Авторы статьи: к.т.н. Файзулхаков Я. Р., ИТМиВТ, yakovr@yandex

Некоторые аспекты повышения
разборчивости в системах голосовой
радиосвязи
Авторы статьи: к.т.н. Файзулхаков Я. Р., ИТМиВТ, yakovr@yandex.ru;
к.т.н., с.н.с. Преображенский Н. Б., ИТМиВТ, nbp@ipmce.ru.
В докладе рассмотрена многолучевая стохастическая модель
радиоканала. Предложен метод временного комплексирования речевого
сигнала с тональной НЧ синхронизацией для передачи голосовых
сигналов по рэлеевским радиоканалам, позволяющий повышать
разборчивость за счет компенсации быстрых замираний. Описаны
результаты модельных экспериментов предложенного метода.
Введение
Используемые в голосовой связи дециметровые радиоволны слабо
огибают препятствия, т.е. распространяются в основном по прямой,
испытывая многочисленные отражения от окружающих объектов и
подстилающей поверхности. Следствием многолучевого распространения
являются замирания и искажения принимаемого сигнала [1,2].
Экспериментальные данные по замираниям в многолучевых
радиоканалах
подтверждают
возможность
удовлетворительной
аппроксимации распределений амплитуд и фаз рэлеевским законом
распределения [3,4].
Компенсация замираний
Для борьбы с рэлеевскими замираниями используется два основных
подхода: разнесенный прием и расширение спектра (скачки по частоте,
прямая модуляция). Для голосовой связи в диапазоне ультракоротких
волн (λ = 10 ÷ 0,6 м) методы расширения спектра из-за недостаточной
канальной емкости оказываются не применимыми [5,6].
Идея разнесенного приема, как меры борьбы с быстрыми
замираниями, заключается в совместном использовании нескольких
сигналов, различающихся (разнесенных) по какому-либо параметру или
координате. Причем разнесение должно выбираться таким образом,
чтобы вероятность одновременных замираний всех используемых
сигналов была много меньше, чем какого-либо одного из них.
Эффективность разнесенного приема тем выше, чем менее
коррелированны замирания в составляющих сигналах. Кроме того, важна
техническая реализуемость и простота используемого метода.
Метод временного комплексирования с НЧ синхронизацией
Для компенсации замираний в речевом сообщении движущихся
радиостанций речевой сигнал необходимо преобразовать по форме таким
образом, чтобы преобразование по существу являлось разнесением в
пространстве приемом/передачей.
Длительность замираний в реальных радиоканалах обуславливается
длительностью приема в когерентной зоне ∆ког , которая характеризуется
в первую очередь физическими свойствами среды передачи (в основном
характером рельефа местности и абсолютной скоростью движения
станции).
Речевой поток C(t), t ∈ [0, T] кадрируется:
[C(t i ), C( t i+1 )[ , i = ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅
1, T⁄∆ког .
(1)
Все преобразования осуществляются внутри кадра, который для этого
разбивается на сегменты.
Из-за узкополосности речевого УКВ радиоканала применение
временных масштабируемых преобразований речевого сигнала весьма
ограничено [6]. Однако, учитывая, что дифференциальная энтропия
(средняя информация) [7] источника
+∞
H = − ∫−∞ C(t) log 2 C(t) dt,
(2)
достигает своего максимума в случае гаусовской плотности
распределения сигнала
ln(2πσ2 e)
Hг =
,
(3)
2 ln 2
а спектральная плотность мощности речевого сигнала имеет хорошую
аппроксимацию функцией плотности вероятности Лапласа [8], энтропия
которой:
ln(√2σe)
Hл =
.
(4)
ln 2
Воспользовавшись избыточностью Hл < Hг , можно увеличить
энтропию сообщения, заполнив ее компенсационной информацией.
Для этого сигнал внутри кадра посегментно комплексируется Ck (t) ≫
∆
δ + Ck (t + ког). Циклический временной сдвиг Ck (t) ≫ δ обеспечивает
2
диффузный характер преобразования. При этом разнесенный
прием/передача,
выраженный
во
временных
преобразованиях,
реализуется сложением отстоящих во времени сегментов. Для
обратимости преобразования и сохранения амплитудного спектра
сложение “закольцовывается” модулем. Таким образом, прямое
⃗ на передающей стороне до модуляции:
преобразование ⃗D
⃗⃗ ∶ |
D
Ck+1 (t) = [Ck (t) ≫ δ + Ck (t +
Ck+1 (t +
∆ког
2
∆ког
2
)] mod A,
) = Ck (t), для ∀t ∈ [t i , t i +
∆ког
2
[ .
, k = ̅̅̅̅̅
1, n
(5)
Где A – максимум
огибающей модулирующего сигнала A =
max C(t). Обратное преобразование ⃖D⃗⃗ после приема и демодуляции:
t∈[0,T]
⃖⃗⃗⃗⃗n ∶ |
D
Ck+1 (t) = ([Ck (t) − Ck (t +
Ck+1 (t +
∆ког
2
∆ког
2
)] mod A) ≪ δ,
) = Ck (t), для ∀t ∈ [t i , t i +
∆ког
2
[ .
, k = ̅̅̅̅̅
1, n
(6)
⃗⃗⃗⃗
⃖⃗⃗⃗⃗
Преобразования Dn и Dn итеративные n = 5. .10. Величина
∆
временного сдвига δ на итерацию берется δ = ког.
2n
Синхронизация кадров
⃖⃗⃗ принятого сообщения по
Для корректного преобразования D
рэлеевскому каналу необходимо определить границы кадра. Для
маркировки смежных сегментов и разделения границ кадров предлагается
использовать тоновый сигнал Г(i), расположенный в неслышимой
нижней части спектра:
Cм (t) = Ck+1 (t) + Г(i),
(7)
∆ког
̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅
⁄
∀t ∈ [t i , t i +
[ , i = 1, T ∆ког .
2
При приеме НЧ сигнал отфильтровывается и используется для
синхронизации кадров.
Реализация компенсационной схемы
Временные преобразования осуществляет специально разработанный
компенсационный блок (прямого/обратного преобразования). Его макет
реализован в виде программной модели устройства комплексирования и
памяти с использованием специализированных плат дельта-кодера и
дельта-декодера.
Речевой сигнал, поступающий на вход, преобразуется адаптивным
дельта-кодером в цифровую форму и записывается в память в виде
последовательности речевых сегментов (1). В соответствии с формулами
⃖⃗⃗⃗⃗n преобразований устройство создает
(5, 6) прямого ⃗⃗⃗⃗
Dn и обратного D
компенсационную форму этих сегментов в кадре. После выполнения
процедуры комплексирования, адаптивный дельта-кодер восстанавливает
на выходе преобразователя модулирующую форму сигнала внутри
каждого сегмента. В режиме приема по тональному НЧ синхросигналу
производится кадровая синхронизация и обратное преобразование для
восстановления исходного речевого сигнала.
Результаты моделирования
Качество
восстановления
сигнала
является
важнейшей
эксплуатационной характеристикой компенсатора. Оно определяется
искажениями
сигнала
при
его
частотных
или
временных
преобразованиях. Может быть выражено разборчивостью
и
узнаваемостью восстановленной речи. Приемлемым или коммерческим
качеством восстановленной на приемном конце речи считается такое,
когда слушатель без усилий может определить голос говорящего и смысл
произносимого
сообщения.
Восстановленный речевой поток
Точную
количественную
оценку разборчивости речи
можно
получить
путем
измерения процента правильно
Речевой поток с рэлеевскими замираниями
переданных
тестовых
сообщений при проведении
длительных
и
трудоемких
артикуляционных испытаний.
Рисунок 1. Визуализация
Для
моделирования
компенсированного
(сверху) и
голосовых
сообщений
дефектного
(снизу)
голосовых
сигналов.
оператора
передающей
станции
были
записаны
голосовые образчики – фонетические символы радиолюбительского
позывного автора (RD3AUV). Запись делалась в wav-файл с частотой
дискретизации 5 кГц и 8 битным квантованием.
После применения к речевому потоку прямого комплексирующего
преобразования
над
сообщением
выполнялись
имитационные
преобразования передачи по рэлеевскому каналу: в речевом сигнале
“наводились” быстрые замирания (Рис. 1).
Анализ качества восстановления сообщений основывается на
критерии информационного рассогласования [9] между исходными
Cи (t), t ∈ [0, T] и восстановленными Cв (t), t ∈ [0, T] после передачи по
рэлеевскому каналу сообщениями. Информационное рассогласование γи,в
рассчитывается на основе оценок автоковариационных матриц речевых
сигналов
1
i i
γи,в = ∑N
i=1 [tr (K и K в
N
K iв
K iи
−1
) − ln
1
Kiв
−1
],
(8)
где
и
– выборочные оценки автоковариационных матриц i-ых
сегментов исходного Cи (t i ) и восстановленного Cв (t i ) сообщений. Оценка
качества восстановления производится вычислением информационного
рассогласования (8) между сегментами сравниваемых речевых
сообщений. Оценка автоковариационных матриц производится методом
скользящего окна [9].
Предложенный метод компенсации замираний на основе временного
комплексирования обеспечивает удовлетворительную разборчивость при
скважности замираний 0,4. Снижение результатов восстановления при
больших значениях скважности обусловлено превышением интервалов
замираний над длиной внутрикадрового сегмента.
Выводы
К недостаткам метода следует отнести: снижение оперативности
обмена голосовыми сообщениями из-за задержки и, следовательно,
проигрыш безкомпенсационной передачи при неглубоких замираниях;
ухудшение
качества
речевого
сигнала
из-за
временного
комплексирования.
Достоинствами рассмотренного метода являются: быстрота
обработки; незначительное увеличение сложности и стоимости
принимаемого и передающего устройств; простота технического
внедрения, т.к. подобно маскирующему устройству компенсатор может
быть реализован в виде БИС и интегрирован в тангенту (использование
специализированных БИС позволяет при энергопотреблении 75 мВт
обеспечить удовлетворительное качество восстановления речевого
сигнала); существенное повышение разборчивости в условиях глубоких
замираний; возможность осуществлять связь при сильных замираниях.
Таким образом, предложенный метод временного комплексирования
расширяет возможности применения верхних УКВ диапазонов в
подвижной радиосвязи.
Литература
1. Макаров
Г.И.,
Новиков
В.В.,
Рыбачек
С.Т.
Распространение
электромагнитных волн над земной поверхностью. – М.: Наука, 1991. – 196 с.
2. Черенкова Е.Л., Чернышев О.В. Распространение радиоволн. – М.: Радио и
связь, 1984.–272 с.
3. Okumura J. et.al. Field strength and its variability in VHF and UHF land mobile
radio service. Rev. ins. Elec. Eng., 1968, v.16, no. 9-10, p. 825-873.
4. Hata M. Empirical formula for propagation loss in land mobile radio service. IEEE
Trans. Veh. Technol., 1980, v. VT-29, no. 3, p. 317-325.
5. А. А. Сикарев, “Оптимальный разнесенный когерентный и некогерентный
прием в каналах с флуктуационными и сосредоточенными помехами”,
Пробл. передачи информ., 9:1 (1973), 57–65
6. М. Н. Андрианов, Повышение помехоустойчивости подвижной связи в канале
с логнормальными замираниями комплексированием прерывистой связи с
разнесенным приемом сигналов, «Электромагнитные волны и электронные
системы», №7, 2009 г.
7. Вернер М. 8.1 Дифференциальная энтропия // Основы кодирования =
Information und Codierung / пер. Д.К. Зигангирова. — ЗАО «РИЦ
„Техносфера“», 2004. — С. 109—114.
8. Рабинер Л.Р., Шафер Р.В. "Цифровая обработка речевых сигналов." - Пер. с
англ. / Под ред. Прохорова Ю.Н. Назарова М.В. - М: Радио и связь, 1981. 496с.
9. Савченко В.В. Различение случайных сигналов в частотной области//
Радиотехника и электроника, 1997, Т.42, №4, с.426-429