Обработка сигналов в системах телекоммуникаций

Выводы. Предлагаемый алгоритм сжатия речевых данных за счет обнаружения и кодирования пауз на основе сравнения распределений энергии шума и смеси сигнал+шум в заданных частотных интервалах обладает высокой работоспособностью. При всех использованных сочетаниях N и R вероятность правильного обнаружения пауз не менее чем 0,98.

Литература

1. Орищенко В.И. Сжатие данных в системах сбора и передачи информации /В.И.Орищенко, В.Г.Санников. В.А. Свириденко; Под ред. В.А. Свириденко.- М.: Радио и связь, 1985.-184с., ил

2. Физиология речи. Восприятие речи человеком/ Л. А. Чистович и др.— М.: Наука, 1976 – 386 с.

3. Жиляков, Е.Г., Способ обнаружения пауз в речевых сигналах и устройство его реализующее / Е.Г. Жиляков, С.П. Белов, А.С. Белов, Е.И. Прохоренко. – Патент на изобретение. – Роспатент. ФГУ ФИПС. 2007.  №2006138374/09(041799)

4. Жиляков Е.Г., Белов С.П., Прохоренко Е.И. Вариационные методы частотного анализа звуковых сигналов // Труды учебных заведений связи / СПбГУТ. СПб, 2006. № 174. С.163-170
In the report is examined the method of discovery of pauses, which adequately represents a difference between a signal proper to the pause and voice data, consisting in distributing of energies on a frequency range, that other things being equal creates pre-conditions of increase of authenticity of made decisions.



Оценка задержки передачи речевого сигнала в цифровых системах декамеТровой связи

Басов О.О., Рыболовлев А.А., Никитин В.В.

Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации

На обеспечение гарантированного качества услуг (Quality of Service, QoS) при передаче речи в цифровых системах декаметровой (ДКМ) связи [1] влияет ряд условий:

- качество синтезируемой речи, определяемое алгоритмом кодирования;

- наличие ошибок в цифровых каналах связи;

- задержка передачи речевого сообщения от одного абонента другому.

Применяемый алгоритм преобразования, определяющий степень сжатия и качество восстановления речевого сигнала (РС), во многом зависит от пропускной способности канала связи, как правило, ограниченной (до 4.8-6 кбит/с) для радиоканалов ДКМ диапазона. Анализ существующих низкоскоростных систем кодирования речи [2] показал доминирующее положение кодеков на основе линейного предсказания. Для тестирования качества и разборчивости синтезируемой речи разработано множество субъективных и объективных методов (DRT, MOS, PESQ-MOS, DAM и др.), в частности, используются ГОСТ Р 51061-97 и рекомендация ITU-T P.862.

Анализ существующих цифровых систем передачи позволил выявить следующие компенсации канальных помех: перемежение и помехоустойчивое кодирование, интерполяцию потерянных кадров (например, G.711 Appendix 1) и адаптивное сглаживание, снижение скорости передачи [3].

Задержка передачи РС от одного абонента другому вызывает два нежелательных явления – появление эхо-сигналов, когда абонент прослушивает свой голос и наложение речи - процесс, при котором речь одного абонента прослушивается другим абонентом в тот момент, когда он ведет активный разговор. Влияние задержки на качество РС рассмотрено в G.114 Annex B [4]. В указанной рекомендации определены следующие границы значений времени передачи:

- 0 – 150 мс – задержка допустима для большинства приложений;

- 150 – 400 мс – задержка допустима, когда абонент осведомлен о ее существенном влиянии на качество предоставляемой услуги;

- более 400 мс – недопустимая задержка.

Однако методики расчета общей задержки передачи РС в цифровых системах ДКМ связи пока не предложено, в данной работе сделана попытка восполнить этот пробел.

В соответствие с обобщенной структурной схемой цифровой системы ДКМ связи (рис. 1), можно выделить следующие компоненты задержки.


Рис.1. Обобщенная структурная схема цифровой системы декаметровой связи с использованием параметрического кодирования речевого сигнала

1. Задержка формирования кадра . Данная задержка вызвана необходимостью формирования кадра (ФК) из последовательности речевых отсчетов.

Величина данной задержки определяется длиной обрабатываемого кадра выбранного алгоритма кодирования: , (1), где - период дискретизации, как правило, равный 125 мкс (исключение составляют алгоритмы кодирования согласно рекомендациям G.722).

В табл. 1 приведены данные по некоторым низкоскоростным кодекам РС.

Таблица 1

Стандарт	Алгоритм преобразования	Скорость кодирования, кбит/с	, мс	Вычислительная сложность, MIPS
G.723.1	ACELP	5.3	30	19.43
FS1016	CELP	4.8	30	20.98
FS1015	LPC-10	2.4	30	10.61
FS USA	MELP	2.4	25	28.4

2. Задержка предварительной обработки . В качестве устройств предварительной обработки (УПО1) могут рассматриваться шумопонижающее устройство (ШПУ), детектор активности речи (Voice Activity Detector - VAD), система автоматического регулирования уровня (АРУ). Обработка РС данными алгоритмами, в соответствие с предназначением, производится последовательно для каждого кадра.

3. Задержка эффективного кодирования в кодере источника (КИ) и декодирования в декодере источника (ДКИ) , или алгоритмическая задержка, связанная со временем выполнения операций КИ и ДКИ цифровым процессором обработки сигналов (ЦПОС), а также со спецификой некоторых алгоритмов (табл.1). Так, согласно рекомендации G.723.1, при кодировании РС дополнительно существует задержка (look-ahead) в 7.5 мс, что определяет суммарную алгоритмическую задержку равную 37.5 мс.

Для сокращения задержек , и вычислительная сложность соответствующих алгоритмов преобразования РС не должна превышать реальную производительность ЦПОС [5].

4. Задержка помехоустойчивого кодирования в кодере канала (КК) и декодирования в декодере канала (ДКК) , аналогичным образом связанная с вычислительной сложностью соответствующих алгоритмов. Оценка сложности реализации некоторых методов помехоустойчивого кодирования представлена в [6].

5. Задержка перемежения и деперемежения . Если существующие корректирующие коды не могут обеспечить требуемой верности при приемлемых вычислительных затратах, используют преобразования дискретного канала. Наиболее распространенным преобразованием является перемежение (П) – обратимое изменение порядка следования элементов информационной последовательности. На приеме в деперемежителе (ДП) исходный порядок следования восстанавливается, но дискретный канал при этом приобретает новые свойства. Основные виды перемежения рассмотрены в [7].

Для матричного блочного перемежения при цикле, состоящем из блоков по элементов, задержка (глубина перемежения) составляет: . (2)

Так, например, блочное перемежение с глубиной 20 мс используется в системах CDMA (IS-95).

При сверточном перемежении задержка зависит от количества строк матрицы и параметра и параметра , определяющего наклон диагоналей, по которым проводится считывание: .(3)

Диагональное перемежение, являющееся частным случаем сверточного, используется в GSM.

6. Задержка объединения кадров речи. Эта задержка вызвана процессами подготовки речевых пакетов (как информационных единиц протоколов) или объединением (УО) речевых кадров с другими видами данных на передаче. Например, в одном пакете могут быть собраны два речевых кадра, полученных в результате преобразования MELP. Это приведет к тому, что задержка пакета составит 50 мс, а не 25 мс, как если бы в нем передавался 1 кадр.

7. Задержка распространения в непрерывном канале связи (НКС) является существенной при передаче речи на большое расстояние (несколько тысяч километров). Исходными данными [8] для расчета являются географические координаты первого и второго абонента цифровой связи ДКМ диапазона. При этом расстояние между абонентами можно определить как: (км), (4), где – долготный интервал между абонентами, равный разности, когда абоненты расположены в одном полушарии, и сумме, если в разных (восточном и западном); (км) – радиус Земли.

Действующее значение высоты точки отражения электромагнитной волны (ЭМВ) от слоя F2 ионосферы зависит от времени суток, месяца, года и одиннадцатилетнего цикла солнечной активности, функциональная связь между которыми определяется соотношениями: (км), (5),

(км), (6), где – число Вольфа, определяющее уровень солнечной активности; – номер месяца года.

Действующая высота точки отражения ЭМВ от слоев F1 и Е близка к истинной высоте отражения и не претерпевает значительных изменений, поэтому количественно может быть определена из соотношений: (км), (7), (км). (8).

Тогда длина пути, проходимого ЭМВ при передаче информационного сигнала, с достаточной степенью точности определяется по формуле: (км), (9), a время прохождения составляет: (с), (10), где – число скачков ЭМВ на данной радиотрассе; км/с – скорость распространения ЭМВ. При отражении от слоя F2 число скачков составляет большее целое от величины: (11).

Например, задержка распространения РС при передаче по цифровой системе ДКМ связи из Москвы в Хабаровск () составляет 25.6, 25.9, 25.5, 25.1 мс при отражении от слоев F2(днем), F2(ночью), F1 и E соответственно.

8. Задержка разделения пакетов (УР) складывается, во-первых, из времени выполнения операций, обратных объединению кадров речи (других данных), во-вторых, из задержки, возникающей при удалении джиттера. По определению, джиттер – величина, равная разнице во времени между поступлениями пакетов в приемный буфер, вследствие, как правило, характерного для декаметровых каналов многолучевого распространения волн. Чтобы воспроизведение речи было непрерывным, необходимо некоторое время удерживать пакеты в приемном буфере, чтобы позволить самым «медленным» пакетам успеть прибыть и занять соответствующее место в последовательности. Таким образом, две противоречивые цели - уменьшения задержки и удаления джиттера привели к созданию различных схем оптимизации размера приемного буфера [9].

9. Задержка постобработки , возникающая в результате интерполяции потерянных кадров или адаптивного сглаживания. Также одним из возможных устройств постобработки (УПО2) при переходе от узкополосных к широкополосным системам связи является устройство, выполняющее искусственное расширение частотного диапазона [10]. Аналогично , задержка определяется вычислительной сложностью соответствующего алгоритма постобработки.

Определенные компоненты задержки (1-9) позволяют оценить общую задержку передачи РС в цифровой системе ДКМ связи: (12)

При этом в данную оценку не входят:

- время, затрачиваемое на аналого-цифровое (АЦП) и обратное (ЦАП) преобразования речи с помощью стандартной процедуры ИКМ (G.711, G.712) и составляющее мс [4];

- время согласования характеристик внутрисистемного РС с параметрами непрерывного канала связи (среды распространения) в устройстве преобразования сигнала (УПС).

Анализ выражения (12) показывает, что на задержку передачи РС оказывают влияние:

- выбранный алгоритм сжатия (восстановления) РС, определяющий задержку формирования кадра ;

- тип ЦПОС, реализующего алгоритмы предварительной и постобработки, эффективного и помехоустойчивого кодирования/декодирования, и определяющего время выполнения вычислительных операций, объединенных скобками в выражение (12);

- вид применяемого перемежения, определяющий задержки и ;

- выбранные протоколы передачи, оказывающие влияние на задержки объединения и разделения кадров (пакетов) речи;

- время распространения .

Учитывая то, что выбор алгоритма кодирования, как правило, осуществляется, исходя из требуемого качества синтезируемой речи, а время распространения является почти постоянным для конкретной радиолинии, общая задержка передачи РС в цифровых системах ДКМ связи может быть сокращена за счет правильного выбора алгоритмов помехоустойчивого кодирования, перемежения, предварительной и постобработки, а также протоколов передачи и конкретного ЦПОС, реализующего указанные выше алгоритмы.

Литература

1. 
   Засецкий А.В. Иванов А.В. Контроль качества в телекоммуникациях и связи. Часть II. – М.: Компания Syrus Systems, 2003. – 335 с.
   
2. 
   Басов О.О., Рыболовлев А.А. Анализ степени адаптации современного парка кодеков речи. Доклады 9-й Международной конференции "Цифровая обработка сигналов и ее применение". Москва 2007. Выпуск: IX-1. с.157-160.
   
3. 
   Рыболовлев А.А., Басов О.О., Тулегенов Т.Н., Никитин В.В. Адаптация систем кодирования речи к помеховой обстановке в каналах связи. Проблемы развития системы специальной связи и специального информационного обеспечения государственного управления России: Материалы 5-й Всероссийской научной конференции, 8–9 февраля 2007 г. В 8-ми частях. Часть 3 / Под общей редакцией профессора В. М. Щекотихина. – Орел: Академия ФСО России, 2007. – 375 с. – c. 288-289.
   
4. 
   ITU-T Recommendation G.114 (05/2000). International telephone connection and circuits –General Recommendations on the transmission quality for an entire international telephone connection. One-way transmission time. www.itu.com
   
5. 
   www.dsp.sut.ru
   
6. 
   Золотарев В.В., Овечкин Г.В. Помехоустойчивое кодирование. Методы и алгоритмы: Справочник / Под ред. чл.-кор. РАН Ю. Б. Зубарева. – М.: Горячая линия-Телеком, 2004. – 126 с.: ил.
   
7. 
   Мелентьев О.Г. Теоретические аспекты передачи данных по каналам с группирующимися ошибками / Под редакцией профессора В.П. Шувалова. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007.
   
8. 
   Серков В. П. Распространение радиоволн и антенные устройства. – Л.: ВАС, 1973.
   
9. 
   Сухман С.М., Бернов А.В., Шевкопляс Б.В. Синхронизация в телекоммуникационных системах. Анализ инженерных решений. Эко-Трендз, 2003. – 272 с.
   
10. 
    Vary P., Martin R. Bandwidth extension of speech signals. Chapter in book «Digital Speech Transmission: enhancement, coding and error concealment». Wiley & Sons, 2006, pp. 361-387.
    


ESTIMATE of a transfer Delay of a voice call In Digital systems of decameter link

Basov O., Rybolovlev A., Nikitin V.

Academy of FGS of Russia

For provision of the guaranteed quality of services (QoS) at a speech transmission in digital systems decameter links should be brought into accord with admissible norms all factors influencing given process. One of them is the transfer lag of a voice intelligence from one abonent to another. The standard design procedures of transfer delay of speech in digital systems of decameter link it is not offered yet, in the given operation attempt to meet the given lack is made.

In correspondence with the generalised structural plan of digital system of decameter link, following components of a delay are selected.

1. A delay of shaping of frame .

2. A delay prestress and postprocessings .

3. A delay of effective encoding and decoding .

4. A delay of noise-resistant encoding and decoding .

5. A delay of interlace and deinterlace .

6. A delay of integrating of frames of speech.

7. Propagation delay .

8. A delay of separation of packets.

Certain components of a delay (1-9) allow to estimate common transfer delay of speech in digital decameter link system:

At time spent do not enter into the analogue-digital and return conversions of speech, and time of matching of intrasystem speech performances with parametres of the continuous communication channel (the propagation environment).

The analysis of expression shows, that transfer delay of speech exert influence:

- the sampled algorithm of compression (restoring) of speech, shaping of frame spotting a delay;

- concrete DSP, realising algorithms prestress and postprocessings, effective and noise-resistant encoding/decoding, and spotting execution time of computing operations (expression in brackets);

- sort applied interlace, spotting delays and ;

- the sampled transfer protocols which are exerting influence delays of integrating and separation of frames (packets) of speech;

- propagation time .

Considering that the choice of algorithm of encoding, as a rule, comes true, proceeding from quality of synthesised speech, and the propagation time is almost constant for a concrete radio link, common transfer delay of speech in digital decameter link systems can be reduced at the expense of the correct choice of algorithms of noise-resistant encoding, interlace, prestress and postprocessings, and also transfer protocols and concrete DSP, realising the algorithms pointed above.

