Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Шаврин Сергей Сергеевич
РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНИКИ ПОДАВЛЕНИЯ ЭФФЕКТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭХА В ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЯХ
Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Москва - 2009
Работа выполнена на кафедре многоканальной электросвязи Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Гордиенко Владимир Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Баринов Виктор Владимирович доктор технических наук, профессор Самойлов Александр Георгиевич доктор технических наук, старший научный сотрудник Цым Александр Юрьевич
Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие Научноисследовательский институт радио (ФГУП НИИР)
Защита состоится л___ _________ 2009 г. в ___ часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 219.001.03 при МТУСИ по адресу: 111024, Москва, ул. Авиамоторная, д. 8а, ауд. А-4
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МТУСИ
Автореферат разослан л 2009 г.
Учёный секретарь диссертационного совета Т.П. Косичкина
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Электрическое эхо в совокупности с другими эффектами, вызванными его некорректным подавлением, превратилось в настоящее время едва ли не в доминирующий фактор мешающего воздействия в каналах телефонной связи.
Еще в недавнем прошлом единственным проявлением мешающего воздействия эффекта электрического эха считалось наличие эхосигналов, нарушающих естественность ведения телефонного разговора. Количественно степень мешающего воздействия оценивалась минимальным значением затухания эхосигналов, обеспечивающим приемлемое качество телефонной передачи, как функции времени их распространения. Вместо времени распространения часто указывалась протяженность соединения, поскольку основная задержка в сигнал вносилась линейным трактом систем передачи.
Для борьбы с мешающим воздействием эффекта электрического эха использовался заграждающий принцип, предполагающий внесение значительного затухания в обратное направление передачи при передаче речи в прямом.
Эхоподавляющие устройства (ЭПУ), реализующие заграждающий принцип подавления эхосигналов, получили название эхозаградителей (ЭЗ). Они обеспечивали достаточно полное подавление эффекта электрического эха, а погрешности их работы хорошо маскировались шумами, перманентно действующими в каналах аналоговых систем передачи и коммутации, особенно в сетях доступа.
Развитие цифровых методов обработки сигналов и цифровой элементной базы открыло возможность реализации альтернативного заграждающему компенсационного принципа подавления эхосигналов, основанного на формировании копии эхосигнала и ее вычитании из смеси эхосигнала и полезного сигнала обратного направления передачи. Этот принцип реализуется в эхокомпенсаторах (ЭК).
В то же время цифровизация связи превратила борьбу с мешающим воздействием эффекта электрического эха в одну из наиболее важных проблем.
Это связано со следующими обстоятельствами.
Шум практически исчез из цифровых телефонных соединений, унеся с собой эффект маскирующего действия на остаточный эхосигнал, вследствие чего заметность сигналов электрического эха значительно возросла.
На современной телефонной сети связи общего пользования России, построенной в соответствии с требованиями нормативных документов, последний из которых, касающийся вопросов подавления мешающего воздействия эхосигналов, датируется 1997 годом, эффект электрического эха превратился в привычное для абонентов явление. Если еще десять лет назад очень немногие были на практике знакомы с явлением электрического эха, то в настоящее время с ним знаком практически каждый. Мобильная связь, IP-телефония, средства интерполяционного уплотнения речи, многостанционный доступ к ИСЗ и многое другое, считавшееся экзотикой на момент разработки нормативных документов, превратились в обыденные и широко распространенные технологии, обеспечившие, фактически, второе рождение проблемы эффекта электрического эха в телефонных каналах.
Значительно увеличилась доля каналов, требующих использования средств подавления эффекта электрического эха, за счет широкого использования на сетях связи цифровых методов обработки сигнала, связанных, главным образом, с блочным характером обработки. В частности, значительное распространение получили системы, использующие интерполяционные алгоритмы сжатия речи. На фиксированных сетях статус стандарта де-факто приобрел алгоритм CS-ACELP, обеспечивающий восьмикратное сжатие речи с незначительной потерей качества, а на сетях мобильной связи - GSM 06.10, реализуемый близкими к CS-ACELP процедурами и обладающий похожими свойствами.
Существенно изменились архитектура и характеристики абонентского оборудования.
Появились новые способы и средства передачи телефонных сообщений, выдвинувшие IP - телефонию на лидирующие позиции по степени мешающего воздействия эффекта электрического эха. Стремление к экономии средств и к передаче максимально возможного трафика при имеющейся пропускной способности шлюзов в сеть общего пользования заставляет операторов использовать максимальную емкость буфера сбора пакетов, часто усугубляя картину передачи сжатием речи по алгоритму CS-ACELP. Естественно, подобные меры приводят к увеличению времени распространения сигналов по каналам, и, как следствие, к необходимости применения ЭПУ.
Со времени самых первых испытаний ЭК и до настоящего момента одной из главных проблем полноценного и качественного компенсационного подавления эхосигналов является нелинейность, повсеместно встречающаяся в телефонных соединениях. В частности, перманентным и неустранимым источником нелинейности эхотрактов (ЭТ) является компандирование сигнала в цифровых системах передачи.
Еще одним столь же существенным фактором, как и нелинейность, влияющим на работу ЭК и обеспечиваемое качество телефонной передачи по эхозащищенным каналам, является параметрическое изменение характеристик ЭТ.
Импульсная помеха как фактор нарушения адекватности работы ЭПУ и причина клиппирования сигнала приобретает особое значение в каналах, обладающих свойством размножения ошибок, например, в каналах мобильной связи и в каналах, использующих интерполяционные механизмы сжатия речи или средства защиты информации.
Более того, в некоторых случаях ЭК сам становится источником эхосигналов в телефонных каналах, т.е. некорректная работа ЭК вызывает генерацию эхосигнала даже при его реальном отсутствии.
Таким образом, подавление эффекта электрического эха в современных условиях превратилось в сложную системную и сетевую задачу.
Проблемам исследования мешающего воздействия эффекта электрического эха и разработки средств его снижения посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных авторов.
Отечественная школа исследования проблемы электрического эха обязана своим основанием таким видным ученым, как А.П.Резвяков, В.Н.Тетерев, Н.А.Баев и др. Существенный вклад в ее развитие внесли М.К.Цыбулин, А.Д.Снегов, А.Г.Мурадян, М.А.Жарков, Г.В.Вемян, В.И.Иванов, П.Н.Муравчик, Раппопорт Э.З. и др.
Зарубежные исследования по данной проблеме связаны с именами таких исследователей, как M.M.Sondhi, D.A.Barkley, R.Wehrmann, J.Hutter, G.Williams, D.G.Messerschmitt, R.R.Riesz, M.R.Asharif, S.L.Gay, S.Tsujii, T.Petillon и др.
Однако результаты, представленные в известных источниках, носят узкоспециальный характер, т.к. цель системного решения проблемы электрического эха на сетях, включающего вопросы психофизиологических особенностей восприятия и сопоставимости степени мешающего воздействия основных факторов и явлений, сетевого взаимодействия, взаимного влияния ЭПУ и оборудования систем передачи и коммутации и т.п., в этих работах не ставилась.
Изложенные положения дают основание для включения проблемы электрического эха на сети связи в число наиболее важных и актуальных задач отрасли, требующих системного подхода и адекватных аппаратных, программных и сетевых решений.
Цель и основные задачи работы. Основной целью работы является разработка концепции системного решения проблемы подавления мешающего воздействия эхосигналов на сети связи РФ.
Поставленная цель предполагает решение следующих основных задач:
- обобщение и систематизация имеющихся на настоящий момент результатов научных и экспериментальных исследований по проблемам подавления эхосигналов в различных сегментах Единой сети электросвязи Российской Федерации (ЕСЭ РФ), а также по проблеме восприятия эхосигналов человеком и методам количественной оценки этого влияния;
- разработка метода, обеспечивающего наиболее адекватную оценку качества телефонной передачи по каналам связи с заметным мешающим воздействием эффекта электрического эха, учитывающую разнообразные аспекты и особенности его субъективного восприятия;
- разработка комплекса математических, имитационных и машинных моделей, предназначенных для проведения теоретических и экспериментальных исследований методов подавления эхосигналов и описывающих заграждающий и компенсационный принципы подавления эхосигналов, эхотракты, каналы передачи, взаимодействие сигналов и шумов в их системе; оптимизация характеристик ЭПУ по принятым параметрам и критериям;
- разработка концепции построения ЭПУ и конкретных рекомендаций по выбору принципов и средств подавления мешающего воздействия эффекта электрического эха, ориентированных на использование в различных сетевых приложениях;
- разработка стратегии размещения ЭПУ на сети связи страны и принципов управления их работой, обеспечивающих наиболее высокое качество телефонной передачи;
- разработка предложений по коррекции нормативной базы, регламентирующей вопросы построения, проектирования и эксплуатации оборудования на сетях связи с позиций обеспечения полноценного подавления эффекта электрического эха.
Методы исследования. Исследования, проведенные в настоящей диссертационной работе, базируются на методах математической статистики, теории выбора и принятия решений, теории систем автоматического управления, теории случайных процессов и методах статистической радиотехники. В работе используются методы цифровой фильтрации, математического и компьютерного моделирования.
Исследования проводились с использованием программного обеспечения, разработанного автором.
Научная новизна.
1. Предложены концепция и информационная модель субъективного восприятия эхосигналов, отличающиеся выявленным наличием механизма компенсации эхосигналов в цепи отрицательной обратной связи процесса речеобразования и механизма адаптивного перераспределения пропускной способности логических каналов ввода/вывода информации, формирующего сигнал о наличии затруднений в случаях информационных перегрузок.
Предложенные концепция и модель позволяют объяснить сущность многих явлений, например, таких как ход зависимости степени мешающего воздействия эффекта электрического эха от времени задержки эхосигналов и других факторов, сопоставление степени мешающего воздействия гладкого шума, разборчивых и неразборчивых эхосигналов на говорящего и слушающего абонентов в различных условиях и др.
2. Предложен адекватный показатель качества телефонной передачи в условиях мешающего воздействия эффекта электрического эха - вероятность появления затруднений у абонентов при разговоре по каналу с заданным ансамблем влияющих факторов. Разработана методика его практического определения с требуемой точностью. Этот показатель может быть использован также для оценки эффективности и оптимизации стратегии размещения ЭПУ на сети связи страны и алгоритмов управления их работой.
3. На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных на различных сегментах ЕСЭ РФ, синтезирован комплекс математических, имитационных и машинных моделей, описывающий:
каналы, организованные с использованием систем передачи различных видов;
эхотракты, характерные для аналоговых и цифровых сетей доступа;
заграждающий и компенсационный принципы подавления эхосигналов;
взаимодействие сигналов и шумов в их системе и др. Отличительной особенностью разработанного комплекса моделей является взаимный учет характерных видов мешающих факторов с возможностью детализации исследования их влияния в системе на степень мешающего воздействия эффекта электрического эха и на функционирование сетей и систем передачи.
4. В результате анализа данных масштабных экспериментальных исследований, проведенных автором на реальных сетях связи, обоснована необходимость изменения номенклатуры динамических характеристик заграждающего принципа подавления эхосигналов с целью повышения качества телефонной передачи по эхозащищенным каналам.
5. Предложена новая концепция реализации заграждающего принципа подавления эхосигналов, адаптивного к влиянию характеристик ЭТ, отличающаяся механизмом компенсации временного сдвига между огибающими сигналов в трактах прямого и обратного направлений передачи. Предложенная концепция обеспечивает практически полное исключение эффекта ложного перебоя в каналах и возможность эксплуатации заграждающего принципа подавления эхосигналов в полнофункциональном режиме с размещением ЭЗ в различных точках соединения.
6. Предложено и обосновано комплексное решение, обеспечивающее повышение качества телефонной передачи при использовании заграждающего принципа подавления эхосигналов за счет снижения раздражающего действия ключевых эффектов. На основании результатов исследований определены требования к закону изменения и скорости внесения затухания, а также к статистическим характеристикам и способу генерации шума комфортности, что обеспечивает наиболее высокую субъективную оценку качества телефонной передачи.
7. Выявлены основные причины и механизмы неадекватной работы эхоподавляющих устройств в каналах, оборудованных средствами защиты передаваемой информации от несанкционированного доступа, использующими блочные криптографические алгоритмы.
Обоснованы концепция, архитектура и алгоритм функционирования ЭК, обеспечивающие существенное снижение клиппирования передаваемой речи в каналах, защищенных от несанкционированного доступа, и отличающиеся принципом определения границ участков сигнала, пораженных ошибками передачи, с учетом эффекта их размножения блочным алгоритмом криптозащиты.
8. Выявлены основные причины неадекватной работы эхоподавляющих устройств в мобильных соединениях, механизмы и количественные характеристики влияния основных факторов на качество телефонной передачи.
Предложена концепция комбинированного ЭК, предназначенного для устойчивой работы в мобильных соединениях, отличающаяся совмещением двух алгоритмов адаптивной настройки трансверсального фильтра (нормализованных наименьших средних квадратов и корреляционного) и возможностью устранения источника клиппирования речи ближнего абонента.
9. Предложена и обоснована концепция стратегии размещения ЭПУ на сети и принципов управления их работой, обеспечивающая наиболее корректное подавление мешающего воздействия эхосигналов на развивающейся сети связи страны, учитывающая потенциальные возможности используемых систем сигнализации и концепцию интерцепции управляющего сигнала (бита С) для нейтрализации активности транзитных ЭПУ.
Практическая ценность 1. Предложенная автором номенклатура динамических характеристик ЭЗ:
- вошла в отраслевой стандарт Аппаратура эхозаграждения и эхокомпенсации для линий связи ОСТ 45.97-97;
- легла в основу алгоритмов функционирования серийно выпускавшихся эхозаградителей КЭЗЦА.001ЕКЭЗ-А.004 и более поздних моделей КЭЗЦ А.Ц01ЕКЭЗ-А.Ц02, выпускаемых в настоящее время.
2. Указанные выше модификации ЭПУ вошли в отраслевой РД Требования по установке эхоподавляющих устройств. Руководящий документ по Системе автоматизированной телефонной связи общего пользования как лэхозаградители с улучшенными динамическими характеристиками.
Разработка отмеченных ЭПУ удостоена премии Ленинского Комсомола в области науки и техники за 1990 год.
3. Предложенные архитектура и алгоритм работы ЭПУ реализованы в серийно выпускаемых в настоящее время моделях цифровых эхозаградителей КЭЗЦА.Ц02, отмеченных Постановлением Коллегии Государственного Комитета Российской Федерации по связи и информатизации №2 - 1 от 26.01.99 как пример конкурентоспособной продукции Российских производителей.
4. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс МТУСИ в курсах Микропроцессоры в цифровых системах передачи, Многоканальные цифровые системы передачи и средства их защиты от несанкционированного доступа, а также в качестве тем многих дипломных проектов и магистерских диссертаций.
5. Внедрение результатов диссертационной работы с указанием достигнутых эффектов подтверждено актами внедрения, полученными от фирмы - производителя эхозаградителей ЗАО Связьпром, отзывами от эксплуатирующих организаций ОАО Ростелеком, ОАО Артелеком, ОАО ММТ, ОАО Коминком, ЗАО Комбеллга, ОАО Электросвязь Оренбургской области, ЗАО Телепорт ЦТП и др.
Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы широко обсуждались на международных и межрегиональных конференциях, секции Радиоэлектроника при Центральном Доме Ученых РАН, в рамках совместного семинара ИПК МТУСИ и журнала Вестник связи (Вестник связи, 2005, №4, с. 80-84) на конференциях и сессиях НТОРЭС им А.С. Попова, на конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженернотехнического состава МТУСИ, а также опубликованы в ряде научных журналов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 99 работ, из них 17 в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК, в общем числе 30 работ без соавторства.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 340 страницах машинописного текста.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Отраженные сигналы в телефонных каналах - электрическое эхо - приобрели в настоящее время статус одного из доминирующих факторов мешающего воздействия на сетях связи, которое на практике может проявляться как:
- эффект электрического эха, который может иметь разборчивый или неразборчивый, непрерывный или пропульсивный характер, и оказывать влияние как на говорящего, так и на слушающего абонента;
- клиппирование передаваемых речевых сигналов, вызванное либо ключевыми элементами, входящими в архитектуру ЭПУ, при возникновении условий, нарушающих их нормальную работу, либо ключевыми эффектами, вносимыми другими видами оборудования, например, оборудованием статистических систем передачи при возникновении перегрузок, вызванных влиянием эхосигналов;
- специфический металлический призвук во время встречного разговора, вызванный влиянием эхосигналов на адекватность преобразования речевых сигналов в системах сжатия, например, использующих предиктивные алгоритмы, такие как GSM06.10 или CS-ACELP;
- коммутация шума в телефонах абонентов в процессе разговора ключевыми элементами эхоподавляющих устройств и др.
2. В акустическом восприятии человека действует механизм компенсации эхосигналов на этапе, предшествующем передаче звуков в фазу семантической обработки. Механизм компенсации эхосигналов, действующий в акустическом восприятии человека, в частности, поддерживает:
- функции структур адаптивных фильтров КИХ и БИХ структур;
- память (длину) фильтров, соответствующую времени распространения эхосигнала до точки отражения 25..30 мс без привлечения дополнительных ресурсов.
Петля отрицательной обратной связи механизма речеобразования человека не привязана к какому-либо эталонному источнику звука, а механизм слуховой реакции человека на собственную речь минимизирует вычислительные ресурсы мозга, задействованные для ее обработки.
3. Вероятность появления затруднений при разговоре является базовым показателем качества телефонной передачи, обеспечивающим адекватную сравнительную оценку мешающего воздействия эффекта электрического эха и явлений, обусловленных работой в канале эхоподавляющих устройств. Среднее по сети значение этой вероятности может быть определено с требуемой точностью на конечной выборке наблюдений в соответствии с предложенной методикой и использовано в качестве функции оптимизации характеристик ЭПУ, стратегии их размещения на сети связи страны и принципов управления их работой.
4. Разработанный комплекс математических и машинных моделей каналов передачи, эхотрактов, методов подавления эхосигналов и основных факторов, оказывающих влияние на их функционирование, обладая взаимным соответствием представлений, обеспечивает возможность адекватного исследования и оптимизации характеристик ЭПУ и принципов управления ими по принятым критериям для широкого круга сетевых приложений, включая мобильную связь, защищенные системы, IP - телефонию и др.
5. Проблема электрического эха на ЕСЭ РФ требует системного подхода. С точки зрения борьбы с мешающим воздействием отраженных сигналов сеть связи страны представляет собой сверхсложную систему, локальные действия по подавлению эхосигналов в которой далеко не всегда обеспечивают позитивный результат, а в некоторых случаях результат может оказаться негативным. Ни один оператор, подключаясь к сети связи общего пользования, не в состоянии решить проблему электрического эха для своих абонентов собственными силами и ресурсами. Подключение каждого нового оператора или увеличение объема его среднего трафика требует, как правило, дооборудования всех АМТС сети ЭПУ, или, как минимум, изменений в размещении имеющихся ЭПУ и управлении их работой.
6. Важным условием успешного решения проблемы электрического эха на сети связи является изменение правил оборудования сети ЭПУ и алгоритмов управления их работой в соответствии с предложенными концепциями, целевой функцией которого должно быть обеспечение минимального среднего по сети значения вероятности появления затруднений при разговорах.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, изложены основные научные результаты, приведены сведения об апробации работы и положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведено теоретическое исследование механизма и основных психофизических аспектов восприятия человеком сигналов электрического эха.
Проведен сравнительный анализ основных методов субъективной оценки качества телефонной передачи, используемых в настоящее время для измерения степени мешающего воздействия эффекта электрического эха и различных явлений, обусловленных некорректной работой ЭПУ в каналах связи.
Анализ результатов ранее проведенных исследований выявил неполноту известных теорий и моделей акустического взаимодействия человека с окружающей средой в части психофизики субъективного восприятия отраженных акустических сигналов.
Предложена новая информационная модель субъективного восприятия эхосигналов, которая отличается от известных:
- выявленным наличием в цепи отрицательной обратной связи процесса речеобразования механизма компенсации эхосигналов, поддерживающего функцию структур адаптивных фильтров как с конечной, так и с бесконечной импульсной характеристикой, и минимизирующего вычислительные ресурсы мозга, задействуемые для семантической обработки произносимых звуков;
- включением механизма адаптивного перераспределения пропускной способности логических каналов ввода/вывода информации, формирующего сигнал о наличии затруднений в случаях информационных перегрузок.
Разработанная модель обеспечивает адекватное объяснение и описание таких эффектов, как зависимость степени мешающего воздействия эффекта электрического эха от времени задержки эхосигналов и других факторов, сопоставление степени мешающего воздействия гладкого шума, разборчивых и неразборчивых эхосигналов на говорящего и слушающего абонентов в различных условиях, гистерезис в восприятии человеком эффекта электрического эха на пороге заметности мешающего воздействия и др. Эта модель позволила выявить первичный признак реакции человека на снижение качества телефонной передачи, обусловленное информационной перегрузкой эхосигналами, - появление затруднений при разговоре, а также определить требования к динамике подавления эхосигналов.
Результаты исследований, проведенных с использованием независимой E - модели прогнозирования качества телефонной передачи на перспективных (проектируемых) сетях связи, подтверждают основные положения предложенной информационной модели субъективного восприятия эхосигналов.
Базой для сравнительного анализа мешающего воздействия эха говорящего и эха слушающего абонентов могут служить показатели Idte и Idle, входящие в общий показатель R качества телефонной передачи в виде субтрактивных составляющих с одинаковым весом. При проведении исследований принимались равными значения WEPL взвешенного затухания эхотрактов на разных концах канала, а задержка сигнала по петле, образованной каналом и двумя ЭТ, принималась равной удвоенному значению среднего времени распространения сигнала в одном направлении от говорящего абонента до точки отражения. После математических упрощений и с учетом рекомендованных значений для ряда параметров выражения для исследуемых показателей приведены к следующему виду:
Idte =(Lbe + Lbe2 + 100 - 1) (1- e-T ), (1) T 1 + 10 -0.3 T где Lbe = 12.38 + 1.25 WEPL + Ktr, Ktr = 50 lg + 7.5 e.
T 1+ 1Idle = Lel + Lel + 169, где (2) -0.Lel = 47.38 - 5.25 (WEPL + 7) (2 T + 1).
В выражениях (1) и (2) Т - значение среднего времени распространения сигнала от абонента до точки отражения.
Анализ результатов проведенных исследований дает основание сформулировать ряд выводов.
При любых равных уровнях громкости эхосигналы оказывают более значительное мешающее воздействие на слушающего абонента, чем на говорящего, если время распространения в одном направлении Т не превышает 30 мс, а при Т > 200 мс его влияние на разницу в восприятии эхосигналов говорящим и слушающим абонентом постепенно нивелируется. Этот вывод иллюстрируется представленной на рисунке 1 зависимостью показателей Idte и Idle от времени распространения Т при WEPL = 27 дБ.
Idt e Idle 0 200 400 600 8T, мс Рисунок 1. Влияние эхосигналов на говорящего и слушающего абонентов.
Кроме того, адекватность разработанной информационной модели косвенно подтверждается наличием оптимума зависимости качества телефонной передачи от уровня местного эффекта. Этот оптимум соответствует привычным для человека условиям формирования эхосигналов в природе.
Показано, что в рамках концепции разработанной информационной модели субъективного восприятия эхосигналов первичным показателем влияния эхосигналов на качество телефонной передачи является факт появления затруднений у абонентов при разговоре. Предложена методика оценки вероятности появления затруднений при разговоре по каналу, обеспечивающая возможность адекватной количественной сравнительной оценки качества телефонной передачи для широкого круга условий, включая мешающее воздействие эффекта электрического эха и явлений, сопровождающих включение в канал ЭПУ. Выведенные соотношения, доказывая возможность получения на конечной выборке наблюдений состоятельной несмещенной оценки вероятности появления затруднений, позволяют определить точность полученных оценок.
Предложено использование среднего по сети или сегменту сети значения вероятности появления затруднений как критерия оценки степени снижения качества телефонной передачи за счет мешающего воздействия эффекта электрического эха или некорректной работы ЭПУ.
Разработанный на основе предложенного критерия метод оценки эффективности алгоритмов управления и оптимизации характеристик ЭПУ Idte, Idle обеспечивает возможность учета структуры сети связи, динамики ее развития и разброса характеристик входящих в ее состав каналов.
Во второй главе проведен анализ основных источников и составляющих эхосигналов в телефонных каналах на ЕСЭ РФ и влияния характеристик основных узлов сетевого оборудования на характеристики эхосигналов.
На основании результатов проведенных исследований синтезирован комплекс математических и машинных моделей, описывающий наиболее важные (с точки зрения восприятия и возможностей подавления эхосигналов) факторы воздействия на сети - нелинейность, шумы и параметрические отклонения. В основу моделей легли результаты исследований, проведенных в реальных сетевых условиях.
В частности, модель ЭТ, образованного аналоговой сетью доступа, основана на статистике частотных характеристик переходного затухания оконечных дифференциальных систем АП ( f ) = -ln К для сетей связи г. Москвы.
ДС Пример типичной характеристики АП ( f ) представлен на рисунке 2.
Рисунок 2. Пример типичной частотной характеристики затухания эхотракта.
Форма импульсной характеристики ЭТ описывается выражением:
N jt j (t+i ) g (t) = D( j) e d + Hi ( j) e d, (3) Д i=- - где D( j) - комплексный коэффициент передачи эхосигнала непосредственно через неуравновешенную дифференциальную систему; Hi ( j) - комплексный коэффициент передачи эхосигнала, отраженного от i -ой неоднородности; i - концевая задержка эхосигнала, отраженного от i -ой неоднородности. При этом Hi ( j) на значимом участке определяется в несколько этапов.
На первом этапе выделяется составляющая D( j), имеющая гладкий характер зависимости от частоты; ее модуль и фаза определяются численно в соответствии с выражениями:
D[( fext i + fext i+1) / 2] = exp{- Aп[( fext i + fext i+1) / 2]} (4) D[( fext i + fext i+2 ) / 2] = ( fext i + fext i+2 ) / ( fext i+2 - fext i ) (5) где fext i - значение частоты, соответствующей i -ому экстремуму характеристики АП ( f ).
Вклад остальных точек отражения H ( j) определяется решением системы уравнений:
(6) i i i D( fext ) + Ho ( fext ) = exp[- AП ( fext )] для максимумов AП ( f ) D( fext ) - Ho ( fext ) = exp[- AП ( fext )] для минимумов AП ( f ) (7) j j j На следующих этапах аналогичная процедура вычислений итеративно применяется к составляющей | Hо () | до тех пор, пока колебательный характер ее частотной зависимости не войдет в пределы допустимой погрешности представления.
Результаты проведенных исследований, в частности, показали, что импульсная характеристика ЭТ может быть с приемлемой точностью описана структурой фильтра с конечной импульсной характеристикой. При этом длительность значимой части импульсной характеристики может быть для подавляющего большинства ЭТ ограничена 5Е7 точками.
Принимая во внимание действующие нормы на допустимое значение времени концевой задержки для ЭК, предназначенных для использования в составе сетей связи, предлагается представление ЭТ в виде матрицы (таблицы) значений отсчётов импульсной характеристики g, j = 0...511, что соответствует j регламентированному значению времени концевой задержки, равному 64 мс.
Таблицы g для разных ЭТ предложено хранить в виде отдельных файлов j на жестком диске на ПК, отнеся функцию имитации параметрических воздействий в отдельный блок программной обработки.
Вычисление значения отсчета эхосигнала, прошедшего через ЭТ, без учета наличия шума или сигнала встречного разговора в предлагаемой модели осуществляется в соответствии с выражением:
N -ei = g kij (8) xi- j j j=где N = 512 - порядок фильтра, имитирующего эхотракт; g - отсчёты импульсной j характеристики ЭТ; xi - отсчеты сигнала на входе ЭТ; k, j = 0...N -1Ц матрица ji коэффициентов, учитывающих изменение j -того отсчёта импульсной характеристики ЭТ в момент времени i.
Линейные искажения, вносимые в речевой сигнал ближнего абонента и эхосигнал участком несогласованной абонентской линии длиной l с учетом многократных отражений, представлены в форме комплексных коэффициентов передачи. Комплексный коэффициент передачи полезного сигнала C ( j) соответствует чистой бесконечной импульсной характеристике и описывается выражением:
КВ( j) Q( j) КН ( j) С ( j) = (9) 1 - Q2( j) КОН ( j) КОИ ( j) Комплексный коэффициент передачи отраженного сигнала O ( j) формируется как суперпозиция отражений от двух точек и описывается совокупностью звеньев с конечной и бесконечной импульсной характеристикой:
КВ( j)Q2( j)КОН ( j)КИ ( j), O ( j) = КОК ( j) + (10) 1 - Q2( j)КОН ( j)КОИ ( j) zН - zВ 2 zВ где KОН ( j) = ; K ( j) = 1 - KОН ( j) = ;
zН + zВ Н zН + zВ zИ - zВ 2 zВ KОИ ( j) = ; KИ ( j)= 1 - KОИ ( j) = ;
zИ + zВ zИ + zВ 2 zВ zИ zВ (zВ - zИ ) KВ ( j)= ; KОК ( j)= ; Q( j) = el 2 (zИ + zВ ) (zВ + zИ ) - коэффициент распространения, Z - сопротивление нагрузки, ZВ - Н волновое сопротивление линии, Z - сопротивление источника сигнала.
И Ввиду значительной инерционности (по сравнению с процессом обработки сигналов) механических процессов, формирующих параметрические воздействия на акустический тракт распространения эхосигналов через материал корпуса телефонного аппарата, представляется допустимым использование линейной аппроксимации при имитации параметрических явлений в акустическом ЭТ.
Разработанная модель ЭТ обеспечивает возможность имитации трёх наиболее типичных видов параметрических воздействий:
- общее изменение затухания сигналов в ЭТ;
- параметрическое изменение условий распространения или отражения эха в одной точке (неоднородности);
- параметрическое изменение формы импульсной характеристики ЭТ при сохранении значения общего затухания эхосигналов, представленное в модели как перетекание точки отражения на другую позицию по шкале времени.
Общее параметрическое изменение затухания описывается выражениями:
ki = k0 + i k1 (11) N -ei = ki xi- j gi (12) j= k0, i < T1 fд ki = + k1 (i - T1 fд ), T1 fд i T2 fд (13) k 1, i > T2 fд где f - частота дискретизации, Д 1- kk1 =, (14) fд (T2 -T1) а параметры воздействия k0 <1, T1 и T1 (T1 < T1 ) являются входными параметрами модели, и устанавливаются экспериментатором по запросу программы.
Параметрические изменения импульсной характеристики ЭТ в рамках разработанной модели вводятся после вычисления отсчета ei Параметрическое изменение условий распространения для одной точки отражения описывается выражением:
1, j m kij = + k1 (i -T1 fд ), j = m, T1 fд i T2 fд (15) k k0, j = m, i < T1 fд 1, j = m, i > T1 fд N -1 m-1 N -ei = xi - j g kij = xi - j gi + (k0 + k1 i) xi-m + хi gi (16) j - j j =0 j =0 j =m+Ситуации перетекания точки отражения соответствуют выражения:
1, j m l j = m, T1 fд i T2 fд k0 + k1 (i -T1 fд ), kij = 1- k1 (i -T1 fд ), j = l, T1 fд i T2 fд (17) j = m, i < T1 fд k0, j = l, i > T2 fд j = m, i > T2 fд 1, j = l, i < T1 fд m-1 l-1 N -ei = xi- j g + xi- gi + хi- gi + xi-m (k0 + k1 (i -T1 fд )) + xi-l (1- k1 (i -T1 fд )) j j j j=0 j=m+1 j=l+В целях снижения трудоемкости разработки программной части моделей, а также сложности и объёма эксперимента, для моделирования систем кодер - декодер А-87.6/13 (Рек. G.711) предложено использование штатных встроенных средств преобразования звукового редактора CoolEdit, а для имитации работы систем передачи, использующих интерполяционные алгоритмы сжатия речи - специализированное ПО (Рек. G.729), предназначенное для настройки кодеков.
Третья глава посвящена анализу и исследованию влияния основной группы мешающих факторов на функционирование ЭПУ и на обеспечиваемое при их учете качество телефонной передачи по эхозащищенным каналам.
Проведен анализ механизмов функционирования трех основных методов подавления эхосигналов (согласующего, заграждающего и компенсационного) с позиций статистики претензий абонентов к качеству телефонной передачи на сети связи. Результаты проведенного анализа обеспечили возможность определения причин некорректного функционирования средств подавления эхосигналов на сети, эффектов их проявления и основной группы влияющих факторов.
Показано, что при использовании заграждающего принципа подавления эхосигналов снижение качества связи по эхозащищенным телефонным каналам происходит, главным образом, за счет мешающего воздействия эффектов ложного режима перебоя и клиппирования речевого сигнала.
Эффект ложного перебоя иллюстрируется на рисунке 3, где в координатах статической диаграммы состояний показано движение точки, определяющей изменение уровней сигналов в прямом ( РПД ) и обратном ( РПМ ) направлениях передачи в режиме одностороннего разговора. В отсутствие концевой задержки эхосигнала траектория движения точки представляет собой отрезок прямой линии X Y (линия I), имеющей наклон 450, причем положение точки Y определяется максимальной мощностью реализации сигнала. По мере увеличения времени концевой задержки траектория движения точки, определяющей режим ЭЗ, приобретает раскрыв (кривые 2..5), причем движение точки всегда осуществляется против часовой стрелки. Траектория вписывается в прямоугольник с вершинами в точках X и Y с обязательным касанием ко всем четырем сторонам, ее раскрыв определяется видом импульсной характеристики ЭТ и статистическими свойствами речевого сигнала. Пересечение траекторией границы АВ зоны перебоя приводит к установке режима перебой и проникновению отрезков эхосигнала в обратное направление передачи.
Возвращение в режим блокировки происходит с нормируемой задержкой после пересечения траекторией границы ЕГ зоны блокировки.
Рисунок 3. Механизм возникновения ложного перебоя.
Разработана математическая модель, описывающая заграждающий принцип подавления эхосигналов и обеспечивающая возможность исследования влияния различных факторов на статистические характеристики ложного перебоя и клиппирования речевого сигнала. В совокупности с предложенной во второй главе математической моделью ЭТ разработанная модель является универсальным средством исследования и оптимизации характеристик заграждающего принципа подавления эхосигналов в различных условиях по принятым параметрам и критериям. Проведенное исследование точности моделей и реализующего их программного обеспечения показало, что относительная вычислительная погрешность моделей на имеющихся выборках речевых сигналов не превышает 10-4. Разброс результатов при усреднении по 50 реализациям речевых сигналов продолжительностью около 20 с для статистических характеристик остаточного эхосигнала 10%.
Анализ результатов экспериментальных исследований, проведенных с использованием разработанных моделей, выявил основную группу факторов, определяющих качество телефонной передачи по эхозащищенным каналам при использовании заграждающего принципа подавления эхосигналов:
- время концевой задержки;
- затухание эхосигналов;
- асимметрия затуханий на сетях доступа;
- импульсная помеха;
- перекосы диаграммы уровней;
- шумы канала.
Показано, что при использовании компенсационного принципа доминирующим фактором мешающего воздействия является остаточный эхосигнал. Этот сигнал может иметь разборчивый и неразборчивый стабильный или пропульсивный характер, а также характер биений.
Основными показателями, характеризующими качество подавления эхосигналов компенсационным механизмом, являются вносимое в эхосигнал затухание и скорость сходимости алгоритма адаптации на речевом сигнале.
Проведен анализ свойств четырех основных методов адаптации: по критерию наименьших квадратов, наименьших средних квадратов, корреляционного и знакокорреляционного. По результатам анализа разработан комплекс математических, алгоритмических и программных моделей, описывающих компенсационный принцип подавления эхосигналов с адаптацией по методам нормализованных наименьших средних квадратов (НМНСК) и корреляционному, совместимых с разработанной во второй главе моделью ЭТ.
Анализ результатов проведенных экспериментальных исследований выделил основную группу факторов, оказывающих влияние на процесс сходимости компенсационного механизма на речевом сигнале:
- статистические характеристики речевого сигнала в тракте приема, в частности, статистика пауз в речи;
- шум в тракте передачи;
- время концевой задержки;
- нелинейность, включая интерполяционные преобразования сигнала в ЭТ и погрешность восстановления частоты;
- параметрические воздействия.
Проведенные исследования компенсационного метода подавления эхосигналов позволили сформулировать ряд выводов.
Результаты проведенных экспериментальных исследований демонстрируют уверенную сходимость алгоритма НМНСК в отсутствие внешних дестабилизирующих факторов на речевом сигнале. Алгоритм НМНСК чрезвычайно чувствителен к наличию пауз в сигнале тракта приёма при воздействии шума в тракте передачи. Паузы длительностью 0,3Е0,5 с (типичные для речи) способны привести ЭК к значительным перегрузкам, имеющим необратимый характер. Так, на рис. 4 представлена зависимость затухания эхосигналов ( АОБЩ ), обеспечиваемого при использовании алгоритма НМНСК на стационарном участке сходимости, от уровня шума ( Рш ) в тракте передачи для речи при искусственном ограничении длительности пауз значениями Т, П указанными в легенде.
Тп < 1 c < 100 мс < 50 мс < 2 мс --55 -50 -45 -40 -Р ш, дБ Рисунок 4. Влияние пауз в речи на компенсационное подавление эхосигналов.
Показательно, что затухание эхосигналов, обеспечиваемое ЭК, функционирующим по алгоритму НМНСК, не зависит ни от значения затухания, ни от формы импульсной характеристики ЭТ (при условии принадлежности этих параметров допустимым на сети пределам). Так, на рис. 5 представлены экспериментально полученные графики зависимости среднего, усредненного на интервалах 50 мс и 2 мс (пикового) уровней остаточного эхосигнала ( РЭ ОСТ ) от уровня шума ( РШ ) в тракте передачи ЭК.
Средний уровень остаточного эхосигнала на выходе тракта передачи ЭК, функционирующего по алгоритму НМНСК, с точностью до погрешности эксперимента равен среднему уровню шума, действующего на входе тракта передачи ЭК (при этом пиковые уровни речи могут существенно превышать А общ, дБ уровень шума в соответствии с реальным значением пикфактора). Если затухание ЭТ превышает 12 дБ, то влияние вида импульсной характеристики ЭТ не прослеживается на уровне погрешности эксперимента.
-1 -2 -3 -4 средний Т у с р = 50 мс -5 Т у с р = 2 мс -6 -6 0 -5 0 -4 0 -3 0 -2 Р ш, дБ Рисунок 5. Влияние шумов на компенсационное подавление эхосигналов.
Установлено, что повышенный уровень шума, попадающего в микрофон МТ, может явиться причиной проникновения в обратное направление передачи эхосигналов даже при отсутствии акустической связи телефон - микрофон.
Мешающее воздействие этого эхосигнала будет превышать мешающее воздействие шума, обусловившего его появление.
Параметрическое воздействие оказывает тем большее влияние на подавление эхосигнала ЭК, чем быстрее происходит изменение параметра, причем не только в течение интервала времени своего воздействия, но и после окончания этого интервала с последействием, равным интервалу сходимости.
Показано, что компенсационный принцип не обеспечивает высокой степени подавления эхосигналов в случае наличия в ЭТ оборудования систем передачи, использующих предиктивные алгоритмы сжатия речи. Дополнительное затухание, вносимое в эхосигнал со стороны ЭК, не превышает в этом случае дБ, причём пиковые уровни эхосигнала подавляются хуже, чем средний.
Неподавленный эхосигнал, прошедший систему кодер - декодер предиктивного сжимателя, обладает остаточной разборчивостью на фоне специфического металлического звучания, характерного для подобного типа соединений на сети связи.
Установлено, что корреляционный алгоритм при усреднении по 2отсчётам при значении параметра адаптации =5 обеспечивает такое подавление эхосигнала, что его средний уровень оказывается ниже среднего уровня шума, действующего в тракте передачи ЭК, на 8Е9 дБ. Выигрыш в степени подавления эхосигнала в присутствии шума по отношению к алгоритму НМНСК составляет также 8Е9 дБ.
Рэ ост, дБ На участках резких выбросов корреляционный алгоритм обеспечивает за счёт инерционности более высокую степень подавления (на 1Е3 дБ) по сравнению с алгоритмом НМНСК.
Выбор параметра адаптации в диапазоне 5Е10 обеспечивает приемлемые с точки зрения достижимого качества телефонной передачи характеристики ЭК - скорость и динамику сходимости. В отсутствии реального эхосигнала при наличии шума в тракте передачи эхокомпенсатор, функционирующий по корреляционному алгоритму адаптации, не создаёт эхосигнала с уровнем, заметным на фоне шума, при N = 512.
Четвертая глава посвящена развитию принципов и методов подавления эхосигналов в телефонных каналах и оптимизации характеристик ЭПУ с учетом результатов исследований, представленных в предшествующих главах.
Показано, что мешающее воздействие эффекта ложного перебоя может быть снижено до незначимого с точки зрения психофизического восприятия уровня компенсацией временного сдвига между огибающими сигналов на выходах детекторов речи прямого и обратного направлений передачи, вызванного концевой задержкой эхосигнала. При этом требуется введение в номенклатуру динамических характеристик нового параметра - времени перехода из режима перебой в режим блокировка. Оптимальное значение этого параметра для русской речи, установленное в результате проведенных экспериментальных исследований, составляет 3Е5 мс.
Предложена концепция заграждающего принципа подавления эхосигналов, адаптивного к влиянию характеристик ЭТ и обеспечивающего оптимальное в принятом смысле качество телефонной передачи по каналам, оборудованным ЭЗ и ЭК с активной функцией нелинейного процессора.
Предложено использование мягких ключей, обеспечивающих плавное внесение затухания (компрессии) и шума комфортности, и компенсация временного сдвига с помощью измерителя времени концевой задержки во взаимодействии с управляемой линией задержки.
Результаты проведенных исследований дают основание для вывода о том, что оптимальное значение скорости прямой адаптации, отклонения от которого в любую сторону одинаково приводят к ухудшению субъективных оценок качества телефонной передачи, составляет 30 дБ/с. Действующая в настоящее время рекомендация МСЭ-Т G.164, регламентирующая значение скорости прямой адаптации величиной 10 дБ/с, отражает ограничения, накладываемые на скорость адаптации существующей архитектурой эхозаградителя.
Сужение траектории движения точки, определяющей режим одностороннего разговора в координатах статической диаграммы состояний (см.
рисунок 3), в принятой концепции заграждающего принципа дает основание рекомендовать начальное смещение диаграммы в сторону зоны блокировки на 3Е5 дБ. Это ускорит процесс адаптации и в подавляющем большинстве соединений окажет положительное влияние на качество телефонной передачи. По этой же причине на 2Е3 дБ может быть снижено значение порога начала адаптации.
Оптимальная в принятом смысле работа мягких ключей обеспечивается k(t) при использовании закона изменения коэффициента передачи, описываемого выражением:
t t T k(t) = e - SБ ( )) eT d, (19) (T SБ (t) SБ (t) где: - двоичный управляющий сигнал ( =1 в режиме заграждения, SБ (t) =0 в других режимах); T = 8.69 10-4 c - постоянная времени, определяющая скорость работы ключа.
Приведенное выражение соответствует линейному закону изменения во времени затухания, вносимого ключом, со скоростью около 10 дБ/мс.
При формировании режима, помимо мощности сигналов, усредненной на интервале 2 мс, целесообразно учитывать масштабированную мощность предшествующего интервала аналогичной длительности; значение масштабирующего коэффициента, используемого при проведении эксперимента, равно 2.
Закон компрессии сигнала, обеспечивающий минимальное клиппирование в среднем по условиям проведения эксперимента, описывается выражением 0.28K (x) = 0.2 , (20) x где: x - амплитуда отсчета входного сигнала, выраженная в шагах квантования 13-разрядной сетки.
В каналах с низким затуханием ЭТ более высокое качество телефонной передачи обеспечивается при использовании закона компрессии в соответствии с выражением 28K (x) = 0.1 22, (21) x Реализация предложенных рекомендаций по развитию заграждающего принципа подавления эхосигналов обеспечивает достижение конкурентоспособного с компенсационным принципом качества телефонной передачи по эхозащищенным каналам при значительно большей устойчивости к мешающему воздействию таких факторов, как нелинейность и параметрические изменения характеристик ЭТ. Кроме того, обеспечивается возможность размещения ЭЗ на узлах автоматической коммутации и их сосредоточения на пучках каналов большой емкости, что снизит общую потребность в оборудовании ЭПУ на сети за счет повышения эффективности их использования.
Показано, что при практической реализации предложенного способа оценки значения времени концевой задержки следует учитывать, что занятость устройства оценки этого времени будет значительно меньше занятости ЭПУ. В связи с этим целесообразен групповой режим использования устройств оценки времени концевой задержки.
Использование предлагаемого способа обнаружения речевых сигналов на фоне шумов при реализации заграждающего принципа подавления эхосигналов обеспечивает возможность существенного снижения степени клиппирования речи в эхозащищенных каналах.
Оснащение ЭК детекторами одностороннего разговора, выполненными в предлагаемой идеологии обнаружения речевых сигналов на фоне шумов, действующих в каналах систем передачи, обеспечит снижение степени расстройки алгоритмов адаптации и клиппирования речи, вызванного некорректной работой нелинейного процессора.
Показано, что использование корреляционного алгоритма адаптации ЭК обеспечивает возможность подавления мешающего воздействия эхосигналов в линейных ЭТ на стационарном участке настройки до уровня достаточной степени маскировки шумами, действующими в канале, независимо от уровня шума, при условии усреднения функции взаимной корреляции по 512 произведениям и значении параметра адаптации в диапазоне 8Е10. Предложено комплексное решение, обеспечивающее возможность реализации корреляционного алгоритма адаптации ЭК на современной микропроцессорной элементной базе в приемлемых стоимостных рамках.
Пятая глава посвящена анализу и исследованию основных проблем подавления эхосигналов, возникающих в различных телекоммуникационных приложениях, а также поиску путей решения этих проблем. Рассмотрены особенности задачи подавления эхосигналов в таких приложениях, как:
- фиксированная сеть связи на стыках транспортной сети с аналоговыми и цифровыми сетями доступа;
- системы многостанционного доступа к ИСЗ;
- системы, использующие статические и интерполяционные алгоритмы сжатия речи;
- системы защиты информации от несанкционированного доступа;
- каналы сетей подвижной связи;
- каналы ЦСИО, IP-телефонии, конференцсвязи и др.
Показано, что эффективное компенсационное подавление эхосигналов на фиксированной сети может быть обеспечено, главным образом, на стыках с цифровыми сетями доступа, при этом повышенная нелинейность телефонных аппаратов (абонентских терминалов) может потребовать дополнительных средств подавления нелинейных составляющих эхосигнала. Главными факторами, способными оказывать дестабилизирующее воздействие на адаптацию традиционно используемых компенсационных средств подавления эхосигналов на стыках с аналоговыми сетями доступа, являются повышенная нелинейность и параметрические воздействия в ЭТ. В большинстве случаев в таких ситуациях использование заграждающего принципа подавления эхосигналов обеспечивает более высокое качество телефонной передачи.
Анализ условий функционирования ЭПУ в телекоммуникационных приложениях, использующих интерполяционные алгоритмы сжатия речи, проведенный с учетом результатов исследований, представленных в предшествующих главах, выявил взаимный характер влияния ЭПУ и средств сжатия речи.
Интерполяционные алгоритмы сжатия, обладая свойством сгруппированного размножения ошибок передачи, могут оказывать существенное дестабилизирующее воздействие на работу нелинейного процессора ЭПУ, иллюстрируемое рисунком 6. Так, одиночная ошибка, возникающая при передаче речевого сигнала, уплотненного по алгоритмам CS-ACELP или GSM 06.10, может иметь в восстановленном сигнале последействие до 0.5 с, вызывая неприемлемые с точки зрения качества телефонной передачи пропадания сигнала в эхозащищенных каналах.
Рисунок 6. Влияние ошибок на передачу сжатого речевого сигнала.
Влияние неполного подавления эхосигналов на адекватность преобразования речи интерполяционными алгоритмами (обратное влияние) иллюстрируется рисунком 7. Сжатие суммы речевых сигналов двух разных e(t) y(t) абонентов (эхосигнала и сигнала ближнего абонента ) нарушает адекватность преобразований, вызывая в восстановленном сигнале некоторый d(t) разностный сигнал, не являющийся линейной комбинацией исходных y(t) e(t) y''(t) e"(t) d(t) сигналов, или восстановленных,. Разностный сигнал имеет характерное металлическое звучание и остаточную разборчивость, его пикфактор имеет порядок 28Е33 дБ, а пиковые значения уровня могут превышать уровень основного речевого сигнала даже при высокой (~27дБ) степени подавления эхосигнала. Неполное подавление эхосигнала в статистических системах передачи, характерное для компенсационных механизмов подавления эхосигналов, приводит к повышению вероятности статистических перегрузок, вызывая в некоторых случаях устойчивое пропадание отрезков речи, длительностью порядка 1 с.
Разработаны рекомендации по обеспечению минимизации взаимного влияния ЭПУ и средств интерполяционного сжатия речи, предусматривающие использование комбинации компенсационного и заграждающего принципов с размещением ЭПУ на обоих концах соединения и внесением шума комфортности в тракт приема ЭПУ.
Свойством сгруппированного размножения ошибок, способного нарушить корректность работы заграждающего принципа подавления эхосигналов, обладают также системы защиты информации от несанкционированного доступа, использующие блоковые (блочные) алгоритмы криптозащиты. К таким алгоритмам относятся широко используемые IDEA, Blowfish, ГОСТ 28147-89, RSA и др.
Рисунок 7. Влияние неподавленных эхосигналов на работу интерполяционных систем сжатия речи.
Разработана концепция ЭПУ для защищенных систем, обеспечивающая локализацию границ участка сигнала, пораженного ошибками передачи, дезактивацию работы нелинейного процессора и алгоритма адаптации ЭПУ на пораженном участке, а также внесение управляемого затухания, обеспечивающего улучшение субъективного восприятия сигнала в защищенных системах в условиях воздействия ошибок передачи.
Показано, что проблема подавления эхосигналов в сетях подвижной связи, использующих интерполяционное сжатие речи и средства ее защиты от несанкционированного доступа на участке распространения сигнала между мобильным терминалом (МТ) (абонентской радиостанцией (АРС)) и базовой станцией, усугубляется высокими значениями коэффициента ошибок передачи на этом участке в сложных условиях радиоприема, характерных для эксплуатации МТ (АРС).
Помимо отмеченных, задача подавления эхосигналов в системах подвижной связи осложняется рядом следующих обстоятельств.
Отсутствие строгих норм на диаграмму уровней соединения является значимым фактором, дестабилизирующим работу ЭПУ и усугубляемым возможностью бесконтрольной регулировки уровня звука в АРС в широких пределах. При этом характеристики АРС, используемых на сетях связи, достоверно не известны, т.к. вопросы их регламентации находятся за пределами возможностей операторов связи.
Характеристики ЭТ АРС подвержены медленным параметрическим воздействиям за счет изменения усилий, прикладываемых абонентом к корпусу АРС, и площади контакта корпуса с телом абонента в процессе разговора, что также будет оказывать дестабилизирующее воздействие на сходимость алгоритмов ЭК.
Ключевым положением задачи подавления эхосигналов на сетях подвижной связи является влияние высокого уровня шума в направлении от АРС в сторону базовой станции, характерного для условий эксплуатации АРС вне помещений. В соответствии с результатами исследований, представленными в третьей главе, влияние этого шума вследствие специфики используемых на сетях алгоритмов адаптации ЭПУ выражается в генерации самим ЭПУ эхосигнала, средняя мощность которого примерно равна средней мощности шума, а мешающее воздействие существенно превосходит воздействие шума.
Ограничение времени распространения сигнала при местных соединениях по каналам мобильной связи значением 100 мс (практически измеренное - 101 Е 103 мс) открывает возможность обеспечения приемлемой степени подавления эхосигналов чисто компенсационным механизмом без использования функции нелинейного процессора (НП). Исключение функции НП позволит избежать клиппирования шумов помещения и передаваемой речи в процессе разговора.
Эхотракт АРС не включает систем кодер-декодер А-87,6/13, что дает основание для отказа от использования функции НП в архитектуре встроенного ЭК. Нелинейность среды передачи акустического канала телефон - микрофон АРС может вызвать появление нелинейных составляющих высокого уровня в составе эхосигнала на повышенных уровнях громкости, что в значительной степени отрицательно повлияет на сходимость используемых алгоритмов адаптации ЭК, однако в этом случае НП не сможет обеспечить надлежащего подавления остаточного эхосигнала и его использование не приведет к повышению качества телефонной передачи.
В результате показано, что совокупность алгоритмов НМНСК и корреляционного достаточна для качественного подавления эхосигналов в каналах мобильной связи с помощью компенсационного механизма без использования НП (заграждающего механизма).
Предложены концепция, архитектура и алгоритмы работы комбинированного эхокомпенсатора, предназначенного для устойчивой работы в мобильных соединениях, отличающиеся совмещением двух отмеченных выше алгоритмов адаптивной настройки трансверсального фильтра.
При этом значение параметра адаптации алгоритма НМНСК, обеспечивающее необходимую скорость сходимости и устойчивость, лежит в пределах 0,01Е0,02 (это несколько выше, чем принято в ЭК), а требуемая степень подавления эхосигналов корреляционным алгоритмом может быть обеспечена вычислением корреляции по 256Е512 произведениям. Время настройки ЭК в этом случае не превышает 3Е4 с на реальном речевом сигнале. Свойства комбинированного решения в сравнении с алгоритмами НМНСК и АЭ корреляционным отражены в формате вносимого в эхосигнал затухания при РШ Та разных значениях уровня шума в тракте передачи на этапе адаптации (0..Т с) и на стационарном участке подавления (9..18 с) в таблице 1 для =0.01.
П Главной особенностью предлагаемых архитектуры и алгоритма работы является возможность исключения активности нелинейного процессора в подавляющем большинстве соединений, что устраняет главный источник клиппирования речи ближнего абонента.
Таблица АЭ, дБ НМНСК Корреляционный Комбинированный РШ, дБ Та Т Та Т Та Т Та Т П П П П 0...4 c 9...18 c 0...4 c 9...18 c 0...4 c 9...18 c 0...4 c 9...18 c -28,1 -28,1 -4,8 10,5 -3,3 16,1 -3,2 16,-33,0 -33,0 0,6 15,5 0,5 20,9 0,5 21,-37,9 -37,9 5,2 20,2 4,8 25,9 4,9 26,-42,9 -42,9 9,5 24,9 9,8 30,9 9,9 31,-48,2 -48,3 13,2 28,9 15,1 36,2 15,2 36,-53,6 -53,6 15,5 31,4 20,3 41,5 20,4 41,-58,9 -58,9 16,8 32,5 25,6 47,0 25,7 47, шума нет 17,5 32,5 38,6 63,1 39,0 63,Разработаны рекомендации по обеспечению полноценного подавления эхосигналов, возникающих в АРС, с помощью ЭПУ, размещенного в центре коммутации, и по выбору технических средств для реализации такого подавления.
В шестой главе рассмотрены основные сетевые аспекты функционирования и использование ЭПУ с позиций взаимодействия с сетевым оборудованием ЕСЭ РФ.
Результаты проведения анализа мировых тенденций развития и использования ЭПУ выявили следующие основные направления:
- схемотехническая и прикладная интеграция ЭПУ в специализированные ИМС и включение их в состав систем передачи и коммутационных станций в качестве встроенного оборудования;
- включение в номенклатуру функции ЭПУ системных и сервисных функций сетевого оборудования и систем передачи, таких, как, например, функции трансляции линейных сигналов систем сигнализации, поддержку управления по разным протоколам, включая Q.921, Q.931, Q.50, R2, C5, EDSS1, Tetra, по биту С и др.;
- изменение тенденций конструктивных решений в сторону идеологии загружаемых платформ;
- повышение качества и надежности телефонной передачи за счет непрерывной самодиагностики и дистанционного управления и контроля, использующего IP технологии, что обеспечивает корректную активизацию ЭПУ в соединении.
Результаты анализа современного состояния проблемы эффекта электрического эха на ЕСЭ РФ выявили несоответствие действующих нормативных документов отрасли, регламентирующих правила оборудования сети ЭПУ и управления их работой, современному уровню развития сети.
Показано, что действующие нормативные документы в современных условиях функционирования и развития ЕСЭ РФ не обеспечивают возможности использования системного подхода к проблеме подавления мешающего воздействия эффекта электрического эха.
Разработана стратегия размещения оборудования ЭПУ на ЕСЭ РФ и системы принципов управления их работой, основанная на предложенном в первой главе критерии минимизации (или обеспечении заданного среднего по сети) значения вероятности появления затруднений у абонентов при разговорах, включающая концепцию интерцепции управляющего бита С.
В рамках предлагаемого подхода проблема оборудования ЕСЭ РФ эхоподавляющими устройствами и управления их работой сформулирована как системная задача оптимизации качества телефонной передачи по каналам сети.
В качестве функции оптимизации предлагается показатель эффективности подавления эхосигналов:
r V ~ r r r r r r r ~ (V0)= pэ pX (V | 0) V (V)dV + (1 - pэ ) pX (V | k) V (V)dV (22) min r k V - 0 где: pэ - значение априорной вероятности формирования соединения с заметным мешающим воздействием эффекта электрического эха в занимаемом r направлении; V - пространство параметров, оказывающих влияние на качество r r ~ телефонной передачи по каналу; V0 - порог принятия решения; pX (V | 0) - экспериментальная V -мерная зависимость оценок вероятности появления r затруднений у абонентов от влияющих параметров пространства V при r ~ отсутствии ЭПУ в соединении; pX (V | k) - аналогичные зависимости при k-ом r варианте включения ЭПУ в соединение; V (V) - V-мерная функция распределения r параметров пространства V на сети связи.
Использование предложенного показателя, учитывая результаты исследований, представленных в первой главе, определяет цель оптимизации как достижение минимального среднего по сети или сегменту сети значения вероятности появления затруднений у абонентов при разговорах, или в случае достаточных ресурсов - минимального объема оборудования ЭПУ, необходимого для обеспечения заданного значения этой вероятности.
Рассмотрены возможности основных используемых на сети типов систем сигнализации с точки зрения поддержки корректного управления ЭПУ и воздействия ЭПУ на передачу сигналов управления установлением соединений.
Разработан комплекс рекомендаций по дополнению номенклатуры полей системы сигнализации ОКС-7 с целью обеспечения более корректного управления ЭПУ, а также стратегии управления в условиях имеющихся ограничений. Предложена и обоснована концепция интерцепции управляющего бита С, обеспечивающая оптимальное по условиям сети включение ЭПУ и нейтрализацию всех транзитных комплектов.
Разработанная система принципов управления ЭПУ на развивающейся ЕСЭ РФ обеспечивает возможность учета эволюции средств борьбы с мешающим воздействием эффекта электрического эха, изменения структуры сети, а также возможность оптимизации качества телефонной передачи по критерию вероятности появления затруднений при разговоре. Реализация предлагаемых принципов, обеспечивая преемственность средств управления ЭПУ на различных этапах развития сети, позволит сократить затраты на ее оборудование эхоподавляющими устройствами и ускорить получение экономического эффекта.
Основные результаты, полученные в диссертации, представлены в заключении 1. Проведен цикл широкомасштабных теоретических и экспериментальных исследований по проблеме мешающего воздействия эффекта электрического эха и его подавлению применительно к ЕСЭ РФ. Результаты проведенных исследований, подчеркивая доминирующий статус проблемы на современном этапе развития сети связи, доказывают необходимость системного подхода к ее решению.
Системный подход предполагает использование единого критерия оценки эффективности принимаемых решений, отражающего качество телефонной передачи с учетом многообразия проявлений мешающего воздействия отраженных сигналов и эффектов, обусловленных некорректной работой ЭПУ.
2. Предложена новая концепция субъективного восприятия эхосигналов, воплощенная в форме информационной модели, обеспечившая инструментальный базис системного подхода к решению проблемы эффекта электрического эха на ЕСЭ РФ. На роль единого критерия оценки эффективности и оптимизации принятия решений предлагается значение вероятности появления затруднений у абонентов при разговорах.
Предложенная концепция отличается выявленным наличием в цепи отрицательной обратной связи процесса речеобразования механизма компенсации эхосигналов, минимизирующего вычислительные ресурсы мозга, задействуемые для семантической обработки произносимых звуков, и включением механизма адаптивного перераспределения пропускной способности логических каналов ввода/вывода информации, формирующего сигнал о наличии затруднений в случаях информационных перегрузок.
3. Для проведения исследований на основе реальной статистики характеристик сети синтезирован комплекс математических, имитационных и машинных моделей, описывающий каналы, организованные с использованием систем передачи различных видов; эхотракты, характерные для аналоговых и цифровых сетей доступа; заграждающий и компенсационный принципы подавления эхосигналов, а также взаимодействие сигналов и шумов в их системе.
4. Предложено комплексное решение по развитию заграждающего принципа подавления эхосигналов, включающее концепцию, архитектуру и номенклатуру характеристик и гарантирующее приемлемое качество телефонной передачи по эхозащищенным каналам при высокой степени устойчивости к воздействию основной группы мешающих факторов. Предложенное решение допускает полнофункциональную реализацию ЭЗ и его размещение в любой точке соединения.
По компенсационному принципу предложены решения, препятствующие расстройке алгоритмов адаптации и обеспечивающие эффективное подавление эхосигналов в сложных шумовых условиях.
5. Исследованы особенности проявления эхосигналов и разработаны концепции их подавления в различных телекоммуникационных приложениях на ЕСЭ РФ - таких, как мобильная связь, защищенные системы передачи, статистические и интерполяционные системы сжатия речи, IP телефония и др.
6. Обоснована необходимость коррекции действующих нормативных документов, регламентирующих оборудование сети связи средствами ЭПУ и алгоритмы управления их работой. Разработана стратегия размещения оборудования ЭПУ на сети и система принципов управления их работой, обеспечивающая максимально корректные условия функционирования ЭПУ и приемлемое качество подавления эхосигналов в условиях имеющихся ограничений и с учетом перспектив развития сети.
7. Предложены системная стратегия оборудования сети средствами подавления эхосигналов и принципы управления их работой, основанные на едином критерии оценки эффективности - вероятности появления затруднений у абонентов при разговорах.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК 1. Шаврин С.С. Электрическое эхо: заграждать или компенсировать? // Вестник связи. - 2005. - №1. - С. 29-32.
2. Рогацкая М.А., Шаврин С.С. Подавление эффекта электрического эха в мобильных сетях // Вестник связи. - 2007. - №1. - С. 39-42.
3. Шаврин С.С. Эффект электрического эха как системная проблема для операторов мобильной связи // Вестник связи. - 2008. - №4. - С. 108-112.
4. Шаврин С.С. Механизм и информационная модель субъективного восприятия отраженных сигналов // Электросвязь. - 2008. - № 7. - С. 16-20.
5. Шаврин С.С. Оценка мешающего воздействия электрического эха на абонентов // Электросвязь. - 2008. - №9. - С. 54-56.
6. Аладин В. М., Мусатова О.Ю., Шаврин С. С. Эхокомпенсатор как средство измерения времени концевой задержки // Электросвязь. - 2008. - №7. - С. 24-25.
7. Шаврин С.С. Оптимизация управления заграждающей функцией эхоподавляющих устройств // Инфокоммуникационные технологии. - 2008. - Т. 6.
- №4. - С. 28-33.
8. Шаврин С.С., Шемякин А.Б. Модель параметрических отклонений характеристик эхотрактов, обусловленных влиянием акустической составляющей эхосигнала // T-Comm - Телекоммуникации и транспорт. - 2008. - №6. - С. 3233.
9. Орлов В.Г., Шаврин С.С. Автотранспорт под контролем - мониторинг транспортных потоков // Мобильные системы. - 2008. - №3. - С. 76-78.
10. Шаврин С.С. Оценка степени мешающего воздействия эффекта электрического эха // Вестник связи. - 2008. - №12. - С. 47-48.
11. А.с. 1469559 СССР, МКИ 4 H04J 3/17. Способ обнаружения речевых сигналов на фоне шумов / С.С. Шаврин, Н.И Лихачев, А.В. Шлыков, О.Ю.
Мусатова (CCCP). - №4195271/24-09; Заявлено 16.02.87; Опубл. 30.03.89, Бюл.
№12 // Открытия. Изобретения. - 1989. - №12.
12. А.с. 1570005 СССР, МКИ 5 H04В 3/46. Устройство контроля эхозаградителей / Х.А. Каримов, С.С. Шаврин, М.К. Цыбулин (СССР). - №4437293/24-09; Заявлено 12.04.88; Опубл. 07.06.90, Бюл. №21 // Открытия.
Изобретения. - 1990. - №21.
13. А.с. 1608808 СССР, МКИ 5 H04В 3/20. Устройство цифровой обработки ИКМ сигналов / М.Б. Гулько, К.Л. Зуйков, С.В. Кунегин, О.Ю. Мусатова, С.С.
Шаврин (СССР). - №4259151/24-09; Заявлено 09.06.87; Опубл. 23.11.90, Бюл.
№43 // Открытия. Изобретения. - 1990. - №43.
14. А.с. 1626397 СССР, МКИ 5 H04В 3/20. Цифровая система передачи / С.В. Кунегин, С.С. Шаврин, О.Ю. Мусатова, Н.И Лихачев, К.Л. Зуйков (СССР). - №4481713/09; Заявлено 08.09.88; Опубл. 07.02.91, Бюл. №5. // Открытия.
Изобретения. - 1991. - №5.
15. Пат. 2138121 РФ, МКИ 6 H04В 3/00, H04J 13/00. Способ балансного пространственно - комбинационного уплотнения при передаче цифровых сигналов по многопроводным линиям связи и устройство для его осуществления / В.А. Абрамов, М.Д. Венедиктов, А.И. Рогацкий, С.С. Шаврин (РФ). - №98122235/09; Заявлено 11.12.98; Опубл. 20.09.99, Бюл. №26. // Открытия.
Изобретения. - 1999. - №26.
16. Шаврин С.С., Ионин А.В. Многоканальная система для документированной регистрации переговоров (МАГ-XXI) // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №990171 по заявке №990217 от 30 марта 1999 г., зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06 апреля 1999 г.
17. Шаврин С.С., Ионин А.В. Многоканальная система для документированной регистрации переговоров (МАГ-XXI) // Интеллектуальный продукт зарегистрирован ВНТИЦ 2 июня 1999 г., №70990000069.
в других изданиях 18. Шаврин С.С. Стыковка сигнальных процессоров семейства ADSP-21XX с потоками Е1 в изделиях телекоммуникационной техники // Компоненты и технологии. - 1999. - №1. - С. 26-28.
19. Шаврин С.С. Машинный метод исследования огибающей случайных процессов // Труды НИИР. - 1987. - №1. - С. 46-49.
20. Шаврин С.С. Математическая модель эхозаградителя // Труды НИИР. - 1987. - №2. - С. 87-93.
21. Лихачев Н.И., Шаврин С.С. Исследование статистики протяженности соединений на автоматически коммутируемой телефонной сети // Сборник научных трудов Центрального научно-исследовательского института связи:
Системы перспективной телефонной коммутации для Междугородной связи. - М., 1987. - С. 84-87.
22. Шаврин С.С., Лихачев Н.И. Анализ точности оценки качества телефонной передачи методом затруднений. - М., 1987.Ц Деп. в ЦНТИ "Информсвязь" 01.12.87, № 1221св.
23. Бержановский М.А., Лихачев Н.И., Шаврин С.С. Машинная реализация преобразования Гильберта на основе быстрого преобразования Фурье и анализ его точности. - М., 1987. - Деп. в ЦНТИ "Информсвязь" 01.09.87, № 1166св.
24. Вайксельбаум Ш., Шаврин С.С. Современные методы и тенденции развития средств цифровой эхокомпенсации - М., 1991. - Деп. в ЦНТИ "Информсвязь" 17.10.91, № 1967св.
25. Корф К.С., Шаврин С.С. Влияние ошибок на помехоустойчивость передачи защищенных сообщений. - М.,2004. - Деп. в ЦНТИ Информсвязь 04.07.04, № 2244св.
26. Требования по установке эхоподавляющих устройств. Руководящий документ по Системе автоматизированной телефонной связи общего пользования.
- М.: Информсвязьиздат. - 1997 г.
27. Шаврин С.С. Системные аспекты эхоподавления в сетях связи // Материалы третьей Международной научно - технической конференции Перспективные технологии в средствах передачи информации. - Владимир:
Связьоценка. - 1999. - С. 88-89.
28. Shavrin S.S. Effective Echo Elimination On CIS Networks // Perspectives For Implementation Of VSAT Technologies. The International Workshop. Abstracts. - February, 2000. - р. 36.
29. Шаврин С.С. Проблема подавления эффекта электрического эха в современных телекоммуникационных системах // Материалы Международной научно - технической конференции Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения INTERMATIC-2006. - М.: МИРЭА. - 2006.
- часть 2. - С.284-291.
30. Шаврин С.С. Проблема субъективного восприятия эхосигналов в системах связи // Материалы Международной научно - технической конференции Фундаментальные проблемы радиоэлектронного и оптоэлектронного приборостроения INTERMATIC-2008. - М.: Энергоатомиздат. - 2008. - С. 236246.
31. Корф К.С., Шаврин С.С. Методы обнаружения участков, пораженных ошибками передачи, в защищенном речевом сигнале // Материалы Международной научно - технической конференции Фундаментальные проблемы радиоэлектронного и оптоэлектронного приборостроения INTERMATIC-2008. - М.: Энергоатомиздат. - 2008. - С. 252-259.
32. Шаврин С.С., Мусатова О.Ю. Автономная работа эхоподавляющих устройств в потоках, организованных по протоколу PRI // Материалы одиннадцатой межрегиональной конференции Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания. - М.: Информсвязьиздат. - 2002. - С. 139-140.
33. Шаврин С.С., Шлыков А.В. Исследование влияния характеристик телефонных соединений на сходимость корреляционного эхокомпенсатора // Материалы тринадцатой межрегиональной конференции Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания. - М.: МТУСИ. - 2004. - С. 136-137.
34. Рогацкая М.А., Шаврин С.С. Особенности подавления эхосигналов в системах мобильной связи. // Материалы 5-ой Международной научно - технической конференции Перспективные технологии в средствах передачи информации. - Владимир: Связьоценка. - 2003. - С. 109.
35. Гордиенко В.Н., Федоткин Н.Н., Шаврин С.С. Модель влияния эхосигналов на пакетную передачу речи на сетях связи // Международный форум информатизации (МФИ-2003): Труды конференции Телекоммуникационные и вычислительные системы. - М.: МТУСИ. - 2003. - С. 150.
36. Шаврин С.С., Мусатова О.Ю. Компактный алгоритм корреляционного эхокомпенсатора // Материалы тринадцатой межрегиональной конференции Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания. - М.: МТУСИ. - 2004. - С.135.
37. Зудакин А.А., Шаврин Д.С., Шаврин С.С. Оптимизация размещения эхоподавляющих устройств и управления их работой на сети связи МПС // Международный форум информатизации (МФИ-2004): Труды конференции Телекоммуникационные и вычислительные системы. - М.: МТУСИ. - 2004. - С. 151-153.
38. Шаврин С.С. Система оперативного беспроводного мониторинга функционирования автотранспортных средств городского хозяйства. В кн.
Энергосбережение в городском хозяйстве: Сборник материалов научно - практической конференции / Под ред. д-ра экон. наук, проф. В.Б.Зотова. - М.:
ГУП Юго-Восток-Сервис. - 2007. - С. 119-124.
39. Шаврин С.С. Защита информации в многоканальных телекоммуникационных системах. Часть 1. Учебное пособие. - М.: МТУСИ. - 2002. - 62 стр.
40. Шаврин С.С. Защита информации в многоканальных телекоммуникационных системах. Часть 2. Учебное пособие. - М.: МТУСИ. - 2003. - 111 стр.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям