.

Для повышения точности передачи сообщений при ДМ в условиях воздействия помех в тракте связи были предложены следующие методы коррекции цифровых ошибок:

1) путем периодического сброса интеграторов в кодере и декодере до уровня математического ожидания сигнала;

2) путем предыскажения ДМ-сигнала в кодере за счет подмешивания помех ив тракта передачи в цепь обратной связи;

3) путем периодической установки интеграторов в кодере и декодере в истинное значение сигнала за счет дополнительной передачи корректирующих сигналов в паузах передачи, образованных от временного сжатия исходного цифрового потока (рис.36).

в значение сигнала

Были разработаны структурные схемы помехоустойчивых ДМ-кодеков о коррекцией цифровых ошибок ■по этим методам. Произведена оценка повьк'ения точности передачи сообщений при коррекции методом установки интеграторов в кодере и декодере в истинное значение сигнала в сравнении с методом сброса интеграторов до нуля для слу-

чая, когда исходный сигнал представляет собой случайный постоянный уровень и0. Повышение точности коррекции определяется как о

5 - 3Г1 - 5х:г - 51 + Бг - Ээ,

где 1 - суммарная ошибка при коррекции путем сброса интеграторов до нуля; Э^г - суммарная ошибка при коррекции методом установки интеграторов в истинное значение сигнала; Бг - ошибка 8а счет потерь информации во время коррекции; Бг и Зз- ошибки ва счет помех в тракте соответственно для метода сброса интеграторов до куля и метода установки интеграторов в значение сигнала. Ошибки Б} - Зэ характеризуются соответствующими площадями, показанными на рис.2. Найденная графо-аналитическим методом формула для оценки точности коррекции имеет вид

б - {(*2+ 0) Ьрт + ЬеО 1Тк2(1в«)г - 2МГу1&х +М2 +0] -

- ( Тк- Тп )2 ^е (18«)2>/ 2 (Ье«)г , (2)

где и - математическое ожидание сигнала; О - дисперсия сигнала; а - угол наклона аппроксимирующего сигнала на интеграторе (характеризует быстродействие интегратора); В - угол наклона аппроксимирующего сигнала на интеграторе за счет помехи в канале связи (характеризует интенсивность помех); Гп - длительность паузы при временном сжатии сигнала.

Проведенные по формуле (2) расчеты показали, что точность коррекции 5 по методу установки интеграторов в значение сигнала выше по сравнению с методом сброса интеграторов до нуля на величину ошибки §1 от потерь информации во время коррекции (рис.Более точные оценки зависят от соотноиения времени коррекции Гц , математического ожидания Н и дисперсии О сигнала.

Была проведена оптимизация времени коррекции ЗМ-сигнала при воздействии в тракте связи импульсных помех, при котором ошибки на интервале коррекции минимальны. Получены формулы для инженерных расчетов оптимального^ времени коррекции по методу со сбросом интеграторов до нуля и методу с установкой интеграторов в значение сигнала с применением временного сжатия информации соответственно:

Гк1 опт •/(2 ЗгАвВ) + ГУ12 ; Гкг опт - /О

Расчеты показали , что. с увеличением интенсивности помех оптимальное время коррекции ТК1 опт И ТК2 опт уменьшатся. приближаясь к Ту 1 и гп (рис, . ...... ■■

1о

В четвертом разделе исследуются телефонные каналы с переменной скоростью. В начале раздела описываются статистические характеристики речевого сигнала (РС) и особенности его передачи по цифровым каналам. Отмечается, что спектр РС, являясь интегральной характеристикой процесса, не отражает зависимости речи от времени. Более тонкую структуру РС следует рассматривать на Сазе спектров отдельных фонем (звуков речи),т.н. мгновенных спектров . При этом под мгновенным спектром .понимается спектр отрезка процесса длительностью Г, непосредственно предшествующего моменту времени I,

&г(ыЛ) - 5 (г) вхр(-Зых) Л,

где х - время запаздывания сигнала; ы - круговая частота.

Такой подход к рассмотрению речевого процесса можно считать наиболее оправданным, так как из математической модели РС, известной из технической литературы, следует, что смысловая информация в речи переносится изменениями ее мгновенного спектра. Поскольку ширина мгновенных спектров изменяется от фонемы к фонеме, то нецелесообразно передавать речевой сигнал по цифровому каналу с одной и той же скоростью (тактовой частотой), так как это приводит к тому, что при передаче фонем с более увким спектром полоса частот канала, с точки зрения пропускной способности, используется нерационально. Кроме того, для фонем с более узким, по сравнению с другими, мгновенным спектром полоса канала оказывается несогласованной со спектром сигнала, что приводит к ухудшению помехоустойчивости

Рис. 3. Зависимости точности коррекции (а) и оптимального времени коррекции Гк опт (б) от интенсивности импульсных помех в 1санале связи 3)

Для повышения помехоустойчивости телефонных каналов СПР предлагается использовать неравномерную дискретизацию РС в зависююсти от его скорости с последующим приемом сигнала на согласованный со спектром фильтр. Разработаны структурные схемы ДМ-кодеков для передачи таких сигналов.Предложена методика и произведена оценка повышения помехоустойчивости ДМ-кодеков с переменной частотой дискретизации при воздействии в тракте связи помех типа белого шут.

Выигрыш в помехоустойчивости определяется как логарифм отношения мощности шума при максимальной полосе согласованного фильтра Рц к мощности шума при суженной полосе Ргш

ДРщ - 10 1к(Р1в/Р2и) - 10 ,

где Д/Ч и Л/г - ширина максимальной и суженной полос согласованного фильтра соответственно,поскольку мощность белого шума пропорциональна занимаемой им полосе частот Рш - Нс№ , где У0 - спектральная плотность мощности шума; ДГ - полоса частот.

Исходя из соответствия амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) согласованного фильтра спектру ДМ-сигнала, полосы ДГ1 и ДЛг определяли графо-анаяиттесют методой как площадь главного лепестка спектра ДМ-сигнала. рассчитанного с помощью ЭВМ по известной из технической литературы формуле (рис.4). При этом для расчета максимальной частоты дискретизации речевого сигнала бралась верхняя граничная частота телефонного канала Г* - 3,4 кГц, а для расчета средней частоты дискретизации использовалась средняя верхняя частота речи Гь ср - 3,1225 кГц, определяемая с учетом вероятностей появления гласных и согласных звуков гистограммы распределения по частоте следования фонем русской речи.

в(П, дБ -20

Рис.4.

Сужение спектра ДМ-сигнала -40 с переменной скоростью в телефонном канале

-60

0 5 10 15 ГО 25 с крц

Расчеты показали, что помехоустойчивость речряой информации в ДМ-"саналах с переменной скоростью при воздейстрии помех типа белого шума в среднем на 1,5 дБ выше, ч»м в каначде с постоянной •.мороетьк». Вгот-рч» по отдельным фонемам может логтигать ь... \2 'л 14

В пятом разделе исследуются цифровые каналы с двухпараметри-ческой дельта-модуляцией. В начале раздела дан обзор методов повышения эффективности использования радиосигналов в каналах связи, показаны потенциальные возможности многолараметричеекой модуляции.

Отмечается .что для решения в ССПР задачи по передаче СУВ нецелесообразно создавать для этого отдельный канал, и предлагается совмещенная передача СУВ с основной информацией по одному каналу на основе двухпараметрической да.

Выли разработаны варианты структурных схем речевых кодеков с двухпараметрической ДМ типа ДМ-АИМ, ДМ-ЧИМ, ДМ- ОШИМ. Отмечается, что варианты двухпараметрической модуляции вида ДМ-ЧИМ и ДМ-ОШИМ. приводят к некоторому расширению спектра частот результирующего сигнала вследствие уменьшения длительности информационных импульсов. Это ухудшает такой важный показатель передачи, как помехоустойчивость. Рекомендуется для практических целей использовать вариант ДМ-АИМ, когда спектр сигнала не расширяется, и передача дополнительной информации производится в той же полосе частот.

Исследована эффективность двухпараметрической модуляции вида ДМ-АИМ на основе показателя пропускной способности скорости передачи) канала в сравнении с классической Ш при воздействии в тракте связи помех типа аддитивного белого шума.Выявлено, что результирующая скорость передачи цифрового канала с дополнительной АИМ равна сумме скоростей двух составляющих

" Сц + Си ,

где Сц - скорость передачи основной информации по цифровому

каналу; Сн - скорость передачи по дополнительному каналу с АИМ.

Результирующая скорость передачи цифрового сигнала с дополнительной АИМ по каналу связи для случая манипуляции несущей с активной паузой и некогерентного приема ортогональных сигналов

Ср -(1/Т)С1 +10829 "♦Ров 1о£2'Рои + ^ -Рош)1о82(1 - Рош)

где 1/Т - V - скорость передачи; 0 < рощ < 1/2 - вероятность цифровых озябок и тракте; X > О - параметр экспоненциального распродедзши вероятности мгновенных значений аналогового сигнала.

Пр.ч ятем средняя ворелгноета егг.бт определяется выражением

/->-, - /в) А ехрЦА2 -Ь2)/2) агГа { Л //Ё ) ,

с:.-' "ГГ'С(*) - 1 - (2/уя) Г ехр(-12) « ;

О

1Р

Ь2 - постоянная составляющая отношения сигнал/шум.

Кроме того, была получена формула зависимости коэффициента глубины амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) т от параметра X

т - Иго /(2 + \2/>г).

Проведенные расчеты показали (рис.б), что дополнительная АШ цифровых сигналов приводит к повышению функциональной эффективности по сравнению с классическим цифровым каналом:

* увеличивается обшая скорость передачи ( до 60$ ) ;

* появляется возможность передачи второго независимого сообщения.

При увеличении отношения сигнал/шум и коэффициента глубины амплитудной модуляции результирующая скорость передачи приближается к пределу Шеннона Сп- Это объясняется тем, что по мере роста коэффициента т скорость передачи основного цифрового канала уменьшается медленнее, чем нарастает скорость передачи в АИМ-канале.

Основные результаты

1. Развит комплексный метод выбора типа кодека речевых сигналов для цифровых каналов связи на базе обобщенного показателя качества. В основу используемого обобщенного показателя качества кодека предложено положить определение регрессионной вависимосги между помехоустойчивостью, сложностью реализации и скоростью передачи в канале.

С системных позиций , по обобщенному покая-чт".1:» качеств». '/Зо-н'-'ин шГюр тина колика речевых сигналов' для пиФроьни СОНР.

2. Проведен анализ требований по маскированию речевой информации, предъявляемых к современным цифровым каналам ССПР, по результатам которого предложено для повышения степени маскирования речевых сообщений подмешивать к нт "балластную"информацию ( дезинформацию), а снижение разборчивости речи в условиях воздействия помех в тракте связи компенсировать эа счет использования переменной скорости передачи сегментов речевой информации.

Определена величина выигрыша в повышении степени маскирования речевых сообщений с подмешиванием "балластной"информации в сравнении с маскированием без подмешивания этой информации.Разработаны варианты маскираторов речевых сообщений с повышенной степенью за -крытия информации от постороннего наблюдателя.

3. Исследовано влияние организации соединения на пропускную способность ячеек ССПР, в результате которого предложено для передачи сигналов управления' в цифровых ССПР использовать комбинационное объединение символов управления с ДМ-сигналом и применение двухпараметрической модуляции сигнала с ДМ.

4. Разработаны варианты кодеков с повышенной информативностью сигнала на базе двухпараметрической дельта-модуляции типа ДМ-АИМ, ДМ-ОШИМ, ДМ-ЧИМ и обоснована целесообразность практического применения кодека варианта ДМ-АИМ.

Исследована эффективность двухпараметрической модуляции вида ДМ-АИМ на основе показателя пропускной способности канала в сравнении с классической ДМ и получены формулы для инженерных расчетов по оценке эффективности двухпараметрической модуляции типа ДМ-АИМ.

Определен выигрыш в повышении эффективности применения двухпараметрической модуляции ДМ-АИМ по отношению к классической ДМ при модуляции аналоговым сигналом.

5. Разработаны различные варианты ДМ-кодеков с повышенной устойчивостью к воздействию в канале связи импульсных помех за счет коррекции цифровых ошибок методами:

периодического сброса интеграторов в кодере и декодере до уровня математического ожидания сигнала;

предыскажения ДМ-сигнала в кодере путем подмешивания в цепь обратной связи помехи из тракта передачи;

периодической установки интеграторов в кодере и декодере в истинное значение сигнала путем передачи на приемную сторону корректирующих сигналов в паузах передачи, образованных за счет временного сжатия исходного цифрового потока.

6. Исследована точность коррекции метода установки интеграторов в значение сигнала с применением временного сжатия информации и определена величина выигрыша в точности коррекции этого метода в сравнении с известным методом сброса интегратора до нуля.

Проведена оптимизация времени коррекции метода установки интеграторов в значение сигнала и метода сброса интеграторов до нуля. Получены формулы для инженерных расчетов оптимального времени коррекции ДМ-сигнала при воздействии в канале связи импульсных помех, при котором ошибки на интервале коррекции минимальны.

7. Проведен анализ особенностей передачи речевых сигналов по цифровым каналам связи в условиях воздействия помех типа белого шума с позиции мгновенных спектров отдельных фонем, по результатам которого предложено для повышения- помехоустойчивости этих сигналов использовать переменную скорость передачи с последующем приемом на согласованный со спектром сигнала фильтр.

Разработаны варианты ДМ-кодеков с повышенной устойчивостью к воздействию в канале помех типа белого иума за счет введения переменной скорости передачи с последующим приемом на согласованный со спектром сигнала фильтр.

Исследована графо-аналитическим методом помехоустойчивость ДМ-кодеков с переменной скоростью передачи речевых сигналов в условиях воздействия в канале связи помех типа белого шума и определен размер выигрыша в помехоустойчивости таких кодеков по отношению к кодекам с постоянной скоростью передачи гак в среднем по речи, так и по отдельным ее фонемам.

Публикации соискателя

Авторскко (жидетельстза (A.c.), патенты м затеки на изобретения

1. A.c. 1025011 ог 23.Об.83. Устройство для передачи сообщений

с адаптивной дельта-модуляцией. - Соавт: Н.И.Козленко, А.С.Евженков. Л.В.Панова.

2. A.c. 1075406 от 23.02.84. Адаптивная система связи с дельта-

модуляцией.- СоавТ: Н.И.Козленко,'Р.Н.Рыжкова, Л.Т.Болотин.

3. A.c. 1095395 от 30.05.84. Устройство связи с дельта-модуляцией.

- Соавт: Н.И.Козленко, Р.Н.Рыжкова, А.Н.Асосков.

4. A.c. 1137576 от 30.01.85. Демодулятор сигналов с фазово-импульс -

ной модуляцией,- Соавт: Н.И.Козленко, Р.Н.Рыжкова.

5. A.c. 1163476 от 23.06.85. Система связи с дельта-модуляцией.

- Соавт: Н.И.Козленко, Р.Н.Рыжкова, А.Н.Лсоскоь.

6. A.c. \ 193820 от 23.11.85. Адаптивная сис.тома связи с дельта-

модуляцией.

7. A.c. 1194247 от 22.0V.85. Устройство дольта модуляции с двойным

инт'тоированием. - гсочвт: Н.И.Коглнп;о. > . U. ."ыжопн, А.Н.Асосков.

8. А.с. 1223369 от 07.04.86. ДеЛьта-модулятор.-Соавт:Н.И.Коэленко.

A.Н.Аеосков, В.Б.Потимков.

9. А.с. 1267604 от 30.10.66. Демодулятоо сигналов с фазово-импульо-

ной модуляцией.-Соавт: Н.И.Козленко,р.Н.Рыжкова,А.Н.Аеосков.

10.А.с. 1267605 от 30.10.86. Демодулятор сигналов с фазово-импульсной модуляцией.-Соавт: Н.И.Козленко.И.Г.Павлов, А.Н.Асосков.

, 11.А.с. 1269270 от 07.11.86. Дельта-демодулятор. - Соавт: Н.И.Козленко, А.Н.Асосков, И.Г.Павлов.

12.А,с. 1272471 от 23.11.86. Адаптивный дельта-демодулятор телефонного канала.- Соавт: Н.И.Козленко, И.Г.Павлов.

13.А.с. 1283975 от 15.01.87. Устройство связи с дельта-модуляцией.

- Соавт: Н.И.Козленко, А.Н.Асосков.

14.А.с. 1292186 от 23.02.87. Устройство для дельта-демодуляции сигналов. - Соавт: Н.И.Козленко, Р.Н.Рыжкова, А.Н.Аеосков, И.Г.Павлов.

15.А.с. 1311031 от 15.05.87. Устройство для передачи л приема информации.- Соавт: Н.И.Козленко, И.Г.Павлов.

16.А.С. 1370762 от 30.01.88. Демодулятор сигналов с фазово-импульо -ной модуляцией. - Соавт: Н.И.Козленко, С.А.Галун.

17.А.с. 1379939 от 07.03.88. Цифровой демодулятор сигналов с фаэо-во-импульсной модуляцией. - Соавт: Н.И.Козленко,

B.Б.Потимков, А.Н.Аеосков.

18.А.с. 1399891 от 30.05.88. Аппроксиматор дельта-модулятора. -Соавт: Е.Г.Мариничев, Ю.И.Гребнева.

19.А.С. 1432779 от 23,10.88. Дельта-декодер,- Соавт: А.Н.Асосков.

20.А.с. 294299 от 01.06.89. Адаптивное устройство маскирования аналоговых сообщений.- Соавт: Е.Г.Мариничев, В.И.Мурзин, А.А.Дрюченко, Е.Г.Борзаков.

81.А.О. 1487193 от 15.06.89. Устройство связи с дельта-модуляцией.

- Соавт: Е.Г.Мариничев, Ю.И.Гребнева.

22.А.С, 1511858 от 30.09.89. Адаптивный демодулятор сигналов с фа-80В0-импульсной модуляцией.-Соавт:Е.Г.Мариничев,Ю.И.Гребнева.

23.А.С. 1621161 от 15.01.91. Адаптивный демодулятор сигналов с фазово- импульсной модуляцией,- Соавт: Ю.И.Гребнева.

24.А.с. 328248 от 09.07.91. Адаптивная система маскирования аналоговых сообщений.-Соавт:Е.Г.Мариничев,В.И.Мурзин.Е.Г.Борзаков.

25.А.С. 1737722 от 30.05.92. Демодулятор сигналов с ФИМ.-Соавт: Б.Я. Осипов, Ю.И.Гребнева, А.С.Евженков.

26.Патент 1764164 от 23.09.92. Адаптивная система связи с ДМ. ■

- Соавт: М.Д.Венедиктов.

27.Патент 1788592 от 15.01.93. Устройство поиска шумоподобной по -следователь нос ти. -Соавт: Н. И. Коэленко ,¡0. В. Левченко, И. Г. Павлов.

28.Заявка на изобретение N 4916912 от 05.03.91. Система связи с двухпараметрической дельта-модуляцией. Положительное решение от 27.09.91.

Статьи

29,Комплексный выбор конструктивного кодека речевого сигнала//Тех-ника средств связи.- 1989.- Серия ОТ.- Вып.З,- С.114 - 121.

- Соавт; и,Д.Венедиктов, А.С.Евженкоз.

30.Организация передачи сигналов управления по радиоканалам с дельта-модуляцией // Техника средств связи, - 1990. - Серия 0Т.-&Л1.2,- С.83 - 94.- Соавт: !!.Д.Венедиктов, А.С.Евженков. 31.Повтеетончзскяя модуляция шфрозого сигнала //Депонировано з пит "ХкЪс-чорцгъ". - МТУСИ. -1902.-10с.-Соавт. М.Д.Венедиктов. Г":.Цпсп"епгаг! саоссоиость каналов спяги с двухпараметрической ' лг// Тет.ияга средств связи,- 1992.- Серия ¡к'.-1л;п. о. -(;. 23 - ,?Э,- Сомт. И. Д.Венедиктов. Р'з.г-^п-'гчио'.-г.. •\'"''?&-г!ОЯ7.зч1Ш оо сбросом интегрирования // г ,.■•;:!: ряднеегчэм. ::';п.!.- 0.122- 131.

Выступления на НТК

34.Комплексный выбор низкоскоростного варианта ИМ-кодека для систем подвижной радиосвязи // XVI НТК Воронежского НИИ связи, 1988,- Тезисы докладов.- С. 82 - 83.- Воронеж.- Соавт: М.Л.Венедиктов, А.С.Евженков.

35.Оценка повышения помехоустойчивости систем связи с дельта-модуляцией // XVII Отраслевая НТК Воронежского НИИ связи, -1939.-Воронеж.-Трзисы докладов.- 0. 11.

36.Предыскажение перфорированного сигнала дельта-модуляции // Всесоюзная НТК "Исследование и разработка современных радиоэлектронных элементов и устройств".- Рижский политехнический институт.- 1990.-Тезисы докладов.-С.8.- Соавт.М.Д.Венедиктов.

37.Расширение функциональных возможностей каналов с дельта-модуляцией в сотовых системах подвижной связи // Там же.- С.9.

- соаьт: Н.Д.Бенедиктов, А.С.Евженков.

39.Параметрическая модуляция цифрового сигнала //XVIII НТК Воронежского НИИ связи. 1991.- Воронеж.-Тезисы докладов.- С.90.

- Соавт. М.Д. Венедиктов.

39.Метод повышения помехоустойчивости каналов связи с дельта-модуляцией // НТК " Компьютерные методы исследования проблем теории и техники передачи дискретных сигналов по радиоканалам . Москва - Евпатория.- 1991,- Тезисы. - С. 45.- Соавт: М.Д.Венедиктов, А.С.Евженков.

40.Неравномерная дискретизация при ДМ-преобразовании сигналов // НТК ППС Московского института связи.- 1991.- Тезисы.- С.45.

- Соавт: М.Д.Венедиктов, А.С.Евженков, Н.И.Семенов.

41.Дополнительная модуляция параметров импульсов цифрового сигнала // Всероссийская НТК "Цифровые системы передачи городских и сельских сетей связи" (ДСП - 92).- Новосибирский электротехнический институт связи.- 1992.- Тезисы докладов.-'С. 13.

- Соавт. М.Д.Венедиктов.

42.Дельта-модуляция со сбросом интегрирования //Меярегяояалыпй конференция " Обработал сигналов в системах Двусторсме-й телефонной связи",- Москва - Суздаль,- Московское правление НТОРЭС ям. A.C. Попова.- 1992.- Тезисы,- С.10.

43.Применение фазовой и пространственной модуляции сигналов для повышения эффективности использования радиочастотного спектра // 2- я НТК " обработка сигналов в системах лвусторонней телефонной связи".- Москва - Пушкино.- МНТОРЭС им.А.С.Попова, 1993.- Соавт: J!.А.Волошин, Ю.В.Занлетин.

Отчет я с 13 И V

44.Разработка принципов создания территориальных систем сухопутной подвижной радиосвязи общего пользования с применением сотовой структуры: Промежуточный отчет по ПИР "Система СПР",- Воронеж.- Воронежский НИИ связи.- 1989.- 357с. ■ Научный руководитель И.И.Дежурный.

45.Исследование кодека'речи стандарта (ЪМ для систем подвижной радиосвязи: Отчет по НИР .- ШСЯ.- ШЛ-37,- (,(.: 1991.- 81с,

46.Разработка принципов создания территориальных систем сухопутной подвижной радиосвязи общего пользования с пртсчсишом,.сотовой структуры сети : Заключительный отчет по НИР "Система СПР".-Воролеж.-Воронежский Ш) связи,- 1992,- KfiVc.- Научный руководитель И.И.Дежурный.