Повышение качества речевой информации с учетом действия акустических шумов транспортных средств

В последние годы свыше 50% всех публикаций в Европе, США и Японии по цифровой передаче речи посвящено увеличению качественных показателей кодеров, работающих на низких скоростях передачи (4,8 кбит/с и ниже).

В экстремальных условиях качество информации железнодорожной радиосвязи может определить исход опасной ситуации для движения поезда.

Снижение качества речевой информации определяется акустическими шумами локомотива и электропомехами различного происхождения.

Акустические шумы порождаются работающими двигателями локомотива, уровень которых доходит до 100 дБ. Шумовая защита микрофона недостаточно ослабляет их проникновение в систему связи, отчего разборчивость и качество речи машиниста в ней низкое.

Электропомехи особенно велики при энергоснабжении переменным током напряжения 25 кВ. Электропомехи, возникающие при электрической дуге между контактной сетью и токоприёмником (пантографом) дают сильные трески и щелчки на выходе радиотелефона локомотивной радиостанции. На их фоне речь почти не различима. Уровень этих помех перекрывает диапазон телефонного канала. В то же время на низких частотах, не превышающих 300 Гц, ощущается значительное влияние проникающих в канал гармоник частоты 50 Гц напряжения контактной сети и низкочастотных помех, связанных с переключением режимов работы в виде скачков тока сильноточных электроагрегатов электровозов (электродвигателей, компрессоров и др.).

Разборчивость и качество речи могут быть увеличены путём использования полосовых фильтров с крутыми скатами (до 6 дБ/Гц) амплитудно-частотной характеристики (АЧХ). Такую крутизну скатов АЧХ обеспечивают только цифровые фильтры, которые чаще выполняются на микропроцессорах, например ADSP-2181 с программным обеспечением на 8 основе быстрого преобразования Фурье (БПФ). Однако и цифровые фильтры не исключают помех и шумов, находящихся в полосе частот речевого сигнала. Это могут сделать адаптивные компенсаторы шумов. Последние пока не находят широкого применения на практике из-за трудности получения опорного шума. В данной работе предлагаются методы его получения. Весьма эффективной и перспективной является обработка зашумленного сигнала с помощью нового преобразования — вейвлет-преобразования. Повышение качества приёма речи способствует увеличение помехоустойчивости железнодорожной радиосвязи, чему так же следует уделить серьёзное внимание. В цифровой системе стандарта TETRA, внедряемой на железнодорожном транспорте, используется низкоскоростная передача цифровой информации (4,8 кбит/с) и вокодер с линейным предсказанием, что позволяет эффективно снизить акустические шумы методом фильтрации. Целесообразна более узкополосная передача речевых сигналов, для практически полного устранения акустических шумов и помех. Эти вопросы решаются в данной работе.

5.8. Выводы по главе 5.

1. Для увеличения качества речи выхода ЖР при использовании УСК предложено.

1.1) поднесущую частоту ЧМ-колебания канала управления выбирать ниже тонального диапазона частот, который является свободным;

1.2) исключить поднесущую частоту, а слоговой огибающей осуществлять ЧМ непосредственно колебания несущей частоты передатчика. При этом целесообразно с точки зрения энергетики иметь два раздельных усилителя:

— усилитель ЧМ колебания слоговой огибающей (канала управления);

— усилитель ЧМ колебания компрессированного PC.

1.3) уменьшить полосу частот в 2 раза путём формирования 0,5 ОБП AM и когеркнтного детектирования последнего на передающей стороне, а так же формирования 0,5 ОБП AM и умножения полосы частот последнего в 2 раза с последующем когерентным детектированием на приёмной стороне. При этом освобождается половина полосы PC, по которой можно передавать не только ЧМ-колебание поднесущей, но и другую информацию.

За счёт деления-умножения частоты в 2 раза полоса частот PC восстанавливается и его качество практически не меняется.

1.4) при цифровой передаче PC с УСК поднесущую предложено брать равной 3700 Гц > Fmax = 3400 Гц, т. е. выше спектра PC и тем самым исключать сокращение полосы частот последнего.

2. Для увеличения помехоустойчивости на 6 дБ за счёт УСК предложено в канале управления использовать ОБП ЧМ.

3. Исследованы принципиальные схемы элементов УСК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Оптимизирована амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) электроакустического тракта по критерию минимума акустических шумов транспортного средства в этом тракте, что повысило разборчивость речи на 10%. Аппроксимирована данная АЧХ методом наименьших взвешенных квадратов. Показано, что погрешность аппроксимации наименьшая (0,5%), если в качестве весовых коэффициентов используются уровни ощущения формант речи.

2. Предложены методы получения опорного шума, решающие проблему адаптивной компенсации акустического шума локомотива, попадающего в микрофон машиниста:

— аппаратный метод;

— метод вейвлет-преобразования.

3. Предложены методы повышения качества компандированной речи, исключающие сокращение её полосы частот:

— передача слоговой огибающей на поднесущей 150 Гц вместо 2850 гц;

— передача слоговой огибающей на несущей частоте передатчика, исключив вообще поднесущую;

— деление в 2 раза полосы частот речевого сигнала на передающей стороне и восстановление её (путём умножение в 2 раза) на приёмной стороне. Это позволяет в полосе частот речевого сигнала передавать дополнительную информацию.

4. Уточнено уравнение для оценки помехоустойчивости (и качества речи) тракта передачи информации с модернизированным управляемым компандированием, что позволило определить помехоустойчивость УСК при поднесущей частоте fn — 150 Гц.

5. Разработан новый механизм прохождения помех в виде паразитной AM на выход приёмника ЧМ сигналов и на его основе разработаны рекомендации по их исключении, что существенно повышает качество речевой информации.

6. Предложен метод, исключающий понижение в 3 раза помехоустойчивости приёма ЧМ сигналов с предыскажением 6 дБ на октаву.

7. Экспериментально получена спектральная характеристика акустических шумов локомотива, из которой следует, что АШ имеют максимум на частоте 300 Гц и перекрывают весь тональный (разговорный) диапазон частот.

8. Для наиболее эффективной фильтрации АШ предложено передавать не полный речевой сигнал (PC), а только его огибающую и частотную составляющую, каждая из которых занимает полосу частот в 31 раз меньшую полосы частот полного PC. На приёмной стороне по этим составляющим синтезируется исходный PC.

9. Экспериментально получена спектральная характеристика частотной составляющей PC, подтвердаюшая названный выигрыш в полосе частот, что явилось основанием для разработки соответствующего вокодера PC.

10. Разработан в соавторстве макет цифрового вокодера с передачей огибающей и частотной составляющей PC, позволяющий организовать в полосе частот поездной радиосвязи 6 цифровых канала, в то время как при передаче полного PC невозможно организовать и одного цифрового канала. Аналоговых же каналов может быть около 14. Разработанный макет данного вокодера успешно демонстрировался в работе перед государственной аттестационной комиссией при защите дипломного проекта, на всероссийской выставке НТТМ в 2001 и 2002 г. г. и авторы удостоены медали и дипломов Минобразования РФ.