автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Компьютерная оценка качества передачи звуковых вещательных сигналов

На правах рукописи УДК 621.396.7

Евгений Анатольевич ХРЯНИН

Компьютерная оценка качества передачи Звуковых вещательных сигналов

Специальность 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы и устройства радионавигации, радиолокации и телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2003

Работа выполнена на кафедре радиовещания и электроакустики МТУСИ.

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор А.П. Ефимов

Официальные оппоненты Волков A.A.- доктор технических наук, профессор

Городников A.C.- кандидат технических наук, с.н.с.

Ведущая организация AHO Научно-технический центр информационных тех-

нологий и систем (НТЦ "ИНТЕС")

Защита диссертации состоится «// 2003 г. в «¿5» часов на заседа-

нии диссертационного совета К.219.001.02 при Московском техническом университете связи и информатики, ауд. А-455 .

Адрес: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, 8а, МТУСИ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « ч- »j

2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К.219.001.02

к. т. я., доцент

О. В. Матвеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Исследования и практические разработки в области оценки качества звукопередачн ведутся с момента появления звукового вещания как отрасли. Однако в настоящее время интерес к ним увеличился. Это вызвано острой конкуренцией на новом рынке услуг, открывшимся с развитием коммерческого многопрограммного вещания, внедрением техники передачи, обработки и кодирования сигналов в цифровой форме, а также результатами последних исследований в области анализа звуковых сигналов и звуковосприятия.

Эффективность систем вещания и связи, их конкурентоспособность, технико-экономические показатели во многом определяются степенью согласования параметров канала передачи не только со свойствами сигнала, но и с особенностями восприятия звукового сигнала абонентами - слушателями. Степень такого согласования, в конечном итоге, определяет субъективное качество передачи сигнала по каналу звукового вещания.

Качество передачи и методы его оценки регламентируются соответствующими нормативными документами. В нашей стране это ГОСТ 11515-91, ГОСТ 50757-55, гост 13924-80, ГОСТ Р 51742-2001 и ряд других. Однако в связи с бурным развитием и внедрением технологий адаптивной психоакустической обработки вещательного сигнала используемые методики оценки качества передачи с использованием малокомпонентных тестовых сигналов оказываются малоэффективными. Такое положение приводит к появлению в каналах звукового вещания звеньев, контроль которых возможен только с использованием субъективно-статистических испытаний (сси) - так называемых «адаптивных звеньев». Вместе с тем, основным недостатком ССИ, ограничивающим их широкое применение, является высокая трудоемкость и необходимость выведения канала из эксплуатации на длительное время.

Таким образом, актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью выявления и оценки ненормированных искажений сигнала звукового вещания (сзв) в существующих адаптивных трактах на основе анализа изменений статистических свойств передаваемых реальных вещательных сигналов.

Проблемам анализа звуковых сигналов посвящены работы ученых В. В. Фурдуева, Л. В. Шитова, В. А. Нюренберга, С. Л. Мишенкова, Б. Р. Левина, А. А Харкевича, А. В. Никонова, Л. 3. Папернова, 3. Н. Резвяковой, Дж. Беллами, М. А Сапожкова и других. Вопросы оценки качества передачи сигнала вещания и связи рассмотрены в работах И. Е. Горона, Г.Б. Аскинази, С. Л. Мишенкова, В. П. Гученко, Ю. А. Ковалгина, МЛ. Сурова, М.Г. Иоффе, И. Г. Дрейзена и других.

Работа является естественным продолжением исследований, которые проводились и проводятся на кафедре РВ и ЭА под руководством в при участии таких ученых и специалистов, как: И. Г. Дрейзен, И. Е. Горон, В. А. Нюренберг, Л. 3. Папернов, М. А. Сапожков, С. Л. Мишенков, С.Г. Рихтер, О. Б. Попов, Г. А. Донцова, С.А.Литвин.

Цель и основные задачи работы

Целью работы является разработка методики объективной оценки качества передачи СЗВ по современным адаптивным каналам и трактам, а также выбор и обоснование технических решений, обеспечивающих возможность объективной оценки качества передачи реального вещательного сигнала без вывода канала из эксплуатации.

Методы исследования. В работе использовались эле), тия и звукообразования, методы математической статистики, <

пекгрэддаадвччимищи-СЛетер! 09 Щ'

онного анализа, а также методы оценки качества вещательного сигнала. Все эксперименты выполнены с использованием современной вычислительной техники и доработанного автором программного обеспечения, созданного научной группой кафедры Радиовещания и Электроакустики (РВ и ЭА).

Новизна работы и новые научные результаты

1. Показано [1,6, 7], что существующее метрологическое обеспечение не позволяет осуществлять объективный контроль качества передачи вещательного сигнала, прошедшего тракты с адаптивной обработкой (включая компактное представление). Отобраны наиболее информативные параметры вещательного сигнала, вычисляемые на коротких временных интервалах и позволяющие использовать изменение их интеграль- , ных статистических распределений для формирования объективной оценки качества

передачи, коррелированной с субъективной оценкой.

2. Разработана [3, 4,11] шкала соответствия между изменением интегральных статистических распределений предложенных параметров вещательного сигнала и заметно, стью изменений сигнала, что позволило ограничить набор возможных параметров и

вьСклить три группы: энергетическую, спектрально-кепстралкную и группу параметров формы аналитической огибающей вещательного сигнала. Предложено вычислять энергетические параметры на длительности 200 мс, спектрально-кепстральные параметры — на длительности 20 мс, а параметры формы огибающей оценивать на длительности 2 мс, что совпадает с временем интеграции слуха по громкости, частоте и пороговой чувствительностью слуха к изменению огибающей звукового сигнала, соответственно.

3. Разработав [3] способ повышения точности спектральной оценки, учитывающий особенности вещательных сигналов, включающих звуковые объекты длительностью от 40 мс. Способ основан яа быстром преобразовании Фурье комплексно-представленного многократно транспонированного в пределах бина сигнала с точностью 0,5 дБ по амплитуде, 1,5 Гц по частоте, 8° по фазе, что позволяет приблизиться к точности периферического слухового анализатора. Предложенный способ позволяет производить оценку АЧХ адаптивного тракта и выявлять нелинейные искажения на реальном вещательном сигнале.

4. Предложены [3,4, б, 11] дополнения к существующим нормативным документам в виде разработанной методики комплексного статистического оценивания качества передачи сигналов звукового вещания, позволяющие контролировать современные адап- г тивные каналы и тракты на реальном сигнале без вывода их из эксплуатации, с автоматизацией процесса оценивания по критерию заметности искажений, балльной оценки качества передачи. Определены также оптимальные диапазоны значений предаю- V женных в работе статистических параметров вещательного сигнала по критерию предпочтительности для информационно-музыкальных программ.

Лютый вклад автора. Основные результаты, приведенные в диссертации, включая версию программного обеспечения для оценки качества передачи вещательных сигнале», получены автором лично.

Практическая значимость работы заключается в следующем: • Разработана методика оценивания качества передачи СЗВ в трактах с адаптацией параметров к передаваемому сигналу, позволяющая формировать объективную оценку качества передачи в каналах, заведомо не обеспечивающих сохранение формы сигнала и контролируемых только с использованием ССИ. Предлагаемая

методика позволяет проводить оперативную оценку на реальном вещательном сигнале, обеспечивая результаты оценки близкие к результатам ССИ.

• Разработано и внедрено программное обеспечение, позволяющее реализовать автоматизированную аппаратную оценку качества передачи вещательного сигнала без вывода тракта передачи из эксплуатации,

• Создана база «критических» звуковых сигналов и часовых фрагментов реальных радиовещательных программ для оценки качества передачи по каналам и тратам звукового вещания, использующим адаптивные алгоритмы обработки сигнала.

Внедрение результатов работы

Предмет внедрения Область внедрения

Программа оценки качества передачи в адаптивных трактах сети первичного и вторичного распределения сигнала вещания ЗАО «ТРК «Эфир»»

Программа оценки изменений сигнала в устройствах адаптивной обработки вещательного сигнала в трактах вторичного распределения AHO Научно-технический центр информационных технологий и " систем (НТЦ "ИНТЕС")

Использование в научно-исследовательских работах метода оценки качества передачи по адаптивным звеньям и трактам Предприятия связи и звукового вещания по заказу Министерства связи и информатизации Российской Федерации

Лабораторная работа из созданного цикла работ "Субъективная оценка качества речевых сигналов при их обработке и кодировании" Учебный процесс кафедры РВ и ЭА МТУСИ

Апробация результатов диссертации

Основные положения и результаты исследований докладывались автором на совещаниях специалистов кафедры РВ и ЭА, 10-й Межрегиональной научно-технической конференции "Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи" (Пушкинские горы, 2000), а также на НТК профессорско-преподавательского состава и ряде семинаров МТУСИ (2000-2003). Разработанные модули программного обеспечения, методики и результаты исследований сигналов звукового вещания вошли в отчеты по НИР НГК-68 (темы: №№ 6802/99 "Эмоция", 6801/01 "Эффект", 6802/01 "Оценка").

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 5 тезисах выступлений на НТК и 6 статьях среди которых 2 единоличных.

Основные положения, представленные к защите. На защиту выносятся следующие положения:

1. Все современные каналы и тракты звукового вещания являются адаптивными. В то же время существующая нормативная база не обеспечивает объективную оценку качества передачи по современным адаптивным аналоговым и цифровым каналам, не предполагающим сохранение формы сигнала.

2. Объективная оценка качества передачи в каналах, коррелированная с реллыа-тами субъективною оценивания, может быть сформирована на основе анализа изменений статистических параметров вещательного сигнала по критериям заметности его изменений, балльной оценки и по критерию предпочтительности звучания. При формировании оценки могут использоваться энергетические, спектральные, кепстральные параметры, а также параметры формы аналитической огибающей вещательного сигнала, вычисляемые на длительностях, соизмеримых с временем интеграции слуха по громкости (200 мс). частоте (20 мс) и пороговой чувствительности слуха к изменению огибающей звукового сигнала (2 мс).

3. Повышение точности спектральной оценки на основе быстрого преобразования Фурье комплексно-представленного многократно транспонированного в пределах бина сигнала, приближает точность оценки спектральных составляющих к возможностям периферического слухового анализатора: 0,5 дБ по амплитуде, 1,5 Гц по частоте. 8° По фазе. Применение способа позволяет производить оценку АЧХ адаптивного тракта на ¡ктмюм вещательном сигнале и выявлять нелинейные искажения,

4. При сравнительном анализе звуковых дискретизированных сигналов их предварительное нормирование по значению вероятности превышения заданного уровня предпочтительнее нормирования по максимальному значению сигнала, что согласуется с физикой звуковосприятия. В сочетании с повышением точности спектрального анализа это позволяет приблизить результаты анализа изменений статистических параметров вещательных сигналов к результатам субъективно-статистических испытаний.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пЛи глав, заключения, списка принятых сокращений, списка литературы и пяти приложений. Работа содержит 146 листов, в том числе 125 листов основного текста. 48 рисунков, 19 таблиц. В списке литературы 99 наименований Приложения размещены на 64 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы исследований и разработок, сформулирована цель работы, перечислены основные научные результаты диссертации, определена их практическая ценность и области применения, приведены основные положения, выносимые на защиту.

Практически все современные аналоговые и цифровые тракты передачи сигналов звукового вещания (СЗВ) содержат устройства адаптивной обработки и устранения избыточности сигнала, существенно изменяющие его свойства (АРУРы. компандеры, аудио-процессоры, системы MPEG) [2. 6. 10J. В Главе I рассмотрены возможные причины искажений вещательного сигнала при передаче по реальным аналоговым и цифровым трактам [4, 6, 11]. Показано, что применение подобных устройств приводит к заметным вменениям передаваемых сигналов, которые не могут быть нормированы в рамках методики ГОСТ 11515-91. Это связано, в первую очередь, с закономерным повышением качества обработки и передачи вещательных сигналов за последние 50 лет и необходимостью pai-вития методики оценки качества на основе тестовых сигналов, заложенной при создании ГОСТ 11515.

В результате делается вывод о том. что постоянное развитие систем обработки н передачи ЗС по каналам и трактам снижает эффективность методик оценки качест ва. основанных на исполыовании простых тестовых сигналов. Существующая методика оценки

качества передачи СЗВ (ГОСТ 11515-91) требует развития с целью ее использования для выявления и оценки искажений в современных адаптивных трактах.

В Главе 2 проводится обзор существующего метрологического обеспечения звукового вещания. Выделяются два основных направления развития методов оценки качества передачи СЗВ по каналам и трактам: объективное и субъективное [3, 11). Особенностью существующих объективных методов оценки является широкое использование малокомпонентных гармонических измерительных сигналов при исключении устройств адаптации свойств сигнала к возможностям конкретного канала. В результате, измерениям подвергается тракт с одними параметрами, в то время как передача реального сигнала, фактически, » осуществляется по тракту с другими параметрами [4, 6]. Здесь развитие идет в направле-

нии внедрения компьютерной техники и автоматизации измерений.

В нашей стране есть еще одно направление развития объективных методов оцен-1, ки — это анализ статистических свойств вещательных сигналов на входе и выходе веща-

тельного тракта — ведет свое начало с работ ученых кафедры РВиЭА МТУСИ В.А.Нюревберга, СЛ. Мишенкова. Успехи в этой области определяются развитием вычислительной техники и методов анализа СЗВ, поэтому именно в последние годы интерес к этому направлению значительно возрос.

Наиболее точным методом оценки качества передачи СЗВ является метод субъективно-статистических испытаний (ССИ), однако он не всегда применим вследствие естественной трудоемкости. Логическим развитием ССИ явился метод экспресс-оценки FSQ, разработанный Акустическим центром МТУСИ. Он позволяет уменьшить затраты времени и повысить точность.

Попыткой объединить достоинства объективных и субъективных методов оценки стали работы по моделированию слухового восприятия человека. В нашей стране этим вопросам занимались специалисты научной группы кафедры РВиЭА (НИР «Лемма», 1996 г.). С 1992 года в США также ведутся работы над созданием подобной системы оценки последствий влияния на СЗВ алгоритма MPEG. Этим занимаются ученые подкомитета SC-02 «Цифровой звук» комитета Стандартов AES [6]. В результате в 1992 году появились алгоритмы PAQM (Perceptual audio qualily measure - психоакустическое измерение качества звучания) и PERCEVAL {Perceptual évaluation - психоакустическая оценка). В 1996 алгоритм PSQM (perceptual speech qualily measure) был одобрен в качестве рекомендаций по оценке передачи речи ITU-T Р. 861. В феврале 2001 алгоритм PESQ (Perceptual Evaluation of Speech Quality) был одобрен в качестве новых рекомендаций JTU-TRec. Р.862. Тогда же в 2001 году алгоритм по оценке уже вещательных сигналов PEAQ (Perceptual Evaluation of Audio Quality) получил статус рекомендации 1TV-RBS.I387 [6].

Несмотря на достижения в области метрологии звукового вещания, задача поиска методов для оперативного контроля качества передачи сигнала остается открытой: необходимо, чтобы метод оценивания базировался на использовании объективных парамет-; ров сигнала, но в то же время учитывал особенности восприятия звуковой программы слу-

шателю«.

Глава 3 посвящена разработке методики оценки качества передачи сигналов ЗВ на основе статистических распределений их параметров - методу комплексного статистического оценивания (МКСО).

В работе предлагается оценивать различие статистических распределений параметров реальных вещательных сигналов, формируемых за время, соответствующее интервалу интеграции слухового анализатора по громкости (200 мс), частоте (20 мс) и пороговой чувствительностью слуха к изменению огибающей звукового сигнала (2 мс) [1-4, б]. В качестве энергетических параметров используются две разновидности относительной

средней мощности (ОСМ), отличающихся способом нормирования. ОСМ определяется как отношение мощности сигнала на интервале анализа (200 мс) к мощности синусоиды с амплитудой, равной максимальному мгновенному значению сигнала на интервале анализа (сигнальная ОСМ или ОСМс) или значению, превышаемому в течение 1% времени от общей длительности звукового фрагмента (канальная ОСМ или ОСМк). Для анализа параметров формы была выбрана крутизна изменения огибающей сигнала на интервалах ее нарастания и спада (т.е. атаках и спадах звуковых объектов). Для анализа изменений сигнала в частотой области выбраны такие статистические параметры, как среднеквадратичное отклонение АЧХ тракта передачи и пик-фактор кепстра. В главе показана информативность выбранных параметров и связь их с характеристиками качества звучания, оцененными субъективно.

Для анализа расхождений распределений (нормированных частот появления значений - НЧГО) статистических параметров исходного и искаженного вещательных сигналов наиболее эффективно интегральное отклонение (ИО) одного распределения от другого (рис.1), которое отражает изменение не только среднего, средиеквадратического и медианного значений, но также изменение коэффициентов асимметрии и эксцесса, которое часто встречается при анализе изменений СЗВ.

Для подготовки двух сигналов к их последующему сравнению разработана программа нормирования цифровых вещательных сигналов по уровню квантования, превышаемому в течение заданного процента времени ("по проценту") [S, 11].

100«.

0MJЧасто» появления значений ОСМ

0,07:

ода

оди

0,009

k ИСКАЖЕННЫЙ СИГНАЛ

^ИСХОДНЫЙ СИГНАЛ

ИНТЕГРАЛЬНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ

ОСМ

0,10634 0,21267 031901 0.42534 0,33168 Рис. 1 Интегральное отклонение

904-

L . 1

__1

' канмшас осм ( ....... юрмяровзнпе ojt "по максимуму)

К \.J ' -г

pV % * % \ \

К мшаная ОСМ ( юрмированяе СЗ i "по проценту" > * к

--*

3000

4000

8000

<000 Í000 7300

Частота ограниченна спектра. Гц Рис.2 Оценки изменения канальной ОСМ при разных тинах нормирования для искажении типа «ограничение спектра сигнала сверху» (скрипка)

Показано на примере ограничения спектра и оценок изменения распределения канальной ОСМ, что для задач анализа изменений в СЗВ данный вариант нормирования способствует получению оценок более коррелированных с заметностъю, чем широко используемое нормирование сигнала по максимальному пику (рис.2).

Алгоритм нахождения параметров формы представлен ва рис. 3.

ОБПФ

НЧПЗ крутизны атак и спадов исходного ; сигнала

Рис.3 Алгоритм оценивания параметров формы

На последнем этапе анализа производится сравнение статистических характеристик формы огибающей для обработанного и исходного сигналов (рис.3).

Вычисление интегрального отклонения

В соответствие со свойствами слуха и самого сигнала при анализе спектральных параметров СЗВ допустимо разбивать сигнал на фрагменты длительностью не более 1520 мс (время интеграции слуха по частоте). Расстояние между спектральными составляющими БПФ оценки такого фрагмента превышает 50 Гц, в то время, как для согласования спектральных оценок со свойствами слуха необходима разрешающая способность не более 20 Гц.

Для анализа спектральных параметров разработай способ повышения точности определения положения спектральных составляющих на частотной оси. Улучшения точности оценки и разрешения удается добиться, проводя кроме анализа самого сигнала, параллельный анализ набора транспонированных в пределах бина по частоте сигналов. Применение способа позволяет производить оценку АЧХ реальном вещательном сигнале с точностью, соответствующей точности слухового анализатора.

Используемый алгоритм формирования оценок мгновенного амплитудного спектра (MAC) сигнала вещания предполагает:

о наложение оконной функции на исходный сигнал;

о умножение полученного колебания на набор комплексных синусоид для получения промежуточных оценок спектра (формирование транспонированных по частоте сегментов сигнала);

о БПФ-анализ полученных последовательностей;

о формирование суммарной оценки мгновенного спектра;

о прореживание суммарной оценки по локальным максимумам амплитудного спектра.

В целом, методика анализа спектралыю-кепстральных параметров включает следующие операции:

1. Вычисление MAC на интервалах, соответствующих времени интеграции периферического слухового анализатора по заметности изменения спектрального состава сигнала.

2. Вычисление среднестатистической тенденции изменения мгновенных спектров сигнала после обработки - «средней АЧХ».

3. Вычисление среднеквадратического отклонения (СКО) «средней АЧХ» от идеальной АЧХ канала.

4. Вычисление кепстра по имеющемуся амплитудному спектру путем логарифмирования и повторного БПФ и получение вариационного ряда значений кепстра, распределенных по длительности звукового сигнала.

5. Вычисление вариационного ряда пик-фактора кепстра.

6. Подсчета НЧПЗ пик-фактора кепстра.

7. Расчета ИО НЧПЗ пик-фактора кепстра.

Сравнение спектральяо-кепстральных статистических характеристик для обработанного и исходного сигналов производится на этапах 2,3 и 7.

Алгоритм нахождения энергетических параметров включает в себя проведение следующих операций для обработанного и исходного сигналов:

1. Сегментации сигнала на интервалы, соответствующие времени интеграции слуха (200 мс).

2. Вычисления на каждом из интервалов средней мощности.

3. Деление средней мощности на квадрат значения нормированного уровня (ОСМк) юга квадрат значения уровня, максимального на интервале (ОСМс). Для одного интервала (/) значения ОСМс/ и ОСМк/ находятся следующим образом:

1 Л" 1 4 ,

осмС1=^=о_; ОСМ к< = ——^

А максх А нормI

где А, - значение уровня квантования ¡-того дискретизированного отсчета на интервале;

N - количество отсчетов на интервале 200 мс;

АмаксI - значение уровня квантования, максимального на интервале анализа;

Анорм/- значение уровня квантования, превышаемого в течение 1% времени.

4. Разбиения полученного вариационного рада значений ОСМ на N интервалов (N>100).

5. Подсчета НЧПЗ ОСМ в каждом из N интервалов.

6. Сведения вместе статистических данных исходного и искаженного сигналов и расчета ИО НЧПЗ ОСМ на всем диапазоне появления значений.

На последнем этапе производится сравнение статистических характеристик ОСМ для обработанного и исходного сигналов.

Сформированный набор статистических параметров вещательного сигнала является информативным для оценки искажений СЗВ и их комплексное использование позволяет реализовать систему объективной оценки качества передачи сигнала по адаптивным каналам ЗВ. Предлагаемый в работе алгоритм основан на сборе статистики реальных вещательных сигналов и последующем ее анализе. Выделение статистических параметров осуществляется на основе знаний особенностей слухового восприятия человека и с использованием теории случайных процессов. Отказ от детерминированного нормирования в пользу вероятностного повышает корреляцию оценок объективных параметров СЗВ и соответствующих оценок заметности.

Глава 4 посвящена оценке корреляционной связи изменений статистических параметров и субъективной заметности, а также возможности применения МКСО для задач опенки изменений сигнала в каналах и трактах ЗВ.

Были сформированы две базы сигналов ЗВ.

1. Сформирована база музыкальных сигналов разных жанров, аналогичная базе, использованной при исследованиях субъективной заметности искажений под руководством проф. И.Е. Горона [5]. Это дало возможность использовать в нашем исследовании в качестве опорного материала накопленные результаты масштабных ССИ, проводимых в конце 1950-х годов Научно-исследовательским институтом радио Министерства связи СССР совместно с кафедрами радиовещания и акустики Московского и Ленинградского институтов связи, а также Научно-исследовательским институтом городской и сельской телефонной связи Министерства связи в Ленинграде. Таким образом, полученная точность сводных кривых заметности искажений и помех при достоверности а = 0,99 не менее ± 6%. Показано, что жанры, длительности и спектры выбранных для нашего исследования звуковых фрагментов сходны с аналогичными параметрами сигналов, приводимыми в исследованиях 1950-х годов. Это подтвердило правильность выбора отрывков для проведения нашего эксперимента.

2. Сформирована база часовых фрагментов программ 10-ти популярных в России радиовещательных станций [2, 4]. Наличие базы дает возможность анализа параметров СЗВ на фрагментах программ реальных российских радиостанций с длительностями, превышающими интервал стационарности смешанного вещательного сигнала, который составляет 30...40 мин.

Обе базы записаны на долговечных носителях (компакт-дисках) в цифровом 16-битном формате записи звука (WAV), удобном для анализа на ПК.

По методу МКСО с использованием двух баз сигналов ЗВ был проведен анализ основных искажений, вносимых в сигнал каналом, таких как: спад АЧХ тракта на нижних и «верхних частотах, пики яа АЧХ тракта передачи, нелинейные искажения, а также добавление аддитивного белого шума. Кроме этого, проведен анализ изменений в сигнале после прохождения им модели канала с МРЗ кодеком [2,3,11].

Полученные результаты оценки изменений сигнала по методу МКСО были сопоставлены с результатами соответствующих ССИ. В качестве критерия оценки степени корреляционной связи результатов объективных и субъективных оценок изменений в сигнале был выбран коэффициент корреляции г, определяемый как [3]:

lm I т

"EEwv

_ ¿-i j-i i-i J-1

It I I • m '

J»Ex'"i - (£*л)2 • JnI»j - CL,y,ni?

V i-i i-i y >i j-1

где xí y¡ - значения объективной и субъективной оценок конкретного искажения соответственно;

щ - частоты пар (x¡, y¡)\

я

п^^пд ,т — число интервалов по переменной у,

i-i

i

—число интервалов по переменной х.

i-i

В случае, когда данные не сгруппированы в виде корреляционной таблицы н представляют п пар чисел (х„ y¡), формула для вычисления коэффициентов корреляции упрощается:

Я ЯЛ

г = 1-1 ** м

J»É*M¿*,)2-

V ¡-i м

На основании этой формулы был проведен расчет и получен коэффициент корреляции по всем используемым параметрам не менее 0,74 (74%), а в среднем 0,95 (95%), в зависимости от музыкального материала и вида искажений.

В результате доказана высокая корреляция изменений выбранных статистических 1

параметров с изменением субъективной заметности при использовании искажений, вводимых в сигнал при разработке ГОСТ 11515-91. Высокая корреляция подтверждает информативность предложенных параметров для задач оценки качества передачи СЗВ на С реальных вещательных сигналах и возможность использования предлагаемого МКСО для оценки качества передачи СЗВ по современным каналам.

В Главе 5 приведены таблицы сопоставления результатов субъективных испытаний и оценок изменений статистических параметров (интегральных отклонений) по трем принятым критериям: критерию заметности, критерию балльной оценки, а также предложено нормировать вещательные программы радиостанций по критерию предпочтительности на основе их рейтинга.

В табл.1 приведены результаты оценки ограничения спектра снизу и соответствующей заметности искажений. Такие же таблицы составлены для случая ограничения спектра сверху, добавления белого шума и случая нелинейных искажений.

Таблица 1

Соотношения заметности изменений СЗВ (в процентах) и отклонения _статистических параметров_

Процент заметности изменений сигнала звукового вешания

Параметр (ограничение спектра снизу), %

30 ,| 40 50 60 70

Энергетические параметры

ИО ОСМс, % 55 60 60 65 70

ИООСМк,% 35 45 50 55 63

Параметры формы

ИОКПФ,% 20...32 25...35 25...35 35...40 45...50

ИОКЗФ,% 20...32 25...35 25...35 35...40 45...50

Спектральные параметры

СКО АЧХ (лни), % — — — —

СКО АЧХ (лог), % 3 7 10 15 20

ИОПФКХ,% 32 35 35 35 35

в таблице используются следующие обозначения: КПФ1 -крутизна передних фронтов; КЗФ - крутизна задних фронтов;

СКО АЧХ (лин) - средиеквадратическое отклонение АЧХ от прямой (по линейной шкале частот)

СКО АЧХ (лог) - средиеквадратическое отклонение АЧХ от прямой (по логарифмической шкале частот);

ПФ КХ - пик-фактор кепстральной характеристики.

Отношение ИО КПФ (обозначим как а) к ИО ОСМс (обозначим как р) позволяет определить, по какой таблице производить оценку. Если — < 1, то оценка производится на

Р

основе таблиц ограничения спектра сверху или снизу (частотные искажения). В этом случае необходимо оценить соотношение ОСМс/ОСМк. Если оно больше 2, то оценка производится по таблице, соответствующей ограничению спектра сверху, если меньше 2 - по

таблице, соответствующей ограничению спектра снизу. Если 15 ^ < 2, то оценка производится по таблице, соответствующей добавлению шума. Если ^ > 2, то оценка производится по таблице, соответствующей нелинейным искажениям. Кроме того, для искажений, вносимых алгоритмом MPEG, проведено нормирование изменений статистических параметров в зависимости от балльной оценки искажений. Результаты нормирования представлены в табп. 2.

' Здесь и далее подразумевается отклонение распределений (нормированной частоты появления значений -НЧПЗ) параметра до и после прохождения сигналом канала, но для краткости термин "НЧПЗ" опускается.

Таблица 2

Соотношения заметности изменений С38 (в баллах) и отклонения _статистических параметров_

Параметр Балльная оценка (устранение избыточности в цифровом сигнале), баллы

0.3 | 0.« | 0.» | 1.2 |

Энергетические параметры

ИООСМс,% 43 48 52 52 55

ИООСМк.% 7 8 12 13 15

Параметры формы

ИОКПФ,% 27 28 30 31 32

ИО КЗФ, % 30 32 37 40 45

Спектральные параметры

СКО АЧХ (лнн), % 3 3,5 ) 4,3 4,5 5

СКО АЧХ (лог), % 5,8 6,1 6,2 6,2 6,35

ИОПФКХ,% 23 27 | 28 30 33

Сравнительный анализ параметров сигнала на входе и выходе канала передачи позволяет сформировать объективную оценку качества передачи, хорошо коррелирующую«? с результатами субъективно-статистических измерений по критериям «заметности изменений сигнала» или балльной оценки. К сожалению, в целом ряде практических приложений таких оценок недостаточно. К настоящему времени изменения сигнала в трактах формирования, первичного и вторичного распределения столь велики и разнообразны, что зачастую не укладываются в вышеприведенные шкалы. Появилась необходимость формализованной шкалы объективных абсолютных параметров сигнала, сформированных по критерию «предпочтительности» его слушателем. В главе 5 приведено подобное исследование на основе имеющейся базы радиовещательных сигналов и рейтингов наиболее популярных в России радиостанций. В табл. 3 представлены наиболее предпочтительные средние значения статистических параметров.

Таблица 3

Наиболее предпочтительные средние значения статистических параметров программ радиовеща___ тельных станций

Параметр Диапазон предпочтительных значений

параметра

Энергетические параметры

ОСМк 0,13...0,14

Параметры формы

Средняя крутизна атак, дБ/с 25

Средняя крутизна спадов, дБ/с 20

Преобладающие ритмические частоты, Гц 0,1.. .0,25

Спектральные параметры

Подъем НЧ, дБ 5...6

Подъем ВЧ, дБ 6...7

Пик-фактор кепстра 0,068

Субъективные параметры

Уровень придыхания 0,11...0,12

Из таблиц видна зависимость статистических параметров и субъективной заметности. Таким образом, в процессе тестирования канала сравнение полученных данных об отклонении распределений статистических параметров исходного сигнала и сигнала,

прошедшего канал, позволяет предсказать результат ССИ н проводить оперативный контроль на реальном вещательном сигнале без исключения канала из эксплуатации.

На языке объектного программирования Delphi 5.0 было разработано программное обеспечение, реализующее этот принцип и включающее в себя все описанные процедуры и алгоритмы. Разработана методика тестирования канала на основе реальных вещательных сигналов и в двух вариантах: с исключением канала из эксплуатации и без исключения канала из эксплуатации. Реализация методики осуществляется с помощью аппаратуры комплексного статистического оценивания (АКСО), состоящей из ПК в мультимедийной комплектации и разработанного программного обеспечения. В случае исключения канала из эксплуатации анализ статистических параметров проводится на основе звуковых фрагментов, входящих в состав АКСО. В режиме проведения оценки без исключения канала из эксплуатации данные статистического анализа входного (неискаженного) сигнала передаются по служебному каналу (интернет-каналу) на выход , где и производится сравнение параметров.

В приложениях приведены спектры использованных звуковых фрагментов, АЧХ моделей фильтров, графики зависимостей изменений статистических параметров СЗВ от степени вносимых искажений, текст основных модулей программного обеспечения и протокол субъективных испытаний по оценке качества алгоритмов MPEG.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Итогом проведенной работы является следующее:

1. Показано, что существующее метрологическое обеспечение не позволяет осуществлять объективный контроль качества передачи вещательного сигнала, прошедшего тракты с адаптивной обработкой, включая компактное представление. Установлено, что наиболее информативными параметрами реального вещательного сигнала в задачах анализа качества его передачи по адаптивным каналам являются статистические параметры трех групп: энергетической, спектрально-кепстральной и группы параметров формы аналитической огибающей вещательного сигнала, вычисляемых на длительностях, соответствующим временам интеграции слуха по громкости (200 мс), частоте (20 мс) и пороговой чувствительностью слуха к изменению огибающей звукового сигнала (2 мс).

2. Найдена корреляционная зависимость между субъективной заметностью искажений сигнала и интегральным отклонением распределений введенных статистических параметров. Доказано, что изменение этих распределений позволяет формировать объективную оценку качества передачи, коррелированную с субъективной оценкой с коэффициентом корреляции, составляющем в среднем 95%.

3. Разработан способ оценки АЧХ тракта и нелинейных искажений на реальном вещательном сигнале на основе результатов быстрого преобразования Фурье комплексно-представленного многократно транспонированного в пределах бина сигнала с точностью 0,5 дБ по амплитуде, 1,5 Гц по частоте, 8° по фазе. Это позволяет приблизить точность оценки положения спектральных составляющих на частотной оси к возможностям периферического слухового анализатора.

4. Разработана методика комплексного статистического оценивания качества передачи вещательного сигнала по каналам и трактам без сохранения формы сигнала, не охваченным существующими нормативными документами. Составлены таблицы допустимых изменений параметров по критерию заметности, балльной оценки, а также определен оптимальный диапазон значений предложенных в работе статистических параметров вещательного сигнала по критерию предпочтительности для информационно-музыкальных

программ. Разработанная методика служит дополнением к существующим нормативным документам, расширяя диапазон их применимости на адаптивные каналы и тракты звукового вешания.

5. Разработано и апробировано программное обеспечение, позволяющее реализовать автоматизированную аппаратную оценку качества передачи вещательного сигнала на основе ПК в мультимедийной комплектации без вывода тракта передачи из эксплуатации по критериям заметности искажений и балльной оценки качества передачи.

6. Экспериментально подтверждена возможность использования предложенной методики для настройки и оценки эффективности адаптивных устройств на примере настройки аудиопроцессора АРГО.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ СОИСКАТЕЛЯ

Статьи

1. Обнаружение и контроль негативных воздействий телерадиовещания. Депонирована в ЦНТИ «Информсвязь» №2200 св. 2001 от 05.01.2001, с.19-35. - Соавт.: ВА. Абрамов, О.Б. Попов, С.Г. Рихтер * ^

2. Моделирование функциональных преобразований сигналов программ звукового вещания. Депонирована в ЦНТИ «Информсвязь» №2208 св.2002 от 10.06.2002, с.82-85

3. Статистический подход к оценке изменений вещательного сигнала. Депонирована в ЦНТИ «Информсвязь» №2208 св.2002 от 10.06.2002, с.86-94

4. Вопросы объективизации измерений параметров качества звуковых вещательных сигналов// Метрология и измерительная техника связи, 2003. - №2 - с. 27-29. - Соавт.: С.Г. Рихтер, О.Б. Попов.

5. О предварительном нормировании звукового сигнала// Метрология и измерительная техника связи, 2003. - №4 - с.28-29. - Соавт.: С.Г. Рихтер, О.Б. Попов.

6. Качество каналов звукового вещания: всегда ли и всех оно устраивает? (Некоторые особенности передачи и метрологии звуковых вещательных сигналов)// ВгааЛса^од. Телевидение и радиовещание. - №7 (35) - ноябрь, 2003 - (в печати). - Соавт.: С.Г. Рихтер, ОБ. Попов.

Материалы НТК

7. Изменение эмоциональности музыкальных программ при временных смещениях // 55-ая студенческая НТК МТУ СИ. - Москва, 2000. - Тезисы докладов, с.40-41. - Соавт.: О .Б.Попов

8. Повышение качества домашнего звуковоспроизведения// 55-ая студенческая НТК МТУСИ. - Москва, 2000. - Тезисы докладов с.42-43. - Соавт.: А.П.Ефимов

9. Объединение стереофонических сигналов// 10-ая Межрегиональная конференция МНТОРЭС им. А.С.Попова "Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи". - М.: МТУСИ, 2000, тезисы с.130-135.- Соавт.: С.А Литвин.

10. Придыхание дикторов звукового вещания // Международный форум информатизации.. -М.: МТУСИ, 2001, Тезисы докладов конференции, с.91-92.

11. Оценка качества передачи звуковых вещательных сигналов в современных каналах // Научная конференция профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава - М.: МТУСИ, 2003, Материалы конференции, с.95-97. - Соавт.: Попов О.Б., Рихтер С.Г.

Üoynncaüo в пзчзть 24.i0.03r. уоржт Сх):с84/С6. Объсп i,í усл.п.л. Tisparx lOQ экз. íxuua 234.

ССО "Писвязьпздяу". Лос:<вд, ул. Аз;:&\готортая, 8.

г.

w

Ч

» 1733?

2ОО5-4

Введение..

Глава 1 Обзор искажений сигналов звукового (СЗВ) вещания в каналах передачи.

1.1 Искажения СЗВ в аналоговых трактах.

1.2 Искажения СЗВ в цифровых трактах с ИКМ.

1.3 Искажения СЗВ в цифровых трактах с компактным представлением ЗС.

Выводы по главе 1.

Глава 2 Аналитический обзор методов оценки качества передачи СЗВ

2.1 Субъективные методы оценки (субъективно-статистические испытания).

2.2 Объективные методы оценки.

2.3 Психоакустические методы оценки.

Выводы по главе 2.

Глава 3 Методика анализа искажений СЗВ на основе статистических распределений их параметров.—.

3.1 Выбор информативных параметров СЗВ и введение в метод комплексного статистического оценивания.

3.2 Алгоритмы нахождения статистических параметров СЗВ.

Выводы по главе 3.

Глава 4 Анализ искажений СЗВ по методу Комплексного статистического оценивания.

4.1 Выбор музыкального материала.

4.2 Создание фильтров и моделей для анализа.

4.3 Разработка программного обеспечения.

4.4 Анализ изменений энергетических параметров.

4.5 Анализ изменений спектральных параметров.

4.6 Анализ изменений параметров формы.

Выводы по главе 4.

Глава 5 Составление таблиц соответствия изменений статистических параметров СЗВ результатам субъективно-статистических испытаний..

5.1 Таблицы соответствия по критерию заметности.

5.2 Таблица соответствия по критерию балльной оценки.

5.3 Таблица соответствия по критерию предпочтительности.

5.4 Методика проведения процедуры оценивания качества передачи СЗВ

Выводы по главе 5.

Исследования и практические разработки в области оценки качества звукопередачи ведутся с момента появления звукового вещания как отрасли. Однако в настоящее время интерес к ним увеличился. Это вызвано острой конкуренцией на новом рынке услуг, открывшимся с переходом от централизованного малопрограммного вещания к децентрализованному многопрограммному, внедрением техники передачи, обработки и кодирования сигналов в цифровой форме, а также результатами последних исследований в области анализа звуковых сигналов и звуковосприятия.

Эффективность систем вещания и связи, их конкурентоспособность, технико-экономические показатели во многом определяются степенью согласования параметров канала передачи не только со свойствами сигнала, но и с особенностями восприятия звукового сигнала абонентами — слушателями. Эффективность такого согласования, в конечном итоге, определяет качество передачи сигнала по каналу звукового вещания.

Качество передачи и методы его оценки определяются соответствующими нормативными документами. В нашей стране это ГОСТ 11515-91. Однако в связи с бурным развитием и внедрением технологий адаптивной психоакустической обработки вещательного сигнала, существующие методики оценки качества передачи с использованием малокомпонентных тестовых сигналов оказываются малоэффективными. Такое положение приводит к появлению в каналах звукового вещания трактов и звеньев, контроль которых возможен только с использованием субъективно-статистических испытаний (ССИ). Основным недостатком ССИ является их высокая трудоемкость и необходимость выведения канала из эксплуатации на длительное время.

Таким образом, актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью выявления и оценки ненормируемых искажений СЗВ в существующих адаптивных трактах. Для этого необходим переход к нормированию искажений в каналах и трактах на основе статистических свойств реальных вещательных сигналов.

Все вышесказанное определило цель данной работы — разработка методики объективной оценки качества передачи вещательного сигнала по современным адаптивным каналам и трактам, а также обоснование и выбор технических решений, обеспечивающих возможность объективной оценки качества передачи реального вещательного сигнала без вывода канала из эксплуатации.

В качестве методов исследования в работе использовались элементы теорий звуковосприятия и звукообразования, методы математической статистики, спектрального и корреляционного анализа, а также методы оценки качества вещательного сигнала. Все эксперименты выполнены с использованием современной вычислительной техники и доработанного автором программного обеспечения, созданного научной группой кафедры РВ и ЭА.

Проблемам анализа звуковых сигналов посвящены работы ученых В. В. Фурдуева, JI. В. Шитова, В. А. Нюренберга, С. Л. Мишенкова, Б. Р. Левина, А. А. Харкевича, А. В. Никонова, Л. 3. Папернова, 3. Н. Резвякова, В. С. Саватеева, Дж. Беллами, М. А. Сапожкова. Вопросы оценки качества передачи сигнала вещания и связи рассмотрены в работах И. Е. Горона, Г.Б. Аскинази, С. Л. Мишенкова, В. П. Гученко, Ю. А. Ковалгина, М.Л. Сурова, И. Г. Дрейзена.

Работа является естественным продолжением исследований, которые проводились и проводятся на кафедре РВ и ЭА под руководством и при участии таких ученых и специалистов, как: И. Г. Дрейзен, И. Е. Горон, В. А. Нюренберг, Л. 3. Папернов, М. А. Сапожков, С. Л. Мишенков, О. Б. Попов, С.Г. Рихтер, Г. А. Донцова, С.А.Литвин.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Показано, что существующее метрологическое обеспечение не позволяет осуществлять объективный контроль качества передачи вещательного сигнала, прошедшего тракты с адаптивной обработкой, включая компактное представление. Отобраны наиболее информативные параметры реального вещательного сигнала, формируемые на коротких временных интервалах и позволяющие использовать изменение интегральных статистических распределений параметров для формирования объективной оценки качества передачи, коррелированной с субъективной оценкой.

2. Разработана шкала соответствия между изменением предложенных интегральных статистических распределений параметров вещательного сигнала и заметностью изменений сигнала, которая позволила ограничить набор используемых параметров тремя группами: энергетической, спектрально-кепстральной и группой параметров формы аналитической огибающей вещательного сигнала. Предложено энергетические параметры вычислять на длительности 200 мс, спектрально-кепстральные параметры — на длительности 20 мс, а параметры формы оценивать на длительности 2 мс, что совпадает с временем интеграции слуха по громкости, частоте и с порогом восприятия изменения огибающей сигнала, соответственно.

3. Разработан способ повышения точности спектральной оценки, учитывающий особенности вещательных сигналов, включающих звуковые объекты ограниченной длительности порядка 40 мс. Способ основан на быстром преобразовании Фурье комплексно-представленного многократно транспонированного в пределах бина сигнала с точностью 0,5 дБ по амплитуде, 1,5 Гц по частоте, 8° по фазе, что позволяет приблизиться к возможностям периферического слухового анализатора. Предложенный способ позволяет производить оценку АЧХ тракта и выявлять нелинейные искажения на реальном вещательном сигнале.

4. Предложены дополнения к существующим нормативным документам в виде разработанной методики комплексного статистического оценивания качества передачи сигналов звукового вещания, позволяющие контролировать современные адаптивные каналы и тракты на реальном сигнале без вывода их из эксплуатации, с автоматизацией процесса формирования оценки по критерию заметности искажений, балльной оценки качества передачи. Определен также оптимальный диапазон значений предложенных в работе статистических параметров вещательного сигнала по критерию предпочтительности для информационно-музыкальных программ.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Разработана методика оценивания качества передачи СЗВ в трактах с адаптацией параметров к передаваемому сигналу, позволяющая формировать объективную оценку качества передачи в каналах, заведомо не обеспечивающих сохранение формы сигнала и контролируемых только с использованием ССИ. Предлагаемая методика позволяет проводить оперативную оценку на реальном вещательном сигнале, обеспечивая результаты оценки близкие к результатам ССИ.

2. Разработано и внедрено программное обеспечение, позволяющее реализовать автоматизированную аппаратную оценку качества передачи вещательного сигнала без вывода тракта передачи из эксплуатации.

3. Создана база «критических» звуковых сигналов и часовых фрагментов реальных радиовещательных программ для оценки качества передачи по каналам и трактам звукового вещания, использующим адаптивные алгоритмы обработки сигнала.

Положениями, выносимыми на защиту, являются следующие:

1. В настоящее время все каналы и тракты звукового вещания являются адаптивными. В то же время существующая нормативная база, контролирующая сохранение формы в каналах передачи, не обеспечивает объективную оценку качества передачи по современным адаптивным аналоговым и цифровым каналам, не предполагающим сохранение формы сигнала. В настоящее время оценка качества таких каналов возможна только с использованием трудоемких ССИ, что сужает область применения существующей нормативной базы.

2. Объективная оценка качества передачи в каналах, коррелированная с субъективной оценкой, может быть сформирована на основе комплексного анализа изменений статистических параметров вещательного сигнала по критериям заметности его изменений, балльной оценки и по критерию предпочтительности звучания. При формировании оценки используются энергетические, спектральные, кепстральные параметры, а также параметры формы аналитической огибающей вещательного сигнала, вычисляемые на длительностях, соизмеримых с временем интеграции слуха по громкости (200 мс), частоте (20 мс) и временем порогового восприятия огибающей сигнала (2 мс).

3. Повышение точности спектральной оценки на основе результатов быстрого преобразования Фурье комплексно-представленного многократно транспонированного в пределах бина сигнала, позволяет приблизить точность оценки спектральных составляющих к возможностям периферического слухового анализатора: 0,5 дБ по амплитуде, 1,5 Гц по частоте, 8° по фазе. Применение способа позволяет производить оценку АЧХ тракта на реальном вещательном сигнале и выявлять нелинейные искажения.

4. В задачах сравнительного анализа дискретизированных сигналов 4 возникает необходимость предварительного нормирования исследуемых сигналов, которое, как правило, осуществляется по пиковому уровню. При анализе звуковых сигналов нормирование по вероятности превышения заданного уровня предпочтительнее нормирования по максимальному значению, что согласуется с физикой звуковосприятия. В сочетании с повышением точности спектрального анализа это позволяет приблизить результаты анализа изменений статистических параметров вещательных сигналов к результатам сси.

Выводы по главе 5

1. Составлены таблицы допустимых изменений введенных ранее объективных параметров в соответствии со степенью заметности изменений вещательного сигнала. Полученные таблицы (в совокупности с разработанным программным обеспечением) позволяют формировать оценку качества по субъективному критерию с использованием персонального компьютера, без проведения ССИ. Это обозначает подходы к автоматизации оценки качества передачи. Предложен анализ вещательных программ на основе связи статистических параметров и рейтингов радиостанций.

2. Разработана методика проведения испытаний по оценке качества передачи ЗС на основе реальных вещательных сигналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. С учетом современных достижений в области компьютерного анализа звукового сигнала, а также тенденции развития вычислительной техники в целом, предложено оценивать современные системы звукового вещания, включая цифровое радиовещание и звуковое сопровождение телевидения по информационно-эмоциональным критериям на основе анализа статистических распределений частотно-энергетических параметров и искажений вещательных сигналов.

2. Создана база для нормирования исследований совокупности взаимозависимых инструментальных и субъективных характеристик качества и искажений сигналов ЗВ, состоящая из двух частей: а) применительно к современным условиям создана база фрагментов музыкальных сигналов, начальный прототип которой использовался профессором И.Е.Гороном для проведения ССИ реальных радиовещательных каналов. Созданная база включает 30-секундные фрагменты 8 основных жанров (звучание скрипки, женского сопрано, мужского баса, рояля, органа, а также широкополосного симфонического оркестра и звучания оркестра с преобладанием в спектре высокочастотных составляющих), записанные в цифровом формате (частота дискретизации 44,1 кГц, 16 бит). База позволяет проводить анализ основных искажений с привлечением результатов масштабных ССИ, проводимых под руководством И.Е.Горона; б) создана база в цифровом формате (частота дискретизации 32 кГц, 16 бит) реальных часовых вещательных программ 10-ти наиболее популярных в стране радиостанций (Маяк, Радио России, Радио «ВВС», Говорит Москва, Радио Свободы, Немецкая волна, Народное радио, Авторадио, Эхо Москвы и Радио «Орфей»). Особенностью базы является большая длительность каждого из ее элементов (1 час), соизмеримая с интервалом стационарности для вещательного сигнала. База позволяет проводить статистический анализ искажений в каналах и трактах на интервалах большой длительности. Есть возможность дальнейшего расширения базы путем включения в ее состав коммерческих радиостанций УКВ диапазона, а также сигналов звукового сопровождения ТВ.

3. Разработан способ повышения точности спектральной оценки на основе результатов быстрого преобразования Фурье (БПФ) оценки комплексно-представленного многократно транспонированного в пределах бина сигнала, позволяющий приблизить точность оценки положения спектральных составляющих на частотной оси к возможностям периферического слухового анализатора. Особенностью способа является возможность повышения точности оценки частоты спектральных составляющих без увеличения размера выборки, что важно для анализа звуковых сигналов. Для однокомпо-нентного сигнала максимальная погрешность составит величину обратно пропорциональную удвоенному количеству сдвигов, в частности при N = 256, F = 16 кГц и 64 сдвигах ошибка не превышает 0,5 Гц. При традиционном вычислении БПФ такая точность достигается при выборке не менее 32000 точек.

4. Разработано программное обеспечение (ПО) для выделения частотно-энергетических статистических параметров СЗВ на интервалах интеграции слухового анализатора (200 мс), построения вероятностных распределений этих параметров, сравнения распределений двух сигналов (исходного и искаженного) и формирования объективной оценки качества передачи, коррелированной с данными ССИ. В процессе разработки программы использовался язык объектного программирования Borland Delphi version 5.0 (Build 5.62) компании Inprise Corporation, а также созданная база фрагментов ЗС 8-ми основных жанров и база реальных часовых вещательных программ.

5. В результате исследований корреляционных соотношений между инструментальными и субъективными показателями качества созданы основы для автоматизированного тестирования качества передачи СЗВ на реальных вещательных сигналах без исключения канала из эксплуатации.

1. ГОСТ 11515-91. Каналы и тракты звукового вещания. Основные параметры качества. Методы измерения. М.: 1991.

2. Иоффе М.Г. Автоматический контроль трактов звукового вещания. — М.: Связь, 1980. — 128 с.

3. Руководство по настройке и паспортизации каналов вещания. М.: Связь, 1970.

4. Цвикер Э., Фельдкеллер Р. Ухо как приемник информации. М.: Связь, 1971.-256 с

5. Zwicker Е. Psychoakustik. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg - New York, 1982.

6. Лихницкий А. Качество звучания. — Ст. Петербург: РДК, -1998,с.72.

7. ISO 6189-1983, "Pure Tone Air Conduction Threshold Audiometry for Hearing Conservation Purposes," International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland (1983).

8. ISO 7029-1984, "Threshold of Hearing Air Conduction as a Function of Sex and Age for Otologically Normal Persons," International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland (1984).

9. OCT 4.202.003-84 Методы экспертной оценки качества звучания. -М.: Стандарты. 1984.

10. Moore B.C.J., Glasberg B.R., Baer Т. A Model for the Prediction of Thresholds, Loudness, and Partial Loudness. — J. Audio Eng. Soc , Vol 45, No. 4, 1997 April, p.224-240.

11. Soulodre G.A., Grusec Т., Lavoie M., Thibault L. Subjective Evaluation of State-of-the-Art Two-Channel Audio Codecs. J. Audio Eng. Soc , Vol 46, No. 3, 1998 March, p.164-177.

12. ITU-T Recommendation P.800, Methods for subjective determination of transmission quality, 1996.

13. Sporer Th. Evaluating Small Impairments with the Mean Opinion Scale -Reliable or Just a Guess? — 101st AES Convention 1996, Preprint #4396 (E-l).

14. ITU-R Recommendation BS.l 116-1, Methods for the Subjective Assessment of small Impairments in Audio Systems including Multichannel Sound Systems, 1997.

15. ITU-R Recommendation BS.562-3, Subjective assessment of sound quality.

16. Cabot R. C. "Audio Measurements," J. Audio Eng. Soc., vol. 35 pp.476499 (1987 June).

17. Исследование заметности искажений в радиовещательных каналах/ под ред. И. Е. Горона. М.: Связьиздат, - 1959.

18. Нюренберг В.А. Параметры вещательных сигналов в каналах передачи. М.: ВЗЭИС, 1969.

19. Нюренберг В.А. Технический контроль в звуковом вещании. М.: Связь, 1963.

20. Шитов JI.B., Белкин Б.Г. Статистические характеристики сигналов, представляющих натуральные звучания, и их применение при исследовании электроакустических систем. — Труды НИКФИ, 1970. - вып. 56., - стр. 77173.

21. Rantzen Н.В., Peachey F.A., Gunn-Russel М.А. The Broad Principles in the design of Automatic Monitors. — Electronic Engineering, v. XXIII, January, 1951, #275, p. 19-26.

22. Минц Б.С. Новый способ автоматического контроля радиовещательных трактов. — Вестник связи, 1958, №9, с.8-10.

23. Альпер М. Устройство для контроля некоторых показателей передатчиков. Румынское радио и телевидение. — Радио и телевидение ОИРТ, 1969, №4, с.36-38.

24. А.С. 90158 (СССР). Способ измерения нелинейных искажений/Вольф В.М.

25. Вольф В.М. Динамический метод исследования нелинейных искажений. — Радиотехника, 1953, т.8, №2, с.27-37.

26. А.С. 149474 (СССР). Устройство для автоматического контроля работы радиовещательных установок/Аскинази Г.Б.

27. Шелухин О.И., Лукьянцев Н.Ф. Цифровая обработка и передача речи/под ред. О.И. Шелухина. — М.: Радио и связь, 2000. — 456 с.

28. Paillard В., Mabilleau P., Morissette S. PERCEVAL: Perceptual Evaluation of the Quality of Audio Signals. J. Audio Eng. Soc. Vol. 40. No. 1/2, 1992, p.21-31.

29. Beerends J.G, Stemerdink J.A. A Perceptual Audio Quality Measure Based on a Psychoacoustic Sound Representation. J. Audio Eng. Soc , Vol 40, No. 12,1992 December, p.963-973.

30. Beerends J.G, Stemerdink J.A. A Perceptual Audio Quality Measure Based on a Psychoacoustic Sound Representation. J. Audio Eng. Soc , Vol 42, No.3, pp. 115-123,1994.

31. Colomes C., Lever M., Rault J.B., Dehery Y.F. A perceptual model applied to audio bit-rate reduction. — J. Audio Eng. Soc., Vol. 43, pp. 233-240, 1995.

32. Moller S., Berger J. Describing Telephone Speech Codec Quality Degradations by Means of Impairment Factors. — J. Audio Eng. Soc., Vol. 50, No. 9,2002

33. Herre J., Eberlein E., Schott H., Schmidmer Ch. Analysis Tool for Realtime Measurements using Perceptual Criteria". — Proc. of the 11th International AES Conference on Audio Test and Measurement, Portland 1992, pp. 180-190.

34. Keyhl M., Schmidmer Ch., Herre J, Hilpert J. Maintaining Sound Quality Experiences and Constraints of Perceptual Measurements in Today's and Future Networks". — 98th AES Convention, Paris, 1995, Preprint #3946.

35. Keyhl M., Schmidmer Ch., Wachter H. A Combined Measurement Tool for the Objective, Perceptual Based Evaluation of Compressed Speech and Audio Signals. — 106th AES Convention, Munich, 1999, Preprint #4931.

36. Sporer Th. Objective Audio Signal Evaluation Applied Psychoacoustics for Modeling the Perceived Quality of Digital Audio. — 103rd AES Convention, New York, 1997 Preprint #4512.

37. Thiede Th., Kabot E. A New Perceptual Quality Measure for Bit Rate Reduced Audio. — 100th AES Convention, Copenhagen, 1996, Preprint #4280.

38. ITU-T Recommendation P.861, Objective Quality measurement of telephone-band (300 3400 Hz) speech codecs, 1996.

39. ITU-T Recommendation P.862, PESQ an objective method for end-to-end speech quality assessment of narrowband telephone networks and speech codecs, February 2001.

40. Beerends J. G., Rix A. W., Hollier M. P., Hekstra A. P. Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ) The New ITU Standard for End-to-End Speech Quality Assessment, Part I — Time-Delay Compensation. — J. Audio Eng. Soc., Vol. 50, No. 10,2002.

41. Beerends J. G., Rix A. W., Hollier M. P., Hekstra A. P. Perceptual Evaluation of Speech Quality (PESQ) The New ITU Standard for End-to-End Speech Quality Assessment, Part II — Psychoacoustic Model. — J. Audio Eng. Soc., Vol. 50, No. 10,2002.

42. Brandenburg К., Sporer Th.: TsTMR' and 'masking flag': Evaluation of Quality using Perceptual Criteria. — Proc. of the 11th International AES Conference on Audio Test and Measurement, Portland 1992, pp. 169-179.

43. Keyhl M., Herre J., Schmidmer Ch. NMR Measurements of Consumer Recording Devices Which Use Low Bit-Rate Audio Coding. — 94th AES Convention, Berlin 1993, Preprint #3616.

44. Keyhl M., Herre J., Schmidmer Ch. NMR Measurements on Multiple Generations Audio Coding. — 96th AES Convention, Amsterdam, 1994, Preprint #3803.

45. Beerends J. G. Measuring the Quality of Speech and Music Codecs, an Integrated Psychoacoustic Approach. — 98th AES Convention, Paris 1995, Preprint #3945.

46. ITU-R Recommendation BS.1387-1, Method for Objective Measurements of Perceived Audio Quality (PEAQ), Revised 11/01.

47. Benjamin E. Evaluating Digital Audio Artifacts with PEAQ. — 113th AES Convention, Los Angeles 2002, Preprint #5711.

48. Keyhl M., Schmidmer Ch., Wachter H., Rath S., Stoll G., Colomes C., Sporer T. Evaluating the Perceived Audio Quality (PEAQ) of Internet Audio Codecs. — 109th AES Convention, Los Angeles, 2000.

49. Stoll G., Beerends J. G., Bitto R., Brandenburg K., Colomes C., Feiten В., Keyhl M., Schmidmer Ch., Sporer Т., Thiede Th., Treuniet W. PEAQ — The ITU Standard for Objective Measurement of Perceived Audio Quality. — J. Audio Eng. Soc., Vol. 48, 2000.

50. Treurniet W. C., Soulodre G. A. Evaluation of the ITU-R Objective Audio Quality Measurement Method. — J. Audio Eng. Soc., Vol. 48, Number 3, March 2000.

51. Кидд Дж. Слуховое распознавание сложных сигналов: влияние амплитудного разброса составляющих на распознаваемость формы спектра. Auditory processing of complex sounds. London.1987. 16-25, пер. 66333.

52. Гилки Роберт X. Сравнение спектральной и временной информации при маскировании акустических сигналов. Auditory processing of complex sounds. London.1987,26-35, пер. C-66334.

53. Ватсон Ч. Неопределенность: информационное маскирование и емкость оперативной слуховой памяти. Auditory processing of complex sounds. London. 1987. 267-277, пер. C-66355.

54. ISO/IEC/JTC1/SC29/WG11 Draft Document N1557, Evaluation Methods and procedures for MPEG-4 tests, 1997.

55. ITU-R Recommendation BS.1534, Method for the subjective assessment of intermediate quality level of coding systems), June 2001.

56. ITU-T Contribution COM12-74-E, Review of Validation Tests for Objective Speech Quality Measures, March 1996.

57. ITU-T Recommendation G.107, The E-model, a computational model for use in transmission planning,May 2000.

58. ITU-T Recommendation E.420, Checking the Quality of the International Telephone Service — General Considerations, 1988, (Extract from the Blue Book).

59. ITU-T Recommendation P.562, Analysis and interpretation of INMD voice-service measurements, May 2000.

60. ITU-T Recommendation P.810, Modulated Noise Reference Unit (MNRU), 1996.

61. ITU-T Recommendation P.830, Subjective Performance Assessment of Telephone-Band and Wideband Digital Codecs, 1996.

62. ITU-T Recommendation P.833, Methodology for Derivation of Equipment Impairment Factors from Subjective Listening-Only Tests, 2001.

63. ITU-T Recommendation P.834, Methodology for the Derivation of Equipment Impairment Factors from Instrumental Models, 2002.

64. Мишенков C.JI. Исследование и развитие систем звукового вещания и оповещения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада. М.: Информсвязьиздат, 1996.

65. Попов О.Б., Рихтер С.Г. О возможных подходах к измерению качества передачи в адаптивных вещательных каналах // Метрология и измерительная техника. 1998, №5, с. 24-27.

66. Хрянин Е.А. Статистический подход к оценке изменений вещательного сигнала. Деп. в ЦНТИ «Информсвязь» №2208 св.2002 от 10.06.2002, с.86-94.

67. Рихтер С.Г., Попов О.Б., Хрянин Е.А. Вопросы объективизации измерений параметров качества звуковых вещательных сигналов// Метрология и измерительная техника связи, 2003. №2 - с. 27-29. — Соавт.: С.Г. Рихтер, О.Б. Попов.

68. Рихтер С.Г., Попов О.Б., Хрянин Е.А. Качество каналов звукового вещания: всегда ли и всех оно устраивает? (Некоторые особенности передачи и метрологии звуковых вещательных сигналов)// Broadcasting,.

69. Кремер Н.Ш. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебник для вузов. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. — 543 с.

70. Отчет по НИР "Разработка и исследование методов измерений параметров вещательных каналов с адаптируемыми к сигналу параметрами". Договор № 6802/01 от 01.03.2001. Шифр "Оценка", 2002, 72 с.

71. Сб.: Гарбузов Е. Г. музыкант, исследователь, педагог. М., 1980

72. Асафьев В. Музыкальная форма как процесс. JL, 1971.

73. Лихницкий А. М. Как слушать то, о чем мы рассказываем. "AM", 1997, № 1 (12).

74. Финк Л.М. Сигналы, помехи, ошибки. (Заметки о некоторых неожиданностях, парадоксах и заблуждениях в теории связи). — М.; Связь, 1978. —272 е., ил.

75. Ишуткин Ю.М. Разработка теории модуляционного анализа-синтеза звуковых сигналов и ее практическое применение в технике записи звука кинофильмов.- Автореф. диссерт. докт. техн. наук.- М.: НИКФИ, 1985. -46 с.

76. Ишуткин Ю.М., Плющев В.М. Преобразование огибающей звуковых сигналов // Техника кино и телевидения. — 1983. №4. — с. 3-6.

77. Хэррис Ф. Дж. Использование окон при гармоническом анализе методом дискретного преобразования Фурье // ТИИЭР, 1978. —66, -1, -с.60-96.

78. Рейхардт. Акустика общественных зданий. М., Стройиздат, 1984, с. 91-105.

79. Грудинин А.С., Ковалгин Ю.А. Кодирование звуковых сигналов в спектральной области. Техника кино и телевидения, 1987 N 7, с. 14-19.

80. Волкова Ю.В. Компактное представление речевого сигнала для радиосвязи и вещания./Автореферат диссертации/: Информсвязьиздат, 1994.

81. Марпл-мл C.JI. Цифровой спектральный анализ и его приложения. -М.: Мир,-1990.

82. Лихницкий А. М. Моя аудиоэкспертиза. «АМ», 1997, № 3 (14).

83. Квортруп. Дорога в аудиоад. «АМ», 1996, № 3 (8), с. 39-41.

84. Льюс Р., Галантер Е. Физические шкалы. В сб.: Психологические измерения. Под ред. Л.Д. Мешалина. М.: Мир, 1967, с. 116-118.

85. Bekesy G., Von. Experiments in hearing. New York; Toronto; London,1960.

86. МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ ♦ Московский технический университет связи и информатики1. На правах рукописи

87. Хрянин Евгений Анатольевич

88. КОМПЬЮТЕРНАЯ ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ ЗВУКОВЫХ ВЕЩАТЕЛЬНЫХ СИГНАЛОВ

89. Специальность 05.12.04 -«Радиотехника, в том числе системы и устройства радионавигации, радиолокации и телевидения» (технические науки)