автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Совершенствование современных методов оценки качества передачи речевой информации по каналам связи, оборудованным эхоподавителями

ВВЕДЕНИЕ.

1. Обоснование необходимости совершенствования методов оценки качества передачи речевой информации по каналам связи, оборудованным эхоподавителями.

1.1. Задача контроля качества передачи информации и её роль в повышении эффективности использования сети связи Вьетнама.

1.2. Электрическое эхо в каналах связи, его мешающее воздействие и методы борьбы с ним.

1.2.1. Понятие явления электрического эха и причины его возникновение.

1.2.2. Способы снижения мешающего воздействия сигналов электрического эха.

1.3. Анализ существующих методов оценки качества передачи речевой информации по каналам связи, оборудованным эхоподавителями.

1.3.1. Классификация методов оценки качества.

1.3.2. Анализ субъективных методов.

1.3.3. Анализ объективных методов.

1.4. Причины, вызывающие особую необходимость совершенствования методов оценки качества передачи речевой информации по эхозащищенным каналам связи.

1.5. Выводы.

2. Разработка усовершенствованной методики объективной оценки качества передачи речевой информации по каналам связи, оборудованным эхоподавителями.

2.1. Критерий эффективности применения устройства контроля качества передачи информации.

2.2. Интегральный критерий оценки качества передачи речевой информации.

2.2.1. Основные составляющие критерия оценки качества передачи речевой информации и требования к ними.

2.2.2. Усовершенствованный интегральный критерий оценки качества.

2.3. Разработка численного метода определения интегрального критерия оценки качества передачи речевой информации

2.4. Разработка принципов функционирования усовершенствованной методики объективной оценки качества передачи речевой информации.

2.4.1. Разработка методики определения критерия натуральности на основе анализа корреляционных функций огибающих речевых сигналов.

2.4.2. Факторы, учитывающие взаимосвязь между субъективными и объективными методами оценки качества передачи.

2.5. Выводы.

3. Возможности технической реализации усовершенствованного метода объективной оценки качества передачи речевой информации по каналам связи, оборудованным эхопо-давителями.

3 1- Размещение усовершенствованного устройства объективного контроля качества передачи речевой информации (УУОКК) на эхозащищенных каналах связи.

3.2. Разработка математической модели УУОКК'.

3.3. Разработка алгоритма работы УУОКК.

3.4. Выводы.

4. Экспериментальное исследование работоспособности усовершенствованного метода объективной оценки качества передачи речевой информации с помощью имитационного моделирования.

4.1. Разработка математической основы имитационной модели

4.2. Программная реализация метода объективной оценки качества передачи речевой информации.

4.2.1 Разработка алгоритма программы имитационной модели.

4.2.2 Разработка программы имитационной модели

4.3. Анализ результатов машинного моделирования.

4.4. Выводы.

В настоящее время благодаря достижениям в области телекоммуникационных технологий, в современных сетях качество передачи речевой информации постепенно повышается и большинстве случаев отвечает нормативным требованиям. Как известно, если раньше абоненты реагировали только на недостаточную громкость голоса, приводившую к потере качества передачи, то со временем они стали реагировать на разборчивость, а в последнее время стали особенно обращать внимание на качество передачи фактора натуральности звучания голоса. Поэтому для поддержания одной и той же степени удовлетворенности абонентов качеством телефонной передачи необходимо постоянное и непрерывное улучшение параметров систем передачи и систем контроля качества. Оценка качества всегда остается актуальной задачей в проектировании, построении и эксплуатации современных сетей связи.

Развитие национальной сети связи Вьетнама и международной сети приводит к увеличению числа каналов с повышенным временем распространения сигнала. К таковым, в частности, относятся все каналы, организованные по спутниковым линиям связи, и некоторые каналы, образованные по проводным линиям связи. В каналах с повышенным временем распространения из-за явления электрического эха качество речевой информации резко снижается, переговоры затягиваются из-за переспросов, требуемое число каналов возрастает. В ряде случаев использование таких каналов становится невозможным.

Эффективными средствами борьбы счявлением электрического эха являются эхоподавляющие устройства, реализующие методы самобалансирующейся дифсистемы, эхозаграждения, компенсации эхосигнала, осуществляемые эхоподавляющими устройствами типа эхозаградителей и эхокомпенсаторов.

Качество передачи речевой информации по эхозащищенным каналам связи может оцениваться на основе субъективного и объективного методов контроля.

В середине 90-х годов сектор по стандартизации телекоммуникаций международного союза электросвязи (МСЭ-Т) завершил разработку рекомендации Р.800, "Методы субъективной оценки качества речевой связи", которая на сегодня является наиболее признанной методологией оценки работы систем передачи речи. В ней описываются условия проведения тестовых испытаний, содержание аудиообразцов, система оценок и методики анализа полученных данных. Чаще всего метод, изложенный в рекомендации Р.800, используют для расчета средней субъективной оценки (Mean Opinion Score — MOS) качества речи по пятибалльной шкале.

Субъективные методы оценки дают более достоверные результаты. Однако, с точки зрения автоматизации процесса контроля, они обладают существенными недостатками: необходимость привлечения многочисленных подготовленных артикуляционных бригад операторов и аудиторов; трудоемкость и длительность проведения измерений и обработки полученных результатов; необходимость в специально оборудованных помещениях и др.

Существующие объективные методы обладают недостатками, состоящими в том, что результаты измерений не имеют необходимого сопоставления с результатами субъективных измерений, проведенных на эталонной системе, которые МСЭ-Т считает достоверными. Другими недостатками существующих объективных методов контроля являются: необходимость содержания сложных и трудно реализуемых устройств измерений; необходимость прерывания связи по каналу во время проведения испытаний, что считается основным отрицательным фактором при массовых измерениях.

В данной работе осуществлена попытка комплексного подхода к совершенствованию существующих методов контроля качества с целью создания нового объективного метода, имеющего повышенную точность оценки и возможность контроля без перерыва связи.

Цель и задача работы. Целью диссертационной работы являются создание усовершенствованного объективного метода оценки качества передачи речевой информации по эхозащищенным каналам связи и рассмотрение возможности его практической реализации.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие частные задачи исследований:

- анализ существующих методов оценки качества передачи речевой информации по каналам связи;

- разработка численного метода определения интегрального критерия оценки качества;

- разработка объективного метода оценки натуральности;

- разработка математического аппарата для решения предлагаемого метода оценки качества, а также составление на его основе обобщенного алгоритма и функциональной схемы усовершенствованного устройства объективного контроля качества (УУОКК);

- разработка математических основ и логической структуры алгоритма имитационной модели, реализующей предлагаемый метод оценки качества;

- экспериментальные исследования предлагаемого усовершенствованного метода оценки качества;

- подготовка рекомендации по применению УУОКК на сети связи.

Методы исследования. В работе используются методы численного анализа, теории дискретизации и цифровой обработки сигналов, а также имитационное моделирование на ЭВМ.

Научная новизна настоящей работы заключается в следующем:

- разработан метод оценки натуральности, основывающийся на анализе корреляционной взаимосвязи между огибающими сигналов в фор-мантных полосах.

- предложен усовершенствованной метод объективной оценки качества, который учитывает удельный вес всех показателей качества (громкости, разборчивости и натуральности) и позволяет автоматически контролировать и адекватно оценивать качество передачи речевой информации по эхозащищенным каналам связи.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный метод объективной оценки качества передачи речевой информации по каналам, оборудованным эхоподавляющими устройствами, позволяет:

- получить достоверный результат измерения, величина статистической относительной погрешности которого не более 7%;

- автоматизировать процесс контроля качества без прерывания связи.

УУОКК, реализованное на основе сигнальных микропроцессоров АБ8Р2181 и АБ8Р21063, позволяет одновременно контролировать качество передачи речевой информации по всем каналам потока Е1.

Результаты диссертационной работы в виде алгоритма, математических и имитационных моделей УУОКК и его среды функционирования внедрены в опытно-конструкторские разработки, проводимые в ЗАО "Связьпром", а так же в учебный процесс МТУ СИ, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные положение диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУ СИ и на научных сессиях, посвященных дню радио (РНТОРЭС им. A.C. Попова) в 1998-2001 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ. Часть материалов вошла в отчеты по НИР, проводимой кафедрой многоканальной электросвязи МТУСИ в рамках хоздоговорной тематики.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа содержит 145 страниц, в том числе 39 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 62 наименований.

Основные результаты данной работы заключаются в следующем:

1. В результате анализа существующих методов оценки качества передачи речевой информации установлено:

- согласно рекомендации МСЭ-Т, субъективные методы дают возможность обеспечить меньшую ошибку оценок измерения. Однако, наряду с достоинствами, они имеют существенные недостатки, основные из которых: необходимость привлечения многочисленных тренированных артикуляционных бригад операторов и аудиторов; трудоемкость и длительность проведения измерений и обработки полученных результатов; необходимость в специально оборудованных помещениях; отсутствие реальных условий ведения переговоров;

- применяемые ранее технические косвенные методы нецелесообразно использовать для автоматического контроля из-за необходимости прерывания связи на время проведения испытаний, что является основным отрицательным фактором при проведении массовых измерений;

- разработанный ранее технический прямой объективный метод нецелесообразно использовать из-за того, что метод принимает оценку по натуральности равную фиксированному значению 3 балла во всех случаях;

- отмеченные выше недостатки существующих методов контроля требуют разработки усовершенствованного метода объективной оценки качества передачи речевой информации по эхозащищенным каналам связи без участия операторов и без перерыва связи.

2. В результате анализа критерия оценки качества установлено:

- интегральный критерий должен содержать все основные составляющие критерия оценки качества (громкость, разборчивость, натуральность);

- критерии оценки качества оцениваются по пятибалльной шкале.

3. Разработан численный метод определения интегрального критерия оценки качества, позволяющий:

- учитывать удельный вес всех составляющих интегрального критерия;

- получить достоверный результат измерения при любых значениях каждой составляющей.

4. Разработан метод оценки натуральности, основывающийся на анализе корреляционной взаимосвязи между огибающими сигналов в фор-мантных полосах. Учет показателя натуральности в составе общего интегрального критерия оценки качества наряду с другими (громкость и разборчивость) представляет собой совершенствование ранее предложенного метода оценки качества.

5. Разработан усовершенствованный метод объективной оценки качества передачи речевой информации, позволяющий автоматически контролировать качество и адекватно оценивать качество передачи речевой информации по эхозащищенным каналам связи.

6. Разработан математический аппарат и обобщенный алгоритм метода объективной оценки качества. Результаты, полученные путем усреднения оценок более 30 переговоров, позволяют получить оценку с требуемой достоверностью.

7. Для практической реализации разработана функциональная схема УУОКК и рассмотрен вариант подключения устройства объективного контроля к каналу, позволяющий без перерыва связи контролировать качество передачи.

8. В качестве базового варианта технической реализации данного устройства контроля предложены сигнальные процессоры АБ8Р-2181 и А08Р-2Ю63. Высокая производительность и большой объем памяти этих процессоров обеспечивают возможность одновременного контроля качества по каналам потока Е1.

9. Разработаны математические основы и программное обеспечение имитационной модели, реализующей предлагаемую методику, отвечающую требованиям руководящих документов и рекомендациям МСЭ-Т.

10.Анализируя результаты экспериментальных исследований на имитационной модели, можно сказать:

- с использованием УУОКК может быть достигнута высокая точность измерения качества передачи, обеспечивающая величину статистической относительной погрешности измерения не более 7%, что ниже величины ранее предлагаемых методов;

- целесообразно рекомендовать применять УУОКК в процессе эксплуатации, как достоверное средство автоматического контроля качества передачи речевой информации по эхозащишенным каналам связи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Баева Н. Н. Многоканальная электросвязь и РРЛ. М.: Радио и связь, 1988.

2. Баева Н. Н., Гордиенко В.Н. Многоканальные системы передачи. Москва; Радио и связь, 1997.

3. Вемян Г. В. Качество телефонной передачи и его оценки. М.: Связь, 1970.

4. Вемян Г. В. Передача речи по сетям электросвязи. М.: Радио и связь 1985.

5. ГОСТ 8031-78. Аппаратуры телефонные. Тональный метод измерения разборчивости речи.

6. ГОСТ Р 50840-95. Методы оценки качества, разборчивости и узнаваемости.

7. Дьяконов В. П., Абраменкова И. В. МАТЪАВ 5.0/5.3 Система символьной математики. -М.: Нолидж, 1999.

8. Евреинов Э. В., Бутыльский Ю. Т., Мамзелев И.А. Цифровая и вычислительная техника. М.: Радио и связь, 1991.

9. Елисеева И.И., Юзбашев М.М. Общая теория статистики. М.: Финансы и статистика, 1996.

10. Ю.Запорощенко Е. К. Исследование и разработка методов объективной оценки качества работы эхоподавляющих устройств компенсационного типа. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М.: 1989.

11. П.Зелигер Г. В. Критерии оценки качества систем связи. М.: Связь, 1974.

12. Котов А. В. Человеческие факторы в телефонии. М.: Связь 1980.

13. Кунегин С. В., Пестов В. Ю., Кукушкин А. Г. Эхокомпенсатор и эхо-заградитель на основе цифрового процессора обработки сигналов ТМБЗЮСЮ. М.: Электросвязь № 9,1995. - с. 26-29.

14. Лам К. К. Разработка и исследование новых методов адаптивной эхокомпенсации. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. -М.: 1995.

15. Лев А. Ю. , Гитлиц М. В. Теоретические основы многоканальной электросвязи. М.: Радио и связь, 1985.

16. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники, книга первая. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Сов. радио.

17. Лобоцкая Н. Л. Основы высшей математики. Минск: Высшая школа, 1978.

18. Марков. С. Цифровые сигнальные процессоры. М.: МИКРОАРТ, 1996.

19. Мартынов Н. Н., Иванов А. П. МАТЬАВ 5.x вычисления, визуализация, программирование. - М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2000.

20. Михайлов В. Г., Залатоустова Л. В. Измерение параметров речи / под ред. М. А. Сапожкова. М.: Радио и связь, 1987.21 .МККТТ исследовательская комиссия XII, документ № 30, 1966.

21. МККТТ рекомендации серии Р. Желтая книга, том V, 1981г.

22. МККТТ рекомендации серии Р. Красная книга, том V, 1962г.

23. МККТТ рекомендации серии Р. Оранжевая книга, том V, 1980 г.

24. МККТТ рекомендация Р.62. Синяя книга, том V, 1988 г.

25. МККТТ рекомендация Р.79. Желтая книга, том III .1, 1981 г.

26. МСЭ-Т рекомендация Р. 800 Субъективные методы оценки качества передачи информации.

27. Назаров М. В., Прохоров Ю. Н. Методы цифровой обработки и передачи речевых сигналов. М.: Радио и связь, 1985.

28. Нгуен С. 3., Цыбулин М.К. Обобщенный критерий работоспособности устройства контроля качества передачи речевой информации. -Тезисы научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава МТУ СИ, 26/02-01/03-2001.

29. Нгуен С. 3., Цыбулин М.К., Шевелёв С. В. Совершенствование объективного метода оценки качества передачи речевой информации по эхозащищенным каналам. Тезисы научной сессии, посвященной дню радио (РНТОРЭС им. A.C. Попова), 17-19/05/2000.

30. Нгуен Ф.Т. Разработка объективных методов оценки качества передачи речевой информации по эхозащищенным каналам связи Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М.: 1999.

31. Нгуен Ф.Т., Цыбулин М.К. Новый объективный метод оценки разборчивости речевой информации, передаваемой по каналу связи. -М.: Электросвязь № 1,1999.

32. Носов В. Н., Суторихин Н. Б. Один из способов контроля за качеством передачи телефонных сигналов. Д.: ТУИС 1980.34.0мельченко В. А. Основы спектральной теории распознавания сигналов. Харьков: Вища школа, 1983.

33. Петленко Б. И, Бутырский JI. С. Речевая связь в искусственных атмосферах. -М.: Связь, 1978.

34. Петрова М. 3. Исследования факторов, влияющих на оценку и нормирование телефонных сетей по эквивалентному затуханию. М.: ЦНИИС, 1970.

35. Погрибной В. А. Яковлев В. П. Дельта-модуляция при цифровой фильтрации, корреляционном анализе и дискретном преобразовании Фурье. Зарубежная радиоэлектроника №8,1987. с. 23-41.

36. Покровский Н. Б. Расчет и измерения разборчивости речи. М.: Связь, 1962.

37. Попов Б. В. Строительство и техническая эксплуатация волоконно-оптических линий связи. М.: Радио и связь, 1996.

38. Рабинер Л. Р., Шафер Р. В. Цифровая обработка речевых сигналов. Пер. с агл. М.: Радио и связь, 1981.

39. Рамишвили Г. С. Автоматическое опознавание говорящего по голосу. М.: Радио и связь, 1981.

40. Рамишвили Г. С. Речевой сигнал и индивидуальность голоса. Тбилиси: Мецниереба, 1976.

41. Сапожков М. А. Ефимов А. П. Справочник / Акустика. М.: Радио и связь, 1989.

42. Сапожков М. А. Электроакустика. М.: Связь, 1978.

43. Сейдж Э., Меле Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. Перевод с английского под редакцией Левина Б.Р, выпуск 6. М.: Связь, 1976.

44. Сурков Ю. П. Нормы на электрические параметры каналов ТЧ магистральной и внутризоновых первичных сетей. М.: Министерство связи Российской федерации, 1996.

45. Сурков Ю. П. Нормы на электрические параметры цифровых каналов и трактов магистральной и внутризоновых первичных сетей. М.: Министерство связи Российской федерации, 1996.

46. Тихонов В. И. Статистическая радиотехника. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1982.

47. Фант Г. Акустическая теория речеобразования. Перевод с английского JI.A. Варшавского и В.И. Медведева. М.: Наука, 1964.

48. Федрович В. Н ; Эльсниц А. Г. Методы оценки качества телефонной передачи, рекомендуемые МККТТ. -М.: Связь, 1958.

49. Фланаган Дж. Анализ, синтез и восприятие речи. Перевод с английского языка А. А. Пирогова. М.: Связь, 1968.

50. Цвикер Э. Фельдкеллер Р. Ухо как приемник информации. пер. с немецкого . -М.: Связь, 1971.

51. Цыбулин М. К. Подавление электрического эха в телефонных каналах. М.: Радио и связь, 1988.

52. Шаврин С. С. Руководящий документ: Требования по установке эхо-подавляющих устройств. Москва, 1997.

53. Шаврин С.С., Каримов Х.А., Цыбулин М.К. Устройство контроля эхозаградителей. А.С. №1626397 от 8.10.91 г. Опубл. в Б.И.№ 5, 1991.

54. Шаврин С.С., Лихачев Н.И. Методические указания по применению микропроцессорной элементной базы при дипломном проектирования, в УИРС и НИРС. М.: МЭИС, 1989.

55. Шаврин С.С., Лихачев Н.И., Мусатова О.Ю., Шлыков А.В. Способ обнаружения речевых сигналов на фоне шумов. А.С. №1469559 от 1.12.88 г. Опубл. в Б.И.№ 12, 1989.

56. Analog Devices, Inc. Computer Products Division One Technology Way. ADSP-2100 family User's Manual. Third Edition, 9/1995.

57. Duane C. Hanselman, Bruce R. Littlefield. Mastering MATLAB 5: A Comprehensive Tutorial and Reference. 1st edition, 1997.

58. Japan international cooperation agency (ЛСА), Department general of post and telecommunications (DGPT) the socialist republic of Vietnam. Thestudy on telecommunication development in the socialist republic of Vietnam. Final report, Volumel, 1999.

59. Samuel D. Stearns, Ruth A. David. Signal Processing Algorithms in MAT-LAB. 1st edition, 1996.

60. Vinay K. Ingle, John G. Proakis. Digital Signal Processing Using MAT-LAB. 1st edition, 1999.