Метод підвищення якості відновлених мовних сигналів безпроводових телекомунікаційних систем на основі диференційованого захисту кадру мови

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ I НАУКИ УКРАЇНИ

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

“Харківський авіаційний інститут”

УДК 621.391

МЕТОД ПІДВИЩЕННЯ ЯКОСТІ ВІДНОВЛЕНИХ МОВНИХ

СИГНАЛІВ БЕЗПРОВОДОВИХ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ

НА ОСНОВІ ДИФЕРЕНЦІЙОВАНОГО ЗАХИСТУ КАДРУ МОВИ

05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Янсонс Яніс Валерійович

Харків - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Військовому інституті телекомунікацій та інформатизації, Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” Міністерства оборони України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Стрюк Олексій Юрійович, Військовий інститут телекомунікацій та інформатизації, Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут”,докторант науково-організаційного відділу.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Бараннік Володимир Вікторович, Харківський університет Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, провідний науковий співробітник науково-дослідного відділу наукового центру;

кандидат технічних наук, доцент Кривенко Станіслав Анатолійович, Харківський національний університет радіоелектроніки, доцент кафедри мереж зв'язку.

Захист відбудеться “_6_” _березня_ 2009 р. о _14³⁰___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.07 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17, радіотехнічний корпус, ауд. 232.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут".

Автореферат розісланий “_19_” _січня_ 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В. В. Лукін



АНОТАЦІЯ

Янсонс Я.В. Метод підвищення якості відновлених мовних сигналів безпроводових телекомунікаційних систем на основі диференційованого захисту кадру мови. - Рукопис. автоматизований мовний сигнал кодер

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”. Харків, 2008 р.

Дисертація присвячена розробці та вдосконаленню методів й інструментальних засобів об'єктивного оцінювання та забезпечення підвищення якості мовних сигналів.

Науковими результатами є: 1) отримав подальший розвиток метод автоматизованого об'єктивного розподілу елементів параметрів кадрів вихідних МС кодерів мови за ступенем впливу на якість відновленого сигналу кодеків мови, що дозволив підвищити ступінь відповідності результатів автоматизованих об'єктивних оцінок результатам суб'єктивних випробувань із залученням експертних груп на 7%; 2) вперше розроблено метод оцінювання узагальненого показника спотворення МС, який на відміну від відомих, заснований на диференціювання кадру вихідних МС кодерів мови та враховує об'єктивний показник якості, характеристики каналу зв'язку та завадостійких кодів, що дозволяє апріорно визначити рівень спотворення МС з визначеною структурою кадру 3) вперше розроблено метод підвищення якості відновлених МС, який на відміну від існуючих заснований на виборі варіанту структури кадру вихідних МС кодерів мови з використанням критерію мінімального апріорного спотворення кадру мови, що дозволяє підвищити якість МС в умовах обмеженої смуги пропускання каналу зв'язку. Метод дозволив підвищити якість відновлених МС, з використанням диференційованого захисту, відносно методу рівномірного захисту до 15%.

Ключові слова: кодування мовних сигналів, короткохвильові, ультракороткохвильові радіомережі, стиск мовних сигналів, методи підвищення якості мовних сигналів, методи оцінки якості мовних сигналів, канальне кодування.



АННОТАЦИЯ

Янсонс Я.В. Метод повышения качества восстановленных речевых сигналов беспроводных телекоммуникационных систем на основе дифференцированной защиты кадра речи. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 - радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. - Национальный аэрокосмический университет им. М.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2008 г.

Диссертация посвящена разработке и совершенствованию методов и инструментальных средств объективного оценивания и обеспечения повышения качества речевых сигналов.

Проведенный анализ методов и алгоритмов кодирования речевых сигналов (РС) показал, что перспективными являются методы, позволяющие понизить скорость кодирования и обеспечивающие достаточно хорошее качество речи. Произведенный анализ методов оценки качества РС свидетельствует о том, что наиболее достоверными являются субъективные методы. Но в тоже время, учитывая присущие им недостатки, актуальными являются объективные методы, максимально коррелирующие с результатами субъективных испытаний. Среди объективных следует использовать методы, основанные на форме и параметрах оцениваемых сигналов, а не методы целью которых является планирование и/или мониторинг телекоммуникационных сетей (ТС). Рассмотрение методов различного характера размещения элементов сжатого сигнала для последующего повышения качества РС путем применения помехоустойчивого кодирования, позволило отметить отсутствие на сегодняшний день методов объективного определения приоритетности элементов РС на основе комплексного показателя качества и последующей дифференцированной защите РС. Поэтому научно-техническая задача разработки метода повышения качества восстановленных РС путем дифференцированной защиты объективно распределенных элементов параметров кадров выходных речевых сигналов кодеров речи по степени влияния на качество восстановленного сигнала кодеков речи является актуальной и имеет важное научно-практическое значение.

Первым научным результатом является усовершенствованный метод автоматизированного объективного распределения элементов параметров кадров выходных РС кодеров речи по степени влияния на качество восстановленного сигнала кодеков речи, который позволил повысить степень соответствия результатов автоматизированных объективных оценок результатам субъективных испытаний с привлечением экспертных групп на 7%. Для реализации метода необходимо определить объективный показатель качества РС. В работе рассмотрены классические методы объективного оценивания, позволяющие добиться максимального значения коэффициента корреляции с субъективными оценками. Максимальное значения коэффициента корреляции получено путем применения объективного показателя в соответствии с рекомендациями МСЕ-Т P.862, P.862.1, P.862.2.

Для разработки метода оценивания обобщенного показателя искажения РС был выполнен анализ объективных показателей оценки качества. По результатам анализа выявлены недостатки присущие существующим показателям и выдвинуты требования к обобщенному показателю: учет качества элементов параметров РС основанный на объективных оценках, результаты объективной оценки должны иметь максимальный коэффициент корреляции с субъективными оценками, следует использовать стандартизированный метод определения объективных оценок, отсутствие необходимости в постоянном тестовом сигнале для определения качества РС, учет факторов, которые в достаточной степени характеризуют беспроводный канал связи, алгоритмическая простота определения результирующего показателя, независимость от наличия установленного соединения. Таким образом, вторым научным результатам является метод оценивания обобщенного показателя искажения РС, который, в отличие от известных, базируется на дифференцировании кадра выходных речевых сигналов кодеров языка с учетом объективного показателя качества, характеристик канала связи и помехоустойчивых кодов, с целью априорно определять уровень искажения РС с определенной структурой кадра.

Проведенные исследования послужили основой для разработки метода повышения качества восстановленных РС который, в отличие от существующих, базируется на выборе варианта структуры кадра выходных речевых сигналов кодеров речи с использованием критерия минимального ожидаемого искажения кадра речи, с целью повысить качество РС в условиях ограничения полосы пропускания канала связи. Данный метод является третьим научным результатом.

Разработанные и усовершенствованные методы и инструментальные средства повышения качества РС позволили реализовать информационную технологию поддержки принятия решения и информационную технологию экспертных систем по обеспечению высокого качества РС в телекоммуникационной подсистеме передачи речи. Практическое значение полученных результатов состоит в том, что на основе проведенных исследований и предложенных методов: а) разработана программная реализация алгоритма и метода автоматизированного объективного распределения элементов параметров кадров выходных РС кодеров речи по степени влияния на качество восстановленных сигналов кодеков речи; б) разработана программная реализация алгоритма и метода повышения качества восстановленных РС; в) разработаны структурные схемы устройств: анализа и автоматического расчета оптимальной структуры кадра РС, динамического выбора рассчитанной структуры кадра РС, динамического выбора и автоматического принятия решения о выборе структуры кадра РС. Учитывая результаты внедрения разработанных моделей и методов, можно говорить о повышении качества восстановленных речевых сигналов до 15%. Предложенные методы и средства позволяют уменьшить человеческие и финансовые затраты.

Ключевые слова: кодирование речевых сигналов, коротковолновые, ультракоротковолновые радиосети, сжатие речевых сигналов, методы повышения качества речевых сигналов, методы оценки качества речевых сигналов, канальное кодирование.



ABSTRACT

Yansons Y.V. The method of recovered speech signals quality increase in wireless telecommunication systems on the basis of speech frame differentiated defense. - Manuscript.

Thesis on competition of scientific degree of Candidate of Technical Sciences by speciality 05.12.13 - Radio devices and a means of telecommunications. National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, Kharkiv, 2008.

Dissertation is devoted to development and perfection of methods and tools of objective evaluation and enhancement speech signals.

Scientific results are: 1) Method of automated objective distributing of the output signal speech coder frame elements. Objective distributing is based on index of recovered speech signal quality. The method differs from others in the sense of applying objective estimation. A method allowed to promote the accordance degree of automated objective estimations results to subjective tests results with expert groups by 7%; 2) Method of generalized speech signal distortion index evaluation is obtained for the first time. This method is based on frame differentiation of output speech coder signals and takes into account the quality objective index, description of communication channels and noise-immunity codes. It allows a priori to define the level of speech signals distortion with certain frame structure; 3) Method of enhancement output speech signals quality is obtained for the first time. This method is based on the choice of coder output speech signals frame structure with the use of criterion of the speech frame minimum expected distortion. It allows to promote speech signals quality in conditions of a communication channel bandwidth limited.

Keywords: compression of speech signals, encoding of speech signals, high frequency, ultrahigh frequency radio network, methods of enhancement speech signals, methods of speech signals quality estimation, channel coding.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. У сучасних мережах зв'язку основний об'єм трафіку приходиться на мовну інформацію. За оцінками експертів, до 2015 року частина мовного трафіку складатиме більше 50 відсотків загального трафіку мереж зв'язку.

При розробці методів і засобів передачі мовної інформації важлива роль відводиться методам дослідження якості передачі мови в цифрових безпроводових телекомунікаційних системах (БТС). Особливістю зазначених методів є, так званий, людський фактор, оскільки людина аналізує мовну інформацію за допомогою органів чуття, які складно змоделювати. Традиційно для оцінки якості мовної інформації використовуються так звані “експертні” або “суб'єктивні”, тобто людські, оцінки якості мови, але такі процедури є дорогими, тривалими і складними в організації. В останні десятиліття дослідницькі колективи всього світу розробляють рішення, що забезпечують об'єктивну автоматизовану оцінку якості мови.

Проблеми обмеженості пропускної здатності каналів зв'язку (КЗ), збільшення потоків даних, що передаються, необхідність якісної передачі мовного сигналу (МС) вимагають розробки нових, ефективних методів обробки МС в радіотехнічних і телекомунікаційних системах. Передача оцифрованого МС через КЗ неминуче приводить до його спотворення внаслідок дії завад. Одним із способів боротьби з завадами являється застосування завадостійкого кодування. Однак застосування класичних схем завадостійкого кодування приводить до підвищення вимог до смуги пропускання КЗ. Завдання пошуку компромісу між необхідною завадостійкістю (а значить і якістю МС) і пропускною здатністю КЗ може бути частково вирішене за рахунок ретельного аналізу перцепційних властивостей МС і пріоритетного захисту найбільш вагомих елементів сигналу, з точки зору впливу на якість відтворення мови. Необхідною умовою диференціювання елементів МС є наявність розвинених методів і алгоритмів об'єктивної оцінки мовної інформації.

Дослідження в області обробки, передачі і оцінювання мовної інформації проводяться вітчизняними науковцями Інституту кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, Національного аерокосмічного університету “ХАІ” ім. М.Є. Жуковського, Харківського національного університету радіоелектроніки, Української асоціації по обробці інформації і розпізнавання образів (УАСОІРО), Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, Донецького інституту проблем штучного інтелекту, Вінницького національного технічного університету.

Серед закордонних науково-дослідних організацій необхідно виділити робочі групи Міжнародного союзу Електрозв'язку (МСЕ), а саме її сектор стандартизації електрозв'язку (МСЕ-Т), та такі серії документів, як МСЕ-Т E - загальна робота мереж, телефонні послуги та людські фактори, МСЕ-Т G - системи та середовище передачі, цифрові системи та мережі, МСЕ-Т P - якість телефонної передачі, телефонні установки, мережі місцевих ліній.

Провідними закордонними науковими закладами, в яких проводяться вагомі дослідження по обробці і оцінюванню МС, є: Центр цифрової обробки сигналів Санкт-Петербурзького державного університету телекомунікацій ім. проф. М.А. Бонч-Бруєвича, Сибірський державний університет телекомунікацій і інформатики, Carnegie Mellon Univevsity, Univevsity of Pennsylvania, Univevsity of Sheffield, Cambridge Univevsity.

Значний внесок в наукові досягнення в області обробки та оцінки якості МС внесли: Дж. M. Уайт, M. Р. Самбур, Дж. Л. Фланаган, С. Я. Левінсон, Л. Р. Рабінер, Ф. Ітакура, А. І. Розенберг, Дж. Д. Маркел, А. Х. Грей, Т. К. Вінцюк, Ю. Н. Прохоров, І. Н. Пресняков, М. М. Климаш. Серед учених, які вирішували окремі завдання в області кодування, оцінки якості МС і реалізації завадостійкого кодування необхідно відзначити: A. P. Bernard, A. Alwan, G. C. Zhu, X. B. Liu, S. N. Koh, Р. В. Шафер, Л. Г. Зюко, Р. Стіл, Р. Блейхут, М. Венедіктов, М. Назаров, Г. Вемян, Б. Русин, О. В. Тімченко, В. В. Бабкін, А. А. Ланне.

Дослідження у напрямках оцінювання якості мовної інформації та підвищення якості МС виконуються паралельно і незалежно, хоча підходи до підвищення якості можуть бути сформовані на основі поєднання цих двох напрямків.

Таким чином, підвищення якості відновлених МС шляхом диференційованого захисту об'єктивно розподілених елементів параметрів кадрів вихідних МС кодерів мови за ступенем впливу на якість відновлених сигналів кодеків мови є актуальною науково-прикладною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження в дисертаційній роботі проводилися відповідно до наступних нормативних актів та планів НДР:

1. “Концепція розвитку зв'язку України до 2010 року” - постанова Кабінету Міністрів України №2238, затверджена 9 грудня 1999 року.

2. “Концепція розвитку телекомунікацій в Україні до 2010 року” - розпорядження Кабінету Міністрів України №316-р, затверджене 7 червня 2006 року.

3. “Плану перспективного розвитку системи зв'язку і інформатизації Збройних Сил України на 2007 - 2011 рр.”

4. Плану НДР Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”: “Теоретичні основи, методи і інструментальні засоби аналізу, розробки і верифікації гарантоздатних інформаційно-управляючих систем, для аерокосмічних об'єктів і комплексів критичного застосування” № ГР 0106U001071, 2008 р.

Роль автора у вказаній науково-дослідній роботі, в якій він був безпосереднім виконавцем, полягає в розробці алгоритмів, методів і інструментальних засобів підвищення якості відновлених МС БТС на основі диференціювання захисту елементів параметрів кадрів МС кодера мови.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка методу підвищення якості відновлених МС. Відповідно до поставленої мети і науково-прикладної задачі необхідно вирішити наступні часткові завдання:

1. Проаналізувати існуючі методи і способи підвищення якості МС, методи кодування і оцінки якості МС.

2. Удосконалити метод автоматизованого об'єктивного розподілу елементів параметрів кадрів вихідних МС кодерів мови в частині використання об'єктивного показника оцінки якості, що забезпечить підвищення ступеня відповідності результатів оцінювання результатам суб'єктивних випробувань із залученням експертних груп.

3. Розробити метод оцінювання узагальненого показника спотворення МС, який має базуватися на диференціюванні кадру вихідних МС кодерів мови з урахуванням об'єктивного показника якості, характеристик КЗ та завадостійких кодів, що забезпечить апріорне визначення рівня спотворення МС з певною структурою кадру.

4. Розробити метод підвищення якості відновленого МС, який має базуватися на виборі варіанту структури кадру вихідних МС кодерів мови з використанням критерію мінімального апріорного спотворення кадру мови, що забезпечить підвищення якості МС в умовах обмеження смуги пропускання КЗ.

5. Розробити інформаційну технологію (ІТ) підтримки прийняття рішення та ІТ експертних систем по забезпеченню високої якості МС.

6. Розробити структурні схеми пристрою аналізу і автоматичного розрахунку оптимальної структури кадру МС і пристрою динамічного вибору розрахованої структури кадру МС.

7. Впровадити результати досліджень на практиці при створенні апаратури зв'язку безпроводових телекомунікаційних систем.

Об'єкт дослідження - процеси кодування і декодування МС в безпроводових телекомунікаційних системах.

Предмет дослідження - методи забезпечення якості декодованих МС в безпроводових телекомунікаційних системах.

Методи дослідження. В основу досліджень були покладені принципи системного аналізу, математичного моделювання і математичної статистики. При удосконаленні методу об'єктивного розподілу елементів параметрів МС також використовувався апарат теорії інформації і апарат цифрової обробки сигналів. При розробці методу оцінювання узагальненого показника спотворення МС крім того використовувалися принципи теоретико-множинних описів, статистичної теорії зв'язку, теорії ймовірності, випадкових процесів і комбінаторики. При розробці методу підвищення якості МС також використовувалися методи теорії графів та теорії завадостійкого кодування.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Удосконалено метод автоматизованого об'єктивного розподілу елементів параметрів кадрів вихідних мовних сигналів кодерів мови в частині використання об'єктивного показника оцінки якості, що дозволило підвищити ступінь відповідності результатів оцінювання результатам суб'єктивних випробувань із залученням експертних груп.

2. Вперше розроблено метод оцінювання узагальненого показника спотворення мовного сигналу, який, на відміну від відомих, базується на диференціюванні кадру вихідних мовних сигналів кодерів мови з урахуванням об'єктивного показника якості, характеристик каналу зв'язку та завадостійких кодів, що дозволяє апріорно визначати рівень спотворення мовного сигналу з певною структурою кадру.

3. Вперше розроблено метод підвищення якості відновленого мовного сигналу, який, на відміну від існуючих, базується на виборі варіанту структури кадру вихідних мовних сигналів кодерів мови з використанням критерію мінімального апріорного спотворення кадру мови, що дозволяє підвищити якість мовного сигналу в умовах обмеження смуги пропускання каналу зв'язку.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що основні положення дисертаційної роботи реалізовані у вигляді розрахункових моделей, інженерних методів, алгоритмів підвищення якості відновлених МС БТС, а саме:

- розроблена програмна реалізація алгоритму і методу автоматизованого об'єктивного розподілу елементів параметрів кадрів вихідних МС кодерів мови за ступенем впливу на якість відновленого сигналу кодеків мови, що дозволила підвищити коефіцієнт кореляції результатів об'єктивних і суб'єктивних випробувань на 7 %;

- розроблена програмна реалізація алгоритму і методу підвищення якості відновлених МС, що дозволила покращити якість відновлених МС до 15%.

- розроблені структурні схеми пристроїв: аналізу і автоматичного розрахунку оптимальної структури кадру МС, динамічного вибору розрахованої структури кадру МС, динамічного вибору і автоматичного прийняття рішення про вибір структури кадру МС. Розроблені схеми відрізняються від існуючих використанням розроблених алгоритмів і методів, що дозволили підвищити якість відновлених МС.

Результати дисертаційних досліджень реалізовані в:

- СКБ ТОВ “Телекарт-Прилад” при підвищенні якості МС кодеків мови на етапі виконання дослідно-конструкторських робіт по розробці сімейства радіостанцій ультракороткохвильового (УКХ) діапазону “Акація” (акт впровадження від 11.03.2008);

- СКБ ТОВ “Телекарт-Прилад” при підвищенні якості МС кодеків мови на етапі виконання дослідно-конструкторських робіт по розробці малопотужної короткохвильової (КХ) радіостанції Р-1151 (акт впровадження від 20.06.2008);

- навчальному процесі факультету військових засобів зв'язку Військового інституту телекомунікацій і інформатизації НТУУ “КПІ” при вивченні дисциплін “Системи зв'язку з рухомими об'єктами” і “Основи теорії передачі інформації”, а також при виконанні дипломних робіт за спеціальностями “Системи і комплекси військового радіозв'язку”, “Телекомунікаційні системи і мережі”. Реалізація досліджень в учбовому процесі дозволила підвищити наукову спрямованість вивчення дисциплін “Системи зв'язку з рухомими об'єктами” і “Основи теорії передачі інформації” (акт впровадження від 21.05.2008).

Особистий внесок здобувача полягає в розробці нових алгоритмів, методів і інструментальних засобів, що дозволяють вирішити поставлені завдання. Всі основні результати отримані автором особисто. У роботах, опублікованих в співавторстві, авторові належать: автоматизований об'єктивний розподіл елементів параметрів кадрів МС кодера мови GSM 46.010 Full Rate [1, 6 - 8], удосконалення методу автоматизованого об'єктивного розподілу елементів параметрів кадрів МС кодерів мови шляхом застосування в якості об'єктивного показника оцінок відповідно до рекомендацій МСЕ-Т P.862, P.862.1, P.862.2 [2, 3, 9], аналіз існуючих методів оцінки якості мови для безпроводових телекомунікаційних систем [2, 3, 9], об'єктивний розподіл елементів параметрів кодека мови MELP (2,4 кбіт/с) (Mixed Excitation Linear Prediction - лінійне передбачення із змішаним збудженням) [3], запропонована структура кадру МС, аналітичні вирази розрахунку показника спотворення [11, 12].

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати, отримані автором при виконанні дисертаційної роботи, доповідалися на наступних науково-технічних конференціях і семінарах: Міжнародній науково-технічній конференції „Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” ІКТМ'2005, ІКТМ'2006 (м. Харків, 2005 р., 2006 р.), 10-му і 12-му Міжнародному молодіжному форумі “Радіоелектроніка і молодь в ХХІ столітті” (м. Харків, 2006 р., 2008 р.), 5-ій, 6-ій міжнародних науково-практичних конференціях „Інтернет - Освіта - Наука” (м. Вінниця, 2006 р., 2008 р.), другій Міжнародній науковій конференції „Сучасні інформаційні системи. Проблеми та тенденції розвитку.” (м. Харків - м. Туапсе, 2007 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційні системи і технології (ІСТ-2007, ІСТ-2008)” (Росія, м. Нижній Новгород, 2007 р., 2008 р.), першій, другій і третій міжнародних науково-технічних конференціях „Гарантоздатні (надійні і безпечні) системи, сервіси і технології (Dessert'06, Dessert'07, Dessert'08)” (м. Полтава, 2006 р., м. Кіровоград, 2007 р., 2008 р.), XV Міжнародній науково-практичній конференції „Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я” (м. Харків, 2007 р.), Міжнародній конференції “Проблеми телекомунікацій - 2008” (м. Київ, 2008 р.), Всеукраїнській науково-технічній конференції „Комп'ютерна математика в науці, інженерії і освіті (CMSEE-2007)” (м. Полтава, 2007 р.), 3-му Міжнародному радіоелектронному форумі „Прикладна радіоелектроніка. Стан та перспективи розвитку (МРФ - 2008)” (м. Харків, 2008 р.), науково-технічних семінарах кафедр Прийому, передачі та обробки сигналів, Комп'ютерних систем і мереж Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” (м. Харків, 2005-2008 р.), науково-технічних семінарах кафедри Телекомунікаційних систем і мереж Полтавського військового інституту зв'язку (м. Полтава, 2005-2007 р.), науково-технічних семінарах кафедр Військових телекомунікаційних мереж і захисту інформації і Основ побудови систем військового зв'язку факультету засобів військового зв'язку Військового інституту телекомунікацій і інформатизації Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” (м. Полтава, 2007-2008 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладені в 13 наукових працях, серед яких 4 статті в наукових журналах, 1 стаття у збірнику наукових робіт, які включені в перелік спеціалізованих видань ВАК України, 8 тез та матеріалів доповідей в збірниках робіт наукових конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація має вступ, чотири розділи, висновки й додатки. Повний обсяг дисертації складає 240 сторінок, у тому числі: 32 рисунки, з яких 10 на 7 окремих сторінках, 22 таблиці, з яких 12 на 7 окремих сторінках, список з 215 використаних літературних джерел на 20 сторінках, 14 додатків на 46 сторінках.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми та наукових задач; сформульовано мету дисертаційної роботи; показано об'єкт, предмет, наукову новизну та практичну значимість отриманих результатів; відображено особистий внесок здобувача, наведено дані про впровадження, апробації та публікації результатів досліджень.

У першому розділі розглянуто особливості функціонування засобів кодування і декодування МС в системах безпроводового зв'язку. Показано актуальність покращення характеристик МС КХ, УКХ радіозасобів. Приведено розширену класифікація методів кодування МС, як за способом перетворення початкового сигналу, так і за швидкістю результуючого потоку. Аналіз методів кодування МС дозволив зробити висновок про те, що використання методів гібридного кодування МС носить найбільш масштабний характер. Дана тенденція викликана перевагами, якими характеризуються обрана група методів: достатня якість, розбірливість і натуральність МС при порівняно низьких швидкостях інформації, що передається. На основі проведеного аналізу виділені алгоритми і відповідні їм стандарти, що належать до групи методів гібридного кодування. Обрані алгоритми мають широке використання в системах низькошвидкісної передачі мовної інформації. Такими алгоритмами є: метод кодування на основі регулярного імпульсного збудження з кільцем довготривалого передбачення (Regular Pulse Excited - Long Term Predictor (RPE-LTP)), метод кодування із збудженням на основі кодових книг (Codebook Excited Linear Prediction (CELP)), метод кодування, оснований на лінійному передбаченні (Linear Prediction Coding (LPC)), метод кодування оснований на лінійному передбаченні зі змішаним збудженням (MELP). Для дослідження в роботі визначений алгоритм кодування МС - MELP.

Процедура аналізу методів оцінки якості МС сприяла визначенню поняття якості МС і складанню розширеної класифікації найбільш відомих методів оцінки якості МС, на основі ділення всієї сукупності методів оцінювання на дві основні групи. Якість МС - це результат сприйняття і процесу оцінювання, при якому учасник оцінки встановлює співвідношення між характеристиками сприйнятого МС, тобто акустичною подією, і бажаними або очікуваними характеристиками. Основними групами оцінювання МС є суб'єктивні і об'єктивні методи оцінки якості. Суб'єктивні методи мають ряд недоліків: значні витрати фінансових і часових ресурсів, залежність від вимог до матеріалу оцінки, дикторів, приміщень, методів, методик проведення досліджень і т.д. Перевагою суб'єктивних методів є достовірність отриманих результатів, у разі дотримання необхідних умов. Розробка об'єктивних методів оцінки якості МС направлена на зниження витрат при проведенні процедур оцінювання якості МС, в чому і полягають переваги об'єктивних методів. Основним недоліком об'єктивних методів оцінювання є порівняно низька достовірність результатів, що отримуються. В розділі визначений основний критерій вибору об'єктивного методу оцінювання якості МС. Даним критерієм є максимальний коефіцієнт кореляції результатів об'єктивних випробувань з результатами суб'єктивних випробувань. У розділі розглянуті методи підвищення якості відновлених МС. Розглянуті методи різного типу розміщення елементів стиснутого сигналу для підвищення якості МС шляхом застосування завадостійкого кодування. Необхідно відзначити існування на сьогоднішній день методів об'єктивного визначення пріоритетності елементів МС що мають низький коефіцієнт кореляції з результатами суб'єктивних випробувань. Методи, що дозволяють здійснити диференційований захист елементів кадру МС, на основі комплексного показника якості МС на сьогоднішній день відсутні.

Сформульована загальна науково-прикладна задача дисертації, яка декомпозується на ряд часткових завдань, пов'язаних з розробкою методу підвищення якості відновлених мовних сигналів.

Другий розділ дисертації присвячений удосконаленню методу автоматизованого об'єктивного розподілу елементів параметрів кадрів вихідних МС кодерів мови за ступенем впливу на якість відновленого сигналу кодеків мови.

Введено поняття ступеня впливу елементу параметра на якість відновленого МС. Під ступенем впливу елементу параметра розуміється рівень внесеного певним елементом спотворення. Ступінь впливу вимірюється в одиницях визначеного завчасно методу вимірювання якості МС. В основу методу покладене припущення про те, що спотворення певних параметрів МС, при передачі по КЗ, має різний ступінь впливу на якість відновленого сигналу, спотворення різних біт цих параметрів також різною мірою впливає на відновлений сигнал. Оцінка ступеня впливу елементів кодеків, що відносяться до методів кодування форми і вокодерних методів відрізняється алгоритмічною простотою. Здійснення даної процедури для гібридних кодерів представляється достатньо складним завданням, оскільки мають місце параметричні методи кодування.

Основні етапи методу об'єктивного розподілу елементів параметрів кадрів вихідних МС кодерів мови наступні.

1. Аналого-цифрове перетворення МС.

2. Кодування джерела. Вигляд і форма стиснутого МС залежить від обраного методу кодування.

3. Внесення спотворень (поелементна інверсія). Створення множини МС, що відрізняються один від одного спотворенням певних елементів.

4. Декодування джерела. Декодування множини спотворених МС.

5. Об'єктивна оцінка якості кожного з множини відновлених МС. Оцінка якості МС дозволяє визначити ступінь впливу елементів параметрів МС на якість відновленого МС.

6. Розподіл елементів параметрів МС в порядку зниження ступеня впливу елементу на якість відновленого сигналу.

Удосконалення полягає у визначенні об'єктивного показника якості МС, що максимально відповідає стандартизованим суб'єктивним випробуванням. Попередній аналіз методів оцінювання якості МС дозволив зробити висновок про те, що результати оцінювання якості МС з використанням показника в оцінках MOS-LQO представленого в рекомендаціях МСЕ-Т P.862, P.862.1, P.862.2 найбільш відповідає результатам, отриманим при використанні суб'єктивних методів оцінювання якості МС. Висновок базується на тому, що алгоритми розрахунку підсумкових значень показника якості досить точно відображають сприйняття людиною МС і обробку МС, що забезпечують представлення, відповідне внутрішньому представленню МС у мозку людини.

Визначення показника якості відповідно до групи рекомендацій серії МСЕ-Т P.862:

де, Аф_сп - коефіцієнт асиметричного спотворення фонем;

Dф_сп - коефіцієнт симетричного спотворення фонем;

N - кількість складів в досліджуваному відрізку мови.

Оцінки PESQ-MOS перераховуються в оцінки MOS-LQO відповідно до виразу:

В якості стандарту, що має стандартизований суб'єктивний розподіл елементів параметрів обрано стандарт кодування мовного сигналу ETSI 3GPP TS 46.010 - GSM-FR - full-rate, 13 кбіт/с (алгоритм кодування МС - RPE-LTP). Вибір стандарту обумовлений відповідністю вимогам: наявність даних про розподіл елементів параметрів кадру кодека МС за ступенем впливу на якість відновленого сигналу, розподіл елементів проведений на основі суб'єктивних випробувань, низька швидкість мовного потоку.

Для порівняння результатів отриманих шляхом використання в методі розподілу елементів параметрів за ступенем важливості, різних показників об'єктивної оцінки та результатів суб'єктивних випробувань, доцільно використовувати коефіцієнт кореляції масивів даних. Коефіцієнт кореляції результатів розподілу елементів параметрів МС при використанні показника сегментне відношення сигнал/шум (СЕГВСШ) з результатами суб'єктивних випробувань склав 0,9. Отримане значення є недостатнім з погляду відповідності результатів об'єктивних методів результатам суб'єктивних випробувань. Коефіцієнт кореляції результатів розподілу елементів параметрів МС при використанні показника MOS-LQO з результатами суб'єктивних випробувань склав 0,97. Дане значення є найбільшим серед об'єктивних методів. Таким чином, використання в методі об'єктивного розподілу елементів параметрів кадру МС міри оцінки якості МС з використанням показника MOS-LQO на відміну від СЕГВСШ, підвищує ступінь відповідності отримуваних результатів результатам суб'єктивних експериментів на 7%.

У розділі розглянуто застосування вдосконаленого методу для розподілу елементів параметрів кадру МС кодека мови алгоритму MELP (2,4 кбіт/с). Результатом є вперше отриманий об'єктивний розподіл елементів параметрів кодека за ступенем впливу на якість відновленого МС для огласованного і неогласованного кадрів МС.

Третій розділ дисертації присвячений розробці методу оцінювання узагальненого показника спотворення МС, а також розробці методу підвищення якості МС. У розділі приведено обґрунтування кількості областей диференціювання елементів параметрів кадрів МС. Також, проведений розрахунок об'єму пам'яті і обчислювальної складності для завадостійкого кодування в методі підвищення якості відновленого МС.

Метод оцінювання узагальненого показника спотворення МС враховує інтенсивність завад і кратність помилок в КЗ, типи і швидкості завадостійких кодів, диференціювання об'єктивно оцінених елементів кадру вихідних МС кодерів мови. В основу методу покладені вимоги до показника спотворення якості МС. Такими вимогами є: облік якості елементів параметрів МС, оснований на об'єктивних оцінках, результати об'єктивних випробувань повинні мати максимальний коефіцієнт кореляції з результатами суб'єктивних оцінок, метод визначення об'єктивних оцінок має бути стандартизованим, відсутність необхідності в постійному тестовому сигналі для визначення якості МС, облік чинників, які достатньою мірою характеризують безпроводовий КЗ, алгоритмічна простота визначення результуючого показника, незалежність від наявності встановленого з'єднання.

Узагальнений показник спотворення якості МС обчислюється відповідно до виразу:

(1)

де E - значення усередненого спотворення якості МС, що розраховується на основі значень об'єктивних показників якості;

Р - імовірність помилки декодування блоку, що складається з n елементів;

t - кратність помилки спотворення елементу, що враховується, в КЗ;

fr - кількість блоків кадру;

- кількість елементів в кадрі, ;

m - кількість можливих варіантів розміщення елементів по fr областях.

Ймовірність помилки декодування блоку n даних елементів розраховується наступним чином:

(2)



де n_fr - кількість елементів в блоці fr;

- множина завадостійких кодів ;

- множина швидкостей завадостійких кодів , швидкість r_i відповідає коду С_i;

- модель каналу передачі даних;

- вектор параметрів моделі каналу передачі даних.

Для розрахунку усередненого спотворення МС підкадру fr, за умови помилки в КЗ певної кратності використовується наступний вираз:

(3)

де, - i - й метод кодування МС;

- вектор параметрів методу кодування МС;

e_j - множина значень ступеня зниження якості МС при спотворенні j елементів, j=1, ..., t_max;

Zⁱ_fr - сума значень групи елементів множини eⁱ_fr при кратності помилки i підкадру fr.

Сума значень групи елементів множини eⁱ_fr при кратності помилки i підкадру fr визначається з виразів:

(4)

(5)

(6)



При збільшенні i обчислення Zⁱ_fr аналогічно.

Множина значень ступеня зниження якості МС при спотворенні j елементів e^j обчислюється таким чином:

де, Q^j - значення об'єктивного показника якості МС.

Q_max - максимально можливе значення якості мови кодека за умови відсутності завад в КЗ.

Показник якості визначається відповідно до методу автоматизованого об'єктивного розподілу елементів параметрів кадрів МС і представляється у вигляді множини:

так що

де - множина всіх можливих значень якості мови при максимальній кратності помилки t_max.

Кількість можливих варіантів m розміщення елементів по fr областям:

(9)

(10)

(11)

(12)

У розділі розроблений метод підвищення якості МС. Запропонований метод призначений для підвищення якості відновленого МС шляхом створення канальної структури кадру мови і диференційованого захисту отриманої структури. Під створенням канальної структури кадру мови розуміється наступне:

- визначення кількості груп, за ступенем впливу на якість відновленого сигналу, в даному кадрі;

- визначення наповнення груп (розподіл певних елементів параметрів по відповідних групах);

- визначення номіналів швидкостей вибраного сімейства завадостійких кодів для кожної з груп.

Метод складається з наступних етапів:

1. Визначення початкових умов.

2. Визначення максимального числа областей диференціювання елементів параметрів кадру МС.

3. Розрахунок можливих варіантів структур кадру МС - побудова деревоподібного гратчастого графа.

4. Обчислення ваги варіантів структур (вершин графа) щ_N. Обчислення допустимої ваги щ_зад.

5. Визначення і мінімізація цільової функції, якою є показник апріорного спотворення МС.

6. Визначення підсумкової структури кадру МС відповідно до критерію мінімального значення цільової функції.

7. Формування кадру МС відповідно до певної підсумкової структури.

Результати моделювання методу підвищення якості МС на прикладі кодека мови типу MELP на швидкості 2,4 кбіт/с.

Процес моделювання полягає в порівняні при заданій пропускній здатності КЗ значення якості МС у разі застосування єдиного завадостійкого коду до всіх даних, що передаються, і значень якості мови отриманих при розділенні елементів параметрів на групи з використанням вибраних завадостійких кодів із заданого сімейства. Критерієм відбору тієї або іншої групи є мінімальне значення апріорної помилки.

При моделюванні алгоритму роботи розробленого методу встановлено, що метод підвищення якості відновлених МС дозволяє досягти підвищення ефективності до 15% порівняно з методом рівномірного захисту всієї сукупності даних, які передаються.

Для визначення числа областей диференціювання елементів параметрів МС в роботі проведено моделювання методу підвищення якості МС для різної кількості областей. Використання обмеження в межах двох - трьох областей дозволяє набути значень якості відновлених МС вище, ніж використання іншої кількості областей.

Побудова деревоподібного гратчастого графа дозволяє оптимізувати процедуру пошуку варіантів структур кадру МС відповідних заданим умовам. Граф формується на основі декількох правил. Кількість можливих варіантів s = m розміщення елементів параметрів по областях диференціювання розраховуються відповідно до виразів (9) - (12). Кожна вершина g_i,j однозначно визначається своїми індексами, де i - номер рядка, а j - порядковий номер вершини в рядку i. Визначено, що .

Кожній вершині відповідає один єдиний варіант розташування елементів по областях: g_i,j =(n₁, n₂, n₃), так, що n₁ = j - 1, n₃ = N - (i+1), n₂ = N - n₁ - n₃. Кожна вершина характеризується своєю вагою, яка визначається на підставі стану вершини залежно від набору вибраних типів і швидкостей завадостійких кодів. Вага вершини визначається таким чином:

(13)

де, - кількість елементів в кожній з груп з елементами надмірності включно;

- швидкості завадостійких кодів, які застосовані відповідно до першої, другої та третьої групи елементів.

Значення критерію (задане значення ваги вершини) розраховується наступним чином:

(14)

де, С_зад - задане значення пропускної здатності КЗ, біт/с;

t_дк - тривалість кадру мови, визначається стандартом кодека, с.

Умова вибору виглядає наступним чином:

(15)

Четвертий розділ присвячений розробці інформаційних технологій (ІТ) підтримки прийняття рішення і ІТ експертних систем по забезпеченню високої якості МС телекомунікаційної підсистеми передачі мови (ТППМ). Реалізації розроблених в роботі методів покладені в основу процесів ІТ по забезпеченню високої якості МС.

Детальне представлення ІТ забезпечення високої якості МС у вигляді взаємопов`язаних інформаційних потоків, процесів та засобів їх обробки.

Елементи розроблених ІТ були використані для аналізу і обробки елементів параметрів кадрів МС відповідно до проведених досліджень з метою підвищення якості відновлених МС в різних пристроях зв'язку. Результати дисертаційних досліджень у вигляді алгоритмів і методів використані при виконанні дослідно-конструкторських робіт по розробці сімейства перспективних радіостанцій УКХ діапазону “Акація” і її модифікацій.

Також результати досліджень були використані при виконанні дослідно-конструкторських робіт по розробці малопотужної КХ радіостанції Р-1151. Застосування методу підвищення якості МС дозволило отримати оптимальну структуру кадру МС. Використання даної структури дозволило підвищити якість МС до 15%, щодо вимог технічного завдання.

На основі представлених в роботі методів і алгоритмів розроблені структурні схеми пристроїв, що забезпечують підвищення якості МС.

У додатках наведені розширені класифікації методів кодування МС, стандартів стиснення МС, суб'єктивних та об'єктивних методів оцінювання якості МС, розподіл елементів параметрів кодеків МС стандартів безпроводових телекомунікаційних систем. В додатках також наведені дані, що отримані експериментально: значення об'єктивного показника якості МС СЕГВСШ для параметрів кодека RPE-LTP стандарту GSM 46.010 FR, значення об'єктивного показника якості МС PESQ-MOS для параметрів кодека RPE-LTP стандарту GSM 46.010 FR, значення об'єктивного показника якості МС MOS-LQO для параметрів кодека RPE-LTP стандарту GSM 46.010 FR, значення об'єктивного показника якості МС PESQ-MOS у випадку двократної помилки в каналі зв'язку для кодека МС заснованого на алгоритмі MELP (2,4 кбіт/с), вихідні програмні коди розроблених програмних реалізацій методу автоматизованого об'єктивного розподілу елементів параметрів кадрів вихідних МС кодерів мови та методу підвищення якості МС, а також акти впровадження результатів дисертаційних досліджень.



ВИСНОВКИ

1. Якість інформації, що приймається в ТППМ, є основною властивістю з погляду забезпечення достовірності інформації під впливом чинників, що характерні для розповсюдження сигналів в безпроводових мережах.

Якість МС забезпечується шляхом розподілу елементів параметрів по групах за ступенем впливу на відновлений сигнал і введення різного роду надмірності для кожної з груп, що може бути обмежене такими умовами як ширина смуги пропускання КЗ. Для визначення оптимального варіанту розміщення елементів і введення надмірності використовуються методи і підходи до оцінки ступеня впливу елементів параметрів кадрів МС на якість відновлених сигналів і їх розміщення в обмеженому діапазоні допустимої смуги пропускання каналу. Тому розробка і вдосконалення моделей, методів, ІТ ППР і ІТ експертних систем, структурних схем пристроїв по забезпеченню високої якості відновлених МС, з урахуванням різних зовнішніх чинників, які впливають на мовну інформацію, є актуальною науково-прикладною задачею, яка поставлена і вирішена в дисертації.

Результатами проведених досліджень є метод автоматизованого об'єктивного розподілу елементів параметрів кадрів вихідних МС кодерів мови, метод оцінювання узагальненого показника спотворення МС і заснований на них метод підвищення якості відновленого МС.

2. Проведено аналіз методів кодування МС. Установлено, що серед існуючих методів найбільш перспективною вважається група методів гібридного чи комбінованого кодування. До переваг даної групи належать: низька швидкість інформації та добра якість, розбірливість та натуральність МС.

3. Проведено дослідження методів оцінки якості МС. Виділено основні класифікаційні групи методів оцінки, якими є суб'єктивні та об'єктивні методи. Установлено, що вищу достовірність отриманих результатів, мають суб'єктивні методи. Розробка об'єктивних методів оцінки якості МС має на меті отримання результатів максимально корельованих з даними отриманими суб'єктивними методами.

4. Проаналізовано методи підвищення якості МС. Вказано на відсутність методів об'єктивного визначення пріоритетності елементів МС на основі комплексного показника якості та послідуючого застосування диференційованого захисту МС.

5. Удосконалено метод автоматизованого об'єктивного розподілу елементів параметрів кадрів вихідних мовних сигналів кодерів мови. Удосконалення здійснене на етапі використання об'єктивного показника оцінки якості МС, шляхом використання показника MOS-LQO. Обраний показник затверджений у ряді стандартів Міжнародного союзу з електрозв'язку та дозволяє здійснити вичерпну оцінку якості МС як в часовій, так і в частотній областях. Використання зазначеного показника дозволило наблизити результати об'єктивних оцінок до результатів суб'єктивних експертиз на 7%, в порівнянні з класичним показником СЕГВСШ.

6. Введено поняття ступеня впливу елементу параметра, на якість відновленого МС, що характеризує рівень внесеного визначеним елементом спотворення. Удосконалений метод дозволяє об'єктивно розмістити мінімальні структурні елементи стисненого МС відповідно до величини ступеня впливу кожного елементу параметра на якість відновленого МС.

7. Обґрунтована доцільність розробки методу комплексного показника оцінювання спотворення МС. Обґрунтовано недоліки існуючих методів апріорного визначення якості МС, а саме відсутність складових, які б коректно відображали вплив КЗ на МС.

8. Вперше розроблено метод оцінювання узагальненого показника спотворення МС, що дозволяє апріорно визначити рівень спотворення мовного сигналу з певною структурою кадру. Розроблений метод на відміну від існуючих заснований на диференціюванні кадру вихідних МС кодерів мови. Запропонований метод базується на оцінках об'єктивного показника якості, характеристиках КЗ та завадостійких кодів і дозволяє усунути недоліки, що стосуються врахування впливу КЗ на МС.

9. Розроблено метод підвищення якості відновлених МС. Основою методу є вибір варіанта структури кадру вихідних мовних сигналів кодерів мови з диференційованим захистом. Структурою запропоновано вважати: 1) кількість груп за ступенем впливу на якість відновленого сигналу в даному кадрі; 2) наповнення груп (розподіл певних елементів параметрів по відповідних групах), 3) номінали швидкостей вибраного сімейства завадостійких кодів для кожної з груп. Вибір варіанта структури відбувається шляхом визначення мінімального значення величини спотворення кадру мови в умовах обмеження смуги пропускання КЗ. Метод дозволив підвищити якість відновлених МС з використанням диференційованого захисту щодо методу рівномірного захисту до 15%.

10. Проаналізовано вибір кількості областей диференціювання елементів параметрів кадрів МС. Показано, що вища якість відновлених мовних сигналів досягається при виборі числа областей рівних 2 - 3. Збільшення числа областей диференціювання призводить до незначного збільшення якості через неефективне використання виділеної смуги пропускання.

11. Визначені основні поняття інформаційних технологій підтримки прийняття рішення та експертних систем по забезпеченню високої якості МС телекомунікаційних підсистем передачі мови. Показана взаємодія потоків, процесів та засобів інформаційної технології підтримки прийняття рішення.

Запропоновано схемні реалізації пристроїв підвищення якості відновлених МС кодерів мови.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Янсонс Я.В. Методика оценки помехоустойчивости параметров сжатого сигнала кодеков речи / Я.В. Янсонс, А.Ю. Стрюк // Радіоелектронні та комп'ютерні системи. - 2006. - № 5(17). - С. 198 - 204.

...