автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Повышение качества речевой информации с учетом действия акустических шумов транспортных средств

Список основных сокращений

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ методов и средств повышения качества речевой 9 информации

1.1. Состояние вопроса на железных дорогах Вьетнама

1.2. Перспективные системы железнодорожной радиосвязи

1.3. Анализ развития сотовых систем подвижной связи Вьетнама

1.4. Определение разборчивости и качества речевой информации.

1.5. Вывод по главе: Перечень актуальных задач, подлежащих исследованию.

Глава 2. Разработка узкополосного синтетического способа передачи 32 речевых сигналов для повышения их разборчивости и качества

2.1. Экспериментально снятый спектр акустического шума тепловоза

2.2. Синтетический способ цифровой передачи PC

2.3. Структурная схема передающей стороны разработанного вокодера

2.4. Структурная схема приемной стороны разработанного вокодера

2.5. Возможность дальнейшего уменьшения скорости цифровой передачи 44 речевых сигналов.

2.6. Принципиальная схема передатчика частотной составляющей PC.

2.7. Принципиальная схема приемника частотной составляющей PC

2.8. Макет экспериментальной установки

2.9. Экспериментальная проверка зависимости кривой СПМ и приёмопередатчика в целом.

2.10. Выводы по главе

Глава 3. Невокодерые способы повышения разборчивости и качества речевых сигналов в радиостанциях подвижной железнодорожной радиосвязи.

3.1. Возможности вейвлет-анализа для обработки зашумленного речевого сигнала

3.2. Адаптивная компенсация акустических шумов

3.3. Выделитель опорного шума для адаптивной компенсации шумов.

3.4. Оптимизация АЧХ ЭАТ передатчика ЖР для повышения разборчивости и качества речи при воздействия АШ локомотива.

3.5. Цифровая фильтрация акустических шумов и электрических помех.

3.6. Выводы по главе.

Глава 4. Повышение разборчивости и качества речевых сигналов за счёт помехоустойчивости подвижной радиосвязи.

4.1. Постановка задачи исследования

4.2. Точное описание под- и надпороговой области ЧМ

4.3. Линейный демодулятор ЧМ сигналов, улучшающий разборчивость 101 речи.

4.4. Альтернативное определение "обобщенного выигрыша системы"

4.5. Повышение разборчивости и качества речи за счёт исключения действия станционной многолучёвости на систему связи

4.6. Исследование помехоустойчивости косвенной ЧМ

4.7. Повышение помехоустойчивости приёма ЧМ сигналов за счёт исключения преобразования паразитной AM в ФМ в приёмнике

4.8. Выводы по главе

Глава 5. Увеличение помехоустойчивсти приёма радиосигналов и качества речи в ЖР за счёт управляемого слогового компандирования.

5.1. Управляемое слоговое компандирование, рекомнендованное МККР.

5.2. Разработка метода УСК без сокращения полосы частот речевого сигнала и с меньшим уровнем нелинейных искажений.

5.3. Разработка УСК без по днесущей для ЖР

5.4. Выигрыш в помехоустойчивости системы связи с ЧМ при использовании УСК

5.5. Исключение сокращения полосы частот PC в УСК путём деления/умножения в 2 раза его полосы частот.

5.6. Однополосная передача ЧМ колебания поднесущей

5.7. Реализация УСК

5.8. Выводы по главе 5 158 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 159 Литература 161 Приложения

Список основных сокращений

АДИКМ - адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция

АУДП - автоматическое управление движением поездов

АЦП - аналого-цифровый преобразователь

АШ - акустический шум

АЧХ - амплитудно-частотная характеристика

ВНП - внутренний национальный продукт

ЖР - железнодорожная радиостанция

ИКМ - импульсно-кодовая модуляция

МККР - международный консультативный комитет по радиосвязи

МПУ - устройство программного управления

НТТМ - научно-техническое творчество молодёжи

ОБП AM - одна боковая полоса AM колебания

ПРС - поездная радиосвязь

PC - речевой сигнал

САПР - система автоматизированного проектирования

СКО - среднее свадратическое отклонение

СПМ - спектральная плотность мощности

ССПС - сотовая система подвижной связи

СЧД - стандартный частотный детектор

ТДМА - многостанционный достуа с временным разделением каналов

ТМУ - тракт микрофонного усиления

УПЧ - усилитель промежуточной частоты

УСК - упрявляемое слоговое компандирование

УСПС - универсальная система подвижной связи

УСПС-Т - универсальная система подвижной связи для транспорта

ФСС - фильтр сосредоточенной селекции

ФЧХ - фазо-частотная характеристика

ЦАП - цифро- аналоговый преобразователь

ЦОС - цифровая обработка сигналов ЧИМ - частотно-импульсная модуляция ТТТИМ - широтно-импульсная модуляция ЭАТ - электроакустический тракт ЭП - электрическая помеха CD - кепстральное расстояние

DAM - Диагностическая мера приемлемости (Diagnostic Acceptability Measure) DRT - Диагностический рифмованный тест (Diagnostic Rhyme Test) ECTS - система безопасности и управления движением поездов ERTMS - единая система управления железнодорожными перевозками ETSI-SMG - Европейский институт стандартов связи - специальная группа подвижной связи

LPC - кодер с линейным предсказанием

MOS - среднее знаяение мнений

S/N - отношение сигнал/шум

SG S/N - сегментальное отношение сигнал/шум

В последние годы свыше 50% всех публикаций в Европе, США и Японии по цифровой передаче речи посвящено увеличению качественных показателей кодеров, работающих на низких скоростях передачи (4,8 кбит/с и ниже).

В экстремальных условиях качество информации железнодорожной радиосвязи может определить исход опасной ситуации для движения поезда.

Снижение качества речевой информации определяется акустическими шумами локомотива и электропомехами различного происхождения.

Акустические шумы порождаются работающими двигателями локомотива, уровень которых доходит до 100 дБ. Шумовая защита микрофона недостаточно ослабляет их проникновение в систему связи, отчего разборчивость и качество речи машиниста в ней низкое.

Электропомехи особенно велики при энергоснабжении переменным током напряжения 25 кВ. Электропомехи, возникающие при электрической дуге между контактной сетью и токоприёмником (пантографом) дают сильные трески и щелчки на выходе радиотелефона локомотивной радиостанции. На их фоне речь почти не различима. Уровень этих помех перекрывает диапазон телефонного канала. В то же время на низких частотах, не превышающих 300 Гц, ощущается значительное влияние проникающих в канал гармоник частоты 50 Гц напряжения контактной сети и низкочастотных помех, связанных с переключением режимов работы в виде скачков тока сильноточных электроагрегатов электровозов (электродвигателей, компрессоров и др.)

Разборчивость и качество речи могут быть увеличены путём использования полосовых фильтров с крутыми скатами (до 6 дБ/Гц) амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Такую крутизну скатов АЧХ обеспечивают только цифровые фильтры, которые чаще выполняются на микропроцессорах, например ADSP-2181 с программным обеспечением на 8 основе быстрого преобразования Фурье (БПФ). Однако и цифровые фильтры не исключают помех и шумов, находящихся в полосе частот речевого сигнала. Это могут сделать адаптивные компенсаторы шумов. Последние пока не находят широкого применения на практике из-за трудности получения опорного шума. В данной работе предлагаются методы его получения. Весьма эффективной и перспективной является обработка зашумленного сигнала с помощью нового преобразования - вейвлет-преобразования. Повышение качества приёма речи способствует увеличение помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи, чему так же следует уделить серьёзное внимание. В цифровой системе стандарта TETRA, внедряемой на железнодорожном транспорте, используется низкоскоростная передача цифровой информации (4,8 кбит/с) и вокодер с линейным предсказанием, что позволяет эффективно снизить акустические шумы методом фильтрации. Целесообразна более узкополосная передача речевых сигналов, для практически полного устранения акустических шумов и помех. Эти вопросы решаются в данной работе.

5.8. Выводы по главе 5

1. Для увеличения качества речи выхода ЖР при использовании УСК предложено

1.1) поднесущую частоту ЧМ-колебания канала управления выбирать ниже тонального диапазона частот, который является свободным;

1.2) исключить поднесущую частоту, а слоговой огибающей осуществлять ЧМ непосредственно колебания несущей частоты передатчика. При этом целесообразно с точки зрения энергетики иметь два раздельных усилителя:

- усилитель ЧМ колебания слоговой огибающей (канала управления);

- усилитель ЧМ колебания компрессированного PC

1.3) уменьшить полосу частот в 2 раза путём формирования 0,5 ОБП AM и когеркнтного детектирования последнего на передающей стороне, а так же формирования 0,5 ОБП AM и умножения полосы частот последнего в 2 раза с последующем когерентным детектированием на приёмной стороне. При этом освобождается половина полосы PC, по которой можно передавать не только ЧМ-колебание поднесущей, но и другую информацию.

За счёт деления-умножения частоты в 2 раза полоса частот PC восстанавливается и его качество практически не меняется.

1.4) при цифровой передаче PC с УСК поднесущую предложено брать равной 3700 Гц > Fmax = 3400 Гц, т.е. выше спектра PC и тем самым исключать сокращение полосы частот последнего.

2. Для увеличения помехоустойчивости на 6 дБ за счёт УСК предложено в канале управления использовать ОБП ЧМ

3. Исследованы принципиальные схемы элементов УСК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Оптимизирована амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) электроакустического тракта по критерию минимума акустических шумов транспортного средства в этом тракте, что повысило разборчивость речи на 10%. Аппроксимирована данная АЧХ методом наименьших взвешенных квадратов. Показано, что погрешность аппроксимации наименьшая (0,5%), если в качестве весовых коэффициентов используются уровни ощущения формант речи.

2. Предложены методы получения опорного шума, решающие проблему адаптивной компенсации акустического шума локомотива, попадающего в микрофон машиниста:

- аппаратный метод;

- метод вейвлет-преобразования.

3. Предложены методы повышения качества компандированной речи, исключающие сокращение её полосы частот:

- передача слоговой огибающей на поднесущей 150 Гц вместо 2850 гц;

- передача слоговой огибающей на несущей частоте передатчика, исключив вообще поднесущую;

- деление в 2 раза полосы частот речевого сигнала на передающей стороне и восстановление её (путём умножение в 2 раза) на приёмной стороне. Это позволяет в полосе частот речевого сигнала передавать дополнительную информацию.

4. Уточнено уравнение для оценки помехоустойчивости (и качества речи) тракта передачи информации с модернизированным управляемым компандированием, что позволило определить помехоустойчивость УСК при поднесущей частоте fn - 150 Гц.

5. Разработан новый механизм прохождения помех в виде паразитной AM на выход приёмника ЧМ сигналов и на его основе разработаны рекомендации по их исключении, что существенно повышает качество речевой информации.

160

6. Предложен метод, исключающий понижение в 3 раза помехоустойчивости приёма ЧМ сигналов с предыскажением 6 дБ на октаву.

7. Экспериментально получена спектральная характеристика акустических шумов локомотива, из которой следует, что АШ имеют максимум на частоте 300 Гц и перекрывают весь тональный (разговорный) диапазон частот.

8. Для наиболее эффективной фильтрации АШ предложено передавать не полный речевой сигнал (PC), а только его огибающую и частотную составляющую, каждая из которых занимает полосу частот в 31 раз меньшую полосы частот полного PC. На приёмной стороне по этим составляющим синтезируется исходный PC.

9. Экспериментально получена спектральная характеристика частотной составляющей PC, подтвердаюшая названный выигрыш в полосе частот, что явилось основанием для разработки соответствующего вокодера PC.

10. Разработан в соавторстве макет цифрового вокодера с передачей огибающей и частотной составляющей PC, позволяющий организовать в полосе частот поездной радиосвязи 6 цифровых канала, в то время как при передаче полного PC невозможно организовать и одного цифрового канала. Аналоговых же каналов может быть около 14. Разработанный макет данного вокодера успешно демонстрировался в работе перед государственной аттестационной комиссией при защите дипломного проекта, на всероссийской выставке НТТМ в 2001 и 2002 г.г. и авторы удостоены медали и дипломов Минобразования РФ.

1. Развитие железных дорог Вьетнама на современном этапе Ханой: УМК МТ, 2001.

2. Горелов Г. В., Ромашкова О. Н., Чан Туан Ань. Качество управления речевым трафиком в телекомуникационных сетях // Под редакции Г. В. Горелова.-М.:Радио и связь, 2001.

3. Ромашкова О. Н. Перспективы применения сотовых систем подвижной связи на железнодорожном транспорте //Автоматика, связь, информатика 2001 №4, С. 23-26.

4. Шалягин Д. В. и др. Устройства железнодорожной автоматики и связи М.: Транспорт, 2002, 4.2.

5. Каратаев Г. А. Эффективный алгоритм кодирования речевого сигнала на скорости 4,8 кбит/с и ниже. // «Зарубежная радиоэлектроника», 1996, №3 -С. 52-68.

6. Волков А. А., Захаров А. В. Способ низкоскоростной передачи речевых сигналов // Труды IV Международной НТК «Перспективные технологии в средствах передачи информации ПТСПИ 2001», Владимир-Суздаль, 15-17 авг. 2001 г., С. 89-91.

7. А.С. 1128397. Система связи с однополосной модуляцией сигналов// А.А. Волков. Приоритет от 12.09.83

8. А.С. 1030979. Система связи // А.А. Волков. Приоритет от 27.04.83

9. Ю.Величкин А.И. Теория дискретной передачи аналоговых сообщений. -М.1. Сов. радио, 1970.

10. Аладин И.И., Дежурный И. И. Есть ли будущее у систем FDMA//5-fi бизнес-форум "Мобильные системы-2000" М.:2000. т.2.-с. 152-158

11. Аладин И.И., Дежурный И. И., Козленко Н. И. Аналоговый вокодер интегрального типа// Электросвязь, №12, 2001, С. 20-24.

12. Нгуен Кань Лам, Кузнецов С. Н. Цифровой вокодер // Материалы НТК МИИТа «Неделя науки-2002»- М.: МИИТ, 2002 (в печати).

13. Верзунов М.В. Однополосная модуляция в радиосвязи -М.:Воениздат, 1972.

14. Нгуен Кань Лам, Кузнецов С. Н. Использование вейвлет-анализа для обработки зашумленного речевого сигнала // Материалы НТК МИИТа «Неделя науки-2002»-М.: МИИТ, 2002 (в печати).

15. Дьяконов В. Simulink. Специальный справочник. -Спб.: 2002.

16. Дворякин С. В. Вейвлет-синтез в задачах безопасности речевой связи // Международный форум информатизации. МФИ-2000.-Москва: Международная академия информатизации- Тезисы НТК Телекоммуникационные и вычислительные системы, С. 213.

17. Геппенер В., Ланнэ А., Черниченко Д. Матлаб для DSP. Использование GUTWAVEMENU для решения инженерных задач. Интернет:http://www/chipinfo.ru/literature/chipnews/20006/2.html/

18. Нго Куанг Минь. Исследование эффективности адаптивных линейных предсказателей речи для низкоскоростных кодеков. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук.-М.:1997. Научный руководитель: Д.т.н., профессор Фомин А. Ф.

19. Уидроу Б. и др. Адаптивные компенсаторы помех. Принципы построения и применения // ТИИЭР, 1975, Т. 63, №12, С. 69-98.

20. Адаптивная компенсация помех в каналах связи/ Ю.И. Лосев, А.Г. Бердников, Э.Ш.Гойхман, Б.Д.Сигов; Под ред. 1 Лосева.-М.: Радио и связь 1988.-208 С.

21. Филипский Ю.К. Случайные сигналы в радиотехнике.- К:Вища школа, 1986.-126 С.

22. Волков А. А. Оптимизация АЧХ ЭАТ системы связи трпнспортного средства // Электросвязь №3, 1993, С. 24-25.

23. Полковский И.М., Ковешников В.П. Особенности расчета разборчивости электроакустического тракта о ларингофонами. Вопросы радиоэлектроники. Серия 1110. Вып. II 55, 1980, С.45.

24. Иофе В. К., Янпольский А.А. Расчетные графики и таблицы по электроакустике. М-Л.: Госэнергоиздат, 1974.

25. Сидоренко В. Г. Задаци цифровой обработки // Методические указания. Ч. 2-М.: МИИТ, 1999.-40С.

26. Зильберман-Мягков Я.С, Осипов Л.А, Давыденко В.И, Баданин П. А. Цифровой фильтр для поездной радиосвязи // Автоматика, связь, информатика 2002, №3, С. 36-38.

27. Горелов Г. В., Фомин А. Ф., Волков А. А., Котов В. К. Теория передачи сигналов на ж. д. транспорте. -М.: Транспорт, 2000.

28. Волков А. А., Казимир А. А., Ефремов А. Н. Беспороговый демодулятор ЧМ сигналов // Тезисы доклада на международной конференции (МФИ-99)-М.:1999, С. 76-78.

29. Волков А.А., Нгуен Кань Лам, Кузнецов С. Н. Ещё раз о пороге ЧМ // Материалы 12 Межрегиональной НТК им. А.С. Попова-М.: 2002, С. 29.

30. Волков А. А. Способ исключения порога ЧМ //Автоматика, связь, информатика 1998 №7, С. 6-7.

31. Левин Б. Р. Теоретические основы статической радиотехники. -М.: Сов. Радио, т.1, 1974-350с; т.2, 1974-275с; т.З, 1976-391С.

32. Волков А.А., Нгуен Кань Лам. Особенности помехоустойчивости приёма ЧМ сигналов с предыскажением // Труды IV Международной НТК «Перспективные технологии в средствах передачи информации ПТСПИ 2001», Владимир-Суздаль, 15-17 авг. 2001 г., С 88-89.

33. Волков А. А. , Нгуен Кань Лам. Новая возможность повышения помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи //Автоматика, связь, информатика 2001 №12, С 8-10.

34. Кантор Л. Я. , Дорофеев В. М. Помехоустойчивость приёма ЧМ сигналов.-М.: Связь, 1997.163

35. Горелов Г. В., Волков А. А., Шелухин В. И. Каналообразующие устройства железнодорожной телемеханики и связи, -М.: Транспорт, 1994. -С. 101-109.

36. Венедиктов М. Д., Волков А.А., Горелов Г. В. Управляемое слоговое компандирование сигналов в системах передачи информации. М.: Тип. МИИТа, 1995.

37. Волков А. А. , Нгуен Кань Лам. К вопросу повышения помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи // Автоматика, связь, информатика 2002 №8, С 21-23

38. Венедиктов М. Д., Волков А.А., Нгуен Кань Лам. Способы повышения качества компандированных речевых сигналов // Материалы 12 Межрегиональной НТК им. А.С. Попова-М.: 2002, С. 21-24.

39. А.С. 1753578 (СССР) МКИ НОЗс, 1/52. Формирователь однополосного сигнала / А. А. Волков. Приоритет от 12.01.90.

40. Волков А. А. Истинная однополосная угловая модуляция // Электросвязь, 2000 №10, С. 42-44.

41. Волков А. А. Потенциальная помехоустойчивость системм связи с однополосной и двухполосной угловой модуляцией // Изв. Вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника, 1985 №3, С. 35-39.

42. А.с. 1463156 (СССР), МКИ Н04В 7/00. Система связи / А. А. Волков. Приоритет от 30.06.86.44.3юко А.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем связи.- М.: Госэнергоиздат, 1972.

43. Волков А. А. Сигтез оптимального передатчика однополосного-компандированных сигналов // Известия ВУЗов СССР. Серия Радиоэлектроника, 1991, № 1, С. 91 -94.

44. Зельдин Е.А. Импульсные усторйстав на микросхемах.- М.: Радио и связь, 1991.

45. Немировский М. Л., Липин Г. В. Оценка эффективности оптимальной частотной характеристики электроакустического тракта.- Техника средств связи, вып. II (55). М.: Серия ТПС, 1980, С. 45-49.