Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция роста потребностей индивидуальных и коллективных пользователей в каналах связи для передачи речевой информации. Это диктует необходимость увеличения числа каналов передачи и эффективности их использования при высокой достоверности передачи сообщений.
Особую актуальность эта задача приобретает в условиях все более широкого,развития сетей и систем подвижной радиосвязи. На сегодняшний день в области цифровой передачи речи достигнуты значительные результаты на базе развития общего направления "кодирование с предсказанием". Серийно выпускается кодек для передачи речи со скоростью 32 кбит/с ( рекомендация G72-J МККТТ), приняты стандарты международных организаций для передачи речи со скоростью 16 и 13 кбит/с, а также федеральный стандарт США для систем подвижной радиосвязи, работающий со скоростью 4.8 кбит/с.
Ведущие научные лаборатории и исследовательские подразделения ряда фирм проводят исследования по разработке многоскоростных перестраиваемых кодеков и стандартов для скоростей 2.4-9.6 кбит/с в локальных сетях и интегрированных в сети общего пользования.
Из сделанного обзора устройств кодирования речевых сигналов (кодеков), а также систем цифровой передачи речи,в которых они применяются, можно сделать вывод о трм, что актуальным является разработка и исследование низкоскоростных методов кодирования с повышенной помехоустойчивостью. Если вопросы ЭКР в диапазоне скоростей 4.8-16 кбит/с изучены и изложены в литературе достаточно подробно и существует ряд алгоритмов и устройств,нашедших применение в реальных системах, то вопросы повышения помехоустойчивости передачи при этих же скоростях, возникающие, в частности, в системах подвижной радиосвязи, разработаны мало и требуют проведения дополнительных исследований.
Обычными средствами повышения помехоустойчивости трудно воспользоваться при передаче речи с низкими и средними скоростями, так как они не используют свойств речевого сигнала и необходимая для их реализации избыточность приводит к ужесточению требований к алгоритмам сжатия.
Анализируя существующие подходы к решению задачи повышения помехоустойчивости,можно отметить, что им присуши весьма существенные ограничения. В частности, это каскадное разделение операций
W _3-
устранения избыточности, помехоустойчивого кодирования и модуляции, а такій обратных преоОразований. Оптимизация передаваемых сигналов без учета реальной помеховоЯ обстановки в канале, его состояния и характеристик, особенностей источника сообщений.
Задачу синтеза сигналов при этом решают, основываясь на получении устраивающей потребителя вероятности ошибки на выходе демодулятора. В условиях, когда канал используется для передачи речевых сообщений, критерий вероятности ошибки дает лишь косвенное представление о возможном качестве передачи этого сообщения и, вообще говоря, из-за отсутствия данных о связи этого критерия с таким вакным показателем,как среднеквадратичёская ошибка, не гарантирует оптимального построения системы (канала) передачи.
Более информативной при передаче речи является оценка по ереднеквадратической погрешности в передаче сообщения. Эта оценка, во всяком случае, более адекватна характеру и особенностям аналогового сигнала. В связи с этим задачу синтеза сигналов предлагается решать, ориентируясь на критерий среднеквадратической ошибки.
Целью диссертационной работы является разработка цифровых методов передачи речи с повышенной помехоустойчивостью и низкими скоростями. Для ее достижения используется концепция локально-оптимальных систем, согласно которой алгоритмы эффективного и помехоустойчивого кодирования должна разрабатываться совместно.
В диссертационной работе разрабатываются метода повышения помехоустойчивости ЦПР в кодеках следующих ставдартизированных алгоритмов:
- вокодера с линейным предсказанием на линейных спектральных
парах;
- кодека АДШШ с раздельным предсказанием стандарта
"INMARSAT-B";
- кодека с многоимпульсным возбуждением стандарта GSM.
Разработки включают следующие задачи:
-
Синтез и исследование нелинейного предыскажаодего устройства и корректора, влияющих на структуру выходного сигнала модема цифрового канала.
-
Синтез локально-оптимальных помехоустойчивых квантователей для гауссовского источника и безынерционных каналов с неизвестной вероятностью ошибки.
-
Экспериментальные исследования локально-оптимальных помехоустойчивых квантователей и выработка рекомендаций по их примвнв-
нию.
4. Разработка метода оценки вероятности ошибки по синдрому
помехоустойчивого кода для раскиреиного двоичного симметричного
канала с переменной вероятностью озшбкя.
-
Анализ чувствительности исследуемых кодеков речи к ошибкам в двоичном симметричном канале передачи.
-
Синтез кодеков с повышенной помехоустойчивостью на основе вокодера на линейных спектральных парах, кодеков стандартов GSM и "IMARSAT-B".
7. Оценка качества восстановления синтезированной речи в
помехоустойчивом вокодере по критерии звуковой разборчивости.
8. Экспериментальное исследование помехоустойчивости синтези
рованных алгоритмов для кодеков стандартов "UMAESAT-B" и GSM на
гауссовском и речевом сигналах в условиях, близких к реальны;,!.
Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач использован аппарат теории вероятности, математической статистики и статистической радиотехники, теории выбора и принятия решений, функционального анализа, методы вариационного исчисления, теории информации, нелинейного програмгшрова-ния и численного анализа.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Синтезированы нелинейные устройства предыскажения и коррекции. Экспериментально показана их работоспособность. Дано аналитическое описание семейства функций преобразования.
-
Разработан метод повышения помехоустойчивости цифровой передачи гауссовского сигнала, на основе некогерентного локально-оптимального помехоустойчивого квантования с введением исходной опорной вероятности ошибки.
-
Разработан метод повышения помехоустойчивости цифровой передачи гауссовского сигнала, на основе локально- оптимального помехоустойчивого квантования по критерию среднего риска в заданном диапазоне изменвіта вероятности ошибки.
4. Разработаны и исследованы помехоустойчивые алгоритмы
кодирования с учетом свойств речевого сигнала для вокодера на
линейных спектральных парах, кодеков стандартов GSM и "IMARSAT-B".
Основные научные положения, выносимые ка защиту, заключаются в следующем:
1. Метод повышения помехоустойчивости цифровой передачи речи по двоичному симметричному каналу с априорной неопределенностью на основе локально- оптимального некогерентного квантования при
опорной вероятности ошибки.
-
Метод повышения помехоустойчивости цифровой передачи речи по двоичному симметричному каналу с априорной неопределенностью на основе локально- оптимального квантования, синтезированного по критерию среднего риска.
-
Метод согласования кодека и модема на основе вариационного синтеза устройств предыскажения и коррекции в классе управляемых марковских процессов.
-
Алгоритмы и программы повышения помехоустойчивости эффективных кодеков для диапазона скоростей передачи 2.4 кбит/с - 16 кбит/с на основе вокодера с линейным предсказанием, кодеков стандартов саг и "Пшйзат-в".
-
Результаты исследований разработанных методов и алгоритмов на реальных речевых сигналах и их моделях.
Практическая ценность диссертационной работа заключается в следующем:
1. Рекомендуется применение некогерентных квантователей в
каналах с неизвестной вероятностью ошибки в диапазоне [0.001+0.21.
Расчет квантователей предпочтителен для узких диапазонов изменения
вероятности ошибки и числе уровней квантования не выше 16. Реко
мендуется при разработке квантователей, синтезированных по крите
рию среднего риска, выбирать диапазон взвешивания с заходом в
область нечувствительности к ошибкам в канале и число уровней
квантования выше 16.
-
Разработан алгоритм оценки вероятности ошибки по синдрому помехоустойчивого кода, в котором рассчитывается совокупность длин выборок и числа ошибок в них, для расширенного двоичного симметричного канала, заданного конечным набором матриц переходных вероятностей и типом помехоустойчивого кода в цифровой части.
-
Разработаны помехоустойчивые квантователи для вокодера на линейных спектральных парах, позволяющие обеспечивать выигрыши: по отношению сигнал-шум квантования до 3 дБ, по спектральной мере до 4 дБ. Выигрыш соответствует увеличению звуковой разборчивости в среднем на 5.
-
Разработан алгоритм помехоустойчивого квантования параметров кратковременного предсказания, сигнала остатка предсказания и долговременного предсказания для кодека GSM, позволяющий получить выигрыш по отношению сигнал-шум квантования на 3.5 дБ, по отношению сигнал-шум восстановления на 2.1 дБ в диапазоне изменения вероятности ошибки [3*10~3-*7*10~3].
5. Разработан алгоритм помехоустойчивого квантования параметров кратковременного предсказания, сигнала остатка предсказания и долговременного предсказания для алгоритма кодека стандарта "INMARSAT-IT, позволяющий получить выигрыш по отношению сигнал-шум квантования на 4.5 дБ, по отношению сигнал-шум восстановления на 3.6 дБ в диапазоне изменения вероятности ошибки 13*10_3-s-2*10-2].
Реализация результатов. Основные результаты исследования, выводы и рекомендации, изложенные в диссертационной работе, нашли отражение в отчетах по НИР в 1989-1993 г.г. и использованы на промышленных предприятиях, что подтверждается приводимым актом о внедрении.
Апробация работы. Основные положения диссерта-ционой работа докладывались автором, обсуждались и получили положительную оценку на научно- технических конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов МИС в 1989, 1990, 1991, 1992 г.г., на II,III,IV научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов в 1989...-1991 г.г., на XIVI всесоюзной сессии, посвященной дню Радио в г. Москва в 1991 г., на межрегиональных конференциях "Цифровые системы передачи городских и сельских сетей связи" в г. Новосибирск в 1992 г., "Спутниковые системы связи и вещания: перспективы развития в Украине" в г. Одесса в 1993 г., на 17-м семинаре "Автоматическое распознавание слуховых образов" в г. Ижевск в 1992г.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано десять печатных работ.
Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 116 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 29 таблиц и четыре приложения. В библиографию включено 130 наименований отечественной и зарубежной литературы.
