Алгоритмы повышения эффективности передачи речевой информации в корабельных оперативно-командных системах громокоговорящей связи

Современный этап развития оперативно-командных систем связи характеризуется существенной интеграцией и повышением их функциональной насыщенности. Передача командной информации на стационарных и подвижных объектах, в частности на морских судах, может осуществляться множеством способов, но при этом громкоговорящая связь остается одной из основных систем передачи оперативной и командной информации, от гарантированного доведения которой до абонентов, часто в форме коротких сообщений, существенно зависит управляемость и живучесть объектов в целом. Таким образом, высокое значение влияния оперативной информации диктует повышенные требования к системам передачи речевой информации в части их эффективного функционирования в условиях воздействия интенсивных акустических помех и эхо-сигналов.

В настоящее время основными средствами влияния на уровень акустических помех в основном остаются направленные и дифференциальные микрофоны и направленные громкоговорители. В ряде последних работ показана возможность использования для подавления помех методов и алгоритмов адаптивной фильтрации и компенсации. Однако многие вопросы их применения в специфических условиях громкоговорящей связи, а также вопросы подавления эхо-сигналов, остаются открытыми.

Вопросам адаптивной фильтрации и компенсации, в том числе в применении к речевым сигналам, посвящены труды отечественных и зарубежных ученых:

— вопросам исследования речевых сигналов — Назаров М. В., Прохоров Ю. Н., Сапожков М. А., Фланаган Дж. Л.;

— вопросам обработки цифровых сигналов, адаптивной фильтрации и компенсации — Айфичер Э. С., Андерсон Б., Беллами Дж., Величкин А. И., Гольдштейн Б. С., Гоулд Б., Коуэн К.Ф.Н., Рабинер Л. Р., Стинз С., Уидроу Б., Цыпкин Я. З, Шафер Р. В.;

— вопросам оценки разборчивости речевого сигнала — Вемян Г. В., Златоустова JI.B., Калинцев Ю. К., Михайлов В. Г., Покровский Н. Б.;

— вопросам реализации систем оперативно-командной связи, включающих устройства шумоподавления и эхокомпенсации — Бабкин В. В., Беллами Дж., Директоров Н. Ф., Катанович A.A., Ланнэ А. А., Нероба Г. С. и др.

В существующих научных изданиях и работах имеется достаточные предпосылки для решения поставленной задачи, но в то же время они носят, как правило, локальный и разрозненный характер по области применения.

В настоящее время для борьбы с акустическими помехами в основном используются пространственно-временные методы. Недостатками вышеупомянутых методов является то, что направленные микрофоны имеют значительные габариты и требуют соблюдения направления на источник речи. Многочисленные источники акустических шумов и помех в корабельных условиях носят изотропный характер и высокий уровень интенсивности (от 85 дБ до 105−110 дБ относительно /0), поэтому их проникновение в направленный микрофон имеет достаточно высокий уровень.

В современных алгоритмах подавления акустических шумов используются как методы линейной фильтрации, так и методы, построенные на основе нелинейных адаптивных алгоритмов очистки речи от шумов. В зависимости от вида акустических помех, их подавление с помощью известных алгоритмов шумоподавления достигает 6−8 дБ. Однако корабельные системы громкоговорящей связи (ГГС) эксплуатируются под воздействием интенсивных акустических помех, интенсивность которых существенно не отличается от интенсивности речевых сигналов вышеуказанных систем. Поэтому уровень подавления акустических шумов известными алгоритмами является недостаточным для обеспечения эффективного функционирования рассматриваемых корабельных оперативно-командных систем громкоговорящей связи (ОКСГГС). Вопрос необходимого отношения сигнал/помеха для обеспечения необходимой эффективной передачи речевой информации требует дополнительных исследований.

Таким образом, разработка алгоритмов, обеспечивающих повышение эффективности функционирования систем передачи речевой информации в условиях акустических помех и эхо-сигналов, характерных в обстановке и условиях корабельной громкоговорящей связи, является актуальной задачей.

Решение этой задачи в свою очередь предполагает создание новых, более эффективных алгоритмов компенсации эха и акустических помех в телекоммуникационных системах громкоговорящей связи, что требует применения современных средств математического моделирования и вычислительных экспериментов.

Объект исследования — телекоммуникационные системы корабельной громкоговорящей связи оперативно-командных средств.

Предмет исследования — методы и алгоритмы обработки речевых сигналов в телекоммуникационных системах оперативно-командной связи.

Цель диссертационной работы — разработка алгоритмов повышения эффективности передачи речевой информации в современных корабельных системах оперативно-командной громкоговорящей связи в условиях интенсивного воздействия акустических помех и отраженных эхо-сигналов.

Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследованы вопросы оценивания статистических и спектральных характеристик речевых сигналов, акустических помех и эхо-сигналов при проектировании алгоритмов повышения отношения сигнал/помеха в корабельных системах громкоговорящей связи.

2. Определена зависимость слоговой разборчивости от отношения сигнал/помеха и диапазона воспроизводимых частот в условиях корабельных систем ГГС.

3. Разработаны и исследованы модели акустических эхо-сигналов и помех, способы оценивания их параметров и, на этой основе, разработаны алгоритмы подавления и компенсации эхо-сигналов и помех, обеспечивающие повышение слоговой разборчивости до необходимой величины.

Методы исследования базируются на математическом аппарате спектрального анализа и цифровой обработки сигналов, теории случайных процессов, интерполяции и локальной аппроксимации.

Научная новизна и теоретическая значимость полученных результатов заключается в том, что:

1. Разработана методика создания алгоритмов шумоподавления с применением линейной фильтрации, использующая результаты сравнительного анализа вероятностных и спектральных характеристик речевых сигналов и акустических помех в корабельных системах ГГС, и основанная на многоканальной адаптивной режекции частотных полос в АЧХ канала в зависимости от помеховой обстановки.

2. Разработана методика выбора числа каналов в многоканальном алгоритме подавления акустических помех, основанная на анализе совместной вероятности наличия в канале формантных составляющих речевых сигналов и сосредоточенных акустических помех.

3. Предложены алгоритм настройки адаптивных компенсаторов эха по данным, наблюдаемым в пределах скользящего окна фиксированного размера, и алгоритм оценивания долговременных параметров каналов его распространения, позволяющие в сочетании с многоканальной обработкой решить задачу повышения эффективности эхокомпенсации.

Результаты работы, имеющие практическую значимость:

1. Разработанные алгоритмы настройки адаптивных фильтров и оценивания параметров эхо-сигнала обеспечили увеличение скорости настройки адаптивных фильтров в 3−4 раза и увеличение подавления эхо-сигналов и акустических помех на 1−4 дБ по сравнению с известными аналогами.

2. Предложенное адаптивное многоканальное устройство подавления акустических помех увеличивает подавление шумовых акустических помех на 2,5−7 дБ по сравнению с известными аналогами, и осуществляет подавление сосредоточенных акустических помех на 30 дБ. Разработанные решения подавления акустических помех и сосредоточенных помех могут быть использованы при разработке других телекоммуникационных систем передачи акустических сигналов, работающих в условиях воздействия акустических помех.

Реализация и внедрение результатов. Разработанные в диссертации модели, алгоритмы и структурные схемы использовались:

— в устройствах оперативно-командных систем корабельной ГТС ОАО «Муромский радиозавод», разработанных в ходе выполнения ОКР «Модернизация комплекса оперативно-командной громкоговорящей и телефонной связи «КТС-01ЦС»;

— в учебном процессе на кафедре Электроники и вычислительной техники Муромского института Владимирского государственного университета.

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Основные положения, выносимые на защиту;

1. Алгоритмы и результаты анализа статистических и спектральных характеристик речевых сигналов и акустических помех в корабельных системах ГГС. Результаты исследования зависимости слоговой разборчивости речевого сигнала от параметров тракта передачи речевой информации в условиях воздействия акустических помех в корабельных ГГС.

2. Алгоритм многоканального адаптивного подавления акустических помех и адаптивный алгоритм подавления шумовых и сосредоточенных акустических помех с формантным распределением полос режекции.

3. Корреляционный алгоритм оценивания параметров эхо-сигнала и алгоритм настройки адаптивных фильтров компенсации эхо-сигналов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях «Гагаринские чтения» (Москва, МАТИ, 2005, 2006, 2007), «XII, XIII, XVII Туполевские чтения» (Казань, Казанский государственный технический университет, 2005, 2007, 2009), XII Всероссийская научнотехническая конференция «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании» (Рязань, Рязанский государственный радиотехнический университет, 2007), Научно-практическая конференция «Наука и образование в развитии промышленного потенциала и социально-экономической сферы региона», (Муром, МИВлГУ, 2007, 2008, 2009), международная конференция «КрыМиКо» (Севастополь, Украина, 2008, 2009).

Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 9 статей в центральных изданиях, 3 доклада на научных конференциях, 2 патента на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Она изложена на 162 страницах, и содержит 57 рисунков, 3 таблицы, список литературы (139 наименований) и приложение.

4.5 Выводы

1. Разработанные алгоритмы адаптивной компенсации с использованием параметров долговременной задержки совместно с многоканальной обработкой сигналов увеличили компенсацию отраженных эхо-сигналов и помех на 6 -8 дБ и в 3 — 4 раза скорость настройки адаптивных фильтров.

2. Использование взаимной ковариационной функции позволило повысить точность оценки величины задержки и, соответственно, обеспечить указанную выше степень подавления эхо-сигнала.

3. Разбиение спектра сигналов на ряд узкополосных каналов обеспечивает также возможность уменьшения порядка адаптивных фильтров в каждом из каналов и, соответственно, в 3−4 раза уменьшает время их настройки.

4. Разработана структурная схема устройства адаптивной компенсации эхо-сигнала с использованием гребенок фильтров децимации и интерполяции, позволившая уменьшить число отводов адаптивных фильтров, повысить скорость их настройки и снизить вычислительные затраты. Реализация данного алгоритма увеличивает отношение Рс./Рш. в условиях воздействия акустических помех — эхо-сигналов на 6−8 дБ.

5. Разработан адаптивный шестнадцатиканальный алгоритм подавления сосредоточенных акустических помех, позволяющий подавить сосредоточенные акустические помехи до 30 дБ. Уровень подавления определяется заданными требованиями, по которым выполняется полосовой фильтр п-то канала.

6. Проведены исследования зависимости совместной вероятности попадания формантной составляющей и сосредоточенной помехи в фильтр с полосой А/ для первых четырех формантных областей. Получено, что для о реализации совместной вероятности 0,5−10″ для всех формантных составляющих и сосредоточенной помехи достаточно, чтобы в области частот первой форманты полоса пропускания одного фильтра гребенки из 14 фильтров от 300 Гц до 1000 Гц составила А/=50 Гц.

Для области частот второй форманты 1000−2400 Гц гребенка фильтров должна состоять из 14 фильтров с Д/=100 Гц.

Для перекрытия области частот третьей и четвертой формантный областей от 2400 Гц до 3400 Гц гребенка фильтров должна состоять из 5 фильтров с А/=200 Гц.

7. Разработан многоканальный алгоритм подавления акустических помех с формантным распределением полос режекции. Достигнуто подавление сосредоточенных помех на 30 дБ. Кроме того, применение алгоритма изменения нижней границы АЧХ канала позволяет подавить низкочастотные шумовые акустические помехи на 15 дБ.

8. Таким образом, в результате проведенных исследований разработан ряд алгоритмов повышения эффективности передачи речевой информации в корабельных оперативно-командных системах громкоговорящей связи, работающих в условиях воздействия интенсивных акустических помех, позволивших подавить акустические шумы с уровнем 85−102 дБ на 8,85−15 дБ и компенсировать отраженные эхо-сигналы интенсивностью до 100 дБ на 6−8 дБ. При этом достигается необходимое отношение сигнал/шум более 9 дБ, слоговая разборчивость более 93%.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан алгоритм определения экспериментальной функции закона распределения вероятности отсчетов речевых сигналов с заданной погрешностью. Показано, что с помощью данного алгоритма можно получить экспериментальную функцию закона распределения вероятности с погрешностью менее 5%, если анализировать реализацию речевого сигнала 300 мс, около 10% - при анализе 100 мс, 20% - при анализе 30 мс.

2. Разработана аппроксимация рядом экспоненциальных функций экспериментальной функции закона распределения вероятности отсчетов речевых сигналов, а также разработан рекуррентный алгоритм вычисления параметров экспонент в ряде функции аппроксимации. Показано, что при представлении закона распределения вероятности функцией аппроксимации, состоящей из суммы трех экспонент, можно получить погрешность менее 5%.

Разработана аппроксимация экспериментальной функции закона распределения вероятности отсчетов акустических помех. При представлении закона распределения аппроксимацией в виде гауссовых кривых, при порядке ряда М= 3, погрешность составляет не более 5%.

3. Результаты исследований слоговой разборчивости от отношения сигнал/шум показали, что для обеспечения заданного уровня 5 не менее 93% система громкоговорящей связи должна обеспечить отношение сигнал/шум на выходе системы не менее 9 дБ при воспроизведении звуковых частот в пределах от (300−800) Гц до (3400−3500)Гц.

4. Разработан корреляционный алгоритм оценки долговременных параметров совместно с итерационным алгоритмом минимизации квадратичных функций потерь на последовательности конечных интервалов и многоканальной обработкой сигналов. При применении его в проектируемых эхокомпенсаторах существенно повышается эффективность подавления эхо-сигналов.

5. Разработанный алгоритм адаптивной компенсации с использованием параметров долговременной задержки совместно с многоканальной обработкой сигналов, а также с использованием вычисленной ковариационной функцией, позволяющей повысить точность оценки величины задержки, обеспечивает более высокую степень подавления эхо-сигналов. В частности, достигнута компенсация эхо-сигналов до 6−8 дБ, что на 1−4 дБ выше по сравнению с компенсацией известными аналогами эхокомпенсаторов.

6. Разработан многоканальный адаптивный алгоритм подавления сосредоточенных помех с формантным распределением полос режекции, позволяющий подавить сосредоточенные помехи до 30 дБ.

7. Для подавления акустических шумов разработан многоканальный адаптивный алгоритм с меняющейся в зависимости от помеховой обстановки частотой Рн низкочастотного среза АЧХ тракта. С помощью устройства, реализующего данный алгоритм, акустические шумовые помехи подавляются до 15 дБ.

8. Таким образом, в результате проведенных исследований разработан ряд алгоритмов повышения эффективности передачи речевой информации в корабельных оперативно-командных системах громкоговорящей связи, работающих в условиях воздействия интенсивных акустических помех, позволивших подавить акустические шумы на 8,85−15 дБ и компенсировать отраженные эхо-сигналы на 6−8 дБ. При этом достигается необходимое отношение сигнал/шум более 9 дБ, слоговая разборчивость более 93%.