автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.02, диссертация на тему:Разработка и исследование способов защиты от пакетов ошибок и выпадений сигналов цифрового радиовещания

РГ6 од

2 5 ДПР

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи УДК 621.397.97

Валихан Талипжанович Умаров

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ЗАЩИТЫ ОТ ПАКЕТОВ ОШИБОК И ВЫПАДЕНИЙ СИГНАЛОВ ЦИФРОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ

Специальность 05.12.02 - Системы и устройства передачи

информации по каналам связи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена на кафедре радиовещания и электроакустики Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ).

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент С. Г. Рихтер

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

А. А. Волков

кандидат технических наук Г. В. Коновалов

Ведущее предприятие - НИИ "Радио"

Защита диссертации состоится 12 мая 1994 г. в±=г_ ч. на заседании специализированного совета К 118.06.03 при Московском Техническом Университете связи и информатики по адресу: 105855, ГСП, Москва, ул. Авиамоторная, д. 8а, МТУСИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 1994 г.

Ученый секретарь

специализированного совета К 118.06.03, кандидат технических наук, доцент

0. В. Матвеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тены. Весьма актуальной является проблема разработки и внедрения цифрового радиовещания (ЦРВ), при котором цифровой вещательный сигнал принимается непосредственно бытовым радиоприемником, в том числе, установленным на подвижном объекте (ПО) - автомобиле, поезде, корабле. Работы в этом направлении проводятся как в России, так и, в частности, в рамках проекта "Эврика-147" Европейского Союза Радиовещания (ЕВШ. Общепризнанной является концепция комбинированной назем-но-спутниковой системы ЦРВ.

Сложность реализации такой системы связана, в первую очередь, с необходимостью обеспечить надежный прием цифровых вещательных сигналов высшего класса качества на ПО на ненаправленную антенну. При эксплуатации приемников ЦРВ в обычных городских условиях сигнал подвержен воздействию помех различной интенсивности. а также глубоким (до 40 дБ) и замираниям. Следствием этого является образование пакетов цифровых ошибок и длительных выпадений сигнала, которые проявляются в виде громких щелчков и треска, сильно ухудшающих качество звуковой передачи. Исправление таких искажений известными методами либо невозможно (при выпадениях сигнала на интервале несколько десятков мс), либо сопряжено с большими практическими трудностями и может приводить к размножению ошибок. Проблема усугубляется ограниченностью энергетических ресурсов на ИСЗ, а также жесткими ограничениями ка сложность и стоимость бытового цифрового радиоприемника. Вышеизложенное обуславливает актуальность разработки и исследования способов защиты от пакетов ошибок и выпадений цифрового сигнала при передаче по радиоканалам в условиях действия мощных помех и замираний. При этом исследования должны быть ориентированы на высокую энергетическую эффективность предлагаемых решений.

Цель работы состоит в разработке и исследовании новых методов обработки сигналов в наземно-спутниковой системе ЦРВ, которые:

- обеспечивают защиту от пакетов ошибок и выпадений,

- снижают требования к энергетическим характеристикам систеш,

- способствуют упрощению и удешевлению цифрового приемника и системы в целом.

Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Предложен алгоритм синтеза в частотной области сигнала замещения выпадения сигнала звукового вещания (СЗВ). Разработан эффективный способ сегментации СЗВ. на звуковые объекты.

2. Установлена связь критических параметров системы цифрового маскирования пакетов ошибок во временной области, предложен и исследован метод адаптивной коррекции цифрового стереосигнала в процессе маскирования пакетов ошибок и выпадений.

3. Разработан способ применения оценивающего приема в комбинированной системе ЦРВ, сделан теоретический анализ такого способа приема, даны оценки его эффективности.

4. Предложено и теоретически обосновано использование в системе ЦРВ последовательной передачи цифрового звукового сигнала (ЗС), разнесенного приема и комбинированного устройства защиты от пакетов ошибок и выпадений.

Практическая ценность работы состоит в том, что:

- разработан и исследован ряд конкретных устройств, позволяющих маскировать пакеты ошибок и длительные выпадения цифрового ЗС как в моно, так и в стереоканалах; предложен способ сегментации ЗС, пригодный для анализа широкого класса сигналов;

- на основе субъективно-статистических испытаний (ССИ) моделей устройств маскирования получены графические зависимости характерных искажений маскирования от длительности и частоты следования пакетов ошибок и выпадений цифрового ЗС, использованные при обосновании критических параметров устройств маскирования;

- разработан вариант устройства обработки сигналов ЦРВ, основанный на использовании оценивающего приема;

- разработана методика и представлены результаты расчета помехоустойчивости и энергетических характеристик спутникового сегмента ЦРВ для модели однолучевого канала с медленными (гладкими) замираниями (в предложении пуассоновского распределения длительности пакетов ошибок) при использовании разнесенного приема, пе-ремежения символов, кодозащиты и маскирования пакетов ошибок и выпадений;

- представлены схемотехнические решения основных компонентов устройства маскирования пакетов ошибок и выпадений в стереоканалах и результаты его экспериментального исследования.

Реализация результатов.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс МТУСИ, использованы в хоздоговорных НИР и ОКР, выполняемых НИЧ МТУСИ в интересах Минсвязи РФ и НИИ "Радио".

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались автором, обсуждались и были одобрены на II Всесоюзной НТК "Проблемы и перспективы развития цифровой звуковой техники" (Санкт-Петербург, 1990), на научно-технических конференциях: "Проблемы передачи и обработки сигналов" (Рига, 1991), "Передача, прием и обработка сигналов в радиотехнических системах и устройствах" (Ростов-на-Дону, 1991), "Передача, прием и обработка сигналов в системах радиосвязи" (Ростов, 1990), "Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи" (Москва-Пушкино, 1993) и "Телекоммуникационные и вычислительные систеш связи" (Москва, 1993) в рамках Международного форума информатизации (МФИ-93), а также на НТК профессорско-преподавательского состава сотрудников НИЧ и аспирантов МТУСИ в 1991 -1992 гг.

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в двух заявках на изобретения (имеются положительные решения), 11 тезисах докладов и депонированных рукописях и в трех отчетах по.НИР, выполненных в НИЧ МТУСИ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При замещении выпавшего участка СЗВ искусственно синтезированным необходимо учитывать его положение внутри звукового объекта, поскольку этим определяется необходимая точность синтеза замещающего сигнала и его допустимая длительность.

2. Заметность маскирования пакетов ошибок и выпадений СЗВ зависит от точности представления сигнала (в частотной области) и от наличия адаптивной коррекции старших разрядов цифрового стереосигнала (во временной области).

3. В цифровых радиоканалах, характеризуемых большим уровнем помех и длительных замираний, целесообразно, маскирование пакетов ошибок и выпадений цифрового сигнала. Комбинация разработанных устройств маскирования в частотной и временной областях позволяет устранить влияние на качество передачи СЗВ пакетов ошибок (выпадений) длительностью от 30... 100 мс в моноканале до 80... 160 мс в стереоканале, в зависимости от жанра передачи.

4. Для комбинированной систеш ЦРВ рассматривается вариант

одночастотного (в пределах 1000-километровой зоны приема) спутникового сегмента, многочастотной наземной сети с сотовой структурой и разнесенного приема с объединением сигналов на основе алгоритма оценивающего приема. Энергетический выигрыш при таком построении системы ЦРВ достигает (при релеевских замираниях) от 5 до 15 дБ, в зависимости от числа ветвей разнесения при последовательной передаче.

5. Использование комплекса средств повышения помехоустойчивости цифрового радиоканала, а именно: перемежения символов, помехоустойчивого кодирования (с исправлением 2-х ошибок), интерполяции ошибочных отсчетов, маскирования пакетов ошибок и выпадений цифрового сигнала, а также разнесенного приема, позволит реализовать высококачественный прием сигналов ЦРВ на мобильный и переносный приемники с ненаправленной антенной при мощности радиопередатчика бортового ретранслятора ИСЗ порядка 9 Вт на одну сте-реопрограмму.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложения. Объем составляет 206 с., в том числе 126 стр. текста и 51 лист рисунков. Библиография содержит 72 наименования, в том числе 16 соискателя.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, приведен сравнительный анализ способов маскирования ошибок в цифровых трактах и их влияние на повышение качества и энергетической эффективности передачи, перечислены основные научные результаты, определена их практическая ценность и приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первый раздел посвящен исследованию возможностей и разработке устройств маскирования длительных выпадений (пакетов ошибок) сигналом, синтезированным, с использованием информации о его спектральной структуре, до и после выпадения, исходя из предпосылки об определенной стабильности спектра и уровня в пределах "звукового объекта" (30) сигнала минимальной длительности, еще воспринимаемого как оригинальное звучание.

Спектральный анализ СЗВ производится во временной или частотной областях с использованием многополосной цифровой фильтрации, либо ортогональных преобразований, имеющих быстрые вычислительные алгоритмы. На рис.1 приведены усредненные нормиро-

ванные вероятности изменения амплитуды P<L)/P(Lq) и • фазы P(J)/P(J0) коэффициентов ДПФ при длительности выборок 16 мс для камерного (кривые 1) и эстрадного (кривые 2) музыкальных произведений. которые подтверждают высокую корреляцию коэффициентов и возможность синтеза маскирующего сигнала. На рис. 2 представлены кривые заметности P(t) такого маскирования для тех же жанров.

В соответствии с нормами на качество передачи по высшему классу возможно маскирование выпадений до 5... 8 мс. Разработано оригинальное устройство маскирования, реализованное на этой основе.

Дальнейшее увеличение длительности замещающего сигнала до величин, соизмеримых с длительностью 30 (1,5...2 с), возможно при точности спектрального анализа, близкой к разрешающей способности слуха, при отображении СЗВ в виде суммы ограниченного числа затухающих, гармонически не связанных, колебаний. Разработано оригинальное устройство синтеза сигнала, замещающего выпадения, с использованием алгоритма последовательного анализа с удалением найденных спектральных составляющих из входного сигнала, обеспечивающего необходимую точность и допустимую вычислительную сложность.

Результаты проведенных ССИ подтвердили зависимость необходимой точности синтеза замещающего сигнала и его допустимой длительности от положения выпавшего участка в 30. Определены необходимая точность синтеза и допустимая длительность замещающего сигнала на различных стадиях его существования. Основной трудностью использования полученных результатов является сложность членения (сегментации) непрерывного звукового сигнала на 30.

Разработан способ сегментации, основанный на непрерывной

оценке отношения суммы кепстрапьных коэффициентов, оценивающих огибающую спектра СЗВ к нулевому коэффициенту, причем спектральные коэффициента формируются с учетом интегрирующих свойств слуха и явления послемаскировки. Отношение резко падает при уменьшении сигнала до уровня шумов или изменении его спектрального состава.

Полученные результаты использованы при разработке устройств синтеза сигнала замещения пакетов ошибок и выпадений в монофонических каналах ЦРВ. Оценка допустимой длительности выпадений с учетом положения внутри 30 и жанра приведены в четвертом разделе диссертации.

Вопросы маскирования цифровых ошибок во временной области -предмет исследования во втором разделе диссертации. Отмечается, что широко используется метод маскирования единичных отсчетов ЗС, основанный на интерполяции порядка М ошибочного отсчета по М неискаженным предыдущим и последующим отсчетам. Однако эффективность такого маскирования резко падает при наличии группирования (пакетирования) ошибок. Маскирование ошибок в условиях, когда в стереофонических радиовещательных каналах происходит не-компенсируемое группирование ошибок, по сути выпадение ЗС, основано на использовании корреляции между сигналами левого и правого каналов, а также на свойствах слуха не различать переход от стереофонического ззуковоспроизведения к монофоническому на коротких. значительно меньше секунды, временных интервалах. Суть способа, реализующего такой принцип маскирования, состоит в том, что при появлении искажений сигнала в одном из каналов стереопары, искаженный отрезок сигнала заменяется специально обработанным отрезком сигнала другого канала, причем оба отрезка должны соответствовать одному и тому же фрагменту ЗС. а обработка необходима для устранения щелчков в момент переключения и сохранения панорамы звучания на время замещения.

На рис.3 обозначены основные параметры, характеризующие процедуру маскирования в стереоканалах. Условием ее осуществимости является наличие временного сдвига (задержки Т3) между канальными кодовыми последовательностями (КП), отвечающего условию Т3 >(тп)т, где ("Сп >т - максимально допустимая длительность маскируемого пакета ошибок или выпадения.

В работе установлена связь предельных параметров цифрового устройства маскирования в стереоканалах (ЦУМСК) и пакета ошибок (тп)т, определяемая механизмом функционирования. Однако, сделан-

ный на этом основании выбор величины (т^ )п должен отвечать результатам ССИ на заметность искажений при реализации данного способа маскирования. В результате таких ССИ установлена принципиальная возможность маскирования цифрового стереофонического ■ ЗС, характеризуемого выпадениями (Хг, )в < 0,1. ..0,2 с, в зависимости от жанра программы и при условии, что выпадения случаются с интервалом Тп (рис.3). равным нескольким секундам. Столь высокая

КПл

КПп

ш ш (

ч-

»шт ~ __ т/т/т, У

т/мт/ш 1 /

' 1-П 1

1иаок

Рис.3

корректирующая способность может быть достигнута лишь при использовании адаптивной коррекции ряда старших разрядов кодовых слов как при вхождении в процесс маскирования, так и при выходе из него, поскольку:

(tn)n = f(Tn. Q,) при T3=const. (1)

Здесь: Q = P(m)x2°1"14 -относительное влияние старших разрядов кодовых слов на заметность маскирования; m - разряд симметричного 15 - разрядного кода; Р(ш) = 2[1-Ф(Ьпор/б)] - вероятность привы-шения сигналом уровня Lnop=2°1"14; P(t„)-P(t)* Р(ш) - вероятность участия старших разрядов в маскировании в зависимости от t,,;

P(t) =1-(Ш- (1-tn/c) Хехр (-tn/c) ]. где Д.С = фОпорЛкв.иако).

Эти соотношения получены в предположении нормального закона распределения мгновенных значений СЗВ на коротких временных интервалах и при использовании результатов экспериментального исследования распределения длительности выбросов огибающей широкополосного ЗС.

На основании изучения спектральных характеристик фрагментов ЗС, представляющих различные музыкальные жанры, а также взаимосвязей, определяемых функцией (1), установлена необходимость адаптивной коррекции знакового.(15-го) и, как минимум, трех (13,12 и 11-го) старших разрядов кодовых слов при использовании в системе 15-разрядного симметричного кода.

За основу алгоритма адаптивной коррекции в работе принят и теоретически обоснован "принцип первого совпадения", суть которо-

го состоит в сохранении в момент начала маскирования значений корректируемых старших разрядов кодовых слов пораженного канала до первого совпадения с соответствующими (одноименными) разрядами кодовых слов другого канала, используемых для замещения. Такой же алгоритм реализуется И при восстановлении стереосигнала по окончании действия пакета ошибок или выпадения.

В работе дана оценка энергетической эффективности предлагаемого способа маскирования. При этом применение ЦУМСК рассматривается как дополнение к традиционным средствам повышения помехоустойчивости цифровых каналов ЗВ - интерполяции, перемежению и избыточному кодированию с целью защиты канала от выпадений, а также от пакетов ошибок, кратность которых превышает декоррелиру-ющие возможности перемежения. Разработана методика выбора параметров кодозащиты и перемежения, учитывающая существование ограничения снизу на интервал времени Тп и обеспечивающая оптимальный режим использования ЦУМСК. В частности, как следует из построенной на рис. 4 зависимости Тп (11), для модели канала с памятью (при использовании ФМ-2), кода БЧХ (63,51) и перемежителя с матрицей (5x63), при (Тп)т1п=3...4 с в таком цифровом канале ЗВ может быть реализован режим, при котором расчетное отношение сигнал/шум составляет 11=4,5... 5,0 дБ - при номинальной вероятности ошибки в канале Роа. =1*10"2... 5*10"3.

Проведенные исследования позволяют утверждать, что предлагаемая комбинация маскирования с перемежением и кодозащитой позволяет улучшить энергетические характеристики цифровой системы вещания, однако точная оценка достигаемого при этом энергетического выигрыша может быть сделана лишь при наличии достоверной статистики группирования ошибок и появлений импульсных помех.

Современные средства микропроцессорной техники существенно расширяют возможности аппаратурной реализации сложных вычислительных процедур, связанных с обработкой дискретной информации в реальном масштабе времени. Исследованию одного из алгоритмов такой обработки - оценивающему приему (приему с оценкой уверенности) применительно к цифровому звуковому вещанию, посвящен третий раздел диссертации.

Согласно концепции радиоприема с оценкой уверенности, результатом приема являются вероятностные заключения, которые выдаются по каждому переданному биту информации в отдельности, формируются по методу табличной идентификации и количественно выража-

ются единицами уверенности. В качестве уверенности используется

логарифмическая мера информации - функция: U(S)-10Lg X(S1), где

P(S1)XW(Y/S1)

Ln X(S1/S0)--— -

P(SO)xW(Y/SO)

логарифм отношения правдоподобия - вес довода, вносимого приняты)/ сигналом Y(t) в пользу гипотезы о передаче сигнала S1. Здесь X(S1/S0) - условные вероятности наличия в колебании Y(t) сигналов S1 и SO, PiSl:S0> - априорные вероятности передачи сигналов S1 и SO. В предположении равенства P(S1)=P(S0)=0,5, в работе получено расчетное соотношение для средней условной уверенности, извлекаемой приемником, выполненным на основе алгоритма приема с оценкой уверенности, при приеме одного из двоичных сигналов S(t)={Sl,S0):

U(S) =8,68 K^xd-R.). где h=E6/N0 - отношение удельной энергии элемента двоичного сигнала к спектральной мощности шума;

Нз = (1/Е3)X 81(1;)х50(О*си -

коэффициент взаимной корреляции между сигналами Б1 и БО. Кк - коэффициент, учитывающий вид манипуляции и способ демодуляции. Установлено соответствие величины Кк видам фазовой манипуляции и способам демодуляции (табл.1).

Табл.1

Показано, что вероятность ошибки при приеме конкретного бита информации связана с величиной уверенности соотношением: Рош -[1+1О0,Шз)Г1. На рис. 5 сплошными линиями построены зависимости 0(11) и Рош (Л) для гаус-совского канала при использовании

Вид манипуляции Демодуляция Кк

ФМ-2 Когерентная 1,0

ФМ-4 Когерентная 0,5

ОФМ-2 Оптимальная некогерентная 0.5

ОФМ-4 —"— 0,25

сигналов ОФМ-2 и оптимальной некогерентной демодуляции. Здесь 1 -прием с оценкой уверенности. 2 - традиционный прием на основе принятия однозначных (жестких) решений.

В работе рассмотрены вопросы техники радиоприема с оценкой уверенности. Наиболее эффективным с позиций реализации на Совре-

менной элементной базе представляется метод табличной идентификации. предполагающий анализ условий приема, классификацию приемной ситуации и нахождение по таблице соответствующей величины уверенности, характеризующей верность символа, принятого в данной приемной ситуации. Совокупность числовых значений исходных величин, полученных при приеме, рассматривают как одну из возможных приемных ситуаций, причем в качестве исходных величин используются разнообразные параметры или факторы, прямо или косвенно связанные с уверенностью приема (сигнал с выхода демодулятора, отношение сигнал/помеха или величина пропорциональная этому отношению, показания схем АРУ, АПЧ, датчика импульсных помех и т.д.).

1000 100 10 1

10" 10 10 10 10" 10

Г. г

,-4

,-6

0

5

50 40 30 20 10

II. ДБ

10 10 10 10 10 10"

,-1

,-2

-3

Г 4

г5

4 ¥ г

! )>

-ь И Уг

У- / -га

■>— н -£ 5-

У к к

¡3 Г-

-V

* 9 Ч|

Рис.4

И. ДБ

Рис.5

В качестве объекта для применения оценивающего приема в диссертации выбрана комбинированная наземно-спутниковая система ЦРВ. За модель канала такой системы в зависимости от условий приема принимается однолучевый канал с медленными (гладкими) замираниями. описываемыми распределениями Райса и Релея. В работе показано. что выражение для уверенности, полученное для гауссовского канала, остается справедливым (для сигналов с активной паузой) и в таком нестационарном канале. Поэтому сплошная кривая 1 на рис.5 по-прежнему характеризует оптимальный оценивающий прием; пунктирными линиями построения выполнены для традиционного приемника

о

сигналов ОФМ-2 в релеевском канале. В обоих случаях использован алгоритм оптимального некогерентного приема. Штрих-пунктирная кривая 1 на рис.5 соответствует случаю применения простой проверки на четность при 16 - разрядном кодировании.

Важным достоинством уверенности как информационной меры является ее аддитивность, что позволяет эффективно объединять информацию. переданную по нескольким разнородным каналам, характеризуемым различной задержкой по времени. На этом основании в работе анализируется возможность применения разнесенного приема для повышения помехозащищенности системы ЦРВ. Рассмотрен вариант двухканального переносного приемника, работающего в режиме сдвоенного приема (Иг=2) по частоте и осуществляющего одновременный (или альтернативный) прием сигналов непосредственно от ИСЗ и от наземного ретранслятора. Мобильный прием на ПО предусматривает дополнительно использование двух разнесенных антенн, чтс в такой комбинированной системе обеспечивает четырехкратное (N=4) разнесение (по частоте и пространству). В табл.2 представлены результаты расчета мощности ретранслятора ИСЗ (в ваттах), приходящейся на одну стереопрограмму.

Табл. 2

Вид приема Модель канала Переносный приемник (N=2) Мобильный приемник на ПО (N=4)

Традиционный с однозначными решениями Гауссовская 15,5/40,5 7,75/20,25

Райсов-? екая (а =2) 33,9/88,7 11,5/30,2

Релеевская 54,4/142,5 13.9/36,4

Оптимальный оценивающий прием 9,0/23,5 4,5/11,75

Примечание: данные в числителе соответствуют приему в центре 1000-км зоны при угле возвышения ИСЗ В=20. ..24° (р-н центра России), в знаменателе - на краю зоны при р-7,5...10° (параллель Кольского п -ва). Для сравнения - в лучшей модификации упомянутой системы EBU* этот показатель составляет 19,5 Вт (при передаче 16 стереопрограмм в центре зоны при в=17°) при несравненно более сложной реализации.

*) CC1R-XVIÏ nh Plenary Assambly. Dusse 1dorf, 1990. Rep.-955-1 (MOD-F).

При расчетах принято:

- общее число стереопрограмм.............................14

- вид сигнала.........................................ОФМ-2

- вероятность ошибки на бит в канале, Ров............ 1*10"3

- помехоустойчивый код..........................БЧХ (63,51)

- матрица переыежения символов.........................5x63

- защита от пакета ошибок кратностью в>10..............ЦУМСК

Остальные параметры соответствуют системе ЦРВ, предложенной Европейским союзом радиовещания.

Четвертый раздел диссертации посвящен моделированию цифровых устройств маскирования и экспериментальному исследованию одного из них.

Оценка качества звучания, не имеющая смысла вне воспринимающего субъекта, практически для всех направлений развития звуковой техники сводится к выражению в численной форме величины психофизической реакции большинства слушателей в процессе ССИ. В качестве технической базы для проведения ССИ в работе использован комплекс полунатурного моделирования, выполненный на основе универсальной ПЭВМ с дополнительными внешними блоками, позволяющими проводить обработку ЗС в соответствии с заданными алгоритмами. ССИ проводились на специально подобранных фрагментах критических звуковых программ с целью выявления заметности характерных искажений ЗС, появляющихся при маскировании пакетов ошибок и выпадений большой длительности, в цифровом сигнале.

Результаты ССИ по определению заметности выпадений, маскированных сигналом, синтезированным в частотной области, приведены на рис.6 в виде заметности (Р) выпадений от их относительной дли-

тельности. Здесь: область 1 соответствует моменту атаки (начала 30), область 2 соответствует установившемуся процессу, область 3

- процессу затухания звучания. У каждой заштрихованной области левая граница соответствует одному выпадению на интервале 2 с. правая - на интервале 0.5 с.

Необходимая точность синтеза замещающего сигнала обратно пропорциональна его длительности. Для критической программы ЗВ на рис.7 приведены результаты оценки допустимой заметности искажений при синтезе замещающего сигнала из N гармонических компонент.

При маскировке стереосигнала во временной области результаты ССИ представлены в работе в виде точечных оценок при определении вероятности заметности ошибок от их длительности (х,,); достигнута малая величина доверительного интервала любой из точечных оценок (Е < 0.09) и высокое значение доверительной вероятности (Р=0,98).Основные результаты ССИ могут быть сведены к следующему:

- при "чистых" выпадениях, когда не применяются никакие специальные меры по маскированию (за исключением простой задержки одного из цифровых стереоканалов на передаче на время Тз> (■£„)„ с временным выравниванием каналов на приемной стороне) гарантируется незаметность выпадений длительностью (*„),- 9... 12 мс при Тп>1 с;

- дополнение схемы задержки каналов простым устройством синфазного замещения многократно увеличивает максимально допустимую длительность выпадений, доводя их до величины 50...80 мс;

- адаптивная коррекция ряда старших разрядов позволяет увеличить допустимую длительность выпадений еще приблизительно вдвое.

Из анализа результатов ССИ также следует, что для интервала времени Т„ критичным является значение, равное 3-4 с, превышение которого приводит к сравнительно небольшому (около 1056) приросту величины (■сп)и.

В работе разработана схема одновременного использования устройств маскирования в частотной и временной областях, в зависимости от режима использования "моно/стерео" канала ЗВ. Применение таких устройств маскирования одновременно решает проблему защиты приемника СЗВ от интенсивных импульсных помех, что весьма актуально для обеспечения качественного радиоприема в индустриальных центрах.

В диссертации представлены схемотехнические решения основных Функциональных узлов макета ЦУМСК: адаптивной коррекции старших разрядов кодовых слов, межканального переноса (замещения), форми-

рования псевдослучайной последовательности пакетов ошибок. Результаты экспериментального исследования подтвердили правильность схемотехнических решений, работоспособность устройства на реальном стереосигнале при квазислучайном появлении в нем выпадений различной длительности; подтверждены результаты ССИ по основным критическим значениям параметровг маскирования.

В приложении представлены программы полунатурного моделирования на ПЭВМ маскирования пакетов ошибок в моно и стереоканалах и результаты моделирования - протоколы ССИ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в диссертации, могут быть сведены к следующему.

1. Цифровые каналы СЗВ, особенно при радиоприеме в условиях города, характеризуются большим уровнем импульсных помех и длительных замираний, вызванных интерференцией волн. Для устранения влияния таких искажений цифрового СЗВ рациональным решением является применение в приемнике устройств маскирования, разработанных и исследованных в настоящей работе. Это, с одной стороны, позволит ликвидировать влияние на качество передачи СЗВ импульсных помех и выпадений, не устраняемое никакими другими известными способами,' а с другой - ограничиться использованием весьма простых корректирующих кодов (с избыточностью, не превышающей 15-2056) и временного перемежения.

2. Заметность процедуры маскирования пакетов ошибок и выпадений цифрового сигнала зависит: в частотной области (в моноканале) - от точности и метода представления сигнала, во временной области (в стереоканале) - от уровня межканальной корреляции и количества старших разрядов кодовых слов, участвующих при адаптивной коррекции в процессе маскирования. Путем полунатурного моделирования на ПЭВМ установлена возможность маскирования пакетов ошибок (выпадений) длительностью до 30 мс в моноканале и приблизительно до 160 мс в стереоканале при передаче критических звуковых программ. Эффективность устройств маскирования повышается при использовании разработанного алгоритма синтеза замещающего сигнала повышенной точности, учитывающего положение выпавшего участка внутри звукового объекта, выделение которого производится рассмотренным способом.

3. Для повышения качества приема цифровых СЗВ в каналах' со случайно-изменяющимися параметрами предлагается применять оценивающий прием, позволяющий использовать для повышения' помехозащищенности системы передачи разнообразные параметры и факторы, прямо или косвенно связанные с достоверностью передачи. Сочетание достоинств, связанных с применением устройств маскирования пакетов ошибок и разнесенного приема по пространству и (или) частоте с эффективным объединением сигналов отдельных ветвей разнесения на основе алгоритма приема с оценкой уверенности, обеспечивает энергетический выигрыш (при использовании сигналов ОФМ-2): в одноканальной системе 2,5. ..15 дБ, в системе с четырехкратным разнесением при мобильном приеме 2,5...5 дБ; при этом возрастание выигрыша соответствует ухудшению условий приема, т.е. увеличению интенсивности замираний.

4. Использование предлагаемого комплекса средств, направленных на повышение помехозащищенности цифровой комбинированной системы ЦРВ, позволяет надеяться на высококачественный прием на мобильный и переносный приемники (в условиях существования однолу-чевого канала) при мощности радиопередатчика бортового ретранслятора ИСЗ приблизительно от 4,5 до 23,5 Вт на одну стереопрог-рамму, в зависимости от угла возвышения ИСЗ и удаления от центра зоны обслуживания и типа приемника.

5. Проведена оценка схемотехнической и вычислительной сложности разработанных алгоритмов функционирования цифровых устройств маскирования и процедуры приема с оценкой уверенности, показывающая возможность реализации этих устройств на современных сигнальных процессорах или заказных БИС.

ПУБЛИКАЦИИ СОИСКАТЕЛЯ

Изобретения

1. Положительное решение по заявке N4951759/09 от 28.06.91 "Способ передачи и восстановления цифрового стереофонического вещательного сигнала". Соавт.: М.В.Гитлиц, С.Т.Рихтер.

2. Положительное решение по заявке N4951554/09 от 28.06.91 "Устройство маскирования групп ошибок в цифровом сигнале звукового вещания". Соавт.: М.В.Гитлиц, А.А.Есеркегенов, О.Б.Попов.

Выступления на НТК

3. Вопросы адаптивной коррекции цифрового стереосигнала в процессе маскирования пакетов ошибок.//II Всесоюзная НТК "Проблемы и перспективы развития цифровой звуковой техники".- С.-П.. 1990. Тезисы докладов, с.55. - Соавт.: М.В.Гитлиц, С.Г.Рихтер.

4. Коррекция ошибок в цифровом стереосигнале . НТК молодых специалистов "Передача, прием и обработка сигналов в системах радиосвязи".- Ростов. 1990. Сборник тезисов, с. 51.

5. Повышение качественных показателей ДСП. // Труды НТК молодых ученых энергетического института г. Алма-Аты.//Депонирована в КазНИИНТИ. 1990.

6. О некоторых свойствах слуха, используемых при маскировании ошибок в стереоканалах. Юбилейная НТК МИС.- М..1991. Аннотации докладов, с. 33. - Соавт.: С. Г. Рихтер.

7. Адаптивная коррекция разрядов при цифровой маскировке ошибок.// Конференция по проблемам передачи и обработки сигналов. - Рига, 1991. Сборник докладов. С.62-65, Соавт.: С.Г. Рихтер.

8. Цифровое устройство маскирования ошибок в частотной области. НТК молодых ученых и специалистов "Передача, прием и обработка сигналов в радиотехнических системах и устройствах".- Ростов на Дону, 1991. Тезисы докладов, с. Ю.-Соавт.: С.М.Бегалиев, А.А.Есеркегенов.

9. Оценка качества сигналов ЗВ, обработанных в частотной области. //Там же, с. 9. Соавт.: А. А. Есеркегенов.

10. Экспериментальная оценка параметров эффекта маскирования при передаче стереофонических сигналов ЦРВ.//НТК МИС - М. ,1992. Тезисы докладов, с.31. - Соавт.: С.Г.Рихтер.

11. Алгоритм обработки звукового сигнала при приеме с оценкой уверенности.//2-ая межрегиональная конференция "Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи". - М.-Пушкино, 1993. Тезисы докладов, с. 104-106, - Соавт.: С.Г.Рихтер.

12. О концепции комбинированной системы ЦРВ. //НТК "Телекоммуникационные и вычислительные системы связи". - М., 1993. Тезисы докладов, с.29, 30. - Соавт.: С.Г.Рихтер.

13. Эффективное маскирование длительных выпадений.// Там же, с. 30.31. - Соавт.: А. А. Есеркегенов, Ю. В. Волкова. С. Г. Рихтер.

Отчеты по НИР

14. "Исследование методов повышения эффективности цифровой передачи сигналов ЗВ в спутниковых системах". Тема N085/90 (шифр "Маска - 2"). - Соавт.: М.В.Гитлиц, С.Г.Рихтер. О.Б.Попов, С.М.Бе-галиев.

15."Исследование вопросов построения сети цифрового радиовещания". Тема N081/89 (шифр "Стык").-Соавт.: С.В.Бобровников, В.П. Гученко, Е.П.Мильитейн. С.Г.Рихтер.

16. "Разработка методов маскирования ошибок для каналов цифрового радиовещания". Тема N084/89 (шифр "Спутник").-Соавт.: А. Ю. Зеленин, С. Г. Рихтер.

Подписано в печать 3.03.94. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Объем 1,1 усл.п.л. Тираж 100 экз. Заказ 90. Бесплатно.

ООП ГШ "Информсвязьиздат". Москва, ул. Авиамоторная, 8.