Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Современный этап развития диспетчерско-технологических оперативно-командных систем телекоммуникаций характеризуется существенной интеграцией и повышением их функциональной насыщенности, характеризуется переходом на новые информационные технологии. Современные диспетчерско-технологические системы телекоммуникаций, в том числе оперативно-командные системы громкоговорящей связи (ГТС) получили все более широкое применение на многофункциональных объектах, в системах массового обслуживания. Современные системы телекоммуникаций имеют сетевую распределенную структуру в виде многоканальной системы передачи цифровой информации с увеличенной пропускной способностью сетей с применением высокоскоростных технологий Ethernet или ISDN вследствие требований на значительное число абонентских постов обмена.
Передача информации на стационарных и подвижных многофункциональных объектах может осуществляться множеством способов, но при этом передача аналоговой аудиоинформации, то есть передача речевых сообщений, остается важным средством обеспечения оперативного управления, обеспечения надежного функционирования сложных объектов. Во многих случаях, особенно в чрезвычайных ситуациях, передаваемая аудиоинформация имеет вид коротких управляющих сообщений, что предъявляет повышенные требования к характеристикам систем, таким как разборчивость и корректность понимания смысла сообщения, от которых зависит управляемость объекта в целом. Поэтому оперативно-командные системы аудиообмена должны быть эффективными, должны обеспечивать достоверное и оперативное доведение командной информации, передаваемые речевые сообщения должны полностью восприниматься абонентом.
В настоящее время такие системы представляют собой объект активных теоретических исследований. Исследователи, используя новый технологический уровень, обратились к созданию моделей алгоритмов высоких порядков, которые в условиях развития микроэлектроники стали практически реализуемыми.
Исследованиям вопросов повышения эффективности передачи информации речевыми сигналами в системах телекоммуникаций посвящено достаточно большое число работ отечественных и зарубежных авторов. Потребность в таких исследованиях и разработке новых концепций и новых алгоритмов обработки сигналов объясняется наличием факторов, понижающих эффективность функционирования систем телекоммуникаций аудиообмена. К таким факторам относятся внешние акустические помехи, акустические шумы, акустические сосредоточенные помехи, внешние акустические эхо-сигналы, которые характеризуются значительной интенсивностью.
Вопросам разработки теоретических основ создания систем телекоммуникаций передачи речевой информации посвящено достаточно много трудов известных авторов:
в области исследования речевых сигналов - Сапожков М.А., Фланаган Дж. Л., Вемян Г.В., Покровский П.Б., Михайлов В.Г. и др;
в области адаптивной фильтрации, компенсации и адаптивного управления -Цыпкин ЯЗ., Граничил О.Н., Фрадков А.Л., Уидроу Б и др.;
в области спектрального анализа, цифровой обработки сигналов и временных рядов - Оппенгейм А., Хеннан Э. , Величкин А.И., Гоулд Б. , Рабинер Л.Р., Шафер Р.Ф., Назаров М.В., Прохоров Ю.Н. и др.;
в области построения систем телекоммуникаций обмена аудиоинформацией, систем цифровой речевой связи, реализации систем оперативно-командной связи -Ланнэ А.А., Бабкин В.В., Директоров Н.Ф., Катанович А.А., Нероба Г.С. и др.
Решение многих из приведенных вопросов основано на методах оптимизации, рассмотренных в работах Поляка Б.Т., Нестерова Ю.Е., Вандерберга Л. и др. С их помощью решаются задачи параметрического анализа, синтеза и интеграции систем. Развитая в работах Катковника В.Я. теория позволяет решать задачи локальной аппроксимации и сглаживания сигналов. Предложенные ими методы делают возможным получение решений при самых общих функциональных ограничениях, налагаемых на сигналы и помехи.
Вместе с тем, известные алгоритмы обработки речевых сигналов на фоне комплекса интенсивных акустических помех не обеспечивают необходимую степень подавления помех. Поэтому вопросы повышения качества систем телекоммуникационного обмена аудиоинформацией, вопросы эффективного подавления внешних акустических помех в системах аудиообмена требуют дальнейших исследований, разработки новых методов и алгоритмов, требуют решения задач создания более точных моделей речевых сигналов, новых методов оценивания параметров помех, новых моделей алгоритмов адаптивного подавления и компенсации, новых алгоритмов обработки и фильтрации.
Объект исследования - системы телекоммуникаций обмена речевыми сообщениями, в том числе системы громкоговорящей связи, обеспечивающие обмен аудиоинформацией в сложной помеховой обстановке.
Предмет исследования - модели сигналов, методы, алгоритмы обработки, повышающие эффективность передачи информации речевыми сообщениями в телекоммуникационных системах аудиообмена.
Цель диссертационной работы - разработка моделей и методов обработки аудиосигналов с целью создания алгоритмов подавления внешних акустических помех и компенсации эхо-сигналов, повышающих эффективность телекоммуникационных систем аудиообмена в сложной помеховой обстановке.
Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Анализ факторов, влияющих на эффективность обмена аудиоинформацией в системах телекоммуникаций.
-
Анализ требований к оцениванию эффективности систем обмена речевыми сообщениями, систем обмена аудиоинформацией. Разработка рекомендаций по применению методов, критериев, параметров, оценивающих эффективность функционирования систем передачи аудиоинформации.
-
Разработка и исследование моделей наиболее характерных внешних помех: акустических шумов, акустических эхо-сигналов, акустических сосредоточенных помех.
-
Разработка и исследование новых моделей речевых сигналов с применением методов оптимизации, локальной аппроксимации, теории случайных процессов.
-
Разработка алгоритмов обработки сигналов с эффективным понижением
влияния внешних акустических шумовых и других видов помех на аудиообмен информацией в системах телекоммуникаций.
6. Исследование вопросов оценивания долговременных параметров модели внешних помех - эхо-сигналов и разработка на основе этой модели алгоритмов эхо-компенсации с более высокими результатами компенсации по сравнению с известными алгоритмами.
Методы исследования базируются на обобщенных методах параметрической оптимизации, локальной аппроксимации, идентификации и адаптивной компенсации помех; математическом аппарате спектрального анализа и цифровой обработки сигналов, теории случайных процессов, интерполяционной и экстраполяпионной аппроксимации, на аппарате статистического анализа временных рядов и теории матриц.
Научная новизна и теоретическая значимость полученных результатов заключается в том, что:
-
Установлено, что плотность вероятности речевых сигналов в системах телекоммуникаций аудиообмена наиболее адекватно описывается впервые введенной функцией в виде многочлена третьего порядка по системе экспоненциальных функций, полученной путем решения задачи оптимизации с ограничениями, в рамках которой обеспечивается аппроксимация с более низкой погрешностью по сравнению с известными моделями.
-
Установлено, что плотность вероятности внешних акустических шумов наиболее адекватно описывается впервые введенной функцией в виде многочлена третьего порядка по системе функций гауссовых кривых, основанной на методе локальной аппроксимации, обеспечивающей погрешность аппроксимации менее 4,8 %.
-
Предложен и исследован метод моделирования канала фильтром с АЧХ прямоугольной формы с управляемой частотой низкочастотного среза, позволяющий оценивание эффективности подавления различных внешних акустических шумовых помех алгоритмами линейной фильтрации.
-
Предложен и исследован подход к созданию многоканального алгоритма подавления внешних акустических шумовых помех с применением метода линейной фильтрации, основанный на адаптивном управлении областями режекпии и использующий результаты сравнительного анализа вероятностных и спектральных характеристик сигналов.
-
Впервые предложен метод определения полосы пропускания узкополосного фильтра в гребенке фильтров с формантным распределением полос пропускания в многоканальном алгоритме подавления внешних акустических шумовых и других видов помех, основанный на функциональной зависимости значения полосы пропускания канала от совместной вероятности спектральных составляющих речевого сигнала и составляющих помех в соответствующей формантной области.
-
Предложена и исследована новая модель эхо-сигналов, полученная на основе корреляционного оценивания долговременных параметров эха, обеспечивающая возможность вьщеления значимых каналов, реализующая алгоритм многоканальной компенсации эхо-сигналов с минимизированным числом каналов компенсации, позволившая применить в каналах компенсации адаптивные фильтры с уменьшенным порядком, повысить скорость их настройки и результаты компенсации.
-
Разработан и исследован новый способ многоканального адаптивного подавления акустических шумов и сосредоточенных помех методом кратковременного
ДПФ. По алгоритму, реализующему этот способ обработки сигналов, после оценивания компонент шума или помех в преобразованной области последние адаптивно исключаются. После подавления помех сигналы восстанавливаются с помощью ОДПФ. Практическая значимость результатов диссертационных исследований
-
Предложен алгоритм гистограммного оценивания функции распределения плотности вероятности оцифрованных речевых сигналов. Представлена табличная функция зависимости погрешности гистограммного оценивания оцифрованных речевых сигналов в зависимости от времени анализа, с помощью которой по заданной погрешности гистограммы оценивания определяется длительность кадра в алгоритмах обработки.
-
Разработан метод оценивания слоговой разборчивости в системах ау-диообмена по отношению сигнал/помеха. Для практического оценивания слоговой разборчивости предложена сетчатая функция зависимости величины последней от отношения сигнал/помеха.
-
Разработан многоканальный алгоритм подавления внешних акустических шумов и сосредоточенных помех с формантным распределением полос прозрачности узкополосных фильтров в гребенке фильтров образующих общую АЧХ и с адаптивным управлением областями режекпии, применение которого позволило получить подавление внешних акустических шумовых помех до (11+22) дБ, что на 5+10,5 дБ больше по сравнению с известными алгоритмами подавления акустических помех.
-
Разработан алгоритм многоканальной компенсации эхо-сигналов с числом каналов компенсации, равным числу выделенных каналов эхо-сигналов со значимыми долговременными задержками, что позволило повысить точность оценки величины задержки, уменьшить время настройки с 0,73 сек. до 0,21 сек., получить более высокое быстродействие компенсации и обеспечить степень подавления эхо-сигналов на (1-4) дБ больше, по сравнению с уровнем подавления известными аналогами эхокомпенсаторов.
-
Предложен алгоритм, реализующий новый способ многоканальной адаптивной обработки речевых сигналов и подавления помех методом кратковременного ДПФ. По данному алгоритму вычисляются составляющие в кадре из N отсчетов; после оценивания компонент шума впреобразованной области, последние адаптивно исключаются и очищенные от помех сигналы восстанавливаются ОДПФ. Степень подавления внешних акустических шумовых и сосредоточенных помех может достигать 15 дБ.
Результаты диссертационной работы внедрены:
в устройствах диспетчерско-технологической связи, разработанных ОАО «Муромский радиозавод» в рамках ОКР «Разработка комплектов приборов громкоговорящей связи для интегрированных мостиковых систем («ПУ-М»);
при создании изделия ИВА-ЦС в рамках ОКР «Разработка комплекса цифровой оперативно-командной связи»;
при выполнении ОКР «Модернизация комплекса оперативно-командной корабельной громкоговорящей и телефонной связи «КТС-01 ЦС»;
при выполнении ОКР на тему «Разработка комплектов комплекса внутрикора-бельной связи»;
в изделиях, разработанных в ОАО НПП «Звукотехника» НИОКР: «Верба», «Чертков», «Чертков 9», «Брусчатник» и других;
- в учебном процессе по специальностям «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», в учебном процессе подготовки бакалавров по направлению «Информатика и вычислительная техника» в Муромском институте (филиале) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых». Основные положения, выносимые на защиту.
1. Использование метода восстановления распределения плотности вероят
ности сигналов по критериям минимальной вычислительной сложности и макси
мально допустимой погрешности с применением метода локальной аппроксима
ции:
позволило получить новую аппроксимацию плотности вероятности речевых сигналов в виде многочлена третьего порядка по системе экспоненциальных функций с погрешностью менее 5 %;
позволило впервые получить аппроксимацию плотности вероятности сигналов внешних акустических шумовых помех в виде многочлена третьего порядка по системе гауссовых кривых с погрешностью менее 4,8 %.
-
Метод моделирования канала системы телекоммуникаций фильтром с АЧХ прямоугольной формы с управляемой частотой низкочастотного среза, позволяет исследовать эффективность линейной фильтрации в задачах подавления различных внешних акустических шумовых помех. Исследования, выполненные предложенным методом, показали, что линейной фильтрацией можно достичь подавление вышеуказанных помех до 22 дБ.
-
Использование сетчатой функции зависимости слоговой разборчивости от отношения сигнал/акустическая помеха позволяет осуществить практическое оценивание слоговой разборчивости в телекоммуникационной системе аудиообмена, в телекоммуникационной системе громкоговорящей связи; позволяет определить минимально допустимое отношение сигнал/акустическая помеха на выходе системы аудиообмена для обеспечения заданного значения слоговой разборчивости.
-
Формантное распределение полос прозрачности в многоканальном адаптивном фильтре позволяет снизить вычислительную сложность алгоритма обработки за счет резкого уменьшения количества каналов режекпии, позволяет минимизировать потери полезного сигнала при формировании областей режекпии для подавления компонент помех.
-
Метод адаптивного управления формированием области режекпии в многоканальном алгоритме подавления внешних акустических помех, основанный на оценке значения модуля составляющих в канале.
-
Метод создания алгоритмов адаптивной многоканальной компенсации эхо-сигналов, основанных на модели с корреляционным оцениванием долговременных параметров эха, позволяет создать алгоритмы компенсации с минимизированным числом каналов, равным числу выделенных долговременных параметров задержки, позволяет уменьшить порядок адаптивных фильтров в каналах, позволяет увеличить скорость настройки эхо-компенсации, позволяет повысить результаты компенсации эхо-сигналов на 1-4 дБ больше, по сравнению с известными.
7. Предлагается способ многоканальной адаптивной обработки речевых сигналов и подавления помех в частотной области, позволяющий достичь подавления внешних акустических шумовых и сосредоточенных помех до 15 дБ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных и Всероссийских конференциях и опубликованы в материалах и сборниках тезисов докладов: конференции Муромского института Владимирского государственного университета (1990-2012); на 16 th - 22 th International Crimean Conference "Microwave & Telecommunication Technology" -Sevastopol, Ukraine, 2006-2012 гг.; на 12-ой Всероссийской конференции «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании» - г. Рязань, 2007 г.; на 2-ой Всероссийской научной конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» - г. Муром, 2006 г.; на 4-й международной конференции «4-а международна научна практична конференция, «Научно пространство на Европа — 2008» - г. София, Болгария, 2008 г.; на 3-ей, 4-ой, 5-ой международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании, производстве» - г. Орёл, 2008-2012 г.; на 1-ой «First Russian Pacific Conference on Computer Technology and Applications» -Vladivostok, Russia, 2010 г.; на I-III Всероссийских научных Зворыкинских чтениях «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России» - г. Муром, 2009-2012 гг.; на международной IEEE-сибирской конференции по управлению и связи (SIBCON-2011) - г. Красноярск, 2011 г; на 4-ой международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы радиофизики «АПР-2012» - г. Томск, 2012 г.
Диссертационные исследования выполнялись в рамках госбюджетных и научно-исследовательских работ совместно с ОАО «Муромский радиозавод», ОАО НПП «Звукотехника», ОАО «Муромское специальное конструкторское бюро»: ГБ НИР МИ ВлГУ №225/87 «Анализ и синтез радиоэлектронных систем и сигналов методами моделирования на ЭВМ» (Инв. № 09210044552) (н.р. Кропотов Ю.А.); ГБ НИР МИ ВлГУ №264/91 «Анализ и синтез радиоэлектронных систем и сигналов методами моделирования на ЭВМ» (Инв. № 09210044552, № гос. per. 002960007077) (н.р. Кропотов Ю.А.); ГБ НИР МИ ВлГУ № 376/01 «Анализ и синтез электронных устройств, систем и сигналов с применением компьютерных технологий» (Инв. № 02.2004.04934, № гос. per. 01.200.108484) (н.р. Кропотов Ю.А.); ГБ НИР МИ ВлГУ № 376/01 «Анализ и синтез электронных устройств, систем и сигналов с применением компьютерных технологий» (Инв.№ 02.2007.03232, № гос. per. 01.200.108484) (н.р. Кропотов Ю.А.); ГБ НИР МИ ВлГУ № 376/01 «Анализ и синтез электронных устройств, систем и сигналов с применением компьютерных технологий» (Инв.№ 0220.1052978, № гос. per. 012007004452) (н.р. Кропотов Ю.А.); ХД НИР с ОАО «Муромский радиозавод» "Исследование и разработка коммутационной системы громкоговорящей связи" (№2984/03) (н.р. Кропотов Ю.А.); ХД НИР с ОАО «Муромский радиозавод» "Исследование и разработка дистанционного управления командной системы, локальных сетей командной системы и объектов управления" (№ гос. per. 0120.0602602) (н.р. Кропотов Ю.А.); ХД НИР с ОАО «Муромский радиозавод» "Модернизация и разработка командной системы беспроводной передачи речевой информации" (№ гос. per.
0120.0804923) (н.р. Кропотов Ю.А.); ХД НИР с ОАО «Муромский радиозавод» "Разработка корабельной оперативно-командной телекоммуникационной системы связи с использованием сетевых технологий" (№ гос. per. 0120.0809610) (н.р. Кропотов Ю.А.); ХД НИР с ОАО «Муромский радиозавод» "Разработка абонентского устройства системы трансляции радиостанций с использованием Интернет-технологий" (№ гос. per. 01201067422) (н.р. Кропотов Ю.А.); ХД НИР с ОАО НПП «Звукотехника» "Разработка программ по преобразованию 3D моделей в 2D представление графической информации и формированию проектной конструкторской документации" (№ гос. Per. 03201150860) (н.р. Кропотов Ю.А.); ХД НИР с ОАО «Муромский радиозавод» «Разработка абонентского устройства телекоммуникационной системы передачи речевой информации с применением беспроводных технологий» (№ гос. per. 4167/11) (н.р. Кропотов Ю.А.); Грант РФФИ №06-07-96501- рцентрофи, 2006 г. (н.р. Кропотов Ю.А.).
Публикации по работе. По результатам выполненных исследований опубликовано 123 работы, в том числе 2 монографии, 24 статьи в журналах из перечня ВАК, 54 статьи в центральных и зарубежных журналах, 34 публикации в материалах и тезисах докладов конференций, 9 патентов.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, изложена на 268 страницах, содержит 83 рисунка, 19 таблиц; список литературы состоит из 361 наименования.
