автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование принципов и разработка методов косвенной оценки мешающего воздействия эффекта электрического эха

На правах рукописи

Капустин Сергей Владимирович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КОСВЕННОЙ ОЦЕНКИ МЕШАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭФФЕКТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭХА

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□034В81

Москва-2009

003468114

Работа выполнена на кафедре Многоканальной электросвязи Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Шаврин Сергей Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Самойлов Александр Георгиевич

кандидат технических наук Шевелев Сергей Владимирович

Ведущее предприятие: Федеральное государственное унитарное пред-

приятие Научно-исследовательский институт радио (ФГУПНИИР)

Защита состоится Ц _2009 г. в IЪ_ часов на заседании совета по защите

докторских и кандидатских диссертаций Д 219.001.03 при ГОУ ВПО Московский технический университет связи и информатики по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, д.8а, ауд.А Ц 551

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ. Автореферат разослан «10 » 2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 219.001.03

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Современный этап развития техники и технологии телекоммуникаций характеризуется предъявлением высоких требований к качеству передачи по телефонным каналам. Процесс постоянного совершенствования телекоммуникационного оборудования в целом служит улучшению показателей качества связи, хотя в отдельных случаях некоторые показатели качества могут снижаться на фоне улучшения большинства других. Одним из таких показателей, подчас выходящим на первый план с точки зрения снижения качества телефонной передачи в современных сетях связи, является эффект электрического эха.

Известно, что мешающее действие электрического эха определяется прежде всего затуханием эхосигнала в канале и его задержкой относительно исходного речевого сигнала. Современные системы связи, в особенности использующие высокоэффективные речевые кодеки, сотовую связь, а также сети пакетной передачи, характеризуются значительными задержками речевого сигнала; этим объясняется большая подверженность подобных систем действию электрического эха по сравнению с традиционными системами передачи. Эксплуатация таких систем связи требует тщательного контроля за проявлениями эффекта электрического эха и принятия мер по борьбе с его мешающим действием.

Традиционный подход к оценке действия электрического эха описан рекомендацией МСЭ-Т 0.131. Указанный подход предполагает анализ совокупности двух наиболее важных факторов: степени затухания эхосигнала и его задержки, - и принятие на их основании решения о допустимости или недопустимости эха с учетом особенностей слухового восприятия человека. Будучи в высокой степени действенным при сохранении относительной простоты, этот подход, тем не менее, оставляет без рассмотрения некоторые вопросы. В частности, к никак не учтенным факторам можно причислить, например, известное явление маскирования эхосигнала за счет местного эффекта или действующего в канале аддитивного шума. Более того, хотя описанный подход дает готовый ответ на вопрос о необходимости принятия мер по борьбе с мешающим действием эха или отсутствии таковой, он не предоставляет средств или методик вынесения оценок степени этого мешающего действия. То есть не дает ответа на вопрос, насколько снижается интегральная оценка качества телефонной связи вследствие действия эха по сравнению со случаем полного устранения всех причин появления эха, либо использования идеальных средств подавления эха.

Указанная оценка степени мешающего действия эха могла бы быть неважна, когда используемые способы борьбы с мешающим действием эха обеспечивали бы полное устранение последнего во всех ситуациях. Однако в настоящее время невозможно не признать, что на практике такое полное устранение достигается далеко не всегда. Спектр причин, обуславливающих неидеальное устранение мешающего действия эха, весьма широк. Сюда могут быть отнесены возникающие естественным образом ситуации встречного разговора, оказывающие негативное влияние на работу всех видов устройств подавления эха, а также паузы в речи, действующий в эхотракте аддитивный шум, нелинейные искажения сигнала и т.д. Таким образом, электрическое эхо остается заметным для абонентов и, несомненно, оказывает существенное влияние на оценку качества связи последними - а ведь именно субъективная интегральная оценка качества связи абонентами и является самым главным критерием работы любого оператора связи; именно эта оценка наряду со стоимостью услуги в основном определяет выбор абонента в пользу того или иного оператора из множества доступных. В этих условиях представляется актуальным вопрос разработки способа объективной оценки степени мешающего действия электрического эха. Будучи предложенным и использованным совместно с другими уже существующими способами

контроля качества телефонной передачи, такой способ позволит повысить точность выносимых оценок интегрального качества связи и, следовательно, облегчит задачу обеспечения некоторого желательного уровня качества предоставляемых услуг телефонной связи для любого оператора последней.

Цель и основные задачи работы

Целью настоящей работы является разработка и исследование метода косвенной оценки степени действия электрического эха на качество телефонной передачи, использующего психоакустическую модель определения интегрального качества передачи, т.н. Е-модель (рекомендация МСЭ-Т G.107).

Задачами исследования являются:

1) разработка и исследование принципов измерения мешающего действия электрического эха без перерыва связи;

2) анализ существующих технических решений и методов контроля качества телефонных каналов с точки зрения определения параметров телефонного соединения, необходимых для оценки мешающего действия электрического эха;

3) разработка методов измерения характеристик телефонного соединения с использованием механизмов компенсации электрического эха;

4) исследование вопросов совместимости предложенных методов с технологией оценки степени действия электрического эха с использованием Е-модели;

5) разработка математических и компьютерных моделей, реализующих предложенные методы измерения характеристик телефонного соединения;

6) сравнение разработанных методов по эффективности на основе теоретического исследования и результатов моделирования;

7) разработка рекомендаций по применению предложенных методов в различных условиях.

Методы исследования

Исследования, выполненные в рамках настоящей работы, используют принципы цифровой фильтрации сигналов, а также математического и компьютерного моделирования на основе программного обеспечения, разработанного автором диссертации. Теоретические обоснования исследований опираются на положения математической статистики и теории случайных процессов, а также методы статистической радиотехники.

Научная новизна

1. Предложен способ оценки степени мешающего влияния эффекта электрического эха для телефонной передачи, отличающийся использованием механизмов компенсации эха и обработкой результатов на основе Е-модели. Способ предусматривает возможность выражения результатов оценки в баллах MOS, введенных рекомендацией Р.800.

2. Указаны недостатки существующих методов контроля качества телефонных каналов в части измерения характеристик абонентских линий и других составляющих элементов эхотракта. В качестве важного недостатка указана невозможность проведения измерений без перерыва связи по каналу.

3. Предложен метод оценки уровня действующего в эхотракте аддитивного шума, основанный на использовании взаимокорреляционного алгоритма компенсации электрического эха и отличающийся устойчивостью к действию речевого сигнала дальнего абонента, а также нелинейности эхотракта. Метод не создает помех для абонентов и обеспечивает возможность проведения измерений без перерыва связи.

4. Предложен метод измерения коэффициента нелинейных искажений эхотракта, использующий компенсатор нелинейной составляющей эхосигнала с исполнительным элементом в виде фильтра на основе ряда Вольтерра, отличающийся незаметностью для абонентов, использующих телефонный канал, устойчивостью к действию речевого сигнала дальнего абонента и аддитивных шумов, возникающих вне пределов эхотракта, а также полным охватом эхотракта, не исключая и оконечное оборудование Указанные особенности обеспечивают возможность использовать метод без перерыва связи по каналу.

5. Предложен метод определения общего времени задержки эхосигнала в телефонном канале, отличающийся использованием механизма компенсации эха по алгоритму НМНСК для оценки концевой задержки и обеспечивающий возможность выполнения измерений без перерыва связи по телефонному каналу.

6. Предложен метод измерения отдельных участков импульсной характеристики эхот-ракта с использованием взимокорреляционного алгоритма компенсации эха, отличающийся высокой точностью получаемых результатов и устойчивостью к действию аддитивного шума и позволяющий проводить измерения без перерыва связи. Метод позволяет измерять любые участки импульсной характеристики; в частности, используемый совместно с известными способами измерения концевой задержки, он позволяет исследовать наиболее значимый участок характеристики. Результаты измерения могут быть использованы для определения амплитудно- и фазо-частотной характеристик эхотракта, а равно для определения взвешенного эквивалента затухания эхосигнала в телефонном канале.

Практическая ценность

1. Предложенный способ оценки действия электрического эха может использоваться в системах контроля и управления качеством в телефонной связи для повышения точное™ объективных оценок качества передачи.

2. Предложенные методы оценки некоторых характеристик эхотракта могут использоваться как элемент системы постоянного объективного контроля качества передачи по телефонным каналам, так как допускают проведение измерений без перерыва связи.

3. Выносимые с использованием предлагаемых алгоритмов оценки характеристик эхот-рактов могут применяться для динамической настройки параметров оборудования подавления электрического эха с целью повышения эффективности работы последнего.

4. Предложенная структура устройств оценки характеристик эхотракта может использоваться при практической реализации эхокомпенсаторов для расширения круга выполняемых ими функций.

5. Результаты, полученные в ходе подготовки диссертации, использованы в учебном процессе МТУСИ на кафедре МЭС.

6. Предложенные в работе алгоритмы реализованы в выпускаемых в настоящее время эхозаградителях КЭЗ-А.Ц02.

Апробация работы

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Телекоммуникационные и вычислительные системы» МФИ-2005 и МФИ-2008; на Московской отраслевой научно-технической конференции «Технологии информационного общества», 2007 г.; на 2-й Международной научно-технической конференции «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию», 2005 г.; б-й Международной конференции бакалавров и магистров «Business English in Business World», 2006 г.; а также опубликованы в научных журналах.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 6 работ, из них: научных статей - 1 (в журналах из списка ВАК -1); докладов на международных, межрегиональных и др. научных конференциях, опубликованных в трудах конференций - 5; без соавторов опубликовано 5 работ (в.т.ч. в журналах из списка ВАК - 1).

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Работа содержит 149 страниц текста, 17 таблиц, 12 рисунков и список литературы из 62 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Степень мешающего воздействия эффекта электрического эха в телефонных каналах с учетом влияния характеристик основной группы мешающих факторов и всех элементов соединения может быть адекватно оценена только в процессе разговора между абонентами без перерыва связи.

2. Разность характеристик сходимости корреляционного алгоритма компенсации электрического эха с различным временем усреднения несет информацию о и может являться признаком для определения уровня аддитивного шума, действующего в эхотракте.

Предложенный в работе алгоритм оценки уровня действующего в эхотракте аддитивного шума с вероятностью 95% имеет абсолютную погрешность менее 6 дБ в широком диапазоне изменения характеристик эхотракта и передаваемого речевого сигнала. Нелинейные искажения сигнала в эхотракте с КНИ в пределах 25% не оказывают существенного влияния на точность алгоритма.

3. Компенсатор нелинейной составляющей эхосигнала, использующий исполнительный элемент в виде цифрового фильтра на основе ряда Вольтерра, может служить средством измерения коэффициента нелинейных искажений эхотракта.

Предложенный в работе алгоритм оценки коэффициента нелинейных искажений эхотракта, основанный на итерационной настройке ядер Вольтерра по нормализованному методу наименьших средних квадратов, позволяет выносить оценки указанного коэффициента с абсолютной погрешностью до 1-2% в широком диапазоне изменения характеристик эхотракта и передаваемого речевого сигнала. Действие аддитивного шума с уровнем, не превышающим уровень нелинейной составляющей эхосигнала, а также действие неподавленной линейной составляющей эхосигнала, ослабленной относительно нелинейной составляющей на 18 дБ и более, не оказывает существенного влияния на точность метода оценки КНИ.

4. Взаимокорреляционный метод компенсации электрического эха может служить инструментом подробного и точного исследования вида импульсной характеристики эхотракта.

5. Предложенные принципы обеспечивают возможность адекватной факторизации перечисленных параметров во время телефонного разговора без создания помех абонентам, а также возможность пересчета этих параметров в общую оценку степени мешающего воздействия эффекта электрического эха в соответствии с Е-моделью.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, изложены основные научные результаты, приведены сведения об апробации работы и положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор существующих алгоритмов компенсации эха. Описаны причины возникновения явления электрического эха в телефонных каналах, а также существующие методы борьбы с его мешающим влиянием. Рассмотрена структура устройств заграждения и компенсации эха, а также принципы их работы.

Основное внимание уделено алгоритмам адаптации эхокомпенсаторов. В качестве главного признака для классификации последних использована принадлежность лежащих в их основе соотношений к методу наименьших квадратов или к методу наименьших средних квадратов. Рассмотрены особенности работы описанных алгоритмов в различных условиях, а также способы повышения их эффективности.

В главе также рассмотрен вопрос влияния устройств компенсации эха на качество передачи по телефонному каналу. Сделан вывод, что последнее является двояким, так как наряду с ослаблением или устранением мешающего действия электрического эха использование эхокомпенсаторов приводит также к снижению качества передачи, например, за счет внесения дополнительной задержки, а также клиппироваиия сигнала нелинейным процессором.

Во второй главе предложен способ использования Е-модели для определения степени влияния эффекта электрического эха на общий показатель качества. Основой для самой возможности выделения вклада электрического эха в общую оценку качества телефонной передачи является ключевое положение Е-модели, утверждающее, что психологические факторы, вызывающие снижение субъективных оценок качества, являются аддитивными. Это дает возможность определить для различных характеристик телефонного соединения (вернее, для величин отклонения этих характеристик от номинальных значений) эквивалентные психологические значения, которые обладают свойством аддитивности даже тогда, когда исходные физические показатели таким свойством не обладали. В качестве примера можно привести такие характеристики, как аддитивный шум в телефонном канале н чрезмерно большое значение задержки речевого сигнала. Для каждого из этих показателей может быть рассчитан психологический эквивалент такой, что сумма всех подобных эквивалентов представляет собой условный фактор качества передачи, однозначно пересчитываемый в оценку MOS.

Введенный в рекомендации фактор качества передачи имеет вид R = Ra-I,-Id-lc + A,m

Rq, I,, I, и А - сгруппированные по категориям и переведенные в психологический эквивалент характеристики телефонного соединения, причем

R„ - фактор, учитывающий соотношение уровней речевого сигнала и аддитивного шума от различных источников (кроме шума квантования);

/, - показатель, учитывающий мешающее действие факторов, проявляющихся одновременно с сигналом, то есть не являющихся функцией задержки речевого сигнала в канале; в том числе неоптимальное значение громкости (уровня) сигнала на приемной стороне, шум квантования, искажения, обусловленные компандированием, неоптимальные характеристики оконечного оборудования в части местного эффекта;

Id - показатель, учитывающий действие факторов, являющихся функцией задержки сигнала; в том числе чрезмерную величину задержки сигнала, а также деградацию качества вследствие всех проявлений эффекта электрического эха: как эха говорящего, так и эха слушающего;

1е - показатель, учитывающий снижение качества связи вследствие использования специфического телекоммуникационного оборудования и алгоритмов обработки сигнала, прежде всего эффективных низкоскоростных кодеков речи;

А - фактор, учитывающий ожидания абонентов относительно качества соединения в зависимости от используемого вида связи.

Все эффекты, обусловленные явлением 'электрического эха, учитываются в составе параметра Id. Указанный параметр рассчитывается как

/Л> - фактор, учитывающий влияние эха говорящего;

1т - фактор, учитывающий влияние эха слушающего;

1М - фактор, учитывающий влияние значительной величины задержки сигнала в канале в условиях отсутствия мешающего влияния эха.

Важно отметить, что показатели и Iäk являются субтрактивными в рамках общего показателя интегрального качества R. Это означает, что вычисление 1Ле и /Л„ непосредственно дает вклад обоих в интегральную оценку качества, которая может быть условно обозначена как /„Ло = /л, + . В свою очередь I,dl0 может быть пересчитана в баллы MOS по общей методике перевода показателя R в баллы MOS, Необходимо лишь учитывать, что характеристика, связывающая оценки MOS и R, в общем случае не является линейной, так что для точного определения вклада 1к1ю в оценку качества передачи в баллах MOS необходимо хотя бы приблизительно знать действительное значение R для соединения (или действительную оценку MOS). Впрочем, в интервале значений оценки качества соединения от 50 до 80 (в единицах R), что соответствует диапазону 2,5 - 4 в баллах MOS, зависимость между оценками MOS и R может быть с достаточно высокой точностью аппроксимирована линейной функцией. Это дает возможность пересчитывать 1СС,10 в обусловленное явлением эха изменение оценки MOS и без информации об общей оценке качества соединения, если есть основания полагать, что последняя принадлежит указанному интервалу.

Приведенные в рекомендации формулы для определения параметров /,,,„ и Iih достаточно объемны; они принимают в расчет такие показатели, как уровень речевого сигнала на приемной стороне, а также уровень аддитивного шума в канале, задержку речевого сигнала и задержку сигналов эха говорящего и слушающего, степень затухания токов эха, показатели, характеризующие местный эффект, и т.д.

По итогам указания подлежащих измерению показателей проведен аналитический обзор применяемых на практике способов контроля качества передачи в телефонных каналах. Рассмотрены способы контроля качества цифровых и аналоговых каналов и их частей. В качестве ключевого признака для классификации способов контроля качества рассмотрена возможность проведения измерений намеченных показателей без вывода канала из эксплуатации или отсутствие таковой.

На основе обзора сделан вывод о том, что типовой телефонный канал, использующий ТфОП, охвачен системами контроля качества крайне неравномерно. Использующиеся способы контроля качества не дают возможности проводить без перерыва связи объективные измерения ряда характеристик аналоговых окончаний каналов ТфОП: абонентских комплектов АТС, абонентских линий, телефонных аппаратов или иного оконечного оборудования и т,д,

В то же время, известно, что оборудование компенсации эха в высокой степени чувствительно к характеристикам канала. Отклонение характеристик от номинальных значений оказывает вполне предсказуемое и, как правило, доступное для априорной количественной оценки влияние на работу эхокомпенсатора. Практика использования оборудования компенсации эха показывает, что нередко отклонения характеристик каналов от нормы

ярче всего проявляются и, следовательно, быстрее всего обнаруживаются именно вследствие того, что они негативно влияют на работу оборудования компенсации эха и приводят к повышению уровня остаточного эхосигнала. С учетом этого предложено рассмотреть возможность использования механизмов компенсации электрического эха для целей косвенного измерения некоторых характеристик составляющих телефонного канала, входящих в эхотракт.

Третья глава посвящена разработке и исследованию метода оценки уровня аддитивного шума, действующего в эхотракте, с помощью механизмов компенсации эха. Задача разделена на две части:

1) выработка некоторого промежуточного критерия, связанного с уровнем шума и рассчитываемого на основе результатов работы эхокомпенсатора;

2) экспериментальное установление зависимости между выбранным критерием и уровнем шума для некоторых тестовых условий с последующим распространением этой зависимости и на все остальные случаи.

В рамках первой части задачи выбран критерий по принципу возможно меньшей корреляции с неизвестными и не подлежащими оценке характеристиками, но зависящий прежде всего от уровня действующего шума. В качестве такого критерия использован итог сравнения промежуточных результатов работы двух взаимокорреляционных эхокомпенса-торов, в максимальной степени идентичных, но различающихся по уровню помехозащищенности. Различие в помехозащищенности достигается путем намеренного сокращения числа отсчетов, участвующих в вычислении взаимокорреляционной функции (ВКФ) одного эхокомпенсатора относительно другого при сохранении всех остальных параметров без изменений.

В качестве промежуточного результата работы каждого из эхокомпсисагороп, используемого в указанном выше сравнении, из соображений высокой корреляции с уровнем шума и малой зависимости от других условий работы выбрана условная безразмерная величина

а = £аЬ*(к(0-к(,1-\))-аЬ*(к(п)), где (1)

м

л - длина периода наблюдения;

Л(0 - значение выбранного для наблюдения коэффициента цифрового фильтра эхокомпенсатора.

Период наблюдения должен приходиться на время первоначальной адаптации коэффициентов эхокомпенсатора, то есть начинаться с началом разговора и продолжаться сравнительно недолго, чтобы адаптация коэффициентов фильтра эхокомпенсатора не успела закончиться, а значение к(/) не успело приблизиться к действительной величине соответствующего отсчета импульсной реакции эхотракга.

В качестве коэффициента к(1) может быть выбран коэффициент при любом из отводов цифрового фильтра, принимающий ненулевое значение по итогам адаптации эхокомпенсатора и соответствующий задержке, характерной для электрического, а не акустического эха. Выявление ненулевого коэффициента может быть выполнено с помощью дополнительного эхокомпенсатора, функционирующего, например, по алгоритму НМНСК и используемого для быстрого получения грубой оценки импульсной характеристики эхотракга.

Для сравнения результатов работы двух эхокомпенсаторов предложено рассматривать соотношение

= ¡t,MK (<) ~k\ ('-!))-MK('O)j jabsfc(О-k2(i-1))-аЫ(кг(n))j, где (2)

Jt,(<) и кг{1) - коэффициенты при одном и том же (по величине задержки) отводе цифрового фильтра соответственно первого и второго эхокомпенсатора.

В условиях действия в эхотракте существенного по величине аддитивого шума соотношение (2) может упрощаться до

aja, - (О - *. - 1>)J|/<0 - *2 С' - 0)j •

В работе теоретически обоснована высокая степень корреляции между соотношением aja2 и уровнем аддитивного шума в эхотракте; малая зависимость соотношения от других характеристик эхотракта, а также от особенностей речевого сигнала демонстрируется эмпирически.

Рисунок 1 - Схема исследования предложенного способа оценки уровня аддитивного шума.

На рисунке 1 показана структурная схема устройства, смоделированного для исследования предложенного метода оценки уровня аддитивного шума. Эхокомпенсаторы ЭК1 и ЭК2 являются взимокорреляционными компенсаторами с различными значениями времени усреднения функции взаимной корреляции. Решающее устройство используется для расчета соотношения ах/аг по результатам работы эхокомпенсаторов и вычисления на его основе оценки уровня действующего шума, которое в дальнейшем сравнивается с действительным значением с целью определения погрешности метода.

Эхокомпенсаторы ЭК1 и ЭК2, эхотракт и решающее устройство смоделированы с использованием специально написанных программ и математического пакета МаЦаЬ. Для подготовленных моделей приведены описания, а их исходный код включен в приложения к диссертации.

С использованием описанной модели определены границы применимости предлагаемого метода. Установлено, что высокая точность оценок достигается при нахождении уровня аддитивного шума в пределах от 6 дБ выше уровня эхосигнала до 21 дБ ниже его. В этих пределах для сигнала, рекомендованного МСЭ-Т в качестве тестового для систем компрессии речи, определены эмпирические зависимости между соотношением эхосигнал -аддитивный шум в эхотракте и величиной aJaг.

На основе полученных эмпирических зависимостей проведено исследование погрешности метода для ряда различных реализаций речевого сигнала, импульсной характеристики эхотракта и различных значений уровня аддитивного шума. В качестве последнего использованы специально выработанные псевдослучайные последовательности, а также записанный аппаратно выработанный квазибелый шум. В рамках исследования были использованы три пары эхокомпенсаторов с периодами, иа которых вычисляется ВКФ, равными 32 мс и 16 мс, 32 мс и 8 мс, а также 16 мс и 8 мс. Исследование показало, что, как и следует из теоретических соображений, во всех случаях наиболее точные оценки были получены для пары эхокомпенсаторов с периодами расчета ВКФ, равными 32 мс и 8 мс. Для этой пары в указанном выше диапазоне значений уровня шума абсолютная погрешность выносимых оценок в более чем 95% измерений не превысила бдБ.

Четвертая глава посвящена разработке методов оценки коэффициента нелинейных искажений (КНИ) эхотракта, а также измерения импульсной характеристики эхотракта и величины концевой задержки с помощью механизмов компенсации эха.

В отличие от аддитивного шума, оценка уровня которого может быть вынесена на основе наблюдения за работой эхокомпенсатора только косвенно, КНИ эхотракта может быть оценен как непосредственный результат работы эхокомпенсатора, если только этот эхокомпенсатор имеет возможность компенсировать нелинейную составляющую эха. Аналогично тому, как для линейного эхокомпенсатора результатом работы является оценка импульсной характеристики эхотракта, для компенсатора нелинейной составляющей эха результатом работы является характеристика нелинейных свойств эхотракта, разумеется, более детальная, чем простой коэффициент нелинейных искажений, но легко сводимая к нему.

Обычный эхокомпенсатор не может обеспечивать компенсацию нелинейной составляющей эха (и позволяет подавлять ее только средствами нелинейного процессора) и, следовательно, не может использоваться для оценки КНИ. Причина этого состоит в том, что исполнительным элементом обычного эхокомпенсатора является цифровой фильтр, представляющий собой линейное устройство. Для создания нелинейно искаженной копии исходного сигнала требуется использовать нелинейный исполнительный элемент. В качестве такого элемента в работе использован цифровой фильтр на основе ряда Вольтерра.

Отличие фильтра на основе ряда Вольтерра от обычного линейного цифрового фильтра состоит в использовании импульсной характеристики вида

у. -О* II

1-0 1-0 /»О /-0 >0 4-0

где К„ Ки, Кш и т.д. - так называемые ядра Вольтерра. Порядок каждого из ядер определяется количеством отсчетов X,, участвующих в формировании соответствующего слагаемого в формуле. Число индексов при К указывает порядок ядра.

Нетрудно видеть, что отклик фильтра К„ формируется и как результат линейных преобразований входного сигнала X, (первое слагаемое; ядра первого порядка), и как результат преобразований нелинейных (все остальные слагаемые; ядра второго и больших порядков). Очевидно, что ряд Вольтерра первого порядка является ничем иным как импульсной характеристикой линейного цифрового фильтра.

В то же время, ряд Вольтерра, будучи бесконечным, позволяет описать любой сколь угодно сложный нелинейный элемент. Причем, так как для реальных нелинейных элементов характерно постепенное снижение мощности нелинейных продуктов с увеличением порядка последних, такие элементы могут быть с конечной точностью описаны и при использовании ряда Вольтерра ограниченной длины.

При этом задача оценки уровня нелинейной составляющей эхосигнала может быть решена просто путем измерения мощности сигнала на выходе фильтра компенсатора в условиях, когда адаптация всех ядер произведена, а ядра первого порядка намеренно выставлены равными нулю. Таким образом, в работе предложено выносить оценку КНИ как отношение мощности сигнала в тракте приема к мощности сигнала на выходе фильтра на основе ряда Вольтерра с нулевыми ядрами первого порядка

Предлагаемая схема включения эхокомпенсатора на основе ряда Вольтерра в эхотракт для оценки КНИ последнего показана на рисунке 2.

Тракт передачи @

Рисунок 2 - Упрощенная структурная схема устройства, реализующего предложенный способ измерения коэффициента нелинейных искажений эхотракта

Схема управления служит цели адаптации коэффициентов фильтра (ядер Вольтерра). Решающее устройство используется для измерения уровней сигнала в точках (I) и (2) с последующим формированием оценки коэффицента нелинейных искажений.

Показанная схема была смоделирована с использованием специально написанных программ и математического пакета Ма^аЬ.

При моделировании эхотракта использован фильтр Вольтерра с ядрами, выработанными генератором псевдослучаных чисел. Для множества полученных таким образом нелинейных эхотрактов проведено исследование соответствия их свойств реальным характеристикам нелинейных эхотрактов, приведенным в литературе. С этой целью в каждую реализацию эхотракта был подан тестовый двухчастотный сигнал, после чего была проведена оценка уровня ряда образованных комбинационных составляющих. Для использования в исследовании были выбраны реализации эхотракта, для которых полученные уровни соответствовали типичным значениям, наблюдаемым на практике,

При моделировании компенсатора нелинейной составляющей эха использован фильтр Вольтерра с ядрами 1-3 порядка включительно. В части настройки эхокомпенсатора рассмотрены два способа расчета ядер Вольтерра: итерационная настройка ядер по алгоритму НМНСК и прямое вычисление ядер в рамках решения системы уравнений относительно сигнала в тракте приема и эхосигнала в тракте передачи.

Для определения границ применимости предложенного метода проведено исследование зависимости степени подавления нелинейной составляющей эхосигнала с помощью компенсатора на основе ряда Вольтерра от величины КНИ эхотракта, В полном соответст-

вии с теоретическими соображениями для всех рассмотренных значений КНИ степень подавления была одинаковой с точностью до долей децибела. Для тестового сигнала и компенсатора с прямым вычислением ядер Вольтерра она составила порядка 45,5 дБ, а для компенсатора с адаптацией по алгоритму НМНСК - 15 дБ. При этом низкая степень подавления во втором случае объясняется продолжительным периодом адаптации компенсатора по алгоритму НМНСК и отсутствием этого периода при прямом вычислении ядер Вольтерра.

Так как степень подавления нелинейной составляющей эха, очевидно, непосредственным образом связана с точностью оценки КНИ, то на основании исследования сделано заключение о возможности применения предложенного метода оценки КНИ для любых значений последнего.

С учетом полученного результата проведено исследование точности предлагаемого метода для ряда различных реализаций нелинейного эхотракта и исходного речевого сигнала. Полученные результаты демонстрируют, что в отсутствие мешающего действия аддитивного шума и неподавленной линейной составляющей эхосигнала оба способа адаптации компенсатора обеспечили высокую точность оценок КНИ. Для компенсатора нелинейной составляющей эха с прямым вычислением ядер отмечена очень малая зависимость точности оценок от характеристик эхотракта и от реализации речевого сигнала: во всех измерениях относительная погрешность определения КНИ с его помощью составила менее 0,1%. Для компенсатора с итератионной настройкой ядер по алгоритму НМНСК в более 93% измерений относительная погрешность составила менее 10%.

Импульсная реакция эхотракта, как и КНИ, может быть определена как непосредственный результат работы эхокомпенатора; при этом очевидно, что для оценки импульсной реакции может быть использован эхокомпенсатор с линейным исполнительным элементом. В самом деле, в простейшем случае набор коэффициентов линейного цифрового фильтра традиционного эхокомпенсатора, наблюдаемый по окончании процесса адаптации последнего, и является оценкой импульсной характеристики эхотракта. Точность такой оценки зависит от тех же факторов, что и уровень остаточного эхосигнала в канале, обслуживаемом эхокомпенсатором. Оценка будет идеально точной, то есть полностью совпадет с истинной импульсной характеристикой в случае, если эхокомпенсатор обеспечит полное подавление эхосигнала своим цифровым фильтром (без использования нелинейного процессора).

В то же время известно, что значимая часть импульсной характеристики эхотракта, типичной для телефонной сети общего пользования, сосредоточена в диапазоне 5-7 отсчетов. Такое положение вещей позволяет для целей оценки импульсной характеристики эхотракта проводить адаптацию не всех коэффициентов цифрового фильтра используемого эхокомпенсатора, а лишь небольшого подмножества последних, соответствующих значимой части импульсной характеристики. Это делает возможным использование для оценки импульсной характеристики эхотракта высокоэффективных и вычислительно сложных алгоритмов адаптации эхокомпенсаторов, относящихся к методу наименьших квадратов и характеризующихся в общем случае существенно лучшими характеристиками сходимости (а, следовательно, и большей точностью измерения импульсной характеристики) по сравнению с методом наименьших средних квадратов.

Предложенный подход к измерению импульсной характеристики эхотракта требует наличия информации о значениях задержки эхосигнала, соответствующих значимому участку импульсной характеристики эхотракта. Другими словами, применение метода требует информации о значении концевой задержки. Возможный способ нахождения указанной

величины состоит в использовании эхокомпенсатора, функционирующего по алгоритму НМНСК, для получения грубой оценки импульсной характеристики эхотракта с последующим нахождением в указанной оценке максимального по абсолютной величине отсчета, принадлежащего к области значений задержки эхосигнала, соответствующей электрическому (в противоположность акустическому) эху. Оценка концевой задержки может быть вынесена указанным способом при условии, что эхосигнал по уровню превышает действующий в эхотракте аддитивный шум или уступает последнему не более 3 дБ.

На рисунке 3 приведена предлагаемая структурная схема устройства измерения концевой задержки и импульсной характеристики эхотракта.

Рисунок 3 - Упрощенная структурная схема устройства измерения концевой задержки и импульсной характеристики эхотракта

Легко видеть, что схема использует два эхокомпенсатора: ЭК1 и ЭК2, - оба эхокомпенсатора являются линейными и в качестве алгоритмов адаптации коэффициентов цифровых фильров используют соответственно НМНСК и взаимокорреляционный алгоритм. В рамках решения задач определения концевой задержки и измерения импульсной характеристики эхотракта на эхокомпенсаторы не возложена задача подавления токов электрического эха, так что они не имеют нелинейных процессоров и включены в канал таким образом, чтобы не вносить изменений в сигнал в тракте передачи. Эхокомпенсатор ЭК1 используется для грубой оценки импульсной характеристики эхотракта, на основании которой в решающем устройстве путем поиска наибольшего по абсолютной величине отсчета определяется время концевой задержки. Информация о номере максимального отсчета передается в схему управления ЭК2 с целью ограничения числа коэффициентов цифрового фильтра этого компенсатора, адаптация которых будет проводиться по вычислительно сложному взаимокорреляционному алгоритму. Все коэффициенты, кроме соответствующего максимальному отсчету импульсной характеристики и 10-14 ближайших к нему, принимаются равными нулю на все время адаптации ЭК2. Полученные по итогам адаптации значения коэффициентов цифрового фильтра ЭК2 принимаются в качестве оценки соответствующего участка импульсной характеристики. Очевидно, что при необходимости ЭК2 может использоваться для оценки не только наиболее значимого участка импульсной характеристики, но и для любого другого участка, либо для исследования всей импульсной характеристики (в пределах длины линии задержки цифрового фильтра ЭК2) путем последовательного измерения всех ее участков.

Пятая глава посвящена исследованию устойчивости предложенных методов оценки уровня аддитивного шума и КНИ эхотракта к действию различных мешающих факторов.

Для предложенного метода оценки уровня аддитивного шума в качестве мешающего фактора рассмотрена нелинейность эхотракта. Исследование степени ее влияния на точность оценок уровня шума проведено по схеме, аналогичной изображенной на рисунке 1, но с заменой модели линейного эхотракта на модель нелинейного. Исследован ряд реализаций нелинейного эхотракта с изменением соотношения между линейной и нелинейной составляющими эхосигнала в пределах от отсутствия нелинейной составляющей эхосигна-ла до преобладания нелинейной составляющей над линейной на 2 дБ. В исследовании использована пара взаимокорреляционных эхокомпенсаторов с периодами вычисления ВКФ, равными 32 мс и 8 мс.

Для принятия решения о необходимости или целесообразности учета влияния нелинейной составляющей эхосигнала на выносимые предложенным методом оценки проведено сравнение полученных оценок уровня аддитивного шума с его действительным значением, а также с суммарным уровнем нелинейной составляющей эхосигнала и аддитивного шума. Так как предлагаемый метод предполагает вынесение оценок отношения линейная составляющая эхосигнала - аддитивный шум в эхотракте, то в таблице 1 результаты приведены именно в этом, первоначальном виде.

Таблица 1. Точность оценки уровня шума без поправки на нелинейность эхотракта

Точные значения отношения «линейная составляющая эхосигнала» - шум, дБ

-12 | -6 | 0 | б | 12 | 18 | 24

КНИ Вынесенные оценки отношения «линейная составляющая эхосигнала» - шум, дБ

25% •10,90 -5,94 -0,33 5,73 11,80 17,10 20,57

20% -11,13 -6,14 -0,48 5,66 11,81 17,19 20,77

15% -11,38 -6,36 -0,66 5,57 11,80 17,25 20,90

10% -11,70 -6,63 -0,88 5,45 11,77 17,26 20,96

5% -12,14 -7,01 -1,18 5,27 11,69 17,22 20,93

Данные таблицы получены для сигнала, рекомендованного МСЭ-Т в качестве тестового для систем компрессии речи. В шапке таблицы приведены действительные значения отношения линейная составляющая эхосигнала - аддитивный шум в эхотракте. В следующих строках даются вынесенные оценки этого соотношения.

Легко видеть, что зависимость выдаваемых методом оценок от уровня нелинейной составляющей эхосигнала, хотя и существует, но является очень слабой. Для того чтобы убедиться в этом, целесообразно сравнить полученные оценки отношения линейной составляющей эхосигнала и шума со значениями отношения линейная составляющая эхо-сигнала - сумма аддитивного шума и нелинейной составляющей эхосигнала. Указанные отношения, рассчитанные для всех использованных комбинаций КНИ и отношения линейная составляющая эхосигнала - шум, приведены в таблице 2.

Очевидно, что результаты оценок в таблице 1 (оценок отношения линейная составляющая эхосигнала - шум) намного точнее соответствуют значениям в шапке этой таблицы (действительным значениям отношения линейная составляющая эхосигнала - шум), чем значениям в соответствующих ячейках таблицы 2 (действительным значениям отношения линейная составляющая эхосигнала - сумма аддитивного шума и нелинейной составляющей эхосигнала). Это дает основание заключить, что предлагаемый метод сохраняет свою действенность и не требует введения поправок на нелинейную составляющую

эхосигнала при использовании применительно к нелинейным эхотрактам с уровнем нелинейной составляющей эхосигнала, меньшим или равным уровню линейной.

Таблица 2. Отношение эхосигнал - шум с поправкой на нелинейность эхотракта

Точные значения отношения «линейная составляющая эхосигнала» - шум, дБ

-12 | -6 | 0 | 6 | 12 | 18 | 24

КНИ Рассчитанные значения отношения «линейная составляющая эхосигнала» -«сумма аддитивного шума и нелинейной составляющей эхосигнала», дБ

25% -12,4 -7,45 -4,14 -2,69 -2,24 -2,12 -2,1

20% -12,32 -7,19 -3,56 -1,85 -1,3 -1,15 -1,11

15% -12,24 -6,92 -2,92 -0,87 -0,16 0,03 0,08

10% -12,16 -6,63 -2,14 0,48 1,48 1,76 1,84

5% -12,08 -6,32 -1,17 2,48 4,2 4,76 4,91

При этом необходимо, учесть, что в условиях, когда эхотракг характеризуется значительной нелинейностью, возможность получить оценку отношения линейная составляющая эхосигнала - аддитивный шум не эквивалентна возможности получить оценку уровня шума самого по себе, как в случае линейного эхотракта. Эта проблема может быть решена, если использовать предлагаемый метод оценки уровня шума совместно с описанным в главе 4 методом оценки КНИ эхотракта. Информация об уровне сигнала в тракте приема, КНИ эхотракта и отношении линейная составляющая эхосигнала - аддитивный шум позволяет легко рассчитать значение уровня аддитивного шума.

Для предложенного метода оценки КНИ эхотракта в качестве мешающих факторов рассмотрен аддитивный шум, а также неподавленная линейная составляющая эхосигнала. Исследование влияния этих факторов на точность метода проведено по схеме, показанной на рисунке 2, с той лишь разницей, что модель нелинейного эхотракта была дополнена генератором шума, аддитивно складывающегося с сигналом в эхотракте. В исследовании использованы оба рассмотренных в главе 4 метода адаптации ядер Вольтерра: прямое вычисление ядер и итерационная настройка по алгоритму НМНСК.

Установлено, что аддитивный шум и неподавленная линейная составляющая эхо-сигнала равного уровня оказывают неодинаковое влияние на точность оценок КНИ. В связи с этим, каждый из двух указанных мешающих факторов рассмотрен отдельно. Влияние аддитивного шума рассмотрено в пределах от преобладания шума над нелинейной составляющей эхосигнала на 12 дБ до преобладания нелинейной составляющей над шумом на 24 дБ. Полученные результаты для сигнала, рекомендованного МСЭ-Т в качестве тестового для систем компрессии речи, и двух случаев: прямого вычисления ядер Вольтерра и итерационной настройки ядер по алгоритму НМНСК, - приведены на рисунке 4.

Анализ полученных результатов дает основания заключить, что метод итерационной настройки ядер Вольтерра позволяет получить более точные результаты оценок, чем метод прямого вычисления ядер. Строго говоря, метод прямого вычисления ядер привел к существенному завышению оценок, что при принятой схеме их формирования говорит об отсутствии подавления нелинейной составляющей эхосигнала фильтром компенсатора и, напротив, имеющем место усилении эха в компенсаторе. Проведенное дополнительное исследование степени подавления нелинейной составляющей компенсатором с фильтром на основе ряда Вольтерра и прямым вычислением ядер подтвердило факт не подавления, но усиления эха в условиях действия шума в эхотракте. На основании этого сделан вывод, что

при действии аддитивного шума даже сравнительно небольшого уровня компенсатор с прямым вычислением ядер Вольтерра теряет стабильность и не может использоваться.

кни ю

0,5

0,2

0,1.

• Итерационная настройка ядер по НМНСК Метод прямого вычисления ядер Действительное значение КНИ

24 18 12 8 0 -8 -12

Отношение "нелинейная составляющая эхосиганапа" - аддитивный шум, дБ

Рисунок 4 - Результаты оценки КНИ в условиях действия аддитивного шума в эхотракте

В то же время компенсатор с итерационной настройкой ядер по алгоритму НМНСК позволил получить оценки КНИ эхотракта с абсолютной погрешностью до 2% при воздействии аддитивного шума с уровнем на 6 дБ меньшим, чем уровень нелинейной составляющей эхосигнала и до 3% - с уровнем, равным ей.

Влияние неподавленной линейной составляющей эхосигнала исследовано в диапазоне от преобладания линейной составляющей эхосигнала над нелинейной на б дБ до преобладания нелинейной составляющей над линейной на 24 дБ. Для этого из схемы исследования был удален генератор шума, а модель нелинейного эхотракта использована с наборами ядер Вольтерра, предполагающими наличие в эхосигнале как линейной, так и нелинейной составляющих (имеющих ненулевые ядра как первого, так и более высоких порядков). Изменение уровня нелинейной составляющей сигнала достигнуто путем пропорционального изменения ядер первого порядка.

Полученные результаты для сигнала, рекомендованного МСЭ-Т в качестве тестового для систем компрессии речи, и моделей компенсаторов с прямым вычислением ядер Вольтерра и с их итерационной настройкой приведены на рисунке 5.

По результатам исследования сделано заключение, что соотношение влияния аддитивного шума и неподавленной линейной составляющей эха на точность предложенного метода оценки КНИ является неоднозначным. Для модели компенсатора нелинейной составляющей эха с прямым вычислением ядер дестабилизирующее действие неподавленной линейной составляющей эхосигнала оказалось меньшим, чем действие равного по уровню аддитивного шума. Впрочем, достаточная точность измерения КНИ с помощью данной

модели все равно не достигается даже при минимальном из исследованных значений уровня линейной составляющей эхосигнала - на 24 дБ ниже уровня нелинейной составляющей.

Рисунок 5 - Результаты оценки КНИ в условиях действия неподавленной линейной составляющей эхосигнала

В то же время для модели компенсатора с итерационной настройкой ядер Вольтерра по алгоритму НМНСК негативное влияние неподавленной линейной составляющей эхо-сигнала на точность оценки КНИ определенно превосходит негативное влияние равного по уровню аддитивного шума. Указанная модель позволяет получать оценки КНИ с абсолютной погрешностью в пределах 2% только при уровне неподавленной линейной составляющей эхосигнала на 21 дБ меньшем уровня нелинейной, и в пределах 3% - с уровнем, меньшем на 18дБ.

С учетом полученных в ходе исследования результатов сделан вывод о том, что в условиях действия в эхотракте аддитивного шума либо наличия неподавленной линейной составляющей сколь-нибудь существенного уровня применение предложенного метода оценки КНИ, основанного на прямом вычислении ядер Вольтера, оказывается невозможным.

Метод, основанный на итерационной настройке ядер по алгоритму НМНСК, сохраняет точность и является применимым в условиях, когда уровень аддитивного шума не превышает уровень нелинейной составляющей эха, а уровень неподавленной линейной составляющей эха ниже уровня нелинейной не менее чем на 15-18 дБ. Указанные ограничения не препятствуют применению метода на практике. Сравнительно жесткие требования по отношению к уровню неподавленной линейной составляющей эхосигнала могут быть удовлетворены путем применения к сигналу эффективных механизмов компенсации линейного эха перед вынесением оценки КНИ.

Основные результаты, полученные в диссертации

В ходе выполнения работы получены следующие результаты:

1. Предложен метод количественной оценки степени мешающего действия эффекта электрического эха для телефонной связи.

2. Предложены методы использования механизмов компенсации электрического эха для измерения уровня аддитивного шума в эхотракте, коэффициента нелинейных искажений эхотракта, концевой задержки и импульсной характеристики эхотракта,

3. Разработаны математические и программные модели, реализующие методы измерения уровня аддитивного шума и коэффициента нелинейных искажений в эхотракте. Кроме того, разработаны модели линейных и нелинейных эхотрактов, опирающиеся на опубликованные результаты исследований статистики характеристик эхотрактов, собранной на ЕСЭ РФ.

4. С использованием подготовленных моделей проведено исследование характеристик предложенных алгоритмов, оптимизация их параметров и определение границ применения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Капустин С.В. Использование механизмов компенсационного подавления эхосигна-лов для диагностики качества телефонной передачи// Электросвязь. - 2008. - №7. - С.21-23.

2. Капустин С.В. Использование механизмов компенсационного подавления эхосигна-лов для диагностики качества телефонной передачи// Международный форум информатизации (МФИ-2008): Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы». - М.: МТУСИ. - 2008. - С. 172-174.

3. Капустин С.В., Шаврин С.С. Эхокомпенсатор как средство оценки качества телефонной передачи// Международный форум информатизации (МФИ-2005): Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы». - М.: МТУСИ. - 2005. - С. 206207.

4. Капустин С.В. Адаптация взаимокорреляционного эхокомпенсатора в условиях действия АБГШ на эхосигнал// Московская отраслевая научно-техническая конференция «Технологии информационного общества»: Тез. докл. - М.: МТУСИ. - 2007. - С. 91-92.

5. Капустин С.В. Исследование свойств генератора ПСП Stop-&-Go// Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике: Тез. докл. Международная научно-техническая школа-конференция. - Москва, 2005,-4.1. - С. 135-138.

6. Kapustin S. Monitoring telephone Channels quality with echo-cancellation devices// The 6th Annual Moscow Postgraduate Conference «Business English in Business World»: Тез. докл. -Москва, 2006,-C.l 12-118.

Подписано в печать 14.04.09. Формат 60x84/16. Объем 1,3 усл.п.л.

_Тираж 100 экз. Заказ 68._

ООО «Инсвязьиздат». Москва, ул. Авиамоторная, 8.

Содержание.

Введение.

1. Явление эха в телефонных каналах. Вопрос компенсации эха.

1.1. Явление эха в телефонных каналах.

1.2. Классификация эхокомпенсаторов.

1.2.1. Метод наименьших квадратов.

1.2.2. Метод наименьших средних квадратов.

1.3. Другие подходы к компенсации эха.

2. Качество телефонной передачи. Способы оценки качества.

2.1. Качество телефонной передачи.

2.2. Модель оценки интегрального качества телефонной передачи МСЭ-Т G.107.

2.3. Применяемые методы измерения характеристик и контроля качества телефонных каналов.

2.3.1. Объективные измерения в цифровых телефонных каналах.

2.3.2. Объективные измерения в аналоговых телефонных каналах.

2.3.3. Субъективный контроль качества передачи по телефонным каналам

Выводы.

3. Исследование возможности использования механизмов адаптивной компенсации эхосиналов для определения уровня аддитивного шума в эхотракте.

3.1. Разработка принципа оценки уровня аддитивного шума в эхотракте

3.2. Разработка модели устройства оценки уровня аддитивного шума в эхотракте.

3.2.1. Разработка модели линейного эхотракта.

3.2.2. Разработка моделей корреляционного эхокомпенсатора.

3.3. Разработка методики исследования эффективности предложенного способа оценки уровня аддитивного шума в эхотракте.

3.4. Анализ результатов исследования эффективности метода оценки уровня аддитивного шума в эхотракте.

3.4.1. Оценка действенности метода определения уровня шума и его точности применительно к различным реализациям телефонных сигналов

3.4.2. Оценка точности определения уровня шума при его различных значениях.

3.4.3. Анализ влияния формы импульсной характеристики эхотракта на точность оценки уровня шума.

Выводы.

4. Исследование возможности использования механизмов адаптивной компенсации эхосиналов для определения коэффициента нелинейных искажений и импульсной характеристики эхотракта.

4.1. Разработка принципа оценки коэффициента нелинейных искажений эхотракта.

4.2. Разработка модели устройства оценки коэффициента нелинейных искажений эхотракта.

4.2.1. Подготовка модели нелинейного эхотракта.

4.2.2. Подготовка модели компенсатора нелинейной составляющей эхосигнала.

4.3. Разработка методики исследования эффективности предложенного метода оценки коэффициента нелинейных искажений эхотракта.

4.4. Анализ результатов исследования эффективности метода оценки коэффициента нелинейных искажений эхотракта.

4.4.1. Исследование влияния величины КНИ на действенность и точность предлагаемого метода его оценки.

4.4.2. Исследование точности оценки КНИ для различных реализаций нелинейного эхотракта.

4.4.3. Исследование действенности метода оценки КНИ применительно к различным реализациям телефонных сигналов.

4.5. Разработка принципа измерения концевой задержки и импульсной характеристики эхотракта.

Выводы.

5. Исследование точности предложенных методов оценки характеристик эхотракта в условиях действия различных мешающих факторов.

5.1. Разработка методики исследования эффективности предложенного способа оценки уровня аддитивного шума в эхотракте, характеризующемся значительной нелинейностью.

5.2. Анализ результатов исследования эффективности предложенного способа оценки уровня аддитивного шума в эхотракте, характеризующемся значительной нелинейностью.

5.3. Разработка методики исследования эффективности предложенного способа оценки коэффициента нелинейных искажений эхотракта в неидеальных условиях.

5.4. Анализ результатов исследования эффективности предложенного способа оценки коэффициента нелинейных искажений эхотракта в неидеальных условиях.

5.4.1. Исследование влияния аддитивного шума в эхотракте на действенность и точность предлагаемого метода оценки КНИ.

5.4.2. Исследование влияния неподавленной линейной составляющей эхосигнала на действенность и точность предлагаемого метода оценки КНИ

Актуальность работы

Настоящий этап развития техники и технологии телекоммуникаций характеризуется предъявлением высоких требований к качеству передачи по телефонным каналам. Процесс постоянного совершенствования телекоммуникационного оборудования в целом служит улучшению показателей качества связи, хотя в отдельных случаях некоторые показатели качества могут снижаться на фоне улучшения большинства других. Одним из таких показателей, подчас выходящим на первый план с точки зрения снижения качества телефонной передачи в современных сетях связи, является эффект электрического эха.

Известно, что мешающее действие электрического эха определяется прежде всего затуханием эхосигнала в канале и его задержкой относительно исходного речевого сигнала. Современные системы связи, в особенности использующие высокоэффективные речевые кодеки, сотовую связь, а также сети пакетной передачи, характеризуются значительными задержками речевого сигнала; этим объясняется большая подверженность подобных систем действию электрического эха по сравнению с традиционными системами передачи. Эксплуатация таких систем связи требует тщательного контроля за проявлениями эффекта электрического эха и принятия мер по борьбе с его мешающим действием.

Традиционный подход к оценке действия электрического эха описан рекомендацией МСЭ-Т G.131. Указанный подход предполагает анализ совокупности двух наиболее важных факторов: степени затухания эхосигнала и его задержки, - и принятие на их основании решения о различимости либо неразличимости эха с учетом особенностей слухового аппарата человека. Будучи в высокой степени действенным при сохранении относительной простоты, этот подход, тем не менее, оставляет без рассмотрения некоторые вопросы. В частности, к никак не учтенным факторам можно причислить, например, известное явление маскирования эхосигнала за счет местного эффекта или действующего в канале аддитивного шума. Более того, хотя описанный подход дает по сути дела готовый ответ на вопрос о необходимости принятия мер по борьбе с мешающим действием эха или отсутствии таковой, он не предоставляет средств или методик вынесения оценок степени этого мешающего действия. То есть не дает ответа на вопрос, насколько снижается интегральная оценка качества телефонной связи вследствие действия эха по сравнению со случаем полного устранения всех причин появления эха, либо использования идеальных средств подавления эха. Указанная оценка могла бы быть неважна, когда используемые способы борьбы с мешающим действием эха обеспечивали бы полное устранение последнего во всех ситуациях. Однако в настоящее время невозможно не признать, что на практике такое полное устранение достигается далеко не всегда. Спектр причин, обуславливающих неидеальное устранение мешающего действия эха весьма широк. Сюда могут быть отнесены возникающие естественным образом ситуации встречного разговора, оказывающие негативное влияние на работу всех видов устройств подавления эха, а также паузы в речи, действующий в эхотрак-те аддитивный шум, нелинейные искажения сигнала и т.д. Таким образом, электрическое эхо остается заметным для абонентов и, несомненно, оказывает существенное влияние на оценку качества связи последними - а ведь именно субъективная интегральная оценка качества связи абонентами и является самым главным критерием работы любого оператора связи; именно эта оценка наряду со стоимостью услуги в основном определяет выбор абонента в пользу того или иного оператора из множества доступных. В этих условиях представляется актуальным вопрос отыскания способа объективной оценки степени мешающего действия электрического эха. Будучи предложенным и использованным совместно с другими уже существующими способами контроля качества телефонной передачи, указанный способ позволит повысить точность выносимых оценок интегрального качества связи и, еледовательно, облегчит задачу обеспечения некоторого желательного уровня качества предоставляемых услуг телефонной связи для любого оператора последней.

Методы исследования

Исследования, выполненные в рамках настоящей работы, используют принципы цифровой фильтрации сигналов, а также математического и компьютерного моделирования. Теоретические обоснования исследований опираются на положения математической статистики и теории случайных процессов, а также методы статистической радиотехники. Большая часть программного обеспечения, использованного в исследованиях, разработана автором диссертации.

Научная новизна

1) Предложен способ оценки степени мешающего влияния эффекта электрического эха для телефонной передачи, отличающийся использованием механизмов компенсации эха и обработкой результатов на основе модели оценки качества МСЭ-Т G.107. Способ предусматривает возможность выражения результатов оценки в баллах Mean Opinion Score (MOS), введенных рекомендацией P.800.

2) Указаны недостатки существующих методов контроля качества телефонных каналов в части измерения характеристик абонентских линий и других составляющих элементов эхотракта. В качестве важного недостатка указана невозможность проведения измерений без перерыва связи по каналу.

3) Предложен метод оценки уровня действующего в эхотракте аддитивного шума, основанный на использовании взаимокорреляционного алгоритма компенсации электрического эха и отличающийся устойчивостью к действию речевого сигнала дальнего абонента, а также нелинейности эхотракта. Метод не создает помех для абонентов и обеспечивает возможность проведения измерений без перерыва связи.

4) Предложен метод измерения коэффициента нелинейных искажений эхотракта, использующий компенсатор нелинейной составляющей эхосигна-ла с исполнительным элементом в виде фильтра на основе ряда Вольтерра, отличающийся незаметностью для абонентов, использующих телефонный канал, устойчивостью к действию речевого сигнала дальнего абонента и аддитивных шумов, возникающих вне пределов эхотракта, а также полным охватом эхотракта, не исключая и оконечное оборудование Указанные особенности обеспечивают возможность использовать метод без перерыва связи по каналу.

5) Предложен метод определения общего времени задержки эхосигнала в телефонном канале, отличающийся использованием механизма компенсации эха по алгоритму НМНСК для оценки концевой задержки и обеспечивающий возможность выполнения измерений без перерыва связи по телефонному каналу.

6) Предложен метод измерения отдельных участков импульсной характеристики эхотракта с использованием взимокорреляционного алгоритма компенсации эха, отличающийся высокой точностью получаемых результатов и устойчивостью к действию аддитивного шума и позволяющий проводить измерения без перерыва связи. Метод позволяет измерять любые участки импульсной характеристики; в частности, используемый совместно с известными способами измерения концевой задержки, он позволяет исследовать наиболее значимый участок характеристики. Результаты измерения могут быть использованы для определения амплитудно- и фазо-частотной характеристик эхотракта, а равно для определения взвешенного эквивалента затухания эхо-сигнала в телефонном канале (Weighted Echo Pass Loss - WEPL).

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на межрегиональных конференциях, конференциях профессорско-преподавательского, научного и научно-технического состава МТУ СИ, а также опубликованы в науч9 ных журналах.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Работа содержит 149 страниц текста, 17 таблиц, 12 рисунков и список литературы из 62 наименований.

Выводы

Коэффициент нелинейных искажений эхотракта не во всех случаях оказывает существенное влияние на оценку мешающего действия электрического эха и вообще интегральную оценку качества телефонной передачи. Тем не менее, в некоторых ситуациях коэффициент нелинейных искажений может быть важен, так как нелинейная составляющая эха, не будучи подавлен

118' ной, характеризуется мешающим действием, практически эквивалентным линейному эху того же уровня. А применительно к эхотрактам, характеризующимся значительной нелинейностью, только знание величины коэффициента нелинейных искажений позволяет исходя из уровней сигналов в трактах приема и передачи, а также отношения эхосигнал — аддитивный шум рассчитать значение уровня аддитивного шума в эхотракте, которое, как было показано, непосредственно учитывается при оценке мешающего действия эха.

По своему значению для оценки мешающего действия электрического эха импульсная характеристика эхотракта играет намного более важную роль, нежели чем коэффициент нелинейных искажений. Описывая первоначальную причину появления эха, импульсная характеристика эхотракта определяет уровень эхосигнала. При традиционном подходе к вопросу компенсации эха, состоящем в использовании трансверсальных фильтров, импульсная характеристика эхотракта определяет также и минимальную вычислительную сложность алгоритма эхокомпенсатора, необходимого для подавления эха. Эта характеристика учитывается сразу в нескольких параметрах, входящих в соотношения для расчета мешающего действия электрического эха.

5. Исследование точности предложенных методов оценки характеристик эхотракта в условиях действия различных мешающих факторов

Для использования описанных в главах 3 и 4 методов на практике крайне важным является вопрос возможности их совместного применения в условиях, когда исследуемый эхотракт - характеризуется одновременно как существенным уровнем шума, так и значительным коэффициентом нелинейных искажений. Технических сложностей для совместного использования схем оценки уровня шума и КНИ, показанных соответственно на рисунках 3.1 и 4.1, нет: ни одна из схем не предполагает какого-либо изменения сигналов в такте приема или передачи, так что они могут быть просто включены в канал совместно, неважно - параллельно или последовательно. Но остается вопрос, насколько эффективным будет каждый из методов в условиях действия одновременно нескольких факторов, вызывающих деградацию качества телефонной связи, а не только одного того, который данный метод призван оценить. Для того чтобы дать ответ на этот вопрос, представляется целесообразным выполнить следующие исследования:

1) исследование эффективности метода оценки уровня аддитивного шума в зависимости от значения КНИ эхотракта;

2) исследование эффективности метода оценки КЕМ эхотракта в зависимости от уровня аддитивного шума в нем, а также в зависимости от уровня остаточного линейного эхосигнала.

5.1. Разработка методики исследования эффективности предложенного способа оценки уровня аддитивного шума в эхотракте, характеризующемся значительной нелинейностью

В настоящем исследовании критерием эффективности рассматриваемого го метода естественно выбрать погрешность вырабатываемых с его помощью оценок, аналогично тому, как это сделано в главе 3. Модель, с помощью которой удобно провести исследование, показана на рисунке 5.1.

Рис. 5.1 Модель предлагаемого метода оценки уровня аддитивного шума в нелинейном эхотракте

Нетрудно видеть, что приведенная схема отличается от схемы 3.3 лишь тем, что вместо линейного эхотракта в ней присутствует нелинейный. Модель нелинейного эхотракта используется та же, что и в главе 4. Эта модель позволяет изменять уровень КНИ эхотракта и, соответственно, мощность нелинейной составляющей эхосигнала в тракте передачи просто путем умножения одновременно всего набора ядер Вольтерра на желаемые коэффициенты.

Для удобства сопоставления вырабатываемые решающим устройством оценки уровня аддитивного шума средствами математического пакета Matlab представляются в табличной и графической формах в зависимости от точно известных в условиях исследования действительных значений уровня шума и КНИ эхотракта.

По приведенной схеме проводится исследование зависимости точности оценок уровня шума от коэффициента нелинейных искажений эхотракта. В качестве исходного сигнала в тракте приема в исследовании используется сигнал, предложенный рекомендацией МСЭ-Т G.729. Диапазон изменения отношения эхосигнал — шум в эхотракте — от -12 до 24 дБ; диапазон изменения КНИ эхотракта - от 5% до 25%.

5.2. Анализ результатов исследования эффективности предложенного способа оценки уровня аддитивного шума в эхотракте, характеризующемся значительной нелинейностью

В рамках настоящего исследования предлагаемый метод определения уровня шума в эхотракте применяется к пяти реализациям нелинейного эхотракта с КНИ в пределах от 5 до 25 процентов. Для каждой реализации оценка отношения линейная* составляющая эхосигнала — шум в эхотракте рассчитывается при неизменном уровне линейной составляющей эхосигнала и различных уровней шума, таких что действительное значение отношения линейная составляющая сигнала — шум изменяется в диапазоне от -12 дБ до 24 дБ.

Измеренные значения aja2 переводятся в отношения сигнал-шум методом интерполяции полиномом третьей степени. В качестве базовых точек использованы значения, данные в таблице 3.2 и рассчитанные как результат усреднения экспериментально полученных зависимостей aja2 и отношения сигнал-шум для набора различных сигналов и чисто линейного эхотракта.

Полученные результаты приведены в таблице 5.1.

КНИ Отношение эхосигнал — шум, дБ

-12 -9 -б -3 0 3 б 9 12 15 18 21 24

25% -10,90 -8,47 -5,94 -3,18 -0,33 2,70 5,73 8,77 11,80 14,63 17,10 19,01 20,57

20% -11,13 -8,70 -6,14 -3,36 -0,48 2,58 5,66 8,74 11,81 14,68 17,19 19,14 20,77

15% -11,38 -8,95 -6,36 -3,56 -0,66 2,45 5,57 8,69 11,80 14,71 17,25 19,24 20,90

10% -11,70 -9,26 -6,63 -3,81 -0,88 2,28 5,45 8,62 11,77 14,70 17,26 19,28 20,96

5% -12,14 -9,71 -7,01 -4,16 -1,18 2,03 5,27 8,50 11,69 14,64 17,22 19,25 20,93

0% -13,23 -10,82 -8,00 -5,06 -1,97 1,35 4,71 8,03 11,24 14,18 16,73 18,72 20,30

Табл. 5.1 Отношения сигнал-шум, рассчитанные методом интерполяции полиномом; пара эхокомпенсаторов с периодами вычисления ВКФ 32 и 8 мс

Эти же результаты, представленные в виде погрешности определения уровня шума, приведены в таблице 5.2.

КНИ Отношение эхосигнал — шум, дБ

-12 -9 -6 -3 0 3 б 9 12 15 18 21 24

25% 1,10 0,53 0,06 -0,18 -0,33 -0,30 -0,27 -0,23 -0,20 -0,37 -0,91 -1,99 -3,43

20% 0,87 0,30 -0,14 -0,36 -0,48 -0,42 -0,34 -0,26 -0,19 -0,32 -0,81 -1,86 -3,23

15% 0,62 0,05 -0,36 -0,56 -0,66 -0,55 -0,43 -0,31 -0,20 -0,29 -0,75 -1,76 -3,10

10% 0,30 -0,26 -0,63 -0,81 -0,88 -0,72 -0,55 -0,38 -0,23 -0,30 -0,74 -1,72 -3,04

5% -0,14 -0,71 -1,01 -1,16 -1,18 -0,97 -0,73 -0,50 -0,31 -0,36 -0,78 -1,75 -3,07

0% -1,23 -1,82 -2,00 -2,06 -1,97 -1,65 -1,29 -0,97 -0,76 -0,82 -1,27 -2,28 -3,70

Табл. 5.2 Погрешность определения отношения сигнал-шум; интерполяция полиномом, пара эхокомпенсаторов с периодами вычисления ВКФ 32 и 8 мс

Полученные результаты достаточно интересны и, очевидно, требуют дополнительного пояснения.

Нижние строки таблиц 5.1 и 5.2, соответствующие КНИ равному нулю, т.е. чисто линейному эхотракту, показывают, что для использованной в исследовании реализации исходного речевого сигнала предлагаемый метод оценки уровня шума дал систематически заниженные результаты. Очевидно, что появление нелинейности в эхотракте ухудшает условия работы эхокомпенсаторов и таким образом несколько повышает оценку уровня шума, применительно к настоящему случаю, приближая ее к действительному значению. Впрочем, любопытно, что данное повышение оказывается крайне незначительным по величине. В таблицах 5.3 — 5.4 даны абсолютные значения уровней шума и нелинейной составляющей эхосигнала, для реализаций, наблюдавшихся в ходе эксперимента.

SNR, ДБ -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18 21 24 р 1 эхо ' дБ -27,65 -27,65 -27,65 -27,65 -27,65 -27,65 -27,65 -27,65 -27,65 -27,65 -27,65 -27,65 -27,65 р шум ' ДБ -15,65 -18,65 -21,65 -24,65 -27,65 -30,65 -33,65 -36,65 -39,65 -42,65 -45,65 -48,65 -51,65

Табл. 5.3 Значения мощности линейной составляющей эхосигнала и аддитивного шума в эхотракте

КНИ 5% 10% 15% 20% 25% нелип ' -25,56 -26,54 -27,74 -29,51 -32,6

Табл. 5.4 Значения мощности нелинейной составляющей эхосигнала

В таблице 5.5 приведены значения суммарной мощности нелинейной составляющей эхосигнала и аддитивного шума в эхотракте. кни Отношение эхосигнал — шум, дБ

-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18 21 24

25% -15,25 -17,87 -20,2 -22,11 -23,51 -24,42 -24,96 -25,26 -25,41 -25,49 -25,53 -25,54 -25,55

20% -15,33 -18,02 -20,46 -22,52 -24,09 -25,16 -25,8 -26,16 -26,35 -26,45 -26,5 -26,52 -26,54

15% -15,41 -18,17 -20,73 -22,95 -24,73 -25,99 -26,78 -27,24 -27,49 -27,62 -27,68 -27,72 -27,73

10% -15,49 -18,33 -21,02 -23,46 -25,51 -27,07 -28,13 -28,77 -29,13 -29,32 -29,41 -29,46 -29,49

5% -15,57 -18,49 -21,33 -24,03 -26,48 -28,55 -30,13 -31,2 -31,85 -32,22 -32,41 -32,51 -32,56

Табл. 5.5 Значения суммарной мощности нелинейной составляющей эхосигнала и аддитивного шума

В таблице 5.6 даны эти же значения, но представленные в виде отношения сигнал-шум, где сигнал - неизменная во всех измерениях настоящего пункта линейная составляющая эхосигнала с уровнем -27,65 дБ, а шум -суммарная мощность всех остальных компонент сигнала в тракте передачи.

КНИ Отношение эхосигнал — шум, дБ

-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18 21 24

25% -12,4 -9,78 -7,45 -5,54 -4,14 -3,23 -2,69 -2,39 -2,24 -2,16 -2,12 -2,11 -2,1

20% -12,32 -9,63 -7,19 -5,13 -3,56 -2,49 -1,85 -1,49 -1,3 -1,2 -1,15 -1,13 -1,11

15% -12,24 -9,48 -6,92 -4,7 -2,92 -1,66 -0,87 -0,41 -0,16 -0,03 0,03 0,07 0,08

10% -12,16 -9,32 -6,63 -4,19 -2,14 -0,58 0,48 1,12 1,48 1,67 1,76 1,81 1,84

5% -12,08 -9,16 -6,32 -3,62 -1,17 0,9 2,48 3,55 4,2 4,57 4,76 4,86 4,91

Табл. 5.6 Значения отношения линейной составляющей эхосигнала — всех остальных компонент сигнала в тракте передачи

Сравнивая значения в таблицах 5.1 и 5.6 нетрудно видеть, что полученные оценки отношения сигнал-шум, определенно, намного ближе к действительным отношениям линейная составляющая эхосигнала — аддитивный шум, нежели чем к отношениям линейная составляющая эхосигнала — нелинейная составляющая плюс аддитивный шум. Такие результаты дают возможность заключить, что предлагаемый метод оценки уровня шума является малочувствительным к нелинейности эхотракта, при нахождении КНИ последнего в исследованных пределах, то есть 0% < кни < 25%. Такие пределы охватывает если не все, то подавляющее большинство реальных случаев. В этих пределах изменения оценок, обусловленные переходом от линейного эхотракта к нелинейному, заметно меньше погрешностей метода самого по себе, наблюдаемых для различных реализаций исходного сигнала даже в чисто линейных эхотрактах (см. пункт 3.4.1).

Необходимо, впрочем, учесть, что в условиях, когда эхотракт нелинеен, возможность'получить оценку отношения линейная составляющая эхо-сигнала - аддитивный шум не эквивалентна возможности получить оценку уровня шума самого по себе, как это было бы в случае линейного эхотракта. Эта проблема может быть решена, если использовать предлагаемый метод оценки уровня шума совместно с предлагаемым или каким-либо другим методом оценки КНИ эхотракта. Так как измерение мощности сигнала в тракте приема не составляет проблемы, то оценка КНИ эхотракта позволяет легко рассчитать мощность нелинейной составляющей эхосигнала, а эта информация, в свою очередь, уже без труда позволит оценить уровень аддитивного шума.

5.3. Разработка методики исследования эффективности предложенного способа оценки коэффициента нелинейных искажений эхотракта в неидеальных условиях

В главе 4 настоящей работы предложен метод оценки коэффициента нелинейных искажений эхотракта с помощью эхокомпенсатора на основе ряда Вольтерра и показана его высокая эффективность. Но следует обратить внимание на то, что приведенные в четвертой главе результаты исследования эффективности метода получены для абстрактного случая, предполагающего идеальные условия его применения. В то же время, очевидно, что на практике эффективность данного метода может ограничиваться как минимум двумя факторами, а именно:

1) действием аддитивного шума в эхотракте;

2) невозможностью на практике добиться полного подавления линейной составляющей эхосигнала и, следовательно, влиянием ее неподавленной части на работу компенсатора на основе ряда Вольтерра в схеме оценки КНИ.

С учетом сказанного, прежде чем рассматривать вопрос об использовании предлагаемого метода оценки КНИ эхотракта на практике, представляется целесообразным исследовать влияние каждого из перечисленных факторов на его эффективность. Такое исследование может быть проведено по схеме, приведенной на рисунке 5.2.

Рис. 5.2 Модель исследования эффективности предлагаемого метода оценки

КНИ эхотракта в неидеальных условиях

Легко видеть, что показанная модель отличается от модели на рисунке 4.1 только наличием генератора шума. Так же как это сделано в главе 3, в качестве вырабатываемого генератором аддитивного шума используется аппа-ратно сгенерированный стационарный гауссовский шум с равномерной спектральной плотностью, уровень которого регулируется с помощью пакета Syntrillium CoolEdit. Этот же пакет используется для сложения шума с эхо-сигналом, выработанным моделью нелинейного эхотракта.

Что касается неподавленной линейной составляющей эхосигнала, то она может генерироваться моделью нелинейного эхотракта одновременно с нелинейной составляющей; различная степень подавления линейной составляющей эхосигнала может выставляться путем уменьшения или увеличения используемых моделью эхотракта ядер Вольтерра первого порядка.

Фильтр на основе ряда Вольтерра и схема управления реализуются на основе той же модели компенсатора нелинейной составляющей эхосигнала, что использована в главе 4 и описана в пункте 4.2.2. Решающее устройство смоделировано с использованием математического пакета Matlab аналогично пункту 4.2.3.

В качестве основного исходного речевого сигнала в траке приема для исследования используется сигнал, рекомендованный МСЭ-Т G.729 для исследования систем компрессии речи. КНИ модели нелинейного эхотракта в ходе всего исследования составляет 15%; при этом различные реализации нелинейной составляющей эхосигнала получается путем использования разных наборов ядер Вольтерра из числа выбранных в разделе 4.3. В ходе эксперимента уровень неподавленной линейной составляющей эхосигнала и уровень аддитивного шума изменяются в пределах соответственно от -6 дБ до 24 дБ и от -12 дБ до 24 дБ относительно уровня нелинейной составляющей эха.

5.4. Анализ результатов исследования эффективности предложенного способа оценки коэффициента нелинейных искажений эхотракта в неидеальных условиях

5.4.1. Исследование влияния аддитивного шума в эхотракте на действенность и точность предлагаемого метода оценки КНИ

В рамках настоящего исследования предлагаемый метод определения коэффициента нелинейных искажений эхотракта применен к различным реализациям исходного речевого сигнала в тракте приема и разным наборам ядер Вольтерра в модели нелинейного эхотракта. Каждая из полученных реализаций нелинейного составляющей эхосигнала сложена с характеризующимися различным уровнем реализациями аддитивного шума. Также в качестве контрольных приведены значения для случая отсутствия шума вообще, то есть идеальных условий применений предлагаемого метода оценки КНИ.

По аналогии с исследованием в главе 4 результаты рассчитаны для двух различных моделей компенсатора нелинейной составляющей эхосигнала: модели с прямым вычислением ядер Вольтерра (в таблице — модель 1) и с рекуррентной адаптацией ядер по алгоритму НМНСК (модель2).

Полученные для обеих моделей оценки КНИ приведены в таблице 5.7.

Рассчитанное значение КНИ

Номер модели 1 2

Номер реализации сигнала 1 2 3 1 2 3

Отношение нелинейная составляющая эха - аддитивный шум, дБ оо 15,10% 15,14% 15,14% 15,03% 14,00% 15,17%

24 36,64% 32,66% 62,09% 15,07% 13,84% 15,21%

21 50,93% 42,07% 90,57% 15,07% 13,80% 15,24%

18 67,92% 57,02% 131,83% 13,03% 13,71% 15,31%

15 89,33% 81,47% 198,61% 15,14% 13,61% 15,38%

12 127,94% 120,78% 284,45% 15,21% 13,46% 15,49%

9 187,50% 178,24% 400,87% 15,28% 13,24% 15,67%

6 264,24% 261,82% 558,47% 15,42% 13,00% 15,89%

3 370,68% 374,11% 732,82% 15,60% 12,62% 16,26%

0 502,34% 505,82% 950,60% 15,92% 12,19% 16,79%

-3 657,66% 668,34% 1210,60% 16,48% 11,67% 17,62%

-6 855,07% 874,98% 1513,56% 14,83% 11,14% 18,97%

-9 1076,47% 1119,44% 1849,27% 18,97% 10,86% 21,13%

-12 1327,39% 1386,76% 2177,71% 21,83% 11,35% 24,89%

Заключение

Работа посвящена разработке и исследованию метода оценки мешающего действия эффекта электрического эха на качество телефонной передачи.

Актуальность работы обусловлена выходом эффекта электрического эха на первый план среди факторов, за счет которых происходит снижение субъективно оцененного качества передачи. В свою очередь, это объясняется достигнутыми в современных системах связи значительными успехами в борьбе с большинством мешающих факторов на фоне, напротив, возросшей степени мешающего действия электрического'эха.

Для решения поставленной задачи в работе предложен способ количественной оценки мешающего действия эффекта электрического эха для телефонной связи, основанный на использовании психоакустической модели для оценки! интегрального качества телефонной передачи, описанной в,рекомендации МСЭ-Т G.107. Из соотношений, приведенных в рекомендации, получены формулы для вычисления вклада эффекта электрического эха в снижение интегральной оценки качества передачи на основе доступных для объективного измерения характеристик телефонного канала.

В рамках решения задачи измерения характеристик канала, необходимых для оценки мешающего действия электрического эха, предложены способы оценки следующих представляющих несомненный интерес характеристик эхотракта: импульсной характеристики, коэффициента нелинейных искажений (КНИ) и уровня аддитивного шума, а также концевой задержки, - с использованием устройств компенсации эха. Указанные способы характеризуются малой чувствительностью к воздействию речевых сигналов абонентов и предполагают проведение измерений без перерыва связи по телефонному каналу.

Предложенный способ оценки аддитивного шума состоит в использовании одновременно двух взаимокорреляционных эхокомпенсаторов, обрабатывающих одни и те же сигналы в тракте приема и передачи. Указанные эхокомпенсаторы одинаковы во всем, кроме показателя помехозащищенности. Это достигается как следствие того, что один из них имеет намеренно сокращенный период, в течение которого рассчитывается взаимокорреляционная функция (ВКФ) исходного сигнала в тракте приема и остаточного эхо-сигнала, используемая при адаптации коэффициентов.

Различные результаты работы каждого из компенсаторов по отдельности едва ли могут быть использованы при оценке параметров эхотракта, так как являются- весьма нестабильными и сильно зависят от особенностей передаваемого сигнала и широкого спектра априорно неизвестных и не подлежащих оценке факторов. В то же время; как показано в работе, результат'сравнения эффективности работы, двух описанных эхокомпенсаторов сильно зависит от уровня шума, будучи при этом сравнительно слабо коррелированным с другими параметрами эхотракта и сигнала.

В работе рассмотрено'Несколько1* вариантов построения схемы оценки уровня аддитивного шума с использованием двух эхокомпенсаторов, различающихся как абсолютными величинами интервала вычисления ВКФ, так и соотношением этих интервалов в каждой паре компенсаторов. Применительно ко всем предложенным вариантам построения схемы разработаны возможные алгоритмы реализации и программные модели. В дополнение к последним разработаны модели линейного и нелинейного эхотракта, опирающиеся на данные статистики исследований реальных эхотрактов существующих сетей связи.

В отличие от аддитивного шума, оценка уровня- которого может быть вынесена на основе наблюдения за работой эхокомпенсатора только косвенно, КНИ эхотракта может быть оценен как непосредственный результат работы эхокомпенсатора, если только этот эхокомпенсатор имеет возможность компенсировать нелинейную составляющую эха. Оценка нелинейных

139» свойств эхотракта является для компенсатора нелинейной составляющей эха столь же естественным результатом работы, как оценка импульсной характеристики эхотракта - для линейного. Разумеется, выносимая оценка нелинейных свойств является намного более детальной, чем простой коэффициент нелинейных искажений, но она легко сводится к последнему.

Так как компенсатор нелинейной составляющей эхосигнала в обязательном порядке должен иметь нелинейный исполнительный элемент, то для оценки КНИ эхотракта в работе предлагается использовать эхокомпенсатор с цифровым фильтром на основе ряда Вольтерра, имеющим импульсную характеристику вида m-1 m-1 m-1 . . m-1 m-1 m-1 . .

0 /=0 j-Q 1=0 7=0 k=0 где Kt, Kt J, Kl ] k и т.д. - так называемые ядра Вольтерра. Порядок каждого из ядер определяется количеством отсчетов Хп, участвующих в формировании соответствующего слагаемого в формуле.

Отклик фильтра Yn формируется одновременно и как результат линейных преобразований входного сигнала Хп (первое слагаемое; ядра первого порядка), и как результат преобразований нелинейных (все остальные слагаемые; ядра второго и больших порядков).

При этом задача оценки уровня нелинейной составляющей эхосигнала может быть решена просто путем измерения мощности сигнала на выходе фильтра компенсатора в условиях, когда его адаптация всех ядер произведена, а ядра первого порядка намеренно выставлены равными нулю. В работе предложено выносить оценку КНИ как

К„ где сиги

Рсигн — мощность сигнала в тракте приема;

Рислии - суммарная мощность всех компонентов эхосигнала в тракте передачи, которые отсутствовали в спектре сигнала в тракте приема. В качестве р„аw, предложено принять мощность сигнала на выходе фильтра на основе ряда Вольтерра с нулевыми ядрами первого порядка.

Для моделирования компенсатора нелинейной составляющей эха на основе фильтра Вольтерра в работе использованы два способа расчета ядер' ?

Вольтерра: итеративная настройка ядер по алгоритму НМНСК и прямое вычисление ядер в рамках решения системы уравнений относительно сигнала в тракте приема и эхо-сигнала в тракте передачи.

Импульсная реакция эхотракта, как и КНИ, может быть определена как непосредственный результат работы эхокомпенатора; при этом очевидно, что для оценки импульсной реакции может быть использован эхокомпенсатор с линейным исполнительным элементом. В самом деле, в простейшем случае набор коэффициентов линейного цифрового фильтра традиционного эхокомпенсатора, наблюдаемый по окончании1 процесса адаптации последнего, и является оценкой импульсной характеристики эхотракта. Точность такой оценки зависит от тех же факторов, что игуровень остаточного эхосигнала в* канале, обслуживаемом эхокомпенсатором.

Так как значимая часть импульсной характеристики эхотракта, типичной для телефонной сети общего пользования, сосредоточена в диапазоне 5-7 отсчетов, то представляется возможным для целей оценки импульсной характеристики эхотракта проводить адаптацию не всех коэффициентов цифрового фильтра используемого эхокомпенсатора, а лишь небольшого подмножества последних, соответствующих значимой части импульсной характеристики. Это позволяет использовать для оценки импульсной характеристики эхотракта взаимокорреляционный алгоритм, как вычислительно сложный, но высокоэффективный и характеризующийся в общем случае существенно лучшими характеристиками сходимости (а,, следовательно, и большей точностью измерения импульсной характеристики) по сравнению с широко распространенными алгоритмами, такими как метод наименьших средних квадратов.

Для нахождения значений задержки сигнала, соответствующих значи

141 мому участку импульсной: характеристики (то есть нахождения концевой задержки)' может использоваться; линейный: эхокомпенсатор, функционирующий по алгоритму НМНСК. Содержимое к -регистра данного эхокомпенсатора может рассматриваться как грубая, оценка импульсной характеристики эхотракта, значимый участок которой': по? значениям задержки: совпадает cos значимым: участком действительной импульсной^ характеристики. Определение: границ значимого: участка импульсной: характеристики подобным: способом затруднено в силу неточности оценки, однако максимальный отсчет оцененной характеристики: может быть принят в качестве предполагаемой: середины значимого участка. С условием последующего учета не; менее: 5-7 отсчетов»;в обё стороны; от найденного таким; образом: максимума,, значимая часть импульсной характеристики может быть успешно локализована при действии в эхотракте аддитивного/ шума;, уступающего по уровню1 эхосигналу или превышающего последний не более чем на 3 дБ. ;

В рамках, работы, подготовлены модели эхотрактов,. а также устройств, реализующих предложенные методы-измерения1 их характеристик. На основе комплекса моделей; проведено: исследование, по итогам которого: установлены границы применимости предложенных методов оценки характеристик эхотракта, исследованы их свойства, а также проведено: сравнение эффективности и оптимизация параметров разработанных алгоритмов;

Полученные в работе результаты дают основания для следующих: выводов:.

1. Разность характеристик сходимости корреляционного1 алгоритма компенсации^ электрического эха с различным: временем: усреднения; несет информацию о и может являться; признаком для: определения уровня аддитивного шума, действующего; в эхотракте.

Предложенный: в работе алгоритм оценки; уровня действующего в эхотракте аддитивного шума с вероятностью- 95% имеет абсолютную по

142": грешность менее 6 дБ в широком диапазоне изменения характеристик эхотракта и передаваемого речевого сигнала. Нелинейные искажения сигнала в эхотракте с КНИ в пределах 25% не оказывают существенного влияния на точность алгоритма.

2. Компенсатор нелинейной составляющей эхосигнала, использующий исполнительный элемент в виде цифрового фильтра на основе ряда Вольтерра, может служить средством измерения коэффициента нелинейных искажений эхотракта.

Предложенный в работе алгоритм оценки коэффициента нелинейных искажений эхотракта, основанный на итерационной настройке ядер Вольтерра по нормализованному методу наименьших средних квадратов, позволяет выносить оценки указанного коэффициента с абсолютной погрешностью до 1-2% в широком диапазоне изменения характеристик эхотракта и передаваемого речевого сигнала. Действие аддитивного шума с уровнем, не превышающим уровень нелинейной составляющей эхосигнала, а также действие неподавленной линейной составляющей эхосигнала, ослабленной относительно нелинейной составляющей на 18 дБ и более, не оказывает существенного влияния на точность метода оценки КНИ.

3. Линейный эхокомпенсатор с адаптацией коэффициентов по алгоритму НМНСК может использоваться для исследования концевой задержки и локализации значимого участка импульсной характеристики.

4. Взаимокорреляционный метод компенсации электрического эха может служить инструментом подробного и точного исследования вида импульсной характеристики эхотракта.

5. Описанные в работе принципы обеспечивают возможность адекватной факторизации вышеуказанных характеристик соединения непосредственно во время телефонного разговора без создания помех абонентам, а также пересчета этих характеристик в общую оценку степени мешающего воздействия эффекта электрического эха в соответствии с моделью МСЭ-Т G.107.

1. ITU-T Rec. G.131. Control of talker echo. August 1996.

2. Telecommunications circuits. Personal communications, switching, subscriberand'transient suppressors. Data book. Texas Instruments, 1993.

3. Цифровые и аналоговые системы передачи. Под ред. Иванова В;И. —М.: Радио и связь, 1995;— 232 с.

4. Многоканальные системы передачи. Под, ред. Баевой Н.Н., Гордиенко В.Н. М:: Радио и связь, 1997. - 560 с.

5. Аладдин ВМ., Мусатова О.Ю:, Шаврин С.С. Эхокомпенсатор как средство измерения концевой задержки // Электросвязь. 2008. — №7. — С. 2425.

6. ITU-T Rec. G.111.Loudness Ratings In An International Connection;.March 1993.

7. ITU-T Rec. G. 107. The E-Model, a computational model for-use in transmission planning. December 1998.

8. UIT-T Rec. G.108. Application of the E-model: A planning guide. September 1999.

9. UIT-T Rec. G.l 14. One-way transmission time. February 1996.

10. П.Пузырев В. Internet — телефония: как «это» использовать. -М.: Познавательная книга плюс, 2002. 224 с.

11. Цыбулин М;К. Подавление электрического эха в телефонных каналах. — М.: Радио и связь, 1988. 113 с.

12. Цыбулин М.К., Шевелев С.В., Рыжавин А.А. Разработка методики оценки эффективности использования эхоподавляющих устройств на сети связи. Тезисы докладов LIII научной сессии. Посвященной Дню Радио. -М.: -1998. С. 104-105.

13. Сондхи М.М., Беркли Д.А. Подавление эха в телефонных сетях: пер. с англ. //ТИИЭР. -1980. т.68, №8.

14. Шаврин С.С. Электрическое эхо: заграждать или компенсировать? //Вестник связи 2005. - №1.

15. Снегов А.Д. Устройства для подавления электрического эха в протяженных каналах двусторонней связи.: Учебн. пособие: М. ВЗЭИС, 1985. -71с.

16. ITU-T Rec. (j.164. Echo suppressors. November 1988.

17. Цыбулин, M. К. Эхозаградительные устройства на сетях связи. -М.: Связь, 1979.-88 с.

18. ITU-T Rec. G.165. Echo cancellers. March 1993.

19. Рекомендация МСЭ-Т G.168 «Цифровые эхокомпенсаторы», апрель 1997.

20. Murano К., Unagami S., Amano F. Echo cancellation and applications // IEES communications magazine, 1990, Vol 28, Iss 1, pp. 49-55.

21. Sundar G. Sankaran. Implementation and evaluation of echo cancellation algorithms. Electrical Engineering Virginia Polytechnic Institute and State University 1996.

22. Уидроу Б., Стринз С. Адаптивная обработка сигналов: пер. с англ. Сальникова Ю.К. -М.: Радио и связь, 1989. -440 с.

23. Коуэн К.Ф., Грант П.М. Адаптивные фильтры: пер. с англ. -М.: Мир, 1988.-392 с.

24. Jenschel H.-J. Theory and applications of adaptive systems. // Dresden University of Tecnology, institute of Traffic Information Systems. 1997.145

25. Лам К.К., Цыбулин М.К. Особенности использования4 механизма-адаптации в эхоподавляющих- устройствах компенсационного типа. // Электросвязь.-1995-№12 с.16-17.

26. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. Учебник для ВУЗов. Изд.2. Санкт-Петербург: Питер, 2005. 752 с.

27. Айфичер Эммануил С. Цифровая обработка сигналов. Практический подход. Изд.2. Санкт-Петербург: Диалектика-Вильяме, 2004. 992 с.

28. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры: расчет и реализация. -М.: мир, 1982.-592 с.

29. Антонью А. Цифровые фильтры: анализ и проектирование. -М>.: Радио и связь, 1983.-320 с.

30. Цыбулин М.К., Шевелев С.В. Подавление эхосигналов в телефонных сетях с нелинейными и нестационарными эхотрактами. Тезисы докладов LII сессии, посвященной Дню Радио. -М.: -1997 с. 10 Г-102.

31. ITU-T Rec. G.711- (11/88) Pulse code modulation (PCM) of voice frequencies

32. Попов В.И. Основы сотовой, связи стандарта, GSM. -М.: Эко-Трендз, 2005.-296 с.

33. ITU-T Rec. G.729. General aspects of digital transmission systems. Coding of speech at 8 kbit/s using conjugate-structure algebraic-code-excited linear-prediction (CS-ACELP). Annex A. March 1996.

34. ITU-T Rec. G.726 (12/90) 40, 32, 24, 16 kbit/s Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM)

35. ITU-T Rec. G.727 (12/90) 5-; 4-, 3- and 2-bits per sample embedded adaptive differential pulse code modulation (ADPCM)

36. А.И. Кизлюк. Справочник по устройству и ремонту телефонных аппаратов зарубежного и.отечественного производства. — М.: Библион, 1995. — 192 с.

37. И. В. Ситняковский, О. Н. Порохов: Цифровые системы передачи абонентских линий. М.: Радио и связь, 1987. - 214 с.146

38. Юкио Сато. Обработка сигналов. Первое знакомство. -М.: Додэка, 2002.-176 с.

39. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов'при физических измерениях. Том 1. -М.: Мир, 1983.

40. Ремез Г.А. Курс основных.радиотехнических измерений. —М.: Связьиз-дат, 1955.-448 с.

41. Chiouguey J. Chen. Modified Goertzel algorithm in DTMF detection using the TMS320C80. Texas Instruments, 1996.

42. ITU-T Rec. G.723.1 (03/96) Dual rate speech coder for multimedia communications transmitting at 5.3 and 6.3-kbit/s

43. Богданович Б.М. Нелинейные искажения в приемно-усилительных устройствах. -М.: Связь, 1980.-280 с.

44. A. Stenger, W. Kellermann, R. Rabenstein. Adaptation of acoustic echo cancellers incorporating a memoryless nonlinearity. IEEE Workshop on-Acoustic echo and Noise Control(IWAENC'99), Pocono Manor, PA, USA, sept. 1999.

45. A. Stenger, R. Rabenstein. An acoustic echo canceller with compensation' of nonlinearities. Proc. IX European Signal Processing Conference (EUSIPCO-98), Rhodes, Greece, September 1998.

46. F. Kuch, W. Kellermann. Nonlinear line echo cancellation using a simplified second order Volterra filter. Int. Conf. on Acoustics, Speech, and Signal Proc. (ICASSP 2002),Orlando, Florida, 2002.

47. A. Stenger, L. Trautmann, R. Rabenstein. Nonlinear acoustic echo cancellation with 2nd order adaptive Volterra filters. IEEE Int. Conf. on Acoustics, Speech & Signal Processing (ICASSP), Phoenix, USA, March 1999.

48. A. Stenger, R. Rabenstein. Adaptive Volterra filters for nonlinear acoustic echo ■ cancellation. Proc. NSIP'99 (Nonlinear Signal and Image Processing), Antalya, Turkey, June 1999.

49. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для (персональных ЭВМ. -М.(: Наука, 1987. 240 с.

50. Головацкая А.П. Методы и алгоритмы вычислительной математики.147

51. М.: Радио и связь, 1999. -408 с.

52. Демидович Б.П. Марон И.А. Основы вычислительной математики. — М.: Наука, 1966.-665 с.

53. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы: Учебное пособие для вузов. М.: Наука, 1989. - 432 с.

54. Браун С. Visual Basic 6: учебный курс. -СПб: Питер, 1999. -576 с.

55. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Межгосударственный стандарт. ГОСТ 19.701.90 (ИСО 5807-85), 26.12.1990.

56. Kapustin S. Monitoring telephone channels quality with echo-cancellation devices// The 6-th Annual Moscow Postgraduate Conference «Business English in Business World»: Тез. докл. Москва, 2006, — С. 112-118.

57. Капустин С.В: Использование механизмов компенсационного подавления эхосигналов для диагностики качества телефонной передачи// Электросвязь. 2008. - №7. - С.21-23.

58. Капустин С.В., Шаврин С.С. Эхокомпенсатор как средство оценки качества телефонной передачи// Международный форум информатизации (МФИ-2005): Труды конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы». М.: МТУСИ. - 2005. - С. 206-207.

59. Капустин С.В. Адаптация взаимокорреляционного эхокомпенсатора в условиях действия АБГШ на эхосигнал// Московская отраслевая научно-техническая конференция «Технологии информационного общества»: Тез. докл. -М.: МТУСИ. 2007. - С. 91-92.

60. Капустин С.В. Исследование свойств генератора. ПСП Stop-&-Go// Молодые ученые — науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике: Тез. докл. Международная научно-техническая школа148конференция. Москва, 2005,-4. 1. - С. 135-138.