Исследование особенностей применения на телекоммуникационных сетях эффективных цифровых методов обработки речевых сигналов

Актуальность темы

.

На современном этапе на телекоммуникационных сетях происходит внедрение разнообразных технологий и систем передачи, обеспечивающих повышение ряда технико-экономических показателей. Весьма часто приоритетной становится задача повышения эффективности использования цифровых трактов. Для решения этой задачи могут использоваться различные эффективные методы цифровой обработки сигналов, которые позволяют в несколько раз увеличить (по сравнению с применением традиционной ИКМ) число каналов, организуемых в групповом цифровом тракте при сохранении скорости передачи. К таким методам, в частности, относятся адаптивная дельта-модуляция (АДМ), адаптивная дифференциальная ИКМ (АДИКМ), различные цифровые статистические методы передачи, алгоритмы сжатия информация типа LD-CELP и др. Обсуждению различных аспектов применения цифровых методов обработки сигналов в телекоммуникационных системах посвящено достаточно много научных исследований и публикаций как отечественных, так и зарубежных авторов, среди которых можно отметить работы Дж. Беллами, А. Й. Величкина, М. Д. Бенедиктова, Г. В: Вемяна, В. Н. Гордиенко, Ю. Н. Прохорова, Н. И. Пилипчука, JI.P. Рабинера, И. В. Ситняковского, М. А. Сапожкова, В. И. Тихонова, JI.M. Финка, Р. В. Шафера и др.

В большинстве случаев применение эффективных методов цифровой обработки информации по различным причинам приводит к снижению качества передачи информации (по сравнению с ИКМ), которое при определенных обстоятельствах может оказаться ниже допустимых пределов. На современных сетях многие каналы не являются однородными, а имеют составную структуру, поскольку на различных участках сети информационные сигналы передаются с помощью оборудования, использующего широкий спектр методов обработки сигналов и формирования групповых сигналов. При каждом переприеме будет происходить определенное снижение качества передачи, в результате чего допустимое число переприемов, очевидно, должно быть ограничено.

Кроме того, наличие разнообразного оборудования с различными техническими и экономическими показателями существенно затрудняет процесс оптимального проектирования телекоммуникационных сетей с использованием тех или иных критериев оптимизации.

Отмеченные вопросы являются весьма важными, но при этом недостаточно изученными. Именно это и определяет актуальность темы данной диссертационной работы.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование возможностей применения на телекоммуникационных сетях со сложной структурой эффективных цифровых методов обработки сигналов с точки зрения оценки качества передачи информации и оптимального выбора оборудования для этих сетей.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач: сравнительный анализ особенностей применения и эффективности различных методов обработки сигналов в цифровых системах передачи;

— теоретическая оценка влияния различных ухудшающих факторов на качество передачи речевого сигнала при применении эффективных цифровых методов обработки;

— выбор объективного метода оценки качества передачи речевой информации;

— моделирование процесса передачи сигналов по сетям со сложной структурой и оценка качества передачи речевой информации по этим сетям;

— разработка рекомендаций по оптимизации структуры цифровой сети со сложной структурой.

Методы исследования. В теоретических исследованиях использованы методы статистической теории связи, теории вероятностей и цифровой обработки сигналов, а также математические методы оптимизации. Экспериментальные исследования проводились методом имитационного моделирования с использованием компьютера, а при оценке результатов моделирования применялись методы математической статистики и обработки данных.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

— предложены математические модели различных эффективных методов цифровой обработки сигналов, позволяющие осуществлять аналитическую и экспериментальную (путем имитационного моделирования) оценку основных параметров систем передачи с учетом влияния основных ухудшающих факторов;

— разработаны методика и программы объективной оценки качества передачи речевой информации по телекоммуникационным сетям с использованием психоакустической модели восприятия речи, ориентированные на различные цифровые методы обработки информации;

— разработана методика и сформулированы обоснованные рекомендации по оптимизации цифровой сети со сложной структурой с использованием различных критериев оптимизации.

Практическая ценность и реализация результатов диссертационной работы заключается’в следующем:

— предложенная методика и программы объективной оценки качества передачи речевой информации с использованием психоакустической модели восприятия речи могут быть применены для анализа качества работы любых телекоммуникационных сетей, использующих те или иные виды обработки, формирования и передачи сигналов;

— обосновано (с точки зрения обеспечения требуемого качества передачи речевых сигналов) допустимое число переприемов на телекоммуникационной сети при использовании различных эффективных методов обработки сигналов;

— предложена методика и разработана программа, позволяющая оптимизировать структуру телекоммуникационных сетей при использовании разнотипного оборудования. В качестве примера эта программа использована для оптимизации сети спутниковой связи Вьетнама.

Результаты диссертационной работы в виде алгоритмов, математических и имитационных моделей внедрены в опытно-конструкторские разработки, проводимые в ЗАО «Связьпром», использованы НИИР при оптимизации сети спутниковой связи ОАО «Ростелеком», а так же внедрены в учебный процесс МТУСИ на факультете многоканальной электросвязи, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, сотрудников научно-исследовательской части и аспирантов МТУСИ, московских и межрегиональных конференциях НТОРЭС им. А. С. Попова, а также на международных конференциях, проводимых отделением «Информатика и связь» Международной академии информатизации (МАИ), в период 1997;2001 гг.

Личный вклад автора. Основные положения, теоретические выводы и рекомендации получены автором самостоятельно.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 11 печатных работахчасть материалов вошла в отчеты по НИР, проводимых кафедрой многоканальной электросвязи МТУСИ в рамках хоздоговорной тематики по программе «АспектМТУСИ».

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Работа содержит 155 страниц, в том числе 33 рисунков и 16 таблиц.

Список литературы

включает 70 наименований.

108 Выводы.

1. Разработана методика оптимизации цифровых сетей со сложной структурой с применением различных критериев оптимизации,. Например, при организации спутниковых или подводных линий связи обычно имеем дело с системой с ограниченным ресурсом и суммарное число каналов при этом должно приводиться к допустимому минимуму.

Разработанную методику можно использовать и при оптимизации по минимальной стоимости развертывания системы в целом или какому-либо другому критерию.

При этом дополнительным условием может быть возможность расширения емкости системы при несущественном капиталовложении. Такие варианты, например, возможны при применении систем с модульной структурой. Кроме того, необходимо учитывать ограничения на число переприемов, установленные в гл. 3.

2. В процессе оптимизации для решения системы уравнений применяется метод ветвей и границ, для которого разработаны соответствующие программы. Данный метод обеспечивает минимизацию времени поиска решений и является структурно-независимым, т. е. он работает вне зависимости от топологии сети.

3. Применение предложенного метода для оптимизации сети спутниковой связи (ССС) Вьетнама, содержащей три узловые станции и 64 направления передачи, показало его высокую эффективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В результате анализа различных эффективных методов обработки и формирования сигналов (АДМ, АДИКМ, LD-CELP, ЦССП и др.) показано, что применение этих методов позволяет в несколько раз повысить эффективность использования типовых цифровых групповых трактов, однако при этом за счет наличия ряда ухудшающих факторов возможно снижение качества передачи речевых сигналов. При наличии на телекоммуникационной сети переприемов это снижение может выйти за допустимые пределы.

2. Разработаны аналитические методы оценки основных параметров ЦССП различного типа (вероятности потерь за счет перегрузки, допустимой вероятности ошибок в линейных трактах ЦССП и помехозащищенности ЦССП), ' учитывающие влияние ряда ухудшающих факторов. Установлено, что значения отмеченных параметров зависят от соотношения числа обслуживаемых абонентов NBX и числа информационных каналов в цикле ЦССП N0, значения коэффициента активности каналов ра, типа ЦССП, алгоритма формирования группового сигнала, дисциплин обслуживания каналов и ряда других факторов. При этом величина вероятности потерь рп является основным фактором, ограничивающим допустимое количество NBX, а, следовательно, и коэффициент эффективности Кэ, определяемый отношением NBX к числу каналов, организуемых в том же цифровом тракте при использовании ЦСП с ИКМ.

В результате численных расчетов, в частности, установлено, что при рп < 0,01 значение КЭфф в зависимости от значения раи типа ЦССП может достигать значений 2.4, а снижение помехозащищенности находится в пределах от 0,5 до 6 дБ (при применении специальных мер и способов борьбы с перегрузкой и влиянием ошибок регенерации).

3. Предложены математические модели различных эффективных методов цифровой обработки сигналов, позволяющие осуществлять аналитическую и экспериментальную (путем имитационного моделирования) оценку основных параметров систем передачи с учетом влияния основных ухудшающих факторов. Предложенные в диссертации методы оценки влияния ухудшающих факторов позволяют оценить степень их влияния на качество передачи информации и оптимизировать параметры соответствующего оборудования.

4. Разработаны методика и программы объективной оценки качества передачи речевой информации по телекоммуникационным сетям с использованием психоакустической модели восприятия речи, которые могут быть применены для анализа качества работы любых телекоммуникационных сетей, использующих те или иные виды обработки, формирования и передачи сигналов.

5. В результате имитационного моделирования обосновано (с точки зрения обеспечения требуемого качества передачи речевых сигналов) допустимое число переприемов на телекоммуникационной сети при использовании различных эффективных методов обработки сигналов — до трех-пяти в зависимости от конкретного метода обработки сигналов.

6. Разработана методика и сформулированы обоснованные рекомендации по оптимизации цифровых сетей со сложной структурой с применением различных критериев оптимизации, использованные при оптимизации сети спутниковой связи Вьетнама.

Результаты диссертации в целом направлены па повышение эффективности использования и качества передачи цифровых телекоммуникационных сетей и систем.