Содержание к диссертации
Введение
1 Реализационные возможности и помехоустойчивость алгоритма обработки речевых сигналов на основе представления хургина-яковлева в устройствах передачи информации 14
1.1 Вводные замечания 14
1.2 Анализ реализационных возможностей алгоритма обработки речевых сигналов на основе представления Хургина-Яковлева в устройствах передачи информации 15
1.2.1 Реализационные возможности синтезирующих фильтров 15
1.2.2 Оценка точности вычисления производной сигнала 23
1.3 Реализационные возможности алгоритма обработки речевых сигналов на основе представления Хургина-Яковлева в случае использования производных более высоких порядков в устройствах передачи информации 31
1.4 Оценка помехоустойчивости алгоритма обработки речевых сигналов на основе представления Хургина-Яковлева в устройствах передачи информации 38
1.5 Выводы 43
2 Разработка и исследование алгоритмов обработки речевых сигналов на основе представления хургина-яковлева в устройствах передачи информации 45
2.1 Вводные замечания 45
2.2 Эффективность системы АДИКМ реализованной на основе представления Хургина-Яковлева при наличии шумов квантования и воздействии акустических помех 47
2.3 Разработка полосового вокодера на основе представления Хургина-Яковлева 61
2.3.1 Реализационные возможности полосового вокодера на основе представления Хургина-Яковлева 61
2.3.2 Реализационные возможности полосового вокодера на основе представления Хургина-Яковлева при передаче спектральных отсчетов сигнала и его производной в комплексном виде 74
2.4 Алгоритмы восстановления речевой информации на основе итерационных алгоритмов и метода регуляризации 81
2.4.1 Исследование влияния статистических характеристик амплитудного и фазового спектра на качество восстановления речевой информации 81
2.4.2 Итерационные алгоритмы восстановления речевой информации 84
2.4.2.1 Итерационные алгоритмы при восстановлении речевой информации по амплитудному спектру 84
2.4.2.2 Итерационные алгоритмы при восстановлении речевой информации по прореженным отсчетам сигнала или его производной 97
2.4.3 Алгоритмы восстановления речевой информации на основе метода регуляризации 105
2.5 Выводы 109
3 Практические аспекты использования представления Хургина-Яковлева в алгоритмах обработки речевых сигналов и сигналов синхронизации систем передачи информации 111
3.1 Вводные замечания 111
3.2 Применение представления Хургина-Яковлева для определения искажений и фальсификаций, а также восстановления фонограмм 113
3.2.1 Принципы определения искажений и фальсификаций фонограмм с помощью представления Хургина-Яковлева... 113
3.2.2 Решающее правило при обнаружении искажений и фальсификаций отсчетов сигнала и производной 123
3.3 Исследование алгоритмов обработки речевых сигналов на основе представления Хургина-Яковлева в системах асинхронного маскирования 138
3.3.1 Общие принципы построения систем асинхронного маскирования на основе представления Хургина- Яковлева. 138
3.3.2 Исследование системы асинхронного маскирования речи на основе представления Хургина-Яковлева во временной области 139
3.3.3 Исследование системы асинхронного маскирования речи на основе представления Хургина-Яковлева в частотной области 144
3.3.4 Помехоустойчивость систем маскирования на основе представления Хургина-Яковлева 155
3.4 Исследование алгоритма быстрой корреляционной обработки сигналов синхронизации на основе представления Хургина-Яковлева 158
3.5 Аппаратная реализация устройств обработки речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева 164
3.6 Анализ вычислительных затрат в устройствах обработки речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева 172
3.7 Выводы 178
Заключение 180
Список литературы 184
Приложение
- Анализ реализационных возможностей алгоритма обработки речевых сигналов на основе представления Хургина-Яковлева в устройствах передачи информации
- Разработка полосового вокодера на основе представления Хургина-Яковлева
- Применение представления Хургина-Яковлева для определения искажений и фальсификаций, а также восстановления фонограмм
- Исследование алгоритма быстрой корреляционной обработки сигналов синхронизации на основе представления Хургина-Яковлева
Введение к работе
Актуальность темы. Применение цифровых алгоритмов при обработке сигналов позволяет получить потенциально возможные характеристики радиотехнических устройств. Значительный вклад в области цифровой обработки речевой информации внесли как зарубежные ученые - X. Найквист, К.Шеннон, Э.Т. Уиттекер, Л.Р. Рабинер, Р.В. Шафер и др. [1...4], так и отечественные- В.А. Котельников, Л.М. Гольденберг, В.П. Яковлев, М.В. Назаров, Ю.Н. Прохоров и др. [5...10].
Для снижения вычислительных затрат при обработке речевой информации могут использоваться алгоритмы вейвлет-анализа, а также алгоритмы многоскоростной обработки на основе бэнк-фильтров. Основными задачами при этом являются: снижение ошибки при восстановлении сигналов, увеличение помехоустойчивости дискретных алгоритмов обработки информации, упрощение реализации синтезирующих фильтров. Однако при практической реализации цифровых устройств обработки информации возникают трудности, связанные с тем, что спектр ограниченного во времени сигнала бесконечен в частотной области; идеальный низкочастотный фильтр, требуемый для точного восстановления сигнала, физически нереализуем; число выборок сигнала ограничено. В результате при практической реализации теоремы отсчетов В.А. Котельникова возникают ошибки наложения, вызванные нефинитностью спектра сигнала; усечения, обусловленные конечным числом отсчетов, и округления, связанные с неточностью представления отсчетных значений в цифровом виде.
Для уменьшения перечисленных выше ошибок, а также для снижения вычислительных затрат можно производить обработку сигналов на основе представления, предложенного Я.И. Хургиным и В.П. Яковлевым[8, 9]. По сравнению с классическим алгоритмом восстановления сигналов на основе теоремы В.А. Котельникова алгоритм восстановления сигналов на основе представления Хургина-Яковлева обеспечивает возможность раздельной
обработки как сигнала с верхней частотой спектра F, так и N-1 его первых производных, взятых с частотой дискретизации г"дис =2F/N. В отличие от
алгоритма восстановления сигналов в соответствии с теоремой В.А. Котельникова, представление Хургина-Яковлева при некоторых значениях N имеет более простую с точки зрения формы амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) реализацию синтезирующих фильтров для более низкой частоты дискретизации. Это обстоятельство позволяет при практической реализации синтезирующих фильтров в виде цифровых нерекурсивных фильтров получить меньшую ошибку восстановления сигналов. Кроме того, представляет интерес анализ помехоустойчивости этого алгоритма восстановления сигнала по сравнению с алгоритмом на основе теоремы В.А. Котельникова.
Наиболее значимой областью применения данного алгоритма являются системы обработки речевых сигналов (PC). Разработка таких систем - одна из быстро развивающихся областей новых информационных технологий, во многом определяющих перспективы развития страны и ее научного потенциала. Наиболее известные результаты в этой области были получены следующими учеными: Г.Фантом, Дж. Фланаганом, Дж. Д. Маркелом, А.Х. Грейем, М.А. Сапожковым, В.Г. Михайловым, М.В. Назаровым, Ю.Н. Прохоровым, Ю.К. Калинцевым, Г.В. Вемяном, А.И. Величкиным и др. [11...18].
Технические характеристики систем, реализующих речевые технологии, в значительной степени зависят от эффективности алгоритмов компрессии речи, обеспечивающих высокое качество восстановленного сигнала, при заданных вычислительных затратах. При этом одной из важнейших технических показателей данных систем является качество восстановленного PC при фиксированном коэффициенте компрессии.
Другой возможной сферой приложения алгоритмов обработки речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева, являются системы восстановления фонограмм при их длительном хранении, а также в случае
фальсификаций. Наиболее известные работы в этой области принадлежат А.В. Петракову и B.C. Лагутину, B.C. Барсукову, СВ. Дворянкину, В.Р. Женило и другим [19...27].
Алгоритмы обработки речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева могут быть использованы в качестве маскираторов PC. Это позволит повысить помехоустойчивость, а также уменьшить динамический диапазон маскированного PC.
Таким образом, актуальной является задача разработки и исследования алгоритмов дискретной обработки PC на основе представления Хургина-Яковлева в радиотехнических устройствах.
Цель и задачи работы. Основной целью работы являются разработка и исследование алгоритмов обработки речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева в радиотехнических устройствах. В связи с этим, поставленная цель работы включает решение задач:
1. Анализа реализационных возможностей и помехоустойчивости алгоритма обработки речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева.
2. Исследования систем обработки речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева при воздействии акустических шумов и шумов квантования.
3. Разработки и исследования различных вариантов реализации полосового вокодера на основе представления Хургина-Яковлева.
4. Анализа применения итерационных алгоритмов восстановления речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева.
5. Исследования систем восстановления PC на основе представления Хургина-Яковлева при использовании метода регуляризации.
6. Разработка алгоритмов определения искажений и фальсификаций фонограмм, а также их восстановления при использовании представления Хургина-Яковлева.
7. Разработки систем асинхронного маскирования PC на основе представления Хургина-Яковлева.
8. Анализа вычислительных затрат и эффективности алгоритмов обработки речевой информации при использовании представления Хургина-Яковлева.
9. Разработки быстрых алгоритмов корреляционной обработки на основе представления Хургина-Яковлева.
Научная новизна. В рамках данной диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:
1. Разработаны и исследованы алгоритмы адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (АДИКМ) PC на основе представления Хургина-Яковлева при воздействии акустических шумов и шумов квантования.
2. Предложены различные варианты реализации полосового вокодера на основе представления Хургина-Яковлева и показана их высокая эффективность.
3. Разработаны алгоритмы восстановления PC на основе представления Хургина-Яковлева при использовании итерационных алгоритмов и метода регуляризации.
4. Предложены алгоритмы определения искажений и фальсификаций фонограмм и их исправления, а также алгоритмы асинхронного маскирования PC на основе представления Хургина-Яковлева.
5. Разработан алгоритм корреляционной обработки в устройствах синхронизации спутниковых систем передачи информации на основе представления Хургина-Яковлева, обеспечивающий сокращение вычислительных" затрат на 7...15% при незначительном уменьшении вероятности обнаружения сигналов в комплексе управления космического аппарата «Kazsat».
Практическая ценность работы. Представленные в работе алгоритмы обработки PC на основе представления Хургина-Яковлева с использованием
отсчетов сигнала и его производной могут быть использованы в различных радиотехнических системах обработки и передачи информации. Реализация результатов исследований позволит уменьшить чувствительность параметров информационных систем к влиянию помех и искажений, улучшить качество восстановленного PC, а также снизить требования к оборудованию обработки.
Результаты диссертационной работы нашли применение в разработках федерального государственного унитарного предприятия «Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения» (ФГУП «РНИИ КП»), а также внедрены в учебный процесс РГРТА, что подтверждено соответствующими актами.
Основные положения, выносимые на защиту. Двухканальный алгоритм обработки и передачи речевой информации на основе представления Хургина-Яковлева, позволяющий увеличить помехоустойчивость PC в 1,2...1,5 раза, снизить требования к синтезирующим фильтрам, а также уменьшить вычислительные затраты.
Алгоритм адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции PC на основе представления Хургина-Яковлева, обеспечивающий увеличение отношение сигнал-шум квантования на 1...3,5 дБ, а также повышение отношения сигнал-шум при действии акустических шумов на 0,5...3 дБ при скоростях передачи 8...48 кбит/с.
Алгоритмы обнаружения искажений и реставрации фонограмм на основе представления Хургина-Яковлева, обеспечивающие восстановление исходного PC с качеством 3,5...4 балла, а также алгоритмы маскирования PC, позволяющие получить остаточную разборчивость ниже 1,5 балла.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
1. 7 Всероссийские Туполевские чтения студентов. "Актуальные проблемы авиастроения", г. Казань, 1998.
2. I ВНТК "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве", г. Нижний Новгород, 1999.
3. Пятая МНТК студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", г. Москва 1999.
4. Четвертая ВНТК студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании", г. Рязань, 1999.
5. Восьмой международный научно-технический семинар "Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций", г. Рязань, 1999.
6. Научная сессия МИФИ-2000. г. Москва, 2000.
7. 3-Международная телекоммуникационная конференция студентов и молодых ученых/ Молодежь и наука", г. Москва, 2000.
8. 26-е Гагаринские чтения. Международная молодежная научная конференция, г. Москва, 2000.
9. Седьмая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика", г. Москва, 2000.
Ю.Пятая ВНТК студентов, молодых ученых и специалистов "Новые
информационные технологии в научных исследованиях и в образовании", г.
Рязань, 2000. 11.Девятая МНТК "Проблемы передачи и обработки информации в сетях и
системах телекоммуникаций", г. Рязань, 2000. 12.36-я научно-техническая конференция, г. Рязань, 2000. 13.Шестая ВНТК студентов, молодых ученых и специалистов "Новые
информационные технологии в научных исследованиях и в образовании, г.
Рязань, 2001. 14.Десятая МНТК "Проблемы передачи и обработки информации в сетях и
системах телекоммуникаций", г. Рязань, 2001. 15.ВНТК "Биотехнологические, медицинские и экологические системы и
комплексы. Биомедсистемы -2001". г. Рязань, 2001. Іб.Научная сессия МИФИ-2002. г. Москва, 2002.
17.Седьмая ВНТК студентов, молодых ученых и специалистов "Новые
информационные технологии в научных исследованиях и в образовании", г.
Рязань, 2002. 18.Одиннадцатая международная научная конференция "Информатизация и
информационна» безопасность правоохранительных органов", г. Москва,
2002. 19.Одиннадцатая МНТК "Проблемы передачи и обработки информации в сетях
и системах телекоммуникаций", г. Рязань, 2002. 20.Научная сессия МИФИ-2003. г. Москва, 2003. 21.10-я Всероссийская научная конференция "Проблемы информационной
безопасности в системе высшей школы", г. Москва, 2003. 22.8-я ВНТК студентов, молодых ученых и специалистов "Новые
информационные технологии в научных исследованиях и в образовании", г.
Рязань, 2003. 23. 12-я МНК "Информатизация и информационная безопасность
правоохранительных органов" г. Москва, 2003. 24.Тринадцатая сессия РАО. г. Москва, 2003.
25.Международная конференция "В.А.Котельников и его роль в развитии радиоэлектроники", г. Москва, 2003.
26.12 МНТК "Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах
телекоммуникаций" ". г. Рязань, 2003. 27.Научная сессия МИФИ-2004. г. Москва , 2004. 28.Международная конференция "Молодежь и наука", г. Москва, 2004.
29. Десятая МНТК студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2004.
30. Девятая ВНТК студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании", г. Рязань, 2004.
31.Тринадцатая МНК "Информатизация и информационная безопасность правоохранительных органов", г. Москва, 2004.
32. Тринадцатая МНТК "Проблемы передачи и обработки информации в сетях
и системах телекоммуникаций", г. Рязань, 2004. 33.XII ВНК "Проблемы информационной безопасности в системе высшей
школы" г. Москва, 2005.
34.Научная сессия МИФИ-2005, г. Москва, 2005.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 52 работы. Из них 3
статьи в центральной печати, 1 учебное пособие, 2 статьи в региональных
журналах и 6 статей в научно-технических журналах и межвузовских
сборниках трудов, 36 тезисов докладов на конференциях и 4 отчета по НИР.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 153 наименования и 5 приложений. Диссертация содержит 184 стр., в том числе 140 стр. основного текста, 85 рисунков и 3 таблицы. Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность своему
научному руководителю: д. т. н., проф. Кириллову С. Н. за неоценимую
помощь и огромную моральную поддержку, оказанную в процессе работы над
диссертацией. Автор также благодарит своих коллег, аспирантов и сотрудников
кафедр РУС, ТОР, РТС за высказанные замечания, содействие и помощь в
процессе работы и оформления диссертации. Выражаю особую благодарность
своим родным за предоставленную возможность заниматься научной
деятельностью.
Анализ реализационных возможностей алгоритма обработки речевых сигналов на основе представления Хургина-Яковлева в устройствах передачи информации
В общем виде представление Хургина-Яковлева допускает разложение исходного сигнала f(t) с верхней частотой F в виде [8]: где sinc(a)=sin(a)/a, a=n (t-NnA)/NA, f k)(NnA) -к-я производная сигнала, A 1/2F - величина интервала между моментами отсчетов, определенных потеореме В.А. Котельникова.
Способ обработки сигнала, основанный на формуле (1.2), подразумевает передачу как отсчетов функции f(NnA), так и ее первых N-1 производных f(NnA),..., " (NnA), которые на приемном конце поступают на соответствующие синтезирующие фильтры с импульсными переходнымифункциями: 8nk(t) = (t-NnA) sinc (;r(t-NnA)/JVA). Это дает возможностьпараллельной обработки отсчетов сигнала и его N-1 производных, что значительно снижает вычислительные затраты.
Возможность такого представления впервые была рассмотрена К. Шенноном [1], а Я.И. Хургин и В.П. Яковлев в [8, 9] разработали представление сигналов в виде (1.2). Рассмотрим особенности представления исходного сигнала в виде отсчетов сигнала и его производной, при N=2. Такое представление дает возможность восстановить функцию с финитным спектром, спектр которой сосредоточен внутри интервала (-я/А; 7t/A), через отсчеты этой функции и ее первой производной, следующих через равные интервалы 2А [9].
При этом количество информации о функции, получаемое в единицу времени, остается равным количеству данных определяемых теоремой В.А. Котельникова, так как информация заключается в отсчетах сигнала и производной [28, 29]. На приемном конце сигнал восстанавливается по формулам:
Рассмотрим структурную схему системы передачи сигналов на основе представления Хургина-Яковлева при N=2 (рисунок 1.1), с учетом отсчетов только первой производной, где Д - дифференциатор, И - дециматор, Код -кодер, Декод -декодер, КС - канал связи, ft - интерполятор, Ф1 и Ф2-синтезирующие фильтры сигнала и его производной в алгоритме Хургина Л Л л л
Яковлева, f(2n),f (2n) и f и(п),Ги(п)- отсчеты сигнала и производной на входеи на выходе интерполятора соответственно, fk(2n),fk(2n) и fk(n),f k(n)-отсчеты сигнала и производной на входе и на выходе канала связисоответственно, f](n), f2(n) - отсчеты сигнала на выходе первого и второгосинтезирующих фильтров [29...31].
Как следует из приведенной структурной схемы, первоначально происходит дискретизация исходного сигнала с частотой дискретизации определенной в соответствии с теоремой В.А. Котельникова fk. Затем дискретизированный сигнал поступает на дифференциатор, где происходит получение отсчетов производной. Далее полученные дискретные отсчеты сигнала и производной поступают в дециматор, где происходит отброс каждого второго отсчета сигнала и производной.
Потом отсчеты сигнала и производной поступают на кодер и далее в канал связи. При этом отсчеты сигнала и производной могут передаваться как по раздельным каналам, так и по одному Искаженные в канале связи кодированные отсчеты сигнала и производной поступают в двухканальный приемник. После декодирования в декодере отсчеты сигнала и производной попадают на интерполятор, где происходит вставка между соседними отсчетами входного сигнала нулевых отсчетов.
Затем отсчеты сигнала и производной поступают на синтезирующие фильтры (Ф1 и Ф2) и далее на сумматор, на выходе которого получаются отсчеты восстановленного сигнала.
Синтезирующие фильтры с импульсными переходными функциями 0n k при к=0; 1 являются полосовыми фильтрами с верхней граничной частотой F, но имеют различные амплитудно-частотные (АЧХ) и фазочастотные характеристики (ФЧХ). АЧХ А1(ш), А2(ю) и ФЧХ Ф1(ю), Ф2(а ) синтезирующих фильтров сигнала и его производной (рисунок 1.2), соответственно равны:
Покажем, что синтезирующие фильтры Ф1, Ф2 с АЧХ и ФЧХ (1.4) обеспечивают точное восстановление исходных сигналов в системах передачи с применением представления Хургина-Яковлева. Спектр восстанавливаемого сигнала в приемнике имеет вид:где Scnp(n), Snnp(n) - спектр прореженного сигнала и прореженной производной. Согласно [32, 33], для конкретного случая, когда происходит децимация и последующая интерполяция сигнала в два раза, результирующий спектр прореженного сигнала можно записать:где Sc(n), Sc.„.(n) - прямой и инверсный спектры входного сигнала. Таким образом, при АЧХ и ФЧХ (1.4) синтезирующих фильтров спектр восстановленного сигнала равен исходному спектру сигнала на входе.
Синтезирующие фильтры алгоритма обработки и передачи информации на основе представления Хургина-Яковлева имеют меньший уровень боковых лепестков импульсной характеристики, что снижает требование к их реализации. Особенно это относится к имеющему большее значение синтезирующему фильтру сигнала. Форма импульсных характеристик для синтезирующих фильтров показана на рисунке 1.3, где кривая 1- импульсная характеристика синтезирующего фильтра В.А. Котельникова; кривая 2 -импульсная характеристика синтезирующего фильтра сигнала; кривая 3 -импульсная характеристика синтезирующего фильтра производной.Рассмотрим возможность реализации синтезирующих фильтров для представления Хургина-Яковлева на основе фильтров с конечной импульсной характеристикой (КИХ) [7]:
Разработка полосового вокодера на основе представления Хургина-Яковлева
Выше рассмотрено применение представления Хургина-Яковлева при разработке кодека АДИКМ работающего на скоростях 16-32 кбит/с. В то же время, представляет интерес разработка вокодеров и полувокодеров работающих на более низких скоростях. [44].
Одним из основных требований, предъявляемых к алгоритму кодирования PC, является простота его реализации. В силу этого, в качестве исходной модели, подлежащей дальнейшему усовершенствованию на основе представления Хургина-Яковлева, предлагается использовать модель полосового вокодера, одного из простейших с точки зрения реализации и вычислительных затрат. Кроме того, основные элементы полосового вокодера лежат в основе многих современных алгоритмов кодирования, таких как CELP, MELP, MPEG и других [44].
Рисунок 2.11 - Зависимости выигрыша в отношении сигнал-шум привоздействии импульсных акустических помех различной интенсивности наРисунок 2.12 - Зависимости выигрыша в отношении сигнал-шум при воздействии импульсных акустических помех на входе систем АДИКМ садаптацией предсказателя по выходу
В полосовых вокодерах, построенных на основе теоремы В. А. Котел ьникова, обычно передаются спектральные отсчеты в пределах критических полос и полос равной разборчивости. Средние частоты для полос равной разборчивости были получены Э. Цвинкером [80] и М.А. Сапожковым [15].
С целью увеличения качества восстановленного PC в полосовом вокодере, предлагается реализация полосового вокодера на основе представления Хургина-Яковлева при частоте дискретизации 8 кГц. На рисунке 2.13 показана схема предложенного полосового вокодера на приемной (а) и передающей стороне (б). В блоке БПФ осуществляется преобразование Фурье PC, а в блоке Пр - формирование спектра производной Sn(n), путем перемножения амплитудного спектра PC S(n) с линейно возрастающей функцией и сдвигом фазового спектра PC на -тс/2:
Затем, с учетом децимации в два раза отсчетов PC, осуществляется операция наложения одной половины комплексного спектра с другой (комплексные отсчеты спектра в пределах полосы частот 0...4000 Гц складываются с отсчетами спектра в области частот 4000...8000 Гц). С учетом выражений (1.7) и (1.9), спектральные отсчеты децимированных в два раза отсчетов сигнала и производной можно записать [81]: с=їгде SCH4(n), SCB4(n), SnH4(n), SnB4(n) - спектральные отсчеты растянутого прообраза спектра входного сигнала и его производной в низкочастотной и высокочастотной области. Данная операция аналогична децимации PC во временной области. Операция производится как над спектром PC, так и над спектром производной. Полученный таким образом спектр PC является симметричным, и поэтому возможна передача его отсчетов в пределах полосы частот 0...2000 Гц.
Для дополнительного сокращения избыточности осуществляется выделение частотных полос с учетом полос критической слышимости и полос равной разборчивости и передача спектральных отсчетов, лежащих в пределах данных полос. Таким образом возможно передавать от 10 до 20 спектральных отсчетов вместо 64.
Для восстановления полного спектра по переданным спектральным отсчетам, расположенным посередине полос критической слышимости и полос равной разборчивости применяется интерполятор нулевого порядка. Использование интерполятора не является обязательным, в силу свойств слуха [80]. Затем спектральные отсчеты прореженного сигнала и производной пропускаются через фильтры Хургина-Яковлева и суммируются. На выходе осуществляется обратное преобразование Фурье от полученного спектра.
Рассмотрим расположение критических частот при построении полосового вокодера на основе алгоритма Хургина - Яковлева. При расчете критических полосок спектральных отсчетов децимированного сигнала и производной необходимо учитывать не только средние значения полосок равной разборчивости в низкочастотной части спектра F„, но и соответствующие им зеркальные частоты в высокочастотной части спектра F3B4 , положение в спектре для которых можно вычислить по формуле:В таблице.2.1 показаны спектральные полоски в пределах полосы частот 300...2000Гц, их ширина, а также значения соответствующей ей частоты в
Применение представления Хургина-Яковлева для определения искажений и фальсификаций, а также восстановления фонограмм
Вопросы исследования искажений и признаков монтажа фонограмм всегда были и остаются трудно разрешимыми. В известных системах формирования фонограмм с этой целью производится подмешивание в цифровую запись фоновых сигналов специальной структуры [23...25], представляющих собой специальный защитный сигнал, частотные компоненты которого специальным образом модулируются по амплитуде частотными компонентами полезного сигнала. Такой сигнал должен:1. Не мешать восприятию цифровой записи.2. Удовлетворять требованиям современных технологий криминалистической идентификации личности.3. Достаточно" надежно обнаруживаться в исследуемой цифровой фонограмме, но иметь защиту от несанкционированного удаления.
В современных компьютерных сетях широко распространены системы спектрального анализа, позволяющие осуществлять просмотр и редактирование спектрограммы звукового файла [23...25]. Ресурсы современных импортных программных звуковых редакторов, после некоторой их доработки, позволяют технически грамотному злоумышленнику самому воспользоваться возможностями компьютерных технологий аудиопреобразований для искажения, подавления, модификации, монтажа и т.д. речевой информации, циркулирующей в каналах связи. В силу этого, при построении высокоэффективных компьютеризированных систем защиты речевых сообщений следует исходить из того, что если нарушитель и применил какие-либо технологии речепреобразования в своих атакующих целях, то необходимо восстановить исходную фонограмму или определить признаки их фальсификации.
Применение такого защитного сигнала не может полностью исключить фальсификацию фонограммы при использовании другого защитного сигнала. Кроме того, попытка надежнее защитить PC с помощью большего количества вносимых сигналов, спектр которых лежит в пределах спектра PC, приводит к появлению заметных шумов.
Следовательно, необходима другая структура защитного сигнала, чтобы неуполномоченный пользователь не мог выделить его из общей сонограммы, а эксперт, которому могут быть известны дополнительные сведения о его структуре и особенностях формирования данного сигнала, имел возможность не только его выделения, но и определения возможной фальсификации или искажения. При этом необходимо, чтобы в общую сонограмму вводилось как можно меньшее количество гармоник защитного сигнала, вносящих дополнительный шум в полезный сигнал.
Один из методов решения данной проблемы возможен на основе представления Хургина-Яковлева. Для этого, с целью обнаружения искажения фальсификаций в фонодокументе, предлагается передавать фонограммы децимированного сигнала и производной параллельно с некоторым сдвигом т друг относительно друга:где щ - коэффициент маскирования отсчетов производной.
Структурная схема алгоритма формирования фонограммы PC по предложенному правилу показана на рисунке 3.1. Длительность сдвига т фонограммы децимированной производной, с точки зрения правильного восстановления исходного фонодокумента, должна быть не менее длительности речевого фрагмента, возможной цели фальсификации.
Рисунок 3.1 - Структурная схема алгоритма формирования фонограммы PCНаиболее часто объектами фальсификации являются частицы "не", "без", "после" и т. д., длительность которых не превышает 200...300 мс. В силу их небольшой длительности, подделку таких фрагментов зачастую трудно обнаружить. Таким образом, с учетом децимации, достаточной оказывается длительность сдвига производной на 100... 150 мс. При реальном прослушивании такого фонодокумента со сдвигом спектра производной, в силу меньшего удельного веса отсчетов децимированной производной, по сравнению с отсчетами децимированного сигнала в восстановленном сигнале, сдвиг отсчетов производной практически незаметен на слух. При экспертизе происходит обратный сдвиг фонограммы децимированных отсчетов производной. С помощью такого преобразования возможно как обнаружение фальсификаций, так и частичное восстановление исходного сигнала на интервале фальсификации.
Используя выражения (2.32), по децимированным отсчетам сигнала можно с некоторой степенью приближения определить отсчеты производной и наоборот.
Рассмотрим два варианта фальсификации: добавление фальшивого фрагмента и удаление из фонограммы оригинального фрагмента в случае, если злоумышленнику не известно, что фонодокумент сформирован на основе представления Хургина-Яковлева. Добавление фальшивого фрагмента - один из самых распространенных методов фальсификации фонограмм. Внесение фальшивого фрагмента относительно небольшой длительности в исходный фонодокумент полностью изменяет смысл всего фонодокумента. При обнаружении фальсификации необходимо как обнаружение фальшивого фрагмента, так и восстановление исходной фонограммы.
Проанализируем первый случай, когда в оригинальную фонограмму добавляется фальшивый или ложный элемент (Q (рисунок 3.2 а). В качестве примера рассмотрена фраза "Мы делали". При добавлении в нее ложного фрагмента "не" фраза меняет свое значение "Мы не делали". Как следует из рисунка 3.2 б, в, после обратного сдвига фальшивые фрагменты оказываются при восстановлении на месте вставленного и соседнего фрагмента, причем за счет несоответствия децимированных отсчетов сигнала и производной появляются фрагменты шума (fm), которые представляют собой наложенные отсчеты различных фрагментов. При этом на первом участке наложения истинными следует считать децимированные отсчеты сигнала, а во второй -децимированной производной. Тогда используя соотношения (2.32), необходимо, сначала восстанавить децимированные отсчеты производной по известным отсчетам сигнала, а затем децимированные отсчеты сигнала по известным отсчетам производной. Как следует из рисунка 3.2 г, после такой операции в фонограмме образуется эхо-сигнал соседний к фальшивому фрагменту, который можно впоследствии удалить. Данный эхо сигнал, в то же время, может служить признаком попытки фальсификации фонограммы.Возможна также фальсификация связанная с удалением оригинального фрагмента фонодокумента. При таком изменении может полностью изменится
Исследование алгоритма быстрой корреляционной обработки сигналов синхронизации на основе представления Хургина-Яковлева
При построении приемной аппаратуры синхронизации систем передачи речевой информации, спутниковой связи и навигации, а также систем радиоуправления и телеметрии космических аппаратов, в частности КИС ГПКС, комплекса управления навигационным комплексом управления космического аппарата (НКУ КА) «Kazsat» и "Клен-Р", основной является задача поиска и обнаружения сложных фазоманипулированных сигналов. Для решения этой задачи используются специализированные аппаратно реализованные корреляторы и контуры слежения за доплеровским сдвигом частоты принятого сигнала относительно опорного и фазой. При этом, устройства на основе аппаратно реализованных корреляторов являются дорогостоящими, сильно усложняющие аппаратуру потребителя. Для устранения вышеизложенных недостатков, а также для увеличения надежности и качества работы приемной аппаратуры необходимо использовать программно реализованные устройства поиска и обнаружения. При этом наиболее трудоемкой с точки зрения требуемых вычислительных затрат при обработке сигналов радиолиний управления и телеметрии является задача вычисления взаимной корреляционной функции принятого и опорного сигналов.
Наиболее трудоемкая задача при обработке сигналов синхронизации, радиолиний управления и телеметрии - вычисление свертки сигнала. На сегодняшний день, наиболее широкое распространение получили алгоритмы свертки на основе быстрых спектральных преобразований, таких как быстрое преобразование Фурье (FFT). При этом используется теоремой о свертке: где R„(t) - взаимная корреляционная функция (ВКФ) сигналов /(/) и f0(t),S(a ) и S0(co) - спектры сигналов /(/) и f0(t) соответственно, S 0 (со) -спектр,комплексно сопряженный с So (со), F x [] - оператор обратного преобразованияФурье.
Увеличение скорости обработки в данных системах возможно при распараллеливании вычислений путем применения представления Хургина-Яковлева. В случае если необходимо получить корреляционную функцию полученного сигнала с известным сигналом, выражение (3.31) принимает вид:
Схема реализации соответствующая (3.33) показана на рисунке 3.31, где К1 и К2 - множители с частотными характеристиками К1(со) и К2(со).
Как следует из анализа схемы, реализация системы обработки на основе представления Хургина-Яковлева позволяет распараллелить вычисления для отсчетов сигнала и производной и состоит из тех же основных блоков что и классический алгоритм, за исключением дифференциатора и сумматора, вычислительными операциями в которых можно пренебречь.
На рисунке 3.32 приведена зависимость выигрыша вычислительных затрат от объема выборки, при обнаружении сигналов с применением представления Хургина-Яковлева, относительно классического БПФ-алгоритма. Рисунок 3.31 - Структурная схема алгоритма корреляционной обработки на основе представления Хургина-ЯковлеваРисунок 3.32 - Зависимость выигрыша вычислительных затрат при обнаружении сигналов с применением представления Хургина-Яковлева, относительно классического БПФ-алгоритма
Как следует из анализа зависимости, применение представления Хургина-Яковлева при вычислении, ВКФ позволит добиться выигрыша от 7% до 15% при различных объемах выборки.
Недостатком представления Хургина-Яковлева является необходимость определения производной сигнала в дифференциаторе, что требует дополнительных вычислительных затрат. Исследованы различные методы получения производной и показано, что нормированное к абсолютной энергии среднеквадратическое отклонение ошибки, в случае использования наименее ресурсоемкого конечно-разностного алгоритма, не превышает 0,1. При этом общая энергия сигнала не меняется, что является допустимым при решении задачи обнаружения сигналов систем КИС ГПКС и комплекса управления НКУ КА «Kazsat» и "Клен-Р".
В результате экспериментальных исследований показано, что для получения корреляционной функции, возможно использовать выражение (3.33) и производную получать с помощью конечно-разностного алгоритма. В случае, когда необходима более точная оценка производной целесообразно получать отсчеты производной с помощью более сложных алгоритмов.
Для экспериментального исследования алгоритмов корреляционной обработки использованы: узкополосные сигналы системы «КИС ГПКС» и комплекса управления НКУ КА «Kazsat», уплотненные псевдослучайные последовательности ПСП с тактовой частотой 4,095 МГц , которая манипулирует по фазе на 0 или 180 несущее колебание. ПСП представляет собой периодическую последовательность Голда длиной 4095 символов. Кроме того использовался фазокодоманипулированный псевдослучайный квадратурный небалансный (UQPSK) сигнал универсальной наземной командно-измерительной системы "Клен-Р" вида:
