Введение к работе
Актуальность темы диссертации. 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 - ВемянГ.В., Златоустова Л.В., Калинцев Ю.К., Михайлов В.Г., Покровский Н.Б.;
- вопросам реализации систем оперативно-командной связи, вклю
чающих устройства шумоподавления и эхокомпенсации - Бабкин В.В., Бел
лами Дж., Директоров Н.Ф., Каганович А.А., 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 ис-
точник 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 /о), 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.
Определена зависимость слоговой разборчивости от отношения сигнал/помеха и диапазона воспроизводимых частот в условиях корабельных систем ГГС.
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:
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.
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.
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:
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.
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 ГГС ОАО «Муромский радиозавод», разработанных в ходе выполнения ОКР «Модернизация комплекса оперативно-командной громкоговорящей и телефонной связи «КТС-ОЩС»;
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.
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.
Алгоритм многоканального адаптивного подавления акустических помех и адаптивный алгоритм подавления шумовых и сосредоточенных акустических помех с формантным распределением полос режекции.
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 Тагаринские чтения" (Москва, МАТИ, 2005, 2006, 2007), "XII, XIII, XVII Туполевские чтения" (Казань, Казанский государственный технический университет, 2005, 2007, 2009), XII Всероссийская научно-техническая 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, 2010), международная конференция «КрыМиКо» (Севастополь, Украина, 2008,2009,2010).
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.
