автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Разработка методики оценки качества прерывистой передачи речи в цифровых сетях подвижной связи

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский государственный университет путей сообщения

(ГЛИИТ)

■5 'гг.1 На правах рукописи

Каргулии Сергей Геннадьевич

УДК 621.391.82.(043.3)

Разработка методики оценки качества прерывистой передачи речи в цифровых сетях подвижной связи

Специальность : 05.13.1/-"Теоретические основы информатики"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТе)

Научный руководитель: доктор технических наук , профессор

Г.В. Горелов

Оффициальные оппоненты - доктор технических наук ,

профессор В.Н. Гордиенко - кандидат технических наук, профессор С.С. Косенко Ведущее предприятие - Главный вычислительный центр МПС

Защита диссертации состоится 2Ъ. г. в Уд!" часов на

заседании диссертационного совета К114.05.10 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 103055,г. Москва, А-55 , ГСП .ул.Образцова , д. 15, ауд.^7 £

I

с диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИТа. Автореферат разослан 5^31996 года.

Отзыв на автореферат , заверенный печатью , просим направлять по адресу совета университета. Ученый секретарь диссертационного

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Важнейшим фактором в решении задач повышения

производительности труда на железнодорожном транспорте интенсификации ■ перевозочного процесса , а также обеспечения его безопасности является развитие современных цифровых средств подвижной связи. Научно-технический прогресс , интеграция служб железнодорожного транспорта , возрастающая потребность в надежной , своевременной и качественной передаче сообщений пользователям вне зависимости от места их расположения предъявляют качественно новые требования к системам подвижной связи. Наиболее перспективным решением проблемы удовлетворения растущих потребностей пользователей в средствах подвижной связи в соответствии с "Концепцией создания цифровой сети связи МПС России" является концепция построения цифровых сетей подвижной радиосвязи , которые позволят организовать каналы , обеспечивающие передачу ответственных команд в системе управления движением поездов , поездную диспетчерскую радиосвязь , поездную технологическую радиосвязь , станционную и ремонтно-оперативную радиосвязь , передачу в диспетчерские центры информации о местоположении и скорости движения поездов , получаемой от бортовых спутниковых радионавигационных устройств или от напольных устройств

, радиосвязь обслуживания пассажиров за счет избыточной емкости поездной технологической радиосвязи с выходом в сеть ЖАТС и ВСС. Известно , что концепция построения цифровых сетей подвижной связи способствует наиболее эффективному использованию частотных ресурсов , выделенных предприятиям железнодорожного транспорта (повышению спектральной эффективности систем) , унификации программных и аппаратных средств , обеспечению гибкости , живучести и высокой экономической эффективности. Применение в современных цифровых сетях подвижной связи эффективных методов обработки и кодирования речевых сигналов делает их помехоустойчивыми и защищенными от несанкционированного вмешательства , что становится , все более актуальным.

В соответствии с "Концепцией создания цифровой сети связи МПС России" в качестве базового стандарта цифровых сетей подвижной связи возможен выбор стандарта GSM-R , являющегося официальным для железных дорог Европы. Выбор этот , в частности, обусловлен тем , что прототип GSM-R - стандарт сотовой связи GSM признан в качестве федерального в Российской Федерации.

Подавляющая часть исследований в области речепреобразования в цифровых сетях подвижной связи с одной стороны направлена на поиски оптимальных методов кодирования и энергосберегающей технологии передачи речевого сигнала , такой , например , как

прерывистая передача речи , когда речевой сигнал преобразуется и передается в виде кодовых слов о медленно меняющихся характеристиках только в моменты активности абонента. С другой стороны при проектировании и построении таких сетей неизменно возникает комплекс вопросов оценки качества функционирования сети связи.

Недостаточная изученность ряда объективных закономерностей процесса прерывистой передачи речи в цифровых сетях подвижной связи , отсутствие математического аппарата и строгой методики аналитической оценки качества передачи речи по критерию разборчивости приводят к нерациональному проектированию новых систем , реализующих этот процесс и препятствуют решению в полной мере задачи их совершенствования. Поэтому задача создания такого математического аппарата и разработки методики , решаемая в данной диссертационной работе , является актуальной. Алгоритм решения поставленной задачи можно представить следующим образом:

1. Анализ методов передачи речи в цифровых сетях подвижной связи и

(

исследование методов оценивания качества ее воспроизведения.

2. Изучение специфики речевого сигнала и его основных вероятностных характеристик (в том числе спектральных).

3. Разработка модели прерывистой передачи речи с разбиением спектра исходного сигнала на полосные составляющие.

4. Анализ процедур восстановления речевого сигнала в приемнике системы прерывистой передачи речи в условиях воздействия помех и замираний сигнала.

5. Создание математического аппарата для исследования качества прерывистой передачи речи и разработка методики аналитической его оценки.

6. Оценка качества передачи речи с использованием разработанной модели системы с прерывистой передачей и разработанной методики.

7. Оценка влияния различных факторов на качество функционирования системы с прерывистой передачей речи.

Исходная основа диссертации

Решению перечисленных задач посвящена данная диссертация , использующая:

- фундаментальные работы по общей теории информации В. А. Котельникова , Н. Винера , К. Шеннона и др.;

- теоретические и прикладные исследования по цифровой обработке и передаче речи Дж. Беллами , А.И Величкина , М.Д.Венедиктова ,ГВ. Вемяна , В.Н. Гордиенко , Г.В. Горелова , А.Г. Зюко , Г.В. Кузнецова , М.В. Назарова , М.А. Сапожкова и др.

- исследования цифровых средств и систем передачи информации Л.А. Баранова , Е.В. Ерофеева , А.Ф. Фомина , И.А. Лозового , В.А. Новикова и др.

Цель работы

Выполненная диссертационная работа развивает теорию обработки , передачи и восстановления речевого сообщения в цифровых сетях подвижной связи с прерывистой передачей речи с целью аналитической оценки качества ее функционирования по критерию разборчивости. Диссертационная работа позволяет объективно оценивать преимущества и недостатки алгоритмов реализации прерывистой передачи речи в цифровых сетях подвижной связи.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты исследования

1. Алгоритм оценки качества прерывистой передачи речи по критерию разборчивости , учитывающий специфику преобразования , передачи и восстановления речевого сообщения.

2. Аналитическая модель прерывистой передачи речи с использованием разбиения ее спектра на полосные составляющие с последующей передачей информации об уровне спектра сигнала (например, на средней частоте каждой полосы по каналу связи) в процессе которой возможна потеря речевых кадров.

3. Аналитический аппарат оценки влияния шума разбиения на качество прерывистой передачи речи в цифровой системе подвижной связи.

4. Аналитический. аппарат оценки влияния шумов экстраполяции речевого сигнала (вследствие потери речевых кадров) на качество прерывистой передачи речи в цифровой системе подвижной связи.

5. Результаты оценки качества прерывистой передачи речи в цифровой сети подвижной связи с использованием разработанной методики и модели.

Методика исследования

Методы исследования , использованные в диссертации базируются на теоретическом анализе методов обработки речевой информации с использованием теории вероятностей и математического моделирования. Моделирование системы прерывистой передачи речи и оценка качества ее функционирования выполнены с применением ЭВМ. Научная новизна

Степень научной новизны диссертационной работы определяется тем , что она развивает теорию обработки речи в спектральной области и ее восстановления в направлении разработки методики и математического аппарата аналитической оценки качества прерывистой передачи речи и ее реконструкции в цифровых сетях подвижной связи. Практическое значение работы

Практическая ценность диссертации заключается в том , что разработанный аналитический аппарат предоставляет возможность получения объективных результатов оценки качества передачи речевого

1. Во многих цифровых системах подвижной связи преобразование сигнала основано на реализации различных алгоритмов прерывистой передачи речи,

2. Прерывистая передача речи в широком смысле этого понятия заключается в определении медленно меняющихся характеристик речевого сигнала , передаче их кодов и команд на восстановление по каналу связи и собственно восстановлении речевого сигнала на приемном конце. При этом все операции происходят только в моменты речевой активности абонента.

3 При прерывистой передаче речи в цифровых сетях подвижной связи необходимо учитывать возможные потери речевых кадров , в том числе и пачечные , вызванные замираниями сигнала , разного рода помехами. 4. При оценивании качества прерывистой передачи речи по критерию слоговой разборчивости необходимо учитывать шум обработки речевого сигнала в частотной области , шумы , вызванные отбраковкой речевых кадров с учетом вероятностного механизма такой отбраковки и т.п. Вторая глава посвящена определению вероятностных (в тем числе спектральных) характеристик речевого сигнала. Анализированы особенности речевого сигнала . влияние процедуры кодирования путем разбиения на полосы усредненной спектральной плотности мощности на спектральные и корреляционные характеристики речевого сигнала. Например , анализирована процедура , при которой производится

замена в ¡-той полосе (а{,й>м) спектра реального речевого сигнала спектром узкополосного квазибелого шума:

Получено выражение для корреляционной функции восстанавливаемого (реконструируемого) сигнала:

где N - число полос разбиения.

Произведен расчет корреляционной функции исходного ¡^х(т) и восстанавливаемого сигнала для различных вариантов разбиений спектра исходного речевого сигнала (N=5 , 10 , 30 и 62). Третья глава посвящена оцениванию качества прерывистой передачи речи по критерию отношения сигнал/шум. Разработана математическая модель разбиения спектра речевого сигнала на полосы. Получено аналитическое выражение мощности шума разбиения

8,й=А,5х са<®<со„.

(1)

где 5» - дисперсия сигнала;

(2)

I

бУ

О), + со,,

ср

(3)

гДе - частота среза фильтра нижних частот,

осуществляющего предварительное ограничение спектра передаваемого речевого сообщения.

В частности для спектра речезого сигнала с корреляционной функцией 5;ехр(-а|т|)с08й)от . ограниченного фильтром нижних частот с частотой среза Рср:

Si = !i(I + M>

Х1(0| + С0ь, I - . [ СО,-1"со,,. , ^ а + , -cOoi а +| , +(о<

(coi.rco,)-

_ arctgieO,.,-(Oo']_ arctgia),.^m, | + arct i(Or®o] + arctgf

v а J { а ! { а J I а

, 1 ♦ f^Fcp-co»4) J A1*-Fcp + coo

где ГЛ = 1 - — arctg -5-1 — arctg -"-

к { а , х "1 а

■ (4)

, ^ „ г"

Он - Гер •

В соответствии с разргоотанней моделью системы с прерывистой передачей речи получены аналитические выражения для расчета мощностей шумов восстанс.пения речевого сигнала. Выражение для мощности 5| шума , сбусл явленного потерей одного речезого кадра , определенного в виде

S; = 2P„otS:(I-R,(T)), (5)

гДе Poor ■ вероятность потери речезого кадра длительностью Т.

1.4

ип/нем

а +

+

2

X

(6)

Выражение для мощности 5! шума обусловленного потерей подряд двух и более речевых кадров, определяется в видй

где р(г), ¡=0,1,2... - распределение вероятностей потери подряд [ -речевых кадров. Оценено влияние способа экстраполяции при потере подряд двух и более речевых кадров ..

Пр* потере подряд 1=1,2,... речевых кадров сигнала х(0 возможна замена утерянных кадров фрагментами процасса у(1), которые могут предстаалять собой фрагменты исходного сигнала, шума...

Используя стационарные модели и считая одинаковыми мощности

Ох 6г «сходного сигнала х<г> и сигнала у(х), используемого для реконструкции и учитывая тс , что б случае независимости Х(с) и У(£)

(7)

ОСШ =101д{£^}((М[х(1)-у(1)])/5-;) «И }-' =

( 11» IV1 ' {8)

= 101д

I ■ I 115.» I)

где Р(0 - вероятность потер.1 подряд I речевых кадров;

М[-]-символ операции математического ожидания. Учитывая центрированность Х(1.) и УДО,приводим формулу (8) к виду

осш = 10 1д^2Х Р(о] = ю '9 ^ Р „„ >' (9)

В частном случае использования для реконструкции каждого из 1 потерянных подряд кадров предшествующего речевого кадра, имеем:

ОСШ = 101д

, ' -

'То,"-1

= Ю1д|22:Р(1)|1-11г1(кТ)[| . ПО)

где Гх(-)-нормированная корреляционная функции сигнала хф.

Например , учитывая лиаь потерю сднсго подряд речевого кадра , когда в качестве замены испс льзуется предшествующий хадр ( 1=1 , Р(0=Р(1)=Рпот), из (10) получаем

ОСШ = 101д(2Рпот [1 - Гж (Т)])', ч (11)

соответствующее (5).

В случае использования в качестве замены отрезка сигнала, некоррелированного с х(Ч , из (11) получгем (9).

• Если при потере речевого кадра в качестве замены использовать математическое ожидание исходного сигнала (нулевое значение), то в соответствии с (8) имеем:

осш = ю^Ц^м^ЧоЦ = юЦхро)} ' = (12)

Произведен расчет мощности шуг.а , обусловленного потерей подряд двух или более речевых кадров , для двух способов экстраполяции: экстраполяции путем замены утерянных речевых кадров белым шумом и экстраполяции путем заглушения сигнала на выходе приемника (вывод:.! его на нулевой уровень). Результаты расчета приведены на рис. 1.

80 !

) г . %

рис 1 Графи*« зависимостей слоговой разборчив.' -и от вероятности от^раковви речевого *адра при раадичны* способа* 'истраполояции двух и более отбрэкованмьи подряд ►адрое 2~ }

Произведен расчет эквивалентного отношения мощности сигнала к мощности стационарного шума в незанятом канале , для чего использована аппроксимация экспериментальных данных зависимости ОСШэкв от ОСШкорр. Показано , что аппроксимация корректна как при

наличии шума незанятого канала ( фонового шума) , так и при его

отсутствии:

ОСШ =ОСШ. •! I - ехр же фон \

-0,16 -ОСШ. -0,7 1 фон

ОСШ

ко рр

ОСШ

фон

(13)

Для оценивания качества прерывистой передачи речи по критерию слоговой разборчивости на основании экспериментальных данных разработана аппроксимация зависимости слоговой разборчивости от ОСШэкв :

Э = -ЗхЮ 'хОСШ^в + 6x10 7хОСШэКВ - 5x10 'хОСШ^в

- о.оо2хосш;,

■ 0.0481ХОСШ™ + 2.3298хОСШЭКв + 37.

(14)

Экспериментальная кривая и ее аппроксимация приведены на рис.2

ОСШ»|Ь , д Б

рис.2 Зависимость сло'овой разборчивости Э от О С 1] з к в

Основные результаты главы: Шум обработки речевого сигнала на передающем конце (шум разбиения) является коррелированным с речевым сигналом и целиком зависит от качества обработки сигнала. Шумы экстраполяции потерянных речевых кадров не коррелированы с речевым сигналом.

Таким образом рассчитываемые посредством разработанных аналитических моделей мощности трех составляющих шума являются базовыми данными для определения значения слоговой разборчивости.

2. На основании результатов сравнений способов экстраполяции речевого сигнала в случае потери подряд двух и более речевых кадров (рис.1) можно сделать вывод о предпочтительности способа экстраполяции путем заглушения сигнала по сравнению со способом экстраполяции с использованием вставки фрагмента белого шума взамен потерянного речевого кадра.

3. Разработанные аппроксимации экспериментальных данных зависимости ОСШэкв от ОСШкорр с учетом и без учета шума незанятого канала , и зависимости слоговой разборчивости от ОСШэкв входят в базовый аналитический аппарат разработанной методики оценки качества передачи речи.

В четвертой главе разработана методика оценивания качества прерывистой передачи речи по критерию слоговой разборчивости. Исследовано влияние вида распределения Р(1) на оценку качества реконструкции сигнала. Используются, например, геометрическое ( Р(0 = (1-РПОТ)Р_. ¡ = 0,1,2,. ,)

и пуассоновское (при использовании нормировки Р0)=1-Рпот, при ¡=0 Р(0= 1^121{-1п(1-рпот)}, ¡ = 0,1,2,..) распределения

вероятностей потери речевого кадра. Исследовано влияние входного

отношения сигнал/шум ОСШвх =101д

(где 5™ - мощность шума на

входе передатчика , мощность речевого сообщения) назначения

слоговой разборчивости при изменении вероятности потери речевого кадра. Пример оценки такого влияния показан на рис. 3.

& , -------—----- -------------

к

——О С Ш в х « 1 0 д Ь

-ОСЩвх -2 Од?

-ОСШвх = зо-1 оо а б

1- , . . \\ ,

О 0 0 5 0.1 0.15 02 0.25 0.3

рис.3 Семейство зависимостей пот слоговой разборчивости от вероятности

отбраковки речевого кадра (Распределение Пуассона вероятностей потери речевого кадра; N = 30)

Основные результаты главы:

1. Разработанная методика аналитической оценки качества

прерывистой передачи речи является универсальным аналитическим аппаратом , который позБоляет оценивать качество передачи по критерию слоговой разборчивости в конкретной цифровой сети подвижней связи с конкретным способом разбиения спектра речевого сигнала на полосные составляющие и конкретными алгоритмами экстраполяции потерянных речевых кадров (потерянных речевых фрагментов).

: о

2. Получены результаты расчета показателя качества функционирования системы прерывистой передачи речи. Произведена оценка влияния различных факторов на качество функционирования. Сравнение результатов для геометрического и пуассоновского распределений вероятностей потери 1 подряд речевых кадров показало, что уточнение характера распределения существенно не сказывается на значениях разборчивости. Для инженерных расчетов достаточно использовать простые распределения , результаты для которых приведены в диссертации.

3. В соответствие с разработанной методикой произведен расчет слоговой разборчивости в зависимости от вероятности потери речевого кадра для различных значений входного отношения сигнал/шум ОСШвх. С ростом ОСШвх степень влияния шума на входе передатчика уменьшается и определяющими качество функционирования системы связи , становятся рассмотренные в диссертации составляющие шума незанятого канала (ОСШфон) и составляющие шума , коррелированного с речевым сигналом (ОСШкорр).

Заключение

Проведенные в работе исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. На основании анализа современного состояния разработок и внедрения цифровых сетей подвижной связи нужно констатировать , что

одним из наиболее рациональных способов обработки , кодирования , передачи и восстановления речевого сигнала является метод прерывистой передачи речи. Использование методов прерывистой передачи обеспечивает высокое качество воспроизведения речи .защиту от несанкционированного доступа и помехозащищенность сети подвижной связи. Цифровая основа методов прерывистой передачи речи позволяет интегрировать цифровые системы подвижной связи в цифровую сеть интегрального обслуживания , что способствует еще более эффективному их использованию.

2. Разработана методика оценивания качества прерывистой передачи речи , полностью основанная на аналитических моделях речевого сообщения , аналитических моделях процессов аналого-цифрового преобразования речевого сигнала , аналитических моделях цифровых систем подвижной связи.

3. Разработан аналитический аппарат и программное обеспечение процедуры обработки речевого сообщения путем разбиения его спектра на полосы , в том числе и нерегулярного.

4. В работе использована аппроксимация зависимости эквивалентного отношения сигнал/шум ОСШэкв от отношения мощности сигнала к мощности коррелированного с ним шума ОСШкорр и отношения мощности сигнала к мощности шума незанятого канала ОСШфон , основанная на экспериментальных данных рекомендации МККТТ

(Contribution Com. Xll-N. Study period. Vol. V,Q 1S/XII,Annex 3,4). Аппроксимацию можно использовать в условиях повышенных (ОСШкорр<Ю дБ) уровней шума , коррелированного с сигналом , например шума квантования. Для значений ОСШкорр<Ю дБ показана несостоятельность аппроксимации зависимости эквивалентного отношения ОСШэкв от ОСШкорр , предложенная компанией AT&T по заказу МККТТ и приведенная в отмеченной рекомендации последнего. Эта аппроксимация к тому же не учигызает зависимость ОСШэкв от шума незанятого канала (ОСШфон).

5. На основании экспериментальных данных разработана аппроксимация зависимости слоговой разборчивости от ОСШэкв. Произведены расчеты зависимости слоговой разборчивости от вероятности потери кадра при различных способах экстраполяции речевого сигнала. С ростом вероятности потери речевого кадра увеличивается эффективность экстраполяции путем заглушения сигнала. Например , при Рпот=0.2 выигрыш в разборчивости составляет 5% (S=50% и 55% соответственно) , а при Рпот=0.22 выигрыш составляет 10% (S=25% и 35% соответственно). Таким образом рекомендуется применять способ экстраполяции потерянных подряд двух и более речевых кадров путем заглушения сигнала на выходе приемника.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Горелов Г.В.,Каргулин С.Г.,Рогов М.А. К оценке качества обработки речи в стандарте GSM II Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. Харьков - 1997. - №1. - с.30-33.

2. Горелов Г.В.,Каргулин С.Г., Пчелинцев A.B. Обработка речи в цифровых системах подвижной связи // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. Харьков -1998. - №5. - подписано к печати 05.10.98.

3. Горелов Г.В.,Каргулин С.Г., Пчелинцев A.B. Оценивание качества передачи речи в цифровых сотовых системах связи // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте.Харьков - 1998. - №5. - подписано к печати 05.10.98.

4. Каргулин С.Г. Сравнение помехоустойчивости кодеков стандарта GSM /, Моск. Гос. Ун-т путей сообщ. (МИИТ). - М.,1998. - 3 с.:Ил. -Библиогр. - 4 назв. - Рус. - Деп. в ЦНИИТЭИ МПС за №6198 от 21 октября 1998 года.

А.

Л)

Каргулин Сергей Геннадьевич

Разработка методики оценки качества прерывистой передачи речи в цифровых сетях подвижной связи

(05.13.17-Теоретические основы информатики)

.Подписано к печати..,.. Формат бумаги .п.л. Заказ Жтираж Ш.-

Типография МИИТа , Москва , ул. Образцова, 15.

/

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

КАРГУЛИН СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

УДК 621.391.82.(043.3) РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПРЕРЫВИСТОЙ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ

Специальность : 05.13.1 /-"Теоретические основы информатики"

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

доктор технических наук , профессор

Научный руководитель

Г.В. ГОРЕЛОВ

Москва -1998

Оглавление

Введение__4

Глава! Обработка речи в цифровых сетях подвижной связи

1.1 Преобразование , передача и восстановление речевого сообщения в цифровых сетях подвижной связи_11

1.2 Выбор речевого кодека_19

Глава 2. Модели речевого сообщения

2.1. Особенности образования речи_27

2.2 Случайные процессы в моделировании речевого сообщения_29

2.3. Спектральная плотность мощности обрабатываемого сигнала_33

2.4. Корреляционная функция восстанавливаемого сигнала_35

Глава 3. Оценивание качества прерывистой передачи по критериям отношения сигнал/шум и слоговой разборчивости

3.1. Шум обработки речевого сигнала на передающем конце_36

3.2. Шум интерполяционной обработки__66

3.3 Определение эквивалентного отношения мощности

сигнала к мощности стационарного шума в незанятом канале.

Оценивание качества прерывистой передачи по

критерию разборчивости_ 79

Глава 4. Применение алгоритмов оценивания качества прерывистой передачи речи по критерию слоговой разборчивости

4.1 Влияние вероятности отбраковки речевого кадра на качество функционирования системы прерывистой передачи речи_85

4.2 Влияние способа экстраполяции речевого сигнала при отбраковке подряд двух или более речевых кадров на качество

функционирования системы прерывистой передачи речи_101

Заключение_105

Литература_109

Приложение1_114

Приложение2_118

ПриложениеЗ_123

Приложение4_128

Введение

Совершенствование системы управления железнодорожного транспорта во многом зависит от тенденций развития отрасли и в конечном счете определяется экономической политикой , к основным задачам которой относится увеличение доходов за счет роста объемов перевозок грузов и пассажиров , сокращение расходов в результате повышения производительности труда и улучшения использования основных фондов.

В настоящее время наметились устойчивые тенденции структурного укрупнения подразделений железнодорожного транспорта и , соответственно , централизации и сокращения числа уровней управления. Одновременно происходит укрупнение структурных подразделений низового уровня , в результате чего изменяются длины диспетчерских кругов , их конфигурация , состав и местоположение абонентов. Вследствие этого в системе управления при ее перестройке имеет место частое изменение направлений трафика информационных потоков из сети. Расширение функций диспетчеров и руководителей разного уровня требует предоставления новых услуг связи , модернизации существующей и построение

современной сети подвижной связи и переосмысления существующих принципов построения оперативно - технологической связи.

Решение этих проблем в части обеспечения подразделений железнодорожного транспорта надежной , мгновенной и качественной оперативно - технологической связью вне зависимости от места их расположения предъявляют качественно новые требования к системам подвижной связи.

Наиболее перспективным решением проблемы удовлетворения растущих потребностей пользователей в средствах подвижной связи в соответствии с «Концепцией создания цифровой сети связи МПС России» является концепция построения цифровых транкинговых и сотовых сетей оперативно-технологической радиосвязи. Известно , что концепция построения сетей подвижной связи на базе транкинговых и сотовых сетей способна обеспечить наиболее эффективное использование частотных ресурсов выделенных предприятиям железнодорожного транспорта (пропускной способности каналов связи) , унифицировать программные и аппаратные средства , обеспечить гибкость , живучесть и высокую экономическую эффективность. Применение в современных цифровых сетях подвижной связи эффективных методов обработки и кодирования речевых сигналов делает их

помехоустойчивыми и защищенными от несанкционированного вмешательства , что является актуальным на современном этапе.

В соответствии с "Концепцией создания цифровой сети связи МПС России" в качестве базового стандарта цифровых сетей подвижной связи возможен выбор стандарта GSM-R , являющегося официальным для железных дорог Европы. Выбор этот , в частности, обусловлен тем , что прототип GSM-R - стандарт сотовой связи GSM признан в качестве

Подавляющая часть исследований в области речепреобразования в цифровых сетях подвижной связи с одной стороны направлена на поиски оптимальных методов кодирования и энергосберегающей технологии передачи речевого сигнала , такой как прерывистая передача речи , когда речевой сигнал преобразуется и передается в виде кодов медленно меняющихся характеристик только в моменты активности абонента. С другой стороны, при проектировании и построении таких сетей неизменно возникает комплекс вопросов , связанных с оцениванием качества функционирования сети связи.

Однако оценка качества передачи речи по критериям разборчивости традиционными методами в цифровой системе подвижной связи , учитывая особенности обработки и передачи речевого сигнала ,

является затруднительной по техническим и экономическим причинам. Одним из традиционных методов является метод артикуляционных испытаний. Поэтому актуальным вопросом является проблема разработки методики оценки качества передачи речи в цифровых системах подвижной связи по критерию разборчивости.

Известно , что метод передачи управляющих команд на синтез речи ( или прерывистой передачи речи) используется в цифровых системах подвижной связи (сотовые , транкинговые системы) , для которых вопросы оценки качества решаются неоднозначно , так как потеря фрагментов (речевых кадров (кадров - управляющих команд)) в данных системах является следствием не только возникновения помех в эфире (что зависит от. многих факторов ) , но и следствием случайного перемещения подвижного объекта.

Недостаточная изученность объективных закономерностей процесса прерывистой передачи речи в цифровых сетях подвижной связи , отсутствие математического аппарата и строгой методики аналитической оценки качества передачи речи по критерию слоговой разборчивости приводят к нерациональному проектированию новых систем , реализующих этот процесс и препятствуют решению в полной мере задачи их совершенствования. Поэтому задача создания

такого математического аппарата и разработки методики , решаемая в диссертационной работе является актуальной.

Таким образом , основная цель данной работы - показать возможность аналитической оценки качества функционирования цифровых систем связи , использующих в своей основе методы прерывистой передачи речи , по критерию слоговой разборчивости. Алгоритм решения поставленной задачи можно представить следующим образом:

1. Анализ методов передачи речи в цифровых сетях подвижной связи и исследование методов оценивания качества ее воспроизведения.

2. Изучение специфики речевого сигнала и его основных вероятностных характеристик (в том числе спектральных).

3. Разработка модели прерывистой передачи речи с разбиением спектра исходного сигнала на полосные составляющие.

4. Анализ процедур восстановления речевого сигнала в приемнике системы прерывистой передачи речи в условиях воздействия помех и замираний сигнала.

5. Создание математического аппарата для исследования качества прерывистой передачи речи и разработка методики аналитической его оценки.

6. Оценка качества передачи речи с использованием разработанной модели системы с прерывистой передачей и разработанной методики.

7. Оценка влияния различных факторов на качество функционирования системы с прерывистой передачей речи.

Решению перечисленных задач посвящена данная диссертация , использующая:

- фундаментальные работы по теории обработки информации В. А. Котельникова , Н. Винера , К. Шеннона и др.;

- теоретические и прикладные исследования по цифровой обработке и передаче речи Дж. Беллами , А.И Величкина , М.Д.Бенедиктова , Г.В. Вемяна , В.Н. Гордиенко , Г.В. Горелова , А.Г. Зюко , Г.В. Кузнецова , М.В. Назарова , А.Ф. Фомина , М.А. Сапожкова и др.

- исследования цифровых средств и систем передачи информации Л.А. Баранова , И.А. Лозового , В.А. Новикова и др.

Методы исследования , использованные в диссертации , базируются на теоретическом анализе методов обработки речевой информации с использованием теории вероятностей и математического моделирования. Моделирование системы прерывистой передачи речи и оценка качества ее функционирования выполнены с применением ЭВМ.

Научная новизна данной диссертационной работы определяется тем , что результатом ее стало построение аналитической методики оценки качества прерывистой передачи речи по критерию слоговой разборчивости с использованием известной модели речевого сигнала для различных условий его обработки в частотной области. Этими условиями являются: способ разбиения спектра исходного сигнала и число полос разбиения , вероятность отбраковки "речевого кадра" , отношение мощности сигнала к мощности стационарного шума на входе передатчика и др.

Практическая ценность диссертации заключается в том , что разработанный аналитический аппарат предоставляет возможность получения объективных результатов оценки качества передачи речевого сигнала по критерию слоговой разборчивости. Разработанный аппарат может быть использован при анализе качества функционирования и проектировании конкретных цифровых сетей подвижной связи , использующих методы прерывистой передачи речи , а также решения других инженерных задач анализа систем связи , находящихся в эксплуатации.

Результаты диссертационной работы полезны для проведения дальнейших исследований в области обработки ,

прерывистой передачи и восстановления речевого сигнала в цифровых сетях подвижной связи.

ГЛАВА 1. ОБРАБОТКА РЕЧИ В ЦИФРОВЫХ СЕТЯХ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ

1.1 Преобразование , передача и восстановление речевого сообщения в цифровых сетях подвижной связи

Рассмотрим механизмы преобразования , передачи и восстановления речевого сообщения в цифровых сетях подвижной связи на примере систем стандарта GSM.

Стандарт GSM разработан для создания сотовых систем подвижной связи (ССПС) в следующих полосах частот: 890-915 МГц -для передачи подвижными станциями (линия "вверх"); 935-960 МГц -для передачи базовыми станциями (линия "вниз") [15].

Сети GSM функционируют параллельно с существующими европейскими национальными сетями аналоговых ССПС стандартов NMT-900, TACS, ETACS. Каждая из полос, выделенных для систем GSM, разделяется на частотные каналы. Разнос каналов составляет

200 кГц, что позволяет организовать в сетях GSM 124 частотных канала. Частоты, выделенные для передачи сообщений подвижной станцией на базовую и в обратном направлении, группируются парами, организуя дуплексный канал с разносом 45 МГц. Эти пары частот сохраняются и при . перескоках частоты. Каждая сота характеризуется фиксированным присвоением определенного количества пар частот. Для защиты от ошибок в радиоканалах подвижной связи GSM используются сверточное и блочное кодирование с перемежением. Перемежение обеспечивает преобразование пакетов ошибок в одиночные. Сверточное кодирование является мощным средством борьбы с одиночными ошибками. Блочное кодирование, главным образом, используется для обнаружения нескорректированных ошибок [1].

Процессы обработки речи в стандарте GSM направлены на обеспечение высокого качества передаваемых сообщений и реализацию дополнительных сервисных возможностей.

Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи. Система прерывистой передачи речи, помимо выполнения алгоритма выделения , кодирования характеристик речи , формирования управляющих команд на синтез речи и восстановления (синтезирования) речевого сигнала в

соответствии с принятыми командами и кодами характеристик речи на приемном конце , обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора. В состав системы прерывистой передачи речи входит детектор активности речи (VAD - voice activity detector -детектор активности речи), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов передачи речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи. В состав системы прерывистой передачи речи входит также устройство формирования комфортного шума, который прослушивается в паузах речи, когда передатчик отключен. Экспериментально показано, что отсутствие фонового шума на выходе приемника в паузах при отключении передатчика раздражает абонента и снижает разборчивость речи, поэтому применение комфортного шума в паузах считается необходимым. Процесс восстановления речевого сигнала в приемнике в приемнике включает также интерполяцию фрагментов речи, потерянных из-за ошибок в канале.

Структурная схема процессов обработки речи в стандарте GSM показана на рисунке 1.1 главным устройством в этой схеме является речевой кодек [1].

t

§ «

g CU

о &

f Ж Ь i

I =,, О

I £- . •%> ■

' К Щ. $

JS. 4 I

U 8 i S I

"TT"'" ä

Детектор активности речи (\/АО) играет решающую роль в снижении потребления энергии от аккумуляторной батареи в портативных абонентских терминалах. Он также снижает интерференционные помехи за счет переключения свободных каналов в пассивный режим. Реализация \/АЭ зависит от типа применяемого речевого кодека. Главная задача при проектировании У АО -обеспечить надежное отличие между условиями активного и пассивного каналов. Если канал на мгновение свободен, его можно заблокировать, поскольку средняя активность речи говорящего ниже 50%, то это может привести к существенной экономии энергии аккумуляторной батареи.

К устройствам УАИ предъявляются следующие основные требования:

- минимизация вероятности ложной тревоги при воздействии только шума с высоким уровнем;

- высокая вероятность правильного обнаружения речи низкого уровня;

- высокое быстродействие распознавания речи, для исключения задержек включения;

- минимальное время задержки включения.

В стандарте GSM используется схема VAD с обработкой в частотной области. Ее работа основана на различии спектральных характеристик речи и шума. Считается, что фоновый шум является стационарным в течение относительно большого периода времени, его спектр также медленно изменяется во времени. VAD определяет спектральные отклонения входного воздействия от спектра фонового шума. Эта операция осуществляется инверсным фильтром, коэффициенты которого устанавливаются применительно к воздействию на входе только фонового шума. При наличии на входе речи и шума инверсный фильтр осуществляет подавление компонентов шума и, в целом, снижает его интенсивность. Энергия смеси сигнал+шум на входе инверсного фильтра сравнивается с порогом, который устанавливается во время действия на входе только шума. Этот порог находится выше уровня энергии шумового сигнала. Превышение порогового уровня принимается за наличие на входе реализации (сигнал+шум). Коэффициенты инверсного фильтра и уровень порога изменяются во времени в зависимости от текущего значения уровня шума при воздействии на входе только шума. Поскольку эти параметры (коэффициенты и порог) используются детектором VAD для обнаружения речи, сам VAD не может на этой же основе принимать решение, когда их изменять. Это решение

принимается вторичным VAD на основе сравнения огибающих спектра в последовательные моменты времени. Если они аналогичны для относительно длительного периода времени, предполагается, что имеет место шум, и коэффициенты фильтра и шумовой порог можно изменять, то есть подстраивать под текущий уровень и спектральные характеристики входного шума.

VAD с обработкой в спектральной области удачно сочетается с речевым RPE/LTP-LPC кодеком, (RPE/ LTPLPC - regular pulse excitation with long term prediction and line prediction - кодек м регулярным импульсным возбуждением и линейным долговременным предсказанием) так как в процессе LPC анализа уже определяется огибающая спектра входного воздействия, необходимая для работы вторичного VAD.

Формирование комфортного шума осуществляется в паузах активной речи и управляется речевым декодером. Когда детектор активности речи (VAD) в передатчике обнаружит, что говорящий прекращает разговор, передатчик остается еще включенным в течение следующих пяти речевых кадров. Во время первых четырех