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 проблемэлектрического 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 сжатияпоказано, 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 эхосигналадоказано, что разностный сигнал является самостоятельным мешающим фактором, придающим «металлический» характер звучания сигналу на приемеопределено, что мощность разностного сигнала может превышать мощность эхосигнала, а пиковые значения могут превышать средний уровень не только эхосигнала, но и передаваемого речевого сигналаразработана 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 эхосигналапоказано, что возникающая ошибка вычисления частоты основного тона приводит к погрешности восстановления частоты передаваемого сигнала, причем эта погрешность имеет стохастический знакопеременный характермодель 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 разговорав реальных условиях эксплуатации систем, использующих алгоритмы чисто статистического сжатия, эхосигнал не будет оказывать существенного влияния на статистические перегрузки кодера и сопутствующие искажения сигналапри оценке загрузки телекоммуникационных систем следует учитывать общий средний уровень смеси полезного передаваемого сигнала и эхосигналаспециальные 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.

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 сообщениямиэхосигнал 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

.