Исследование влияния эхосигналов на качество телефонной передачи в условиях применения методов эффективного кодирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Федоткин, Николай Николаевич

• Федоткин, Николай Николаевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Федоткин, Николай Николаевич

Введение.

Глава 1. Анализ современного состояния проблемы борьбы с мешающим влиянием токов электрического эха.

1.1. Анализ основных причин возникновения и мешающего влияния электрического эха в телефонных каналах.

1.2. Сравнительный анализ основных методов борьбы с явлением электрического эха.

1.3. Анализ основных требований к параметрам эхоподавляющих устройств.

Выводы.

Глава 2. Анализ особенностей мешающего влияния эхосигналов при использовании методов эффективного кодирования речевых сигналов.

2.1. Анализ различных алгоритмов сокращения информационной избыточности с целью сжатия речевых сигналов.

2.1.1. Групповое кодирование.

2.1.2. Кодирование по алгоритму Хаффмана.

2.1.3. Дельта-кодирование.

2.1.4. Метод Зива-Лемпела-Велча.

2.1.5. Адаптивная дифференциальная ИКМ.

2.2. Анализ методов кодирования речи с линейным предсказанием.

2.2.1. Метод MP-MLQ и ACELP.

2.2.2. Метод сжатия с малой задержкой LD-CELP.

2.2.3. Алгоритм алгебраического линейного предсказания по методу кодового возбуждения на сопряженных структурах CS-ACELP.

2.3. Анализ причин и механизмов мешающего влияния эхосигналов на корректность работы основных алгоритмов сжатия.

2.3.1. Анализ потенциального качества телефонной передачи, обеспечиваемого при использовании сжатия речи.

2.3.2. Анализ влияния средств повышения эффективности передачи телефонного трафика на степень мешающего воздействия эффекта электрического эха.

2.3.3. Анализ механизмов влияния эхосигналов на процессы сжатия речи.

Выводы.

Глава 3. Разработка модели и методики исследования влияния характеристик эхосигналов на функционирование средств, использующих эффективные методы кодирования речи.

3.1. Общие положения методики исследования.

3.1.1. Метод исследования и условия эксперимента.

3.1.2. Исследуемые характеристики.

3.1.3. Учет влияния характеристик сети.

3.1.4. Общая модель исследования.

3.1.5. Разброс значений параметров.

3.2. Методика и модель исследования влияния характеристик эхосигналов на передачу речи при применении систем, использующих алгоритмы статистического сжатия.

3.2.1. Исследование влияния характеристик эхосигналов на статистические характеристики смеси передаваемого речевого сигнала и эхосигнала.

3.2.2. Исследование влияния характеристик эхосигналов на статистику пауз в передаваемом речевом сигнале.

3.2.3. Исследование влияния характеристик эхосигналов на статистические характеристики сигнала при использовании дельта-кодирования.

3.3. Методика и модель исследования влияния характеристик эхосигналов на передачу речи при применении систем, использующих предиктивные алгоритмы сжатия речи.

3.4. Модель влияния эхосигналов на процессы преобразования речи в системе кодер-декодер CS-ACELP.

Выводы.

Глава 4. Анализ результатов влияния характеристик эхосигналов на передачу речи при использовании методов эффективного кодирования исследований путем имитационного моделирования 84 4.1. Анализ результатов исследований влияния характеристик эхосигналов на передачу речи при применении систем, использующих алгоритмы эффективного кодирования.

4.1.1. Анализ результатов исследования влияния характеристик эхосигналов на среднюю мощность смеси передаваемого речевого сигнала и эхосигнала.

4.1.2. Анализ результатов исследования влияния характеристик эхосигналов на пиковые характеристики мощности смеси сигнала и эхосигнала.

4.1.3. Анализ результатов исследования влияния характеристик эхосигналов на статистику пауз в передаваемом сигнале.

4.1.4. Анализ результатов исследования влияния характеристик эхосигналов на статистические характеристики сигнала при использовании дельта-кодирования.

4.2. Анализ результатов исследования влияния характеристик эхосигналов на передачу речи при применении систем, использующих предиктивные алгоритмы сжатия речи.

4.2.1. Анализ результатов исследования влияния процедур сжатия и восстановления на характеристики одиночного речевого сигнала.

4.2.2. Анализ результатов исследования влияния процедур сжатия и восстановления на характеристики смеси передаваемого речевого сигнала и эхосигнал.

4.2.3. Анализ результатов исследования влияния эхосигналов на характеристики восстановленного сигнала

4.2.4. Анализ результатов исследования по оценке влияния эхосигналов на характеристики разностного сигнала.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния эхосигналов на качество телефонной передачи в условиях применения методов эффективного кодирования»

Актуальность проблемы.

На современном этапе развития средств телекоммуникаций широко используется оборудование и алгоритмы повышения эффективности передачи речевых сообщений

Системы сжатия речи используют два основных принципа устранения избыточности соотношения информационной емкости канала и речевого сигнала — статистическое уплотнение и дифференциальное кодирование с предиктивным механизмом. В настоящее время промышленностью выпускаются серийно как чисто предиктивные системы (например, оборудование «Passport» - фирмы Nortel), так и чисто статистические (например, оборудование «Эффект» производства ЗАО «Инженерный центр»), а также комбинированные (например, оборудование серии DTX фирмы ECI).

Общим для всех алгоритмов сжатия речи и пакетной передачи является блочный принцип обработки, приводящий к задержке сигнала и увеличению вероятности появления в каналах связи эффекта электрического эха недопустимой величины. При этом помимо традиционного проявления эхосигналов как эффекта электрического эха, их влияние в системах сжатия речи и пакетной передачи имеет еще один важный аспект - повышение загрузки обратного направления передачи при одностороннем разговоре, что в системах сжатия речи приводит к статистическим перегрузкам, а в системах с пакетной коммутацией - к снижению пропускной способности сетей.

Влияние эхосигналов на качество телефонной передачи в системах повышения эффективности передачи телефонного трафика следует рассматривать в двух аспектах.

Первый аспект заключается во влиянии характеристик средств повышения эффективности передачи телефонного трафика (за счет введения дополнительных задержек) на степень мешающего воздействия электрического эха.

Второй аспект заключается в обратном влиянии, т.е. влиянии эхосигнала на функционирование средств повышения эффективности передачи телефонного трафика.

Сведения о количественном влиянии характеристик эхосигналов на качество телефонной передачи, организованной с использованием средств повышения эффективности передачи телефонного трафика, не нашли достаточного отражения ни в научных публикациях, ни в руководящих документах отрасли, регламентирующих правила использования средств повышения эффективности передачи речи на телекоммуникационных сетях.

Решением проблем- электрического эха в телефонных каналах плодотворно занимались многие специалисты и ученые, такие как, Жарков М.А., Баева Н.Н., Тетерев В.Н., Цыбулин М.К., Шаврин С.С., Снегов А.Д., Иванов В.И., Кунегин С.В., Запорощенко Е.К., Лихачев Н.И., Шевелев С.В. и др., однако их исследования в основном относились к разработке методов и средств борьбы с мешающим влиянием токов электрического эха в каналах дальней связи, использующих традиционные аналоговые и цифровые системы и методы передачи.

Целью диссертации является исследование влияния эхосигналов на качество телефонной передачи в условиях применения на телекоммуникационных сетях систем, использующих методы эффективного кодирования.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы статистической радиотехники, математической статистики, вычислительной математики и имитационного моделирования

Научная новизна работы заключается в следующем: впервые проведено исследование влияния эхосигналов на качество передачи телефонных сигналов при использовании алгоритмов сжатия речи и на функционирование систем сжатия; показано, что при использовании предиктивных алгоритмов сжатия речи в составе выходного сигнала помимо исходного речевого сигнала и эхосигнала появляется некоторый разностный сигнал, который не является линейной комбинацией полезного речевого сигнала и эхосигнала; доказано, что разностный сигнал является самостоятельным мешающим фактором, придающим «металлический» характер звучания сигналу на приеме; определено, что мощность разностного сигнала может превышать мощность эхосигнала, а пиковые значения могут превышать средний уровень не только эхосигнала, но и передаваемого речевого сигнала; разработана математическая модель влияния эхосигналов на процессы преобразования речи в кодеках с предиктивным механизмом сжатия речи, учитывающая корректность вычисления значения фазы (частоты) основного тона в условиях воздействия эхосигнала; показано, что возникающая ошибка вычисления частоты основного тона приводит к погрешности восстановления частоты передаваемого сигнала, причем эта погрешность имеет стохастический знакопеременный характер; модель и методика имитационного моделирования в сочетании с пакетом специальных программ позволяют проводить исследования перспективных кодеков не только в части энергетических характеристик, но и в части субъективного восприятия восстановленного сигнала с учетом воздействия эхосигналов.

Личный вклад автора. Теоретические и практические исследования, расчеты и" имитационное моделирование, а также-выводы и рекомендации получены автором лично.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующих выводах, положениях и рекомендациях: каналы, организованные с применением предиктивных алгоритмов сжатия речи, должны оборудоваться эхоподавляющими устройствами с целью устранения мешающего воздействия эффекта электрического эха и металлического призвука в режиме встречного разговора; в реальных условиях эксплуатации систем, использующих алгоритмы чисто статистического сжатия, эхосигнал не будет оказывать существенного влияния на статистические перегрузки кодера и сопутствующие искажения сигнала; при оценке загрузки телекоммуникационных систем следует учитывать общий средний уровень смеси полезного передаваемого сигнала и эхосигнала; специальные программы, разработанные в процессе имитационного моделирования, могут использоваться в процессе разработки и исследования вновь разрабатываемых кодеков.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы операторами связи и организациями, занимающимися разработкой, внедрением эхоподавляющих устройств и перспективных высокоэффективных цифровых технологий передачи телефонного трафика по телекоммуникационным сетям.

Результаты научных исследований внедрены в ОАО «Комет» и в учебном процессе МТУ СИ, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и обсуждены на научных конференциях "Телекоммуникационные и вычислительные системы" в рамках Международных форумов информатизации (МФИ - 2002 и 2003 гг.), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУСИ (2002 и 2004 гг.), на заседаниях кафедры многоканальной электросвязи МТУСИ.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 7 работ без соавторства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 131 страницах, содержит 2 таблицы, 61 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Федоткин, Николай Николаевич

Основные результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом.

1. Проведен анализ влияния эхосигналов на качество передачи телефонных сигналов, показавший, что: наличие эхосигнала приводит к таким последствиям, как возрастание времени ведения разговоров за счет переспросов, усиление напряженности ведения разговора из-за отвлекающего влияния, а в отдельных случаях вообще к отказу обмена сообщениями; эхосигнал имеет переменную структуру в зависимости от условий отражения: в одних случаях - это сигнал, подобный сигналу внятной переходной помехи, в других - невнятной (на практике чаще приходится бороться с внятной переходной помехой); известные научные исследования в области решения проблем электрического эха в телефонных каналах относятся к разработке методов и средств борьбы с мешающим влиянием эхосигналов в каналах дальней связи, использующих традиционные аналоговые и цифровые системы и методы передачи.

2. На основе анализа различных алгоритмов сжатия речевого сигнала показано, что с точки зрения механизмов влияния эхосигналов и характера их мешающего воздействия на процессы сжатия и восстановления обрабатываемых сигналов, используемые в настоящее время на сетях связи алгоритмы и средства повышения эффективности передачи речи можно условно разделить на следующие категории:

- алгоритмы статистического сжатия (АСС), к которым относятся алгоритмы сжатия речи без потерь качества, обеспечивающие полное восстановление битовой структуры переданного сигнала на приемной стороне при отсутствии ошибок передачи.

- алгоритмы, использующие предиктивные принципы сжатия речи (ПАСР), к которым относятся алгоритмы сжатия речи с потерями качества, не допускающие полного восстановления исходного сигнала на приемной стороне даже при отсутствии ошибок передачи;

- смешанные алгоритмы, использующие комбинацию принципов АСС и ПАСР.

3. Показано, что средства повышения эффективности передачи речевых сообщений, использующие АСС, будут при наличии эхосигналов вносить в передаваемый эхосигнал дополнительные искажения, связанные со статистическими перегрузками, вызванными воздействием эхосигналов. Влияние эхосигналов в подобных системах будет выражаться как в изменении статистики пауз в каждом соединении, так и в увеличении средней и пиковой мощностей передаваемого сигнала. Эти обстоятельства должны учитываться при оценке средней загрузки соответствующих систем.

4. Показано, что в каналах телефонной связи, организованных на основе ПАСР, наличие эхосигналов в составе кодируемых сообщений может привести к нарушению адекватности восстановления сигнала, представляющего смесь речевых сигналов двух абонентов. Нарушение адекватности восстановления будет приводить к искажениям передаваемого сигнала, нарушающим разборчивость и узнаваемость передаваемой речи и характеризуемым абонентами как «металлическое» звучание.

5. Разработаны модели и методики исследования влияния характеристик эхосигналов на качество передачи телефонных сигналов и на эффективность функционирования средств, использующих эффективные методы кодирования речи, путем имитационного моделирования с максимально возможным приближением к реальным условиям.

6. Обоснована целесообразность в процессе моделировании осуществлять дифференцированный анализ энергетических характеристик случайного процесса, определяющего мешающее воздействие эхосигнала на передаваемую речь: по средней мощности и пиковой мощности, усредненной на различных интервалах. Это обеспечит возможность оценки заметности мешающего процесса на фоне маскирующего действия полезного сигнала.

7. Разработана математическая модель влияния эхосигналов на процессы преобразования речи в системе кодер-декодер ПАСР, учитывающая корректность вычисления значения фазы (частоты) основного тона в условиях воздействия эхосигнала. Ошибка вычисления фазы (частоты) основного тона приведет к погрешности восстановления частоты передаваемого сигнала, причем эта погрешность будет иметь стохастический знакопеременный характер. При этом изменение частоты передаваемого сигнала является нелинейным эффектом, не устраняемым внешней линейной операцией.

8. Показано, что при передаче через систему кодер — декодер ПАСР смеси полезного речевого сигнала и эхосигнала в составе выходного сигнала помимо исходных речевого - сигнала и эхосигнала появляется некоторый разностный сигнал, который имеет «металлическое» звучание, обладает остаточной внятностью и разборчивостью и усугубляет мешающее воздействие эхосигнала. При этом его энергетические характеристики могут существенно превышать аналогичные характеристики не только эхосигнала, но и передаваемого речевого сигнала. Таким образом, все каналы, организованные с использованием ПАСР, должны оборудоваться ЭПУ. Эта позволит не только подавить мешающее воздействие эффекта электрического эха, но и устранить «металлические» призвуки в передаваемой речи в режиме встречного разговора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Федоткин, Николай Николаевич, 2004 год

1. Цыбулин М.К. Подавление электрического эха в телефонных каналах М.: Радио и связь, 1988 - 112 с.:ил.

2. Цыбулин М.К. Эхозаградительные устройства на сетях связи. М.: Радио и связь, 1979. - 88 с.:ил.

3. Снегов А.Д. Устройства для подавления электрического эха в протяженных каналах двусторонней связи.: Учебн. Пособие: М. — ВЗЭИС, 1985.-71 с.

4. Шаврин С.С. Исследование и разработка методов оптимального управления эхоподавляющими устройствами на автоматически коммутируемой телефонной сети: диссертация на соиск. Ученой степени канд. техн. наук — М. 1992. — 200 с.

5. Кунегин С.В. Критерий эффективности метода эхоподавления и конфигурация комбинированного эхоподавителя. // Электросвязь. -1993.41 -№3- с. 21-24.

6. Кунегин С.В. Критерий эффективности метода эхоподавления и конфигурация комбинированного эхоподавителя. // Электросвязь. — 1993. 42-№4-с. 31-33.

7. Кунегин С.В. Разработка и исследование комбинированного метода эхоподавления в телефонных каналах: диссертация на соиск. ученой степени канд. техн. наук М. - 1992. - 200с.

8. Запорощенко Е.К. Исследование и разработка метода объективной оценки качества работы эхоподавляющих устройств компенсационного типа: дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук-М., 1989-150 с.

9. Иванов В.И., Гордиенко В.Н., Попов Г.Н. и др.; под ред. Иванова В.И. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для ВУЗов. — М.: Горячая линия телеком 2003 - 232 е.: ил.

10. Лам К.К. Разработка и исследование новых методов адаптивной эхокомпенсации: дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук — М., 1995- 172 с.

11. П.Булгак В.Б., Варакин Л.Е., Ивашкевич Ю.К. и др.; под ред. Булгака В.Б., Варакина Л.Е. Концепция развития Российской Федерации. М.: Радио и связь, 1995. - 224 с.:ил.

12. Вемян В.Г. Передача речи по сетям электросвязи. — М: Радио и связь, 1985- 150 с.

13. Сондхи М.М., Беркли Д.А. Подавление эха в телефонных сетях: пер. с англ. //ТИИЭР. 1980. - т. 68, №8.

14. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. - 1988 - (Физико-математическая б-ка инженера). - 480 с.

15. Уидроу Бернард, Стринз Самьюэл Адаптивная обработка сигналов: пер. с англ. Сальникова Ю.К. М., Радио и связь, 1989. - 440 е., ил.

16. Коуэн К.Ф. и Грант П.М., ред. Адаптивные фильтры: пер. с англ. — М.: Мир, 1988.-392 е., ил.

17. Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры: Расчет и рализация М., Мир, 1982.-592 с.

18. Левин Л.С., Плоткин М.А. Цифровые системы передачи информации М., Радио и связь, 1982.

19. Рабинер Л.Р., Шафер Р.В. Цифровая обработка речевых сигналов: пер. с. англ.// Под ред. Назарова М.В., Прохорова Ю.Н. М.: Радио и связь, 1981.-495 с.

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

21. Рекомендация МСЭ-Т «Эхокомпенсаторы» Рек. G.165, Хельсинки, 1993.

22. Рекомендация МККТТ «Эхозаградители» Синяя книга, том III, Рек. G.164, Мельбурн, 1988.23 .Рекомендация МККТТ «Устойчивость и эхо» Синяя книга, том III, Рек. G.131, Мельбурн, 1988.

23. Рекомендация МККТТ «Среднее время прохождения в одном направлении» Синяя книга, том III, Рек. G.114, Мельбурн, 1988.

24. Рекомендация МККТТ «Амплитудно-частотные искажения» Синяя книга, том III, Рек. G.132, Мельбурн, 1988.

25. Рекомендация МККТТ «План передачи» Синяя книга, том III, Рек. G. 101, Мельбурн, 1988.

26. Рекомендация МККТТ «Объективные методы определения качества передачи» Оранжевая книга, том V, Рек. Р.74, Женева, 1976.

27. Руководящий документ по Системе автоматизированной связи общего пользования. Требования по установке эхоподавляющих устройств.-Москва, 1997.

28. Нормы на электрические параметры каналов тональной частоты магистральной и внутризоновых первичных сетей. Приложение к приказу Министерства связи СССР от 27.01.1988 № 50. М. Радио и связь, 1988.-77 с.

29. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. 2-е изд., перераб. и доп. М. - Радио и связь, 1982. - 624 с.31 .Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга первая. 2-е изд., перераб. и доп. - М. - Сов. Радио.

30. Антонью А. Цифровые фильтры: анализ и проектирование. М.: Радио и связь, 1983. - 320 с.

31. Применение цифровой обработки сигналов / Под ред. Э. Оппенгейма. -М.: Мир, 1980.-496 с.

32. Витязев В.В. Цифровая частотная селекция сигналов. М.: Радио и связь, 1993.-240 с.

33. Цифровые процессоры обработки сигналов: справочник / А.Г. Остапенко, С.И. Лавлинский, А.Б. Сушков и др. М.: Радио и связь, 1994.-264 с.

34. Баева Н.Н., Гордиенко В.Н., Курицын С.А. и др. Многоканальные системы передачи: Учебник для ВУЗов / под ред. Баевой Н.Н., Гордиенко В.Н. М.: Радио и связь, 1997. - 560 е.: ил.

35. Шаврин С.С. Математическая модель эхозаградителя. Труды НИИР. 1987.-№2-с. 87-93.

36. Шаврин С.С., Киушков А.В. Принципы и алгоритмы управления ЭПУ в ОКС №7: Тезисы докладов LII научной сессии, посвященной Дню Радио.-М.-1997.-с. 105-106.

37. Лам. К.К., Цыбулин М.К. Особенности использования механизма адаптации в эхоподавляющих устройствах компенсационного типа. // Электросвязь. 1995 - № 12 - с. 16 - 17.

38. Цыбулин М.К., Шевелев С.В. подавление эхосигналов в телефонных сетях с нелинейными и нестационарными эхотрактами: Тезисы докладов LII сессии, посвященной Дню Радио. М. - 1997 - с. 101 — 102.

39. Цыбулин М.К., Шевелев С.В. Исследование возможности применения зарубежных эхоподавляющих устройств на ВСС России. // Электросвязь. 1998 - № 2 - с. 35-36.

40. Цыбулин М.К., Шевелев С.В., Prof.Dr.Ing.hablin H.-J. Jentschel Классификация типов эхоподавляющих устройств, размещаемых на

41. ВСС России: Тезисы докладов LIII научной сессии, посвященной Дню Радио.-М.- 1998.-с. 102-103.

42. Makino S., Shimada S. Echo Control in Telecommunications // JOURNAL ACOUSTIC SOCIETY OF JAPAN, 1990, Vol 6, pp. 309-315.

43. Murano K., Unagami S., Amano F. Echo Cancellation and Applications // IEES COMMUNICATIONS MAGAZINE, 1990, Vol 28, Iss 1, pp. 49-55.

44. Davidson G.W., Falconer D.D. Reduced Complexity Echo Cancellation Using Orthonormal Functions // IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS, 1991, Vol 38, Iss 1, pp. 20-28.

45. Jenschel H.-J. Theory and Applications of Adaptive Systems. // Dresden University of Technology, Institute of Traffic Information Systems. 1997.

46. Garbe H., Jenschel H.-J., Kaminski R. A New VHDL-based Approach in Multilevel Simulation of Signaling Processing Systems. // Fifth EUROCHIP Workshop on VLSI Design Thaining Dresden. 1994. - pp. 422-427.

47. Benesty J., Amand F., Gilloire A., Grenier Y. Adaptive Filtering Algorithms for Stereophonic Acoustic Echo Cancellation, Internat. Conf.on Acoustic Speech and Signal Processing. Detroit (Michigan): ICASSP. -1995. — S.3099-3102.

48. Соловьев П.В. FORTRAN для персонального компьютера (справочное пособие). -М.: Арист, 1991 г. 223 с.

49. Алексеев В.Е., Ваулин А.С., Иванцова Е.Э. и др. Программирование на языке Фортран-77 / под ред. Трусова Б.Г. М.: Высш. шк., 1993. -159 е.; ид.

50. Кириллов В.И. Многоканальные системы передачи: Учебник / В.И. Кириллов. -М.: Новое знание, 2002. 751 е.: ил.