Методы имитационного моделирования в определении качества стохастической цифровой передачи речевой информации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.17, кандидат технических наук Толмачев, Петр Николаевич

• Толмачев, Петр Николаевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Толмачев, Петр Николаевич

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. СТАТИСТИЧЕСКОЕ УПЛОТНЕНИЕ ПЕРВИЧНОЙ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

1.1. Постановка задачи

1.2. Реализации статистического уплотнения, используемое 12 оборудование

1.3. Выводы

2. СТАТИСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОТОКА ОТСЧЕТОВ НА

ВХОДЕ ИНТЕРПОЛИРУЮЩЕГО ФИЛЬТРА

2.1. Постановка задачи

2.2. Аппроксимации вероятностных характеристики потока отсчетов

2.3. Статистические свойства потока отсчетов на выходе системы передачи при использовании технологии TDMoIP

2.4. Выводы

3. СТАТИСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОТСЧЕТА НА ВХОДЕ

ИНТЕРПОЛИРУЮЩЕГО ФИЛЬТРА

3.1. Постановка задачи

3.2. Аналитическое описание плотности распределения вероятностей мгновенного значения речевого сигнала

3.3. Экспериментальная плотность распределения вероятностей мгновенного значения речевого сигнала

3.4. Выводы

4. КАЧЕСТВО ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ РЕЧИ ПРИ

СТАТИСТИЧЕСКОМ УПЛОТНЕНИИ

4.1. Постановка задачи

4.2. Определение отношения сигнал/шум дискретизации и восстановления.

4.3. Определение отношения сигнал/шум квантования в стандартной первичной ЦСП с использованием аппроксимаций распределения вероятностей мгновенного значения речевого сигнала

4.4. Определение отношения сигнал/шум квантования в ЦСП со статистическим уплотнением с использованием аппроксимаций распределения вероятностей мгновенного значения речевого сигнала

4.5. Определение отношения сигнал/шум квантования в стандартной первичной ЦСП и ЦСП со статистическим уплотнением при использовании непосредственно экспериментального распределения вероятностей мгновенного значения речевого сигнала

4.6. Определение по критерию слоговой разборчивости качества восстановления речевого сообщения в ЦСП со статистическим уплотнением

4.7. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы имитационного моделирования в определении качества стохастической цифровой передачи речевой информации»

Актуальность темы. В настоящее время развитие различных информационных структур, интегрированных телекоммуникационных сетей, в которых сочетаются различные виды трафика и различные методы доступа, сопровождается расширением применения цифровых систем сбора, передачи и обработки информации [1,29,63,70,80,82,86,87].

Особый интерес представляет совершенствование цифровых систем передачи (ЦСП) речи, поскольку одной из важнейших задач является ускорение телефонизации страны при повышении скорости и качества передаваемой информации.

В основе ЦСП лежит дискретизация речевого сигнала по времени с последующим его восстановлением на приемной стороне. Наиболее просто на практике реализуется периодическая (регулярная) дискретизация. Однако, процесс дискретизации может стать нерегулярным в процессе функционирования системы, из-за сбоев в ее работе, из-за зашумления каналов, искажения и запаздывания дискретных отсчетов (а при пакетной передаче -пакетов) [20]. Кроме того, разработаны и широко используются ЦСП с преднамеренным введением" стохастичности в процесс дискретизации для увеличения эффективности процесса передачи.

Под стохастическими ЦСП (СЦСП) вслед за автором [20] понимаем ЦСП, на вход восстанавливающих устройств которых, поступает стохастический поток отсчетов дискретизированной речи [9,13,27,61].

Для анализа СЦСП преимущественно используются субъективные методы оценивания качества восстановления речи. Разработана и достаточно строгая методика аналитической оценки качества передачи по критерию разборчивости [5,9,17,18,21,25,26,38,39,42,43,46,47,50,53,58,60,68].

В данной диссертационной работе рассматриваются вопросы применения методов имитационного моделирования при определении качества стохастической цифровой передачи речевой информации.

Цель работы состоит в совершенствовании методики аналитической оценки качества передачи путем отказа от применения ряда используемых аппроксимаций и применения в ней непосредственно экспериментальных распределений вероятностей, а также методов имитационного моделирования процессов в основных элементах СЦСП.

Реализуется следующая последовательность решения задач диссертационной работы:

1. Обзор примеров реализации и схемотехники статистического уплотнения первичной цифровой системы передачи.

2. Определение статистических свойств потока отсчетов на входе интерполирующего фильтра СЦСП. Получение методами имитационного моделирования распределений вероятностей занятости канального интервала и вероятностей отбраковки числа подряд отбракованных отсчетов (статистики коллизий, «столкновения отсчетов» основного и дополнительного комплекта СЦСП).

3. Определение качества воспроизведения речи в СЦСП по критерям отношения сигнал/шум и слоговой разборчивости с использованием имитационного моделирования процессов в основных элементах СЦСП.

Исходная основа диссертации. Диссертация основывается на результатах:

- фундаментальных работ теории информации В.А.Котельникова, Н. Винера, К. Шеннона и др. теоретических и прикладных исследований по цифровой обработке и передаче непрерывных, в том числе речевых, со общений Дж.Беллами, Л.А.Баранова А.И.Величкина, М.Д.Венедиктова, Г.В.Вемяна, В.Н.Гордиенко, Г.В.Горелова, А.Г.Зюко, Г.В. Кузнецова, М.В. Назарова, И.А.Лозового, А.П.Мановцева, Н.И.Пилипчук, Л.Рабинера, О.Н.Ромашковой (Луковой), А.Ф. Фомина и др.

- теоретических и прикладных исследований цифровых средств и систем передачи информации, В.П.Яковлева и др.

Методы исследования. В работе использованы методы теории вероятностей, математического анализа, теории массового обслуживания.

Научная новизна. Степень научной новизны диссертации определяется тем, что она развивает теорию восстановления речевых сообщений в направлении совершенствования с использованием аппарата имитационного моделирования методики и математического аппарата аналитической оценки качества передачи и восстановления речи в СЦСП.

Практическая ценность разработанных в диссертации математического аппарата и методов имитационного моделирования заключена в предоставленной возможности получения объективных результатов оценки качества речи по критерию разборчивости, использованных при анализе и проектировании конкретных стохастических цифровых систем передачи.

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы информатики», Толмачев, Петр Николаевич

5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Результаты выполненных исследований.

1. В практике современных телекоммуникационных систем все большее применение находят различные реализации систем статистического уплотнения. Качество передачи речевой информации в них уступает качеству в традиционных системах, что определяет актуальность его определения.

2. Для обеспечения анализа качества передачи речевого сообщения в различных модификациях ЦСП со статистическим уплотнением (с различными алгоритмами фиксированного и чередующегося приоритетов) получены распределения вероятностей занятости канального интервала и распределения вероятностей появления серий отбракованных подряд отсчетов.

3.Определена продолжительность реализации речевого сообщения, достаточная для экспериментального определения статистики коллизий, «столкновения отсчетов» основного и дополнительного комплекта СЦСП (определения оценки распределения вероятностей числа подряд отбракованных отсчетов). Значение оценки вероятности отбраковки отсчета стабилизируется при t > 10 мин. Определена оценка распределения вероятностей числа подряд отбракованных отсчетов речевого сообщения дополнительного комплекта. Геометрическое распределение, традиционно используемое для ее аппроксимации, не обеспечивает приемлемую точность аппроксимации.

4. При аналитическом определении качества восстановления речевого сообщения в СЦСП целесообразно использовать непосредственно экспериментальное распределение вероятностей числа подряд отбракованных отсчетов, не прибегая к его аппроксимациям.

5.Определена продолжительность реализации речевого сообщения, достаточная для экспериментального определения оценки плотности распределения вероятностей случайной величины мгновенного значения речевого сообщения. Значение оценок математического ожидания и дисперсии стабилизируется при t > 30 мин.

Определена оценка плотности распределения вероятностей мгновенного значения речевого сообщения при условии согласования его динамического диапазона с диапазоном кодера ЦСП. Гиперэкспоненциальная ее аппроксимация (превосходящая по точности аппроксимирующие функции Величкина, Давенпорта) не обеспечивает приемлемую точность аппроксимации.

6.При аналитическом определении качества восстановления речевого сообщения в ЦСП целесообразно использовать непосредственно экспериментальное распределение вероятностей мгновенного значения речевого сообщения, не прибегая к его аппроксимациям.

7. Определено отношение сигнал/шум дискретизации и восстановления для СЦСП со статистическим уплотнением и фиксированным приоритетом. При известной оценке вероятности потери пакета традиционное использование геометрического распределения в качестве аппроксимации экспериментального распределения вероятностей числа подряд отбракованных отсчетов приводит к завышенной оценке (32,1 дБ) качества восстановления речевого сообщения дополнительного комплекта по сравнению с реальной оценкой (26,2 дБ) при непосредственном использованием экспериментального распределения.

8. Определено отношение сигнал/шум квантования в стандартной первичной ЦСП и СЦСП со статистическим уплотнением для А- и ji-характеристик компрессии. Для всех комбинаций значений параметров А и (I, значений мощности речевого сигнала традиционное использование аппроксимаций (в частности гиперэкспоненциального распределения) экспериментального распределения плотности распределения вероятностей мгновенного значения речевого сигнала приводит к весьма существенному (и поэтому неприемлемому) завышению оценок качества восстановления (на 15 дБ по критерию ОСШК) по сравнению с реальными оценками при непосредственном использованием экспериментального распределения. По мере уменьшения мощности сигнала на входе квантователя это завышение становится менее значительным (при уменьшении мощности от 0 до -30 дБ значение завышения оценки ОСШК уменьшается с 15 до 4 - 8 дБ).

9. Показано, что обеспечивается отличное (по критерию слоговой разборчивости) воспроизведение речи в дополнительном комплекте ЦСП со статистическим уплотнением и фиксированным приоритетом при согласовании диапазона речевого сигнала с диапазоном кодера. Значение слоговой разборчивости составило S=82,34%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Толмачев, Петр Николаевич, 2006 год

1. Babenko S.V., Tolmachev P.N., Petrov A.A. and other Actual questions of telecommunication systems and networks research // Advances in Electrical and Electronic Engineering, Slovakia, Zilina.-2006.-№3. C. 421-425

2. CCITT Contribution Com. XII-N. Study period. Vol. V, Q 1S/XII, Annex 3,4.

3. Rad Data Communication, Шлюз-концентратор голоса Vmux-2100, http://www.rad.ru/Article/0,6583,24492,OO.html.

4. Transmission performance characteristics of pulse code modulation channels.ITU-T Recommendation G.712.(Previously CCITT Recommendation)

5. Артюшенко B.M., Шелухин О.И., Афонин M.IO. Цифровое сжатие видеоинформации и звука. М. Дашков и К, 2003

6. Бабенко С.В., Толмачев П.Н. Повышение эффективности информационных систем железнодорожного транспорта// Железнодорожный транспорт.- 2006.- №11.- С.58-59

7. БайренДж. Передача речи по сетям Frame Relay // Сети и системы связи. 1996. № 7.

8. Баранов J1.A. Квантование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления.-М.:Энергоатомиздат, 1990.-3 04 с.

9. Баркун М.А., Ходасевич О.Р. Цифровые системы синхронной коммутации. — М.: Эко-Трендз, 2001.

10. Беллами Д.К. Цифровая телефония, М. Эко-трендз, 2004

11. Берганов И.Р., Гордиенко В.Н., Крухмалев В.В. Проектирование и техническая эксплуатация систем передачи. М.:Радио и связь, 1989.-272 с.

12. Берлин А.Н. Устройства, системы и сети коммутации. — СПб.: Петеркон, 2003.

13. Быков С.Ф., Журавлев В.И., Шалимов И.А. Цифровая телефония. — М.: Радио и связь, 2003.

14. Величкин А.И. Передача аналоговых сообщений по цифровым каналамсвязи.М.:Радио и связь, 1983.

15. Величкин А.И. Теория дискретной передачи непрерывных сообщений.-М.Сов.радио 1970 -296с.

16. Вемян Г.В. Передача речи по сетям электросвязи -М.Радио и связь 1985 272с.

17. Галичский К, Компьютерные системы в телефонии. Серия «Мастер систем». — СПб.: ВНУ-Санкт-Петербург, 2002.

18. Гитин В.Я., Кочановский J1.H. Волоконно-оптические системы передачи. — М.: Радио и связь, 2003.

19. Голъдштейн Б.С., ПтчукА.В., Суховщкий A.JI. IP-Телефония. — М.: Радио и связь, 2001.

20. Голъдштейн Б.С., Фрейнкман В.А. СаП-центры и компьютерная телефония. — СПб.: БХВ-Петербург, 2002.

21. Гольдштейн Б.С. Системы коммутации. — СПб.: БХВ-Петербург, 2003.

22. Горелов Г.В. Качество воспроизведения речи в стохастических цифровых системах передачи.//Автоматика и вычислительная техника. 1993.-N5. с.40-43.

23. Горелов Г.В. Алгоритм Burst aloha в статистическом уплотнении аудиоинформационных сигналов."ЛОКСЕТЬ 90",Рига,1990.-с.38-41.

24. Горелов Г.В. Нерегулярная дискретизация сигналов. М.: Радио и связь, 1982. -256с.

25. Горелов Г.В. Телекоммуникационные технологии на железнодорожном транспорте. М.:УМК МПС РФ, 1999.-576 с.

26. Горелов Г.В., Иванов А.В. Оценка величины искажений квантования в условиях статистического уплотнения первичной ЦСП. Исследование и разработка современных радиоэлектронных элементов и устройств. Рига, 1989 с.87.

27. Горелов Г.В., Иванов А.В. Оценка качества передачи речевого сигнала при статистическом уплотнении первичной ЦСП. Исследование и разработка современных радиоэлектронных элементов и устройств.Рига,1989 с.88.

28. Горелов Г.В., Казанский Н.А. Математические сообщений модели доставки к мобильным абонентам в сотовых и телефонных сетях связи. ПФИС-91. Часть 1, Новосибирск 1991 с. 88-95

29. Горелов Г.В., Казанский Н.А., Лукова О.Н. Методика оценки качества пакетной передачи речи в интегральных цифровых сетях. М.: Электросвязь, N9, 1992.-с.31-32.

30. Горелов Г.В., Лукова О.Н. Влияние алгоритмов поиска на качество передачи речи по сети с коммутацией пакетов. Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи. М.-Пушкино.1994 с.136-138.

31. Горелов Г.В., Лукова О.Н.,Чан Куок Тхинь. Влияние порога задержек на качество передачи в пакетных сетях АЯРАЫЕТ.Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи. М.-Пушкино.1994 с.139-140.

32. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н. Influence of Russian, Spanish and Vietnamese Speech Caracteristics on Digital Information Transmission Quality ISIE'96 Варшава 1996 c.311-313

33. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Чан Туан Ань. Качество управления речевым трафиком в телекоммуникационных сетях. М: Радио и связь, 2001.

34. Горелов Г.В., Толмачев П.Н. , Бахтиярова Е.А. К оценке качества восстановления речевого сообщения при статистическом уплотнении первичной цифровой системы передачи//ВКСС Connect 2006, №2, с.94-97

35. Горелов Г.В., Толмачев П.Н. , Бахтиярова Е.А. Качество воспроизведения речи при статистическом уплотнении// Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. Украина Харьков. -2006.-№4.-С. 14

36. Горелов Г.В., Толмачев П.Н. Качество квантования по уровню речевого сообщения при статистическом уплотнении первичной цифровой системы передачи //ВКСС Connect.- 2006.- №5.- С.41-44

37. Горелов Г.В., Иванов А.В., Лукова О.Н. Устройство для передачи и приема информации АС СССР 1837348 Бюлл.32, 1993.

38. Горелов Г.В., Иванов А.В. Многоканальное устройство с импульсно-кодовой модуляцией и временным уплотнением каналов АС СССР 1561202 Бюлл. 16, 1990.

39. Горелов Г.В., Иванов А.В. Устройство для передачи и приема информации АС СССР 1520571 Бюлл.41,1989.

40. Горелов Г.В., Казанский Н.А., Ромашкова О.Н., Кинтана М. Особенности построения первичной цифровой сети связи гаванского метрополитена. Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи. Новосибирск. 1995 с. 183-185

41. Горелов Г.В., Казанский Н.А., Лукова О.Н. Оценка качества различных методов восстановления речи в цифровых сетях с коммутацией пакетов речи и данных. Автоматика и вычислительная техника. 1993. N4c.77-78.

42. Горелов Г.В., Казанский Н.А., Лукова О.Н. Оценка качества связи в сетях с пакетной передачей речи при воздействии случайных прерываний обслуживания.Автоматика и вычислительная техника. 1993. Nlc.69-71

43. Горелов Г.В., Каргулин С.Г., Рогов М.А. К оценке качества передачи речи в стандарте GSM. Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте Харьков 1997, N1, с.30-33

44. Горелов Г.В., Кинтана М. Квантование по уровню при статистическом уплотнении цифровой системы передачи. Радиотехника 1992 N3 с.3-5.

45. Горелов Г.В., Кочнов JI.JL, Пчелинцев А.В., Пчелинцева Н.М. К оценке качества полосного вокодера. Обработка сигналов в системах телефонной связи. 1998 с.71-74

46. Горелов Г.В., Лукова О.Н.Иванов А.В. Устройство статистического уплотнения каналов связи системы передачи с ИКМ. Автоматика, телемеханика и связь 1992 N4c.l3-14.

47. Горелов Г.В.,Ромашкова О.Н. Modelling of Speech Information Probability Characteristics for Anflysis of Speech Digital Transmission Quality. TEMPT'96 София 1996 c.104-111.

48. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н. Методы аналитической оценки качества речи в цифровых системах передачи. 1УЖЕЛ'97 Белград 1997 с.132-135.

49. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н. Сопоставление оценок качества фильтрации и интерполяции нерегулярно дискретизированного сигнала 1УЖЕЛ'99 Белград 1999 с.63-65

50. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Лам Куаг Шон Анализ фильтрации нерегулярно дискретизированного сигнала ПТСПИ'99 с. 180-184

51. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Чан Туан Ань,Лам Куанг Шон Об оптимизации процедуры предыскажения, дискретизации и восстановления сигнала. Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте Харьков 1999.N2c.30-35

52. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Иваний Ю.Б. Качество фильтрации при пуассоновском распределении интервала в потоке отсчетов на входе восстанавливающего фильтра. Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте Харьков 2000 N4 с.68-75

53. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Кинтана М. Одномерная плотность распределения вероятностей речевого сообщения на испанском языке. МИИТ 1995

54. Горелов Г.В., Ромашкова О.Н., Чан Туан Ань. Плотность распределения вероятностей вьетнамского речевого сообщения. Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи.1995 с.100-102

55. Давыдкин П.Н., Колтунов М.Н., Рыжков А.В. Тактовая сетевая синхронизация. — М.: Эко-Трендз, 2004.

56. Загнетко А.Н., Акцент на многофункциональность и гибкость. Мир Связи, 2004 N7.

57. Запорожченко Н.П., Карташевский В.Г. и др. Цифровые АТС для сельской связи. — М.: Эко-Трендз, 2003.

58. Каргулин С.Г. Разработка методики оценки качества прерывистой передачи речи в цифровых сетях подвижной связи. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук М. 1998. 109с.

59. Кондрашов А. Н. Оборудование уплотнения, http://telecom.kondrashov.ru/external/eqip/eci/dtx.html, 2006

60. Крестьянинов С.В. и др. Интеллектуальные сети и компьютерная телефония. — М.: Радио и связь, 2001

61. Лагутенко О.И. Современные модемы. —М.: Эко-Трендз, 2002.

62. Лисак И., Электронная Россия: проблемы и перспективы. Вестник связи, 2002, N4, с. 46-49.

63. Лозовой И.А. Параметры каналов тональной частотыаппаратуры с ИКМ. М.:Радио и связь, 1981.-65с.

64. Лукова О.Н. Анализ качества стохастической цифровой передачи речевой информации. Методика и ее использование при разработке информационных систем. Диссертация, на соискание ученой степени канд.техн.наук. М.МИИТ.1994. 149 с.

65. Муссель К.М. Предоставление и биллинг услуг связи. — М.: Эко-Трендз, 2003.

66. Назаров М.В., Прохоров Ю.Н. Методы цифровой обработки и передачи речевых сигналов, М.: Радио и связь, 1985.-176 с.

67. Оборудование интеллектуального уплотнения DTX-600, Интернет-форум: http://www.aboutphone.info/phorum/ 2006

68. Прокис Дж. Цифровая связь: Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 2000.

69. Рабинер Л.Р., Шафер Р.В. Цифровая обработка речевых сигналов М.Радио и связь -1981.-496.

70. Ромашкова О.Н., Кинтана М. Перспективы применения цифровых систем связи на гаванском метрополитене. Обработка сигналов в системах двусторонней телефонной связи 1995

71. Росляков А.В., Самсонов М.Ю., Шибаева И.В. 1Р-телефония. — М.: Эко-Трендз, 2001.

72. Ситняковский И.В., Мейкшан В.И., Маглицкий Б.Н. Цифровая сельская связь; Под ред.Бенедиктова М.Д.-М.Радио и связь, 1994.-248 с.

73. Спутниковая связь и вещание / Под ред. Л.Я. Кантора. — М.: Радио и связь, 1997. Убайдуляаев P.P. Технологии волоконно-оптических сетей. — М.: Эко-Трендз, 1998.

74. Толмачев П.Н. Характеристики пакетной передачи речи по сетям Frame Relay. // Статьи аспирантов кафедры "Радиотехника и электросвязь" http://www.miit.ru/institut/isute/faculties/re/articlesl.htm

75. Толмачев П.Н., Бахтиярова Е.А., Корнева Н.В. Спектральная плотность мощности речевого сообщения на казахском языке, Труды научно-практической конференции Неделя науки 2006 «Наука - транспорту» М.:МИИТ,2006.- C.II-40

76. Шелухин О.И., Фрактальные процессы в телекоммуникациях М. Эко-Трендз, 2003.-432.

77. Толмачев П.Н., Червяков О.В. К оценке качества передачи речи при использовании технологии TDMoIP //ВКСС Connect.- 2006.- №6.- С.21-22

78. Учебный центр Alcatel. Что такое DCME? Интернет-форум: http://bigmaster.tc.alcatel.ru/archive/2006

79. Феер К. Беспроводная цифровая связь: Пер. с англ. / Под ред. В.И. Журавлева. — М.: Радио и связь, 2000.

80. Цифровая обработка и передача речи/ Под ред. О.И.Шелухина.-М. Радио и связь, 2000.-456с.

81. Чан Куок Тхинь Разработка и исследование методов оценивания качества передачи вьетнамской речи при статистическом уплотнении стандартной цифровой системы передачи Диссертация на соискание ученой степени канд.техн.наук.М.,МИИТ, 1995,101с.

82. Чан Туан Ань Диссертация на соискание ученой степени канд.техн.наук.

83. Шелухин О.И., Тенякшев A.M., Осин А.В. Моделирование информационных систем М. САЙНС-ПРЕСС, 2005. 368.