автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.02, диссертация на тему:Разработка методов повышения помехоустойчивости кодеков низкоскоростной цифровой передачи речи

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Московский технический университет связи и информатики

|[а правах рукописи

Закусина Ольга Владимирована

УДК 621.396.15

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЕЕНИЯ ПШЕХОУСТШЧЙВОСТН КОДЕКОВ НШКОСКОРОСТНОЯ ЩЙРОВОЯ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ

Специальность СБ.12.02 - Системы и устройства передачи

информации по каналам связи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московском техническом университете связи и информатики на кафедре теории электрической связи.

Научный руководитель - доктор технических наук

профессор П.Н.ПРОХОРОВ

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Н.И.ПИЛИПЧУК

- кандидат технических наук С.П.БАРОНИН

Ведущее предприятие - Центральный научно-исследовательский

институт связи (ЦНИИС)

Защита диссертации состоится декабря 1994 г.

в /У часов на заседании специализированного совета К 118.06.03 по присуждению ученой степени кандидата технических наук Московского технического университета связи и информатики.

Адрес: 105855, ГСП, Москва, Авиамоторная ул., д.8-а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " 03 " и/?<Я/)/?(Яу 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент

О.В.МАТВЕЕВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция роста потребностей индивидуальных и коллективных пользователей в каналах связи для передачи речевой информации. Это диктует необходимость увеличения числа каналов передачи и эффективности их использования при высокой достоверности передачи сообщений.

Особую актуальность эта задача приобретает в условиях все более широкого,развития сетей и систем подвижной радиосвязи. На сегодняшний день в области цифровой передачи речи достигнуты значительные результаты на базе развития общего направления "кодирование с предсказанием". Серийно выпускается кодек для передачи речи со скоростью 32 кбит/с ( рекомендация й721 МККТТ), приняты стандарты международных организаций для передачи речи со скоростью 16 и 13 кбит/с, а также федеральный стандарт США для систем подвижной радиосвязи, работающий со скоростью 4.8 кбит/с.

Ведущие научные лаборатории и исследовательские подразделения ряда фирм проводят исследования по разработке многоскоростных перестраиваемых кодеков и стандартов для скоростей 2.4-9.6 кбит/с в локальных сетях и интегрированных в сети общего пользования.

Из сделанного обзора устройств кодирования речевых сигналов (кодеков), а также систем цифровой передачи речи,в которых они применяются, можно сделать вывод о том, что актуальным является разработка и исследование низкоскоростных методов кодирования с повышенной помехоустойчивостью. Если вопросы ЭКР в диапазоне скоростей 4.8-16 кбит/с изучены и изложены в литературе достаточно подробно и существует ряд алгоритмов и устройств, нашедших применение в реальных системах, то вопросы повышения помехоустойчивости передачи при этих же скоростях, возникающие, в частности, в системах подвижной радиосвязи, разработаны мало и требуют проведения дополнительных исследований.

Обычными средствами повышения помехоустойчивости трудно воспользоваться при передаче речи с низкими и средними скоростями, так как они не используют свойств речевого сигнала и необходимая для их реализации избыточность приводит к ужесточению требований к алгоритмам сжатия.

Анализируя существующие подходы к решению задачи повышения помехоустойчивости,можно отметить, что им присущи весьма существенные ограничения. В частности, это каскадное разделение операций

устранения избыточности, помехоустойчивого кодирования и модуляции, а также обратных преобразований. Оптимизация передаваемых сигналов без учета реальной помеховой обстановки в канале, его состояния и характеристик, особенностей источника сообщений.

Задачу синтеза сигналов при этом решают, основываясь на получении устраивающей потребителя вероятности ошибки на выходе демодулятора. В условиях, когда канал используется для передачи речевых сообщений, критерий вероятности ошибки дает лишь косвенное представление о возможном качестве передачи этого сообщения и, вообще говоря, из-за отсутствия данных о связи этого критерия с таким вакным показателем,как среднеквадратичёская ошибка,не гарантирует оптимального построения системы (канала) передачи.

Более информативной при передаче речи является оценка по среднеквадратической погрешности в передаче сообщения. Эта оценка, во всяком случае, более адекватна характеру и особенностям аналогового сигнала. В связи с этим задачу синтеза сигналов предлагается решать, ориентируясь на критерий среднеквадратической ошибки.

Целью диссертационной работы является разработка цифровых методов передачи речи с повышенной помехоустойчивостью и низкими скоростями. Для ее достижения используется концепция локально-оптимальных систем, согласно которой алгоритмы эффективного и помехоустойчивого кодирования должны разрабатываться совместно.

В диссертационной работе разрабатываются метода повышения помехоустойчивости ЦПР в кодеках следующих ставдартизированных алгоритмов:

- вокодера с линейным предсказанием на линейных спектральных парах;

- кодека АДШШ с раздельным предсказанием стандарта "INMARSAT-B";

- кодека с многоимпульсным возбуждением стандарта GSM.

Разработки включают следующие задачи:

1. Синтез и исследование нелинейного предыскажаодего устройства и корректора, влияющих на структуру выходного сигнала модема цифрового канала.

2. Синтез локально-оптимальных помехоустойчивых квантователей для гауссовского источника и безынерционных каналов с неизвестной вероятностью ошибки.

3. Экспериментальные исследования локально-оптимальных помехоустойчивых квантователей и выработка рекомендаций по их примене-

нию.

4. Разработка метода оценки вероятности ошибки по синдрому помехоустойчивого кода для раскиреиного двоичного симметричного канала с переменной вероятностью оаибки.

5. Анализ чувствительности исследуемых кодеков речи к ошибкам в двоичном симметричном канале передачи.

6. Синтез кодеков с повышенной помехоустойчивостью на основе вокодера на линейных спектральных парах, кодеков стандартов GSIi и "INMARSAT-B".

7. Оценка качества восстановления синтезированной речи в помехоустойчиво?/! вокодере по критерия звуковой разборчивости.

8. Экспериментальное исследование помехоустойчивости синтезированных алгоритмов для кодеков стандартов "HMAESAT-B" и GSI1 на гауссовском и речевом сигналах в условиях, близких к реальны?.!.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использован аппарат теории вероятности, математической статистики и статистической радиотехники, теории выбора и принятия решений, функционального анализа, методы вариационного исчисления, теории информации, нелинейного программирования и численного анализа.

Научная новизна работа заключается в следующем:

1. Синтезированы нелинейные устройства предыскажения и коррекции. Экспершентально показана их работоспособность. Дано аналитическое описание семейства функций преобразования.

2. Разработан метод повышения помехоустойчивости цифровой передачи гауссовского сигнала, на основе некогерентного локально-оптимального помехоустойчивого квантования с введением исходной опорной вероятности ошибки.

3. Разработан метод повышэния помехоустойчивости цифровой передачи гауссовского сигнала, на основе локально- оптимального помехоустойчивого квантования по критерию среднего риска в заданном диапазоне измене)™ вероятности ошибки.

4. Разработаны и исследованы помехоустойчивые алгоритмы кодирования с учетом свойств речевого сигнала для вокодера на линейных спектральных парах, кодеков стандартов GSM и "IMAHSAT-B".

Основные научные положения, выносимые ка защиту, заключаются в следующем:

1. Метод повышения помехоустойчивости цифровой передачи речи по двоичному симметричному каналу с априорной неопределенностью на основе локально- оптимального некогерентного квантования при

опорной вероятности ошибки.

2. Метод повышения помехоустойчивости цифровой передачи речи по двоичному симметричному каналу с априорной неопределенностью на основе локально- оптимального квантования, синтезированного по критерию среднего риска.

3. Метод согласования кодека и модема на основе вариационного синтеза устройств предыскажения и коррекции в классе управляемых марковских процессов.

4. Алгоритмы и программы повышения помехоустойчивости эффективных кодеков для диапазона скоростей передачи 2.4 кбит/с - 16 кбит/с на основе вокодера с линейным предсказанием, кодеков стандартов GSJT и "MiARSAT-B".

5. Результаты исследований разработанных методов и алгоритмов на реальных речевых сигналах и их моделях.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Рекомендуется применение некогерентных квантователей в каналах с неизвестной вероятностью ошибки в диапазоне [0.001+0.21. Расчет квантователей предпочтителен для узких диапазонов изменения вероятности ошибки и числе уровней квантования не выше 16. Реко-мевдуется при разработке квантователей, синтезированных по критерию среднего риска, выбирать диапазон взвешивания с заходом в область нечувствительности к ошибкам в канале и число уровней квантования выше 16.

2. Разработан алгоритм оценки вероятности ошибки по синдрому помехоустойчивого кода, в котором рассчитывается совокупность длин выборок и числа ошибок в них, для расширенного двоичного симметричного канала, заданного конечным набором матриц переходных вероятностей и типом помехоустойчивого кода в цифровой части.

3. Разработаны помехоустойчивые квантователи для вокодера на линейных спектральных парах, позволяющие обеспечивать выигрыши: по отношению сигнал-шум квантования до 3 дБ, по спектральной мере до 4 ДБ. Выигрыш соответствует увеличению звуковой разборчивости в среднем на

4. Разработан алгоритм помехоустойчивого квантования параметров кратковременного предсказания, сигнала остатка предсказания и долговременного цредсказания для кодека GSM, позволяющий получить выигрыш по отношению сигнал-шум квантования на 3.5 дБ, по отношению сигнал-шум восстановления на 2.1 дБ в диапазоне изменения вероятности ошибки [З*10~3-*7*10~3].

5. Разработан алгоритм помехоустойчивого квантования параметров кратковременного предсказания, сигнала остатка предсказания и долговременного предсказания для алгоритма кодека стандарта "ПШИЗАТ-В", позволяющий полутать выигрыш по отношению сигнал-шум квантования на 4.5 дБ, по отношению сигнал-шум восстановления на 3.6 дБ в диапазоне изменения вероятности ошибки [3*1(Г3т2*1СГг].

Реализация результатов. Основные результаты исследования, выводы и рекомендации, изложенные в диссертационной работе, нашли отражение в отчетах по НИР в 1989-1993 г.г. и использованы на промышленных предприятиях, что подтверждается приводимым актом о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссерта-ционой работы докладывались автором, обсуждались и получили положительную оценку на научно- технических конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов МИС в 1989, 1990, 1991, 1992 г.г., на II,III,IV научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов в 1989...-1991 г.г., на XXVI всесоюзной сессии, посвященной дню Радио в г. Москва в 1991 г., на межрегиональных конференциях "Цифровые системы передачи городских и сельских сетей связи" в г. Новосибирск в 1992 г., "Спутниковые системы связи и вещания: перспективы развития в Укрейне" в г. Одесса в 1993 г., на 17-м семинаре "Автоматическое распознавание слуховых образов" в г. Ижевск в 1992г.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано десять печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 116 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 29 таблиц и четыре приложения. В библиографию включено 130 наименований отечественной и зарубежной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, указываются цель и задачи исследования, приводятся основные положения, выносимые на защиту, объем и структура работы с перечислением рассматриваемых вопросов по главам. Приводятся сведения об апробации и степени опубликования основных положений диссертационной работы, а также о внедрении полученных результатов.

В первой главе проводится обзор и классификация

методов цифрового представления речи по характеру цифрового преобразования, разделяя их на метода: ИКМ, эффективного кодирования речи (ЭКР), ЭКР с учетом условий применения. Подробно рассматриваются методы ДМ, АДИКМ, алгоритмы кодеков с ортогональным цреобра-зованием ОПА, с обработкой сигнала в выделенных частотных диапазонах (МПК), усеченного возбуждения (ЛЕУВ), многоимпульсного возбуждения (ЛШВ), кодового возбуждения (ЛПКВ). Аналитический обзор методов кодирования включает описание алгоритма кодирования, эффективность метода, помехоустойчивость.

По эффективности (скорости кодирования при заданном качестве) методы кодирования можно разделить на три группы. Первая группа низкоэффективных кодеков включает ИКМ и АДМ и обеспечивает удовлетворительное качество только при скоростях передачи >24 кбит/с. Вторая группа кодеков ОПА, МПК, ЛПКВ, АДИКМ обеспечивает удовлетворительное и отличное качество звучания при скоростях 8-32 кбит/с. Отдельно следует выделить группы ЛПКВ и ЛПМВ, в рамках которых созданы высокоэффективные кодеки, обеспечивающие отличное качество при низких скоростях 2.4-8 кбит/с.

Наибольшую помехоустойчивость имеет ДМ. Она не теряет работоспособности при одиночных ошибках и пакетах малой длительности. Системы с ДИКМ при качестве восстановления, сравнимом с ИКЫ, обеспечивают помехоустойчивость на порядок выше ИКЫ. У кодеков ОПА и МПК характеристика не имеет порогового перехода к участку неработоспособности. Кодеки с выявлением избыточности погрешности предсказания имеют две области: помехоустойчивой работы до вероятности ошибки 10~3 и резкого спада помехоустойчивости.

Под помехоустойчивостью понимается максимальная вероятность ошибки в канале, при которой качество звучания сигнала на выходе кодека снижается незначительно ( БШ ухудшается не более чем на 10%, в испытаниях по методу парных сравнений различия мевду сигналами составляет не более 20%).

По помехоустойчивости методы кодирования можно разделить на две группы. В первую группу входят кодеки с сильной зависимостью помехоустойчивости от скорости передачи (ИКМ, АДМ, АДИКМ). Во вторую входят кодеки со слабой зависимостью помехоустойчивости от скорости передачи (МПК, ЛПКВ, ОПА, ЛПМВ).

Классификация методов повышения помехоустойчивости основана на формализации структуры системы цифровой передачи речи.

В оптимальной системе (с максимальной эффективностью) уменьшение избыточности входного сообщения проводится в кодере источни-

ка, а уменьшение вероятности ошибки - в кодере канала. Для существующих методов ЦПР такой подход может применяться, когда разработчик не хочет или не может использовать особенности речевого сигнала и способа его преобразования для повышения помехоустойчивости. Эти методы можно назвать универсальными или "внешними".

Такие метода на основе помехоустойчивого кодирования естественны для алгоритмов универсального" кодирования речи. Развитием этих методов являются специализированные помехоустойчивые коды, которые наиболее эффективны для ЛПКВ алгоритмов.

Другим методом в этом классе является побитная защита с разновидностью в виде групповой защиты на основе оценки чувствительности каждого бита к ошибкам в канале.

Альтернативой етим методам считаются "прикладные" или "внутренние" методы, которые строятся в рамках теории локально- оптимальных систем (ЮС) и систем с измененной структурой. Синтез таких систем основан на следующем утверздешш: если система не реализует потенциальные характеристики, существует зависимость между эффективностью работы кодера источника и кодера канала. Можно составить схему системы передачи, где КИ и КК разрабатываются совместно, хотя конструктивно разделены, а приемник объединяет ДК и ДИ.

К этим методам относится гребенчатое или многомодовое кодирование, в котором комбинированный КИ и КК динамически управляет кодированием источника в соответствии с качеством канала.

Все внутренние методы ухудшают работу системы в отсутствию канальных помех.

К третьему направлению относятся системы с измененной структурой на основе введения задержек передачи. К этому направлению также относятся кодеки, где интегральное качество восстановления описывается СКО и применяется снижение скорости передачи для повышения помехоустойчивости.

Работа кодеков по каналам с одиночными ошибками может быть представлена четырьмя концепциями цифровой телефонии:

1. Концепция ИКМ телефонии, где Рош=10_б- граница искаженного и неискаженного канала;

2. Концепция перспективной телефонии основана на оценке готовности линии с точки зрения "приемлемого" и "неприемлемого" канала, граница которой соответствует вероятности Рош=10"3;

3. Концепция "рискованной" телефонии основывается на оценке "работоспособного" и "неработоспособного" канала в диапазоне

рош=10"3- рош=10~1'

4. Концепция "телефонии с задержкой передачи" при коэффициенте ошибок выше Ю-1, так как для обеспечения работоспособности используются метода защиты с временными задержками.

Наиболее актуальной представляется разработка систем "рискованной телефонии", в которой вероятность ошибки достаточно велика, чтобы считать ее переменной и медленно меняющейся. Модель представляет расширенный двоичный симметричный канал, заданный конечным набором матриц переходных вероятностей и типом помехоустойчивого кода в цифровой части.

Во второй главе разрабатываются методы нелинейного согласущего преобразования и локально-оптимального помехоустойчивого квантования.

Для предыскажавдего устройства решается задача выбора оптимальной функции предыскажения и проводятся исследования работоспособности. Особое внимание уделено анализу работы корректора с экстраполяцией оцениваемого сигнала.

Устройства предыскажения и коррекции синтезируются как динамическая система, формирующая марковский сигнал в дискретном времени, описываемый уравнением: Xt=Ccpx(Xt_1 )+öuüt_1 , где

<px(Xt_1) - функция, задающая вид предыскажения, bu, Ъ^ - известные коэффициенты.

Канал связи описывается гауссовской последовательностью случайных величин с равномерной спектральной плотностью. Задача синтеза сводится к определению по критерию min е^ оптимальной оценки Ut с СКО е^ (срх) или определению наилучшей функции ср0 из соотношения: <р0(Х)= argain е^(фх). а корректирующим устройством является марковский нелинейный фильтр.

Алгоритм приема состоит из двух этапов. На первом по критерию минимума СКО : e^=E(Xt-Xt)2, где Xt- оценка сигнала Xt, выполняется оценивание марковского сигнала, а на втором вычисляется оценка сообщения по уравнению:

ut-i= V <P*«t-, öu=f-

При этом для вычисления Х4 используется экстраполированная оценка U®_1f определяемая по Ut_2,Ut_3,... Исследования возможностей синтезированного алгоритма проводились на примере линейной функции и двух режимов: без учета погрешности экстраполяции и с ее учетом.

Разработаны два метода синтеза локально-оптимальных помехоустойчивых квантователей.

Кодером источника является квантователь, на вход которого

-Ю-

подается последовательность отсчетов Х1; с нормальным гауссовским распределением вероятностей.

Таким образом при известной априори вероятности ошибки возникает задача согласования алгоритмов квантования на передающей стороне и декодирования на приемной стороне с целью повышения помехоустойчивости. Если вероятность ошибки априори неизвестна, то одним из способов согласования является оценка вероятности с последующим использованием алгоритма, разработанного при полной априорной определенности. Предлагается два пути решения этой задачи:

1. Введение рассогласования между квантователем и декодером. Для этого задается опорная вероятность ошибки Роп, для которой рассчитываются пороги Т1 и уровни Шс по (1,2).

1 ГРк/1-Рк/1+1 К Ь*/!^

т1 "" Н RK - м т1+1

¿/Pk/i""Pk/i+i3Rk (1) Е Pj^J í(x)dx (2)

1=1 ~ Тх

На приеме используется переключаемая гребенка уровней для заданных априори возможных значений вероятностей ошибки в канале и некоторых опорных порогов. Такое квантование названо некогерентным, имея в виду наличие рассогласования передащей и приемной сторон ЛОС.

Опорная вероятность рассчитывается, решая задачу максимизации среднего выигрыша по отношению к квантователю Макса в заданном диапазоне изменения вероятностей ошибки, записываемой как (dB/dPon) =0, где рош2

В(Р0ш 'Роп -*<х>> = ¿ошв<рош'роп'^х>>*р<рош> d Рош- а в<-> рассчитывается как

в<рош -роп = V рош - °^рош ^оп 'f(X))'

где М- квантователь Макса, L- локально- оптимальный квантователь.

Исследования показали, что применение некогерентных квантователей эффективно для относительно узкого диапазона в области' высоких (выше (О-3) вероятностей ошибки в канале. Наиболее выраженный максимум получается в диапазоне изменения вероятностей ошибки ИО~3+о.2] и числе уровней не выше 16.

2. Разработка ЛОС с квантователем, оптимальным по среднему риску, осуществляется введением оптимального по СКО рассогласования всей системы целиком. Для этого рассчитывается модифицированная СКО, по которой определяются пороги и уровни квантования.

Модифицированная СКО (К-)) может быть записана через простую СКО

)) следующим образом:

р

ошг

1(РШ,Г(Х)) = I Б(р0Ш,Г(Х)) Р(Р0Ш)ЙРШ =

ОШ1

НИ. Т1 ~ рОШ2

'¿¿-^т^ Г(Х) Л ' Гда I Р*/1Р<Рои> ^ОШ •

1-1 ОШ1

Искомый квантователь получается из уравнений (1,2) для Рк/1.

Квантователи среднего риска характеризуются двумя точками:

- -точкой пересечения с кривой оптимального помехоустойчивого квантователя. После этой точки начинается резкий проигрыш оптимальному квантователи;

- точкой пересечения с кривой квантователя Макса. После этой точки начинается резкий проигрыш обеим системам.

Применение таких квантователей дает наибольший выигрыш в диапазоне изменения Рощ [ю~*+0.1] и числе уровней квантования не больше 16.

Разработанные для неизвестной априори постоянной вероятности ошибки алгоритмы помехоустойчивого квантования могут быть использованы в каналах с переменной вероятностью ошибки, если Рош оценивать на интервале времени, где истинную вероятность можно считать практически постоянной.

В процессе работы системы вероятность ошибки оценивается рекуррентно для каадого момента времени X. В решающем устройстве подсчитывается число ненулевых значений синдрома помехоустойчивого кода. Если число ошибок больше имеющегося в памяти для данной вероятности ошибки, то выдается коммутационная последовательность, управляющая декодером, соответствующая данной вероятности. Если число ошибок меньше имеющегося в памяти, то переходят к идентификации следующей вероятности и т. д.

В третьей главе разработаны эффективные кодеки речи с повышенной помехоустойчивостью.

Синтезированы помехоустойчивые квантователи линейных спектральных пар (15Р) вокодера со скоростью передачи 2400 бит/с и предсказателем 10 порядка. Длительность кадра 25 мсек (200 отсчетов), подкадра 50 отсчетов, кадра канальной информации - 62 бита.

В качестве меры искажения использовались частный и общий показатели отношения сигнал-шум квантования. Частным БОИ^ считается отношение мощностей сигнала и шума квантования для одного

параметра, общее БОЛ55- показывает среднее отношение сигнал-шум по всем параметрам:

л2

к 1 к №

БС®ь = -52-з- . БОИ = -2 -ВЖ ..

Здесь и- номер параметра, мощность процесса квантуемого

параметра, о2сьзрй-ьзр^)-мощность шума квантования этого процесса, И- число бит на параметр, Ы^-максимальное число бит на параметр.

При синтезе использовалась процедура адаптации квантователей к внутрисистемным связям в вокодере, так как параметры упорядочены (ЬЗРй<15Рй+1) в каждый момент времени и лежат в границах единичного круга. Процедура использует динамическое программирование и встроена в декодер.

Оценка качества проводится на основе расчета равномерной формантной спектральной меры:

1 К I 1 12 2 2 2

HF = - 2 J-TI- / ((H0(f)-H(f)) di ,

N k íi 0

2 2 где HQ(f)- исходный спектр, H(f)- синтезируемый спектр, ширина

формантной области (í2- f,), М- число формантных полос, и расчета звуковой разборчивости на основе частотных полос равного количества информации.

Кодек подвижной радиосвязи стандарта GSM относится к классу кодеков с линейным предсказанием и регулярным многоимпульсным возбуждением. Он обеспечивает преобразование стандартного телефонного сигнала формата ИКМ-54 в цифровой поток со скоростью передачи 13 кбит/с. В кодеке используется цредсказатель 8 порядка на параметрах логарифмического отношения площадей (LAR). Возбувда-ицая последовательность формируется на основе прореженной (с шагом три) кодированной результирующей ошибки предсказания.

Помехоустойчивые квантователи LAR параметров синтезируются на основе равномерных прототипов, которые описываются диапазоном и шагом квантования. Для квантования параметров возбуждения синтезированы неравномерные помехоустойчивые квантователи.

Кодек "INMARSAT-B" реализует алгоритм раздельного линейного предсказания с передачей параметров. Параметрами кратковременного предсказания являются коэффициенты отражения К(1), функционально связанные с коэффициентами предсказания а(1), параметром долговременного предсказания является период основного тона Рр. Для этих

параметров синтезированы неравномерные помехоустойчивые квантователи. Погрешность предсказания квантуется адаптивным квантователем и не требует дополнительной гомехозащиты.

По показателям SQH^ и SQRk оценены выигрыши квантования и максимальная ширина области локальной оптимизации.

В четвертой главе описан аппаратно-программный комплекс на базе ПЭВМ типа IBM для исследований кодеков речи. Разработан имитатор цифрового канала с одиночными ошибками. Взаимодействие программной и аппаратной частей осуществлялось с помощью интерактивной системы.

Целью экспериментальных исследований было выяснение возможностей синтезированных помехоустойчивых алгоритмов кодирования, сравнение со стандартными и подтверждение расчетов третьей главы.

Исследования проводились на двух типах экспериментального материала: речевые фразы в соответствии с ГОСТ 16600-72; гауссов-ский сигнал, формируемый с помощью датчика случайных чисел.

Расчет SNBseg для реперных точек коэффициента ошибок подтвердил типовые характеристики кодеков. Анализ временных диаграмм разностного сигнала и прослушивание позволили выделить нормальную и аномальную ошибки восстановления.

При нормальной ошибке ухудшение качества восстановления выражается в появлении "хруста и скрипа" при прослушивании. Эти изменения не влекут резкого субъективного снижения разборчивости и снижения SNRseg> а лишь ухудшают восприятие из-за различного качества восстановления во времени.

При аномальной ошибке происходит выпадение полных сегментов сигнала из-за того, что синтезирующий фильтр раскачивается до границы области устойчивости. Слышны тона, а в крайний стадии сигнал переходит в свист. Так как аномальные ошибки имеют ограниченную длительность, т^ разборчивость все-таки сохраняется.

Исследования помехоустойчивых кодеков на гнуссовском сигнале определили области гарантированного улучшения и снижения качества. Результаты исследований на речевом сигнале приведены на графике. Анализ временных диаграмм после повышения помехоустойчивости показал, что аномальная ошибка маскируется избыточным шумом квантования, но сохраняется. Нормальная ошибка имеет меньшую длительность.

Сравнение результатов повышения помехоустойчивости показывает, что "INMARSAT-B" оказывается более помехоустойчив из-за простого алгоритма, а для GSM предложенные методы более актуальны.

30- -

20- -

sraseg№i

р ош SNK не п/у УШ п/у SMH не п/у SNK п/у

0 . 25.26 23. 7 22.751 20.137

5*10"* 25.0 22.0 22.7 19.7

ю-; 20.0 22.0 19.4 19.5

7*1 15.9 1Т.6 12.2 14.3

2*10 -1.2 0.3 -1.5 0.8

X INMARSAT-В • Д GSM о

2*10 ^РошСна символ]

Основные результаты работы

1. Выполнен аналитический обзор методов эффективного кодирования речи, а также способов повышения помехоустойчивости цифровой передачи.

2. Установлено, что задачи эффективного кодирования речи в диапазоне 4.8-16 кбит/с изучены достаточно подробно и существует ряд алгоритмов и устройств, нашедших применение в конкретных системах связи. К таким алгоритмам относятся ряд вокодеров на линейных спектральных парах, кодек с раздельным предсказанием стандарта "INMARSAT-B", кодек с многоимпульсным возбуждением стандарта GSM, алгоритм с кодовым возбуждением стандарта US Federal Standard 10/^.

3. Установлено, что вопросы повышения помехоустойчивости передачи при скоростях 4.8-16 кбит/с в различных каналах связи разработаны недостаточно полно и требуют дополнительных исследований. Например, применение эффективных кодеков с линейным предсказанием в системах подвижной радиосвязи при низких скоростях требует резкого повышения помехоустойчивости, но не допускает введения необходимой для применения стандартных методов избыточности.

4. Наиболее актуальными системами для разработки помехоустойчивых прототипов кодеков являются вокодер на линейных спектральных паррх, кодек с многоимпульсным возбуждением стандарта GSM, кодек с раздельным предсказанием стандарта "INMARSAT-В".

5. Упомянутые в п.4 кодеки имеют монотонные, нелинейные характеристики помехоустойчивости, которые содержат области слабой, средней и сильной чувствительности к ошибкам в канале. Для каждого канала существует оптимальная скорость цифровой передачи речи. Если скорость ниже оптимальной, то сигнал недопустимо сильно

поражается шумами квантования. Если скорость выше оптимальной, то рочь поражается шумами канала.

6. В системах податной радиосвязи каналы имеют, как правило, переменные параметры. Это обстоятельство делает актуальным разработку способов помехоустойчивой низкоскоростной передачи речи при переменных характеристиках канала, например при переменной вероятности ошибки в канале.

Синтез новых помехоустойчивых и эффективных кодеков допустимо проводить для каналов с неизвестной вероятностью ошибки с последующим обобщением на каналы с медленно меняющейся вероятностью ошибки, описываемой счетным набором таких вероятностей.

7. Синтезирован, методом вариационного исчисления алгоритм нелинейного преобразования сигнала, который содержит нелинейный авторегрессионный ф&льтр на передающей стороне системы и марковский нелинейный фильтр-коррэктор на приемной стороне системы передачи. Алгоритм позволяет установить взаимосвязь мекду параметрами кодека и модема, тагам образом косвенно влияет на структуру модулированного сигнала в канале с целью повышения помехоустойчивости.

8. Разработаны два метода синтеза локально-оптимальных помехоустойчивых квантователей:

- метод синтеза по критерии среднего риска в заданном диапазоне изменения вероятности ошибки в канале;

- метод некогерентного квантования с введением исходной опорной вероятности ошибки в канале.

Различие методов синтеза состоит в разном задании целевых функций локальной оптимизации, что позволило разработать некогерентные квантователи с числом уровней не выше 16, а также синтезировать по критерию среднего риска квантователи с числом уровней выше 16.

9. Разработан алгоритм оценки вероятности ошибки по синдрому помехоустойчивого кода, состоящий в том, что для расширенного двоичного симметричного канала, заданного конечным набором матриц переходных вероятностей и типом помехоустойчивого кода в цифровой части, рассчитывается совокупность длин выборок и числа ошибок в них. На основании этих данных и согласно методике раздела 2.4 решающее устройство вырабатывает коммутационную последовательность, переключающую квантователи в декодере.

10. Разработаны локально-оптимальные помехоустойчивые квантователи для вокодера на линейных спектральных парах. Синтезированный алгоритм повышения помехоустойчивости в вокодере позволяет

достигнуть выигрыша до 3 дБ по отношению сигнал-шум квантования при увеличении числа некогерентных квантователей в приемнике не больше трех на один параметр.

11. Выполнена аналитическая оценка разборчивости звуков в синтезированном вокодере с повышенной помехоустойчивостью на основе расчета меры спектральной близости принятого и переданного сигналов. Рассчитанная оценка 'Меры близости спектров позволила установить, что применение подобных устройств не влияет на динамику работы синтезирующих речь фильтров. Показано, что достигается выигрыш по спектральной мере до 4 дБ, что соответствует увеличению звуковой разборчивости на 5%.

12. Разработан алгоритм помехоустойчивого квантования параметров кратковременного предсказания, сигнала остатка предсказания и долговременного предсказания для кодека с многоимпульсннм возбуждением стандарта GSM. Алгоритм позволяет получить максимальный выигрыш по отношению сигнал-шум,равный 3.5 дБ,при среднем проигрыше 0.05 дБ.

13. Разработан алгоритм повышения помехоустойчивости параметров кратковременного предсказания и параметра периода основного тона кодека с раздельным предсказанием стандарта "INTIAHSAT-B". Показано, что достигается максимальный выигрыш 4.5 дБ.

14. Моделирование кодека GSM на гауссовском процессе показало, что достигается выигрыш на 2.1 дБ по отношению сигнал-шум. Максимальный выигрыш достигается при вероятности ошибки 7*10"? Диапазон повышения помехоустойчивости для кодека GSM равен 0.004 единицы по показателю Рош[3*10"3+7«10_3].

15. Моделирование кодека GSM на речевом сигнале показало, что достигается максимальное повышение помехоустойчивости на 2.1 дБ при вероятности ошибки 7*10"3. Анализ временных диаграмм разностного сигнала показал, что аномальная ошибка оказывается существенно меньше, чем шум квантования.

16. Моделирование кодека стандарта "INMARSAT-В" на гауссовском процессе показало, что достигается максимальный выигрыш по отношению сигнал-шум на 3.6 дБ при вероятности ошибки 6*10-3. Диапазон повышения помехоустойчивости для кодека "INMARSAT-B" равен 0.017 единиц по показателю Рш [З*10~3+2*10_г].

17. Моделирование кодека "INMARSAT-В" на речевом сигнале показало, что достигается максимальное повышение помехоустойчивости при вероятности ошибки 6*10-3, что соответствует увеличению отношения сигнал-шум на 2.6 дБ.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ

1. Закусина О.В..Минин A.B. Исследование методов дифференциального кодирования в шумах //II НТК молодых ученых и специалистов "Формирование и обработка радиотехнических сигналов". Тезисы докладов.- 1989.- С.48. Москва-Черноголовка.

2. Закусина О.В. Анализ эффективности систем цифровой передачи речи // III НТК молодых ученых и специалистов. "Формирование, прием и обработка сигналов в системах радиосвязи". Тезисы докладов.-1990.- С.30. Ростов.

3. Минин A.B..Закусина О.В. Эффективное кодирование речи для систем сухопутной подвижной радиосвязи// Деп.в ЦНТИ "Информсвязь" N 1748 -св. 91. ВИНИТИ "Депонированные рукописи" .- 1991, N 4.

4. Прохоров D.H..Закусина О.В. Метод согласования кодека и модема при передаче речи в системах подвижной радиосвязи// XLVI всесоюзная сессия общества им. А.С.Попова, посвященная дню Радио. Тезисы докладов.- Москва, 1991.

5. Закусина О.В. Влияние вида функции предмодуляционного преобразования на характеристики системы передачи речи// IV научно-техническая конференция молодых ученых, специалистов и студентов. "Передача, прием и обработка сигналов в радиотехнических системах и устройствах".Тезисы докладов.-Ростов-на-Дону, 1991.

6. Закусина 0. В. Повышение помехоустойчивости систем эффективного кодирования речи// Деп. в ЦНТИ "Информсвязь" N 1924 -св.92. ВИНИТИ "Депонированные рукописи".-1992, N 12.-С. 49.

7. Закусина О.В. Исследование способа формирования помехоустойчивого сигнала для низкоскоростной передачи речи// Конференция АРСО-17. Тезисы докладов.- Ижевск, 1992.-С. 28-32.

8. Закусина О.В. Экспериментальное исследование способа согласования кодека речи с каналом связи// Конференция "Цифровые системы передачи городских и сельских сетей связи- ЦСП-92". Тезисы докладов.- Новосибирск, 1992.

9. Прохоров Ю.Н., Минин A.B., Закусина О.В. Эффективное помехоустойчивое кодирование в системах радиосвязи// Международная научно-техническая конференция "Спутниковые системы связи и вещания: перспективы развития в Украйне". Тезисы докладов.-Одесса, 1993 г.

10. Закусина О. В., Минин А. В. Разработка и исследование помехоустойчивых квантователей для вокодеров с линейным предсказанием на линейных спектральных парах// Деп. в ЦНТИ "Информсвязь". ВИНИТИ К 1986 -св.93.-Реф. N 11.-1993.-С. 28-50.