автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка эффективных методов передачи данных по телефонным каналам с цифровой интерполяцией речи

Введение.

1. Анализ эффективности цифровых статистических систем передачи.

1.1 Постановка задачи.

1.2 Анализ путей сокращения избыточности телефонных сигналов.

1.3 Сокращение избыточности сигналов методами статистического уплотнения.

1.4 Сравнительный анализ методов построения статистических систем передачи.

1.4.1. Одноканальные ССП.

1.4.2. Многоканальные ССП типа TASI.

1.4.3 Многоканальные ЦССП с переменной длиной кодового слова

ПДС).

1.4.4. Многоканальные ЦССП типа DCME (Digital Circuit Multiplication

Equipment).

1.4.5 Многоканальные ЦССП на основе метода блочной ИКМ (БИКМ).

1.5 Анализ влияния передачи неречевых сигналов на ЦССП.

1.6 Выводы.

2. Разработка метода повышения эффективности статистического объединения цифровых потоков БИЬСМ при внутриканальной системе сигнализации.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Анализ избыточности основных способов передачи сигналов у прав л ения/взаимо действия на ВСС РФ.

2.3 Разработка метода повышения эффективности передачи сигналов управления/взаимодействия в системе статистического уплотнения БИКМ.

2.4.1 Декодирование МЧС.

2.4.2 Восстановление МЧС.

2.5 Выводы.

3 .Разработка метода передачи факсимильных сообщений в цифровых статистических системах передачи (ЦССП) и исследование его эффективности.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Анализ актуальности разработки алгоритма демодуляции факсимильных сообщений, входящего в состав аппаратуры ЦССП.

3.3 Разработка принципа и алгоритма передачи факсимильных сообщений третьей группы.

3.4 Разработка метода демодуляции/модуляции факсимильного сигнала.

3.5 Выводы.

4. Исследование показателей эффективности и качества речевых каналов ЦССП БИКМ.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Расчет средней длины отсчета.

4.3 Расчет загрузки телефонной сети сигналами управления/взаимодействия.

4.4 Расчет числа "строк".

4.5 Расчет вероятности активного состояния телефонного канала.

4.6 Разработка метода оценки эффективности ЦССП.

4.7 Разработка метода оценки качества речевых каналов ЦССП.

4.8 Выводы.

Актуальность темы. В условиях действия интеграционных процессов, непосредственно влияющих на состояние отечественной экономики, современные средства связи приобретают жизненно важное значение для развития промышленности и всего народного хозяйства в целом. В настоящее время связь стала непосредственной производительной силой, элементом технологического процесса, создающим условия для роста валового национального продукта в стране. Не случайно телефонная плотность - число основных телефонных аппаратов на 100 жителей -входит в число шести основных показателей Международного валютного фонда, характеризующих экономический уровень развития государства. Телефонная плотность в качестве основного критерия состояния национальной связи используется Международным союзом электросвязи и другими международными организациями по следующим причинам. Во-первых, во всех промышленно развитых странах услуги телефонной, в том числе мобильной, связи дают порядка 50% доходов от электросвязи в целом. Во-вторых, этот показатель характеризует уровень развития телефонной сети общего пользования как основной транспортной (коммуникационной) среды для создания многих других сетей и служб связи.

За последние десятилетия теоретические достижения в области дискретного математического анализа и мощный технологический прорыв в области электроники позволили осуществить глобальный переход в технике связи от аналоговых методов к цифровым.

Общепринятым стандартом цифровой передачи речевых сообщений стало ИКМ преобразование в соответствие с Рекомендацией МСЭ-Т G.711.

Развитие магистральной цифровой сети телефонной связи в нашей стране сдерживается высокими ценами на выпускаемую кабельную продукцию и оборудование спутниковых и радиорелейных систем связи. Одним из методов повышения канальной емкости действующих и вновь организуемых телефонных трактов служит статистическое уплотнение речевых сигналов. Наилучшее качество каналов ТЧ достигается при применении метода блочной ИКМ (БИКМ).

Цифровые статистические системы передачи (ЦССП) используют особенности статистических характеристик и свойств речевых сигналов. Однако, в последние годы наблюдается устойчивый рост загрузки каналов телефонной сети сигналами данных, факсимильными сообщениями и сигналами управления/взаимодействия технических средств. В то же время, по своим статистическим характеристикам факсимильные сообщения и сигналы передачи данных существенно отличаются от речевых сигналов. Поэтому передача их плохо согласована с принципами ЦССП, ориентированными на статистические свойства речевых сигналов. Такая несогласованность является причиной существенного снижения эффективности ЦССП при росте трафика факсимильных сообщений и передачи данных.

Таким образом, большую актуальность приобретает задача, связанная с изысканием теоретических и практических решений, направленных на повышение эффективности ЦССП БИКМ при возрастающем трафике факсимильных сообщений и передачи данных.

Поиску методов решения этой задачи применительно к ЦССП БИКМ посвящена настоящая диссертационная работа.

Цель работы состоит в разработке методов передачи неречевых сигналов по цифровым телефонным каналам ЦССП БИКМ, позволяющих повысить эффективность системы.

Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. Анализ известных методов цифровой передачи речевых сигналов и их эффективности;

2. Выбор и обоснование оптимального метода статистического уплотнения для построения ЦССП;

3. Разработка метода эффективной передачи факсимильных сообщений в ЦССП БИКМ, структурной схемы и математической модели;

4. Разработка метода эффективной передачи сигналов системы внутриканальной сигнализации в ЦССП БИКМ, структурной схемы и математической модели;

5. Исследование эффективности и оценка качественных показателей ЦССП БИКМ при использовании предложенных методов.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели в работе были использованы математические методы оптимизации, теории вероятности, математической статистики, цифровой обработки сигналов, объектно-ориентированного программирования и вероятностно вычислительного моделирования.

Содержание работы. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе рассмотрены возможные пути сокращения избыточности телефонных сигналов. Это: а) использование эффективного кодирования, связанное с учетом корреляционных связей между соседними отсчетами выборки; б) использование статистики активности каналов и статистики динамических уровней входных сигналов. Классифицированы источники статистического уплотнения: межканальная статистика активности; статистика типов сообщений (речь, данные, сигнализация); распределение динамических уровней входных сигналов; распределение интервалов активности абонентов при диалоге; паузы между слогами, словами, фразами. Введена классификация и проведен сравнительный анализ известных в настоящее время методов сокращения информационной избыточности речевых сигналов и созданных на их основе систем статистического уплотнения, работающих на национальных и международных телефонных сетях в промышленно развитых странах. Сравнение различных методов построения цифровых статистических систем передачи показало, что метод блочной ИКМ (БИКМ) обладает более высокими качественными показателями. В результате оценки влияния неречевых сигналов на ЦССП получено, что рост доли неречевого трафика приводит к снижению эффективности ЦССП.

На основании вышесказанного делается вывод о необходимости разработки методов передачи неречевых сигналов в ЦССП, позволяющих повысить эффективность существующих и разрабатываемых статистических систем в условиях роста доли неречевого трафика.

Вторая глава посвящена разработке метода, структурной схемы и математической модели эффективной передачи сигналов управления/взаимодействия для цифровых статистических систем передачи, работающих на основе метода блочной ИКМ. Исследование данного метода произведено на примере многочастотной системы сигнализации (МЧС), как наиболее распространенной на магистральных линиях ВСС РФ. Использование методов цифровой фильтрации и современной элементной базы позволяет определять наличие сигналов МЧС в каналах многоканальных систем передачи. А использование особенностей метода БИКМ позволяет передавать только служебную информацию, достаточную для восстановления сигналов МЧС на приеме.

Третья глава посвящена разработке метода, структурной схемы и математической модели эффективной передачи факсимильных сообщений для ЦССП, работающих на основе метода БИКМ. Исследование данного метода произведено на примере протокола передачи данных с частотной модуляцией в соответствие с Рекомендацией МСЭ-Т V.21. В данном методе предлагается обнаружение и демодуляция факсимильного сообщения на основе критерия наименьших квадратов. В результате демодуляции для передачи факсимильного сигнала вместо ОЦК со скоростью 64 кбит/с потребуется канал с пропускной способностью не более 9.6 кбит.

Четвертая глава посвящена определению показателей эффективности и качества речевых каналов ЦССП, которые обеспечиваются при использовании предложенных методов. Результатом проведенных исследований являются выражения для расчета граничного числа активных каналов в ЦССП, при котором не происходит ухудшения качества. Предложена методика вычисления отношения сигнал/шум в речевых каналах ЦССП. Произведено сравнение эффективности и качественных показателей ЦССП без и с использованием предложенных эффективных методов передачи факсимильных сообщений и сигналов МЧС.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- Разработаны методы эффективной передачи неречевых сигналов в ЦССП БИКМ, позволяющие повысить качество речевых каналов либо, при фиксированном качестве, увеличить общее число передаваемых каналов в системе при росте неречевого трафика.

- Разработаны математические модели предложенных методов, позволяющие оценить их потенциальные возможности, а также влияние на эффективность ЦССП БИКМ основных характеристик сети (доля трафика факсимильных сообщений, систем сигнализации, коэффициента уплотнения и др.).

- Разработаны методики и программы расчета эффективности и качественных показателей ЦССП БИКМ.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации методы повышения эффективности ЦССП БИКМ реализованы в виде промышленных образцов аппаратуры "Эффект" КМСШ2.133.000 ТУ.

Реализация результатов. Основные результаты дссертационной работы внедрены в серийно выпускаемой аппаратуре "Эффект". Внедрение результатов диссертации в виде моделей, методик, программ, расчетов и рекомендаций было проведено на предприятиях отрасли связи.

Результаты, полученные в диссертации, вошли в отчеты по научно-исследовательским работам НИИ Радио.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава Московского технического университета связи и информатики (Москва, 2000 г.) и десятой межрегиональной конференции "Обработка сигналов в системах телефонной связи" (Москва, 2000 г.). Основные положения, теоретические выводы и рекомендации получены автором самостоятельно.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в семи печатных работах.

Личный вклад. Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично.

Основные положения, выносимые на защиту

1. ЦССП БИКМ является одной из перспективных систем повышения канальной емкости цифровых систем передачи.

2. Рост трафика неречевых сообщений в ЦССП БИКМ приводит к снижению качества речевых каналов, что является проблемой, требующей решения.

3. Решение проблемы по п. 2 состоит в сокращении избыточности, имеющейся в ИКМ - представлении неречевых сообщений с помощью следующих процедур: обнаружение неречевого сообщения в ИКМ цифровом сигнале, демодуляция неречевого сигнала, передача его с малой избыточностью, модуляция на приеме и представление в ИКМ коде.

4. Оптимальным методом обнаружения и демодуляции факсимильных сигналов является метод наименьших квадратов с предварительной коррекцией эталонного сигнала по фазе и амплитуде.

5. Качество речевых каналов в ЦССП БИКМ определяется отношением сигнал/шум, которое вычисляется с учетом динамики изменения загрузки на основе статистики числа исключаемых из передачи младших разрядов в условиях кратковременных интервалов перегрузки системы.

4.8 Выводы

- Среднее число разрядов на отсчет, необходимых для передачи речевого сигнала в ЦССП БИКМ без снижения качества, равно 7;

- Минимальное число разрядов на отсчет, необходимых для передачи факсимильного сообщения и сигналов многочастотной системы сигнализации в ЦССП БИКМ, равно 5 и 3 соответственно.

- Результаты исследований критического числа активных каналов (NKp) в условиях роста доли факсимильного трафика, при превышении которого начинается снижение качества речевых каналов показывают, что использование методов эффективной передачи неречевых сигналов позволяет получить большие значения NKp, чем при стандартном способе передачи. Большее значение NKp без загрузки факсимильными сообщениями достигается за счет предложенного метода эффективной передачи сигналов внутриканальной системы сигнализации.

- Применение предложенных методов передачи неречевых сигналов в ЦССП БИКМ позволили увеличить эффективность системы на 15%, а в условиях роста доли факсимильного трафика до 20% это значение увеличивается до 37%.

- Результат оценки качества речевых каналов ЦССП БИКМ с применением предложенных методов эффективной передачи неречевых сигналов позволяет сделать вывод о возможности увеличения коэффициента уплотнения ЦССП минимум в 1,5 раза при сохранении качественных показателей на каналы ТЧ.

Заключение

В диссертационной работе решены следующие вопросы:

1. Анализ функционирования цифровых статистических систем передачи (ЦССП) в современных системных условиях показал, что рост доли неречевого трафика приводит к снижению эффективности ЦССП.

2. Предложен метод эффективной передачи факсимильных сигналов. Использование разработанного метода эффективной передачи факсимильных сигналов в ЦССП БИКМ позволяет повысить эффективность системы на 22% при увеличении доли факсимильного трафика до 20%, т.е. для 120 канальной системы это означает возможность увеличения канальной емкости на 26 каналов, либо получения выигрыша в качестве каналов на 6,3 дБ. Суть метода заключается в распознавании факсимильного сигнала в цифровом канале ТЧ, демодуляции, в результате которой снижается скорость передачи с 64 кбит/с до 4,8 - 9,6 кбит/с, и передачи цифрового сигнала в выделенном канале. При этом высвобождаются дополнительные временные позиции в объединенном потоке ЦССП для передачи разрядов речевых сигналов.

3. Предложен метод эффективной передачи сигналов внутриканальных систем сигнализации (ВКС), применяемых на магистральных и внутризоновых сетях связи ВСС РФ. Применение предложенного метода эффективной передачи сигналов ВКС в ЦССП БИКМ позволяет повысить эффективность системы на 16%, т.е. для 120 канальной ЦССП при фиксированном качестве можно обеспечить передачу дополнительных 19 каналов, либо при сохранении количества каналов получить выигрыш в качестве на 4,6 дБ. Предложенный метод заключается в распознавании ВКС, декодировании, при этом скорость сигнала снижается с 64 кбит/с до 80 бит/с и передачи цифрового сигнала по выделенному низкоскоростному каналу. Эта операция позволяет организовать дополнительные временные позиции в объединенном потоке ЦССП для передачи разрядов речевых сигналов.

4. Наилучший результат достигается при совместном использовании методов эффективной передачи, при этом эффективность ЦССП повышается на 38%.

5. Разработана методика и программное обеспечение на языке Visual Basic оценки качества каналов ТЧ, организованных ЦССП БИКМ, с учетом трафика неречевых сигналов. Применение предложенной программы позволяет достоверно определить потенциальное качество каналов существующих и вновь разрабатываемых ЦССП БИКМ.

6. Предложен способ амплитудно-фазавой коррекции эталонного сигнала для реализации метода наименьших квадратов (МНК). Применение предложенного метода позволяет снизить вычислительную сложность МНК в десятки раз в процессе демодуляции факсимильного сигнала.