Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ В НИЗКОСКОРОСТНЫХ КАНАЛАХ СВЯЗИ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8
1.1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НИЗКОСКОРОСТНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ
8
1.2 МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ 11
1.3 ОПИСАНИЕ КЛИППИРОВАННОЙ РЕЧИ 16
1.4 ОПИСАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА
ЗВУЧАНИЯ РЕЧИ 23
1.5 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 28
2.1 РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ В СРЕДЕ РАЗРАБОТКИ NI LABVIEW 29
2.2 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЗНАЧЕНИЯ ЧАСТОТЫ ДИСКРЕТИЗАЦИИ НА РАЗБОРЧИВОСТЬ КЛИППИРОВАННОЙ РЕЧИ 31
2.3 ИССЛЕДОВАНИЕ НАЛИЧИЯ ЭФФЕКТА ЭЛАЙЗИНГА ПРИ КЛИППИРОВАНИИ
ЦИФРОВОГО РЕЧЕВОГО СИГНАЛА 35
2.4 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОРОГОВОГО ШУМОПОДАВЛЕНИЯ В
ПАУЗАХ РЕЧИ НА РАЗБОРЧИВОСТЬ КЛИППИРОВАННОЙ РЕЧИ 39
2.5 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМБРА ГОЛОСА ДИКТОРОВ НА РАЗБОРЧИВОСТЬ
КЛИППИРОВАННОЙ РЕЧИ 44
2.5 РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 48
ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА СПОСОБА СНИЖЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ КЛИППИРОВАННОЙ РЕЧИ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ 50
3.1 РАЗРАБОТКА СПОСОБА СНИЖЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ КЛИППИРОВАННОЙ
РЕЧИ НА ОСНОВЕ ОДНОПОЛЯРНОГО КЛИППИРОВАНИЯ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА 50
3.2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ РАЗБОРЧИВОСТИ
КЛИППИРОВАННОЙ РЕЧИ МЕТОДОМ СКРЕМБЛИРОВАНИЯ 55
3.3 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ КЛИППИРОВАННОЙ РЕЧИ ПО
НИЗКОСКОРОСТНЫМ КАНАЛАМ СВЯЗИ 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 63
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 65
ПРИЛОЖЕНИЯ 71
ГЛАВА 1 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8
1.1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НИЗКОСКОРОСТНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ
8
1.2 МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ РЕЧИ 11
1.3 ОПИСАНИЕ КЛИППИРОВАННОЙ РЕЧИ 16
1.4 ОПИСАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА
ЗВУЧАНИЯ РЕЧИ 23
1.5 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 28
2.1 РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ В СРЕДЕ РАЗРАБОТКИ NI LABVIEW 29
2.2 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЗНАЧЕНИЯ ЧАСТОТЫ ДИСКРЕТИЗАЦИИ НА РАЗБОРЧИВОСТЬ КЛИППИРОВАННОЙ РЕЧИ 31
2.3 ИССЛЕДОВАНИЕ НАЛИЧИЯ ЭФФЕКТА ЭЛАЙЗИНГА ПРИ КЛИППИРОВАНИИ
ЦИФРОВОГО РЕЧЕВОГО СИГНАЛА 35
2.4 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОРОГОВОГО ШУМОПОДАВЛЕНИЯ В
ПАУЗАХ РЕЧИ НА РАЗБОРЧИВОСТЬ КЛИППИРОВАННОЙ РЕЧИ 39
2.5 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМБРА ГОЛОСА ДИКТОРОВ НА РАЗБОРЧИВОСТЬ
КЛИППИРОВАННОЙ РЕЧИ 44
2.5 РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 48
ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА СПОСОБА СНИЖЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ КЛИППИРОВАННОЙ РЕЧИ С ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ 50
3.1 РАЗРАБОТКА СПОСОБА СНИЖЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ КЛИППИРОВАННОЙ
РЕЧИ НА ОСНОВЕ ОДНОПОЛЯРНОГО КЛИППИРОВАНИЯ РЕЧЕВОГО СИГНАЛА 50
3.2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ РАЗБОРЧИВОСТИ
КЛИППИРОВАННОЙ РЕЧИ МЕТОДОМ СКРЕМБЛИРОВАНИЯ 55
3.3 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВОЙ КЛИППИРОВАННОЙ РЕЧИ ПО
НИЗКОСКОРОСТНЫМ КАНАЛАМ СВЯЗИ 59
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 63
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 65
ПРИЛОЖЕНИЯ 71
В настоящее время телекоммуникации являются одной из самых динамично развивающихся областей науки и техники. В связи с постоянным совершенствованием существующих и разработкой новых устройств связи и методов построения телекоммуникационных систем появляется необходимость в появлении новых методов передачи и распределения информации.
Одной из самых актуальных является задача создания и развития новых информационных технологий, позволяющих намного ускорить процесс обмена информацией между людьми, при этом стоит отметить, что довольно существенную долю этой информации составляют речевые данные.
Проблема сокращения объема данных при передаче речевых сигналов в цифровых системах передачи информации и сейчас остается по-прежнему одной из самых исследуемых, так как технологии сжатия речи используются для повышения объемов передаваемой речевой информации, а также компактного хранения этих данных. При решении этой проблемы необходимо обращать внимание на сохранение качества речевого сигнала на выходе системы передачи информации, которое определяется такими показателями как разборчивость речи и сохранение тембра речи, обеспечивающего узнаваемость голоса.
В низкоскоростных каналах аналоговых систем служебной радиосвязи также необходимо обмениваться речевыми данными. Специфичными качествами таких систем связи являются мобильность, низкая энергетика, высокая степень зашумлённости. На сегодняшний день представляет интерес построение аналогичных систем на основе цифровых методов передачи речи. В качестве одного из способов передачи речевых сообщений в таких системах может применяться метод клиппирования речевого сигнала.
Цель диссертационного исследования: исследовать возможность передачи клиппированной речи по низкоскоростным каналам связи на основе применения цифровых методов ее формирования и обработки с сохранением разборчивости и обеспечением информационной безопасности.
Постановка научной задачи: выбор наиболее целесообразного способа передачи клиппированной речи по низкоскоростным каналам связи, обеспечивающего приемлемую разборчивость речи с возможностью обеспечения информационной безопасности при минимизации скорости передачи речевых данных.
Наиболее существенные новые научные положения, выдвигаемые для защиты:
1) Известные методы не обеспечивают допустимое качество звучания клиппированных речевых сигналов при передаче по каналам связи, в виду чего разработка технологии передачи клиппированной речи с улучшенными исходными характеристиками является актуальной научной задачей, новое решение которой обусловлено существенным техническим вкладом в отрасль знаний по электросвязи.
2) Функционирование цифровой технологии передачи
клиппированной речи осуществимо в низкоскоростных каналах связи при условии ее модификации.
3) Значительное улучшение качества клиппированной речи достижимо за счет применения методов ее обработки во временной области.
4) Существенное снижение скорости цифрового потока реализуемо целесообразным выбором кодирования клиппированной речи на основе однополярного клиппирования сигналов.
К другим наиболее существенным новым научным результатам, выдвигаемым для защиты, относятся:
1. Модификация технологии передачи клиппированной речи - клиппированная речь, обработанная в заданном необходимом порядке, отличающаяся от известных использованием цифровых методов обработки во временной области.
2. Впервые предлагаемый метод кодирования клиппированной речи для снижения скорости цифрового потока, разработанный на основе знакового кодирования положительной полярности сигналов.
3. Впервые предлагаемый метод шифрования клиппированных сигналов для обеспечения защиты информации и обеспечения конфиденциальности при передаче клиппированной речи по каналам связи, основанный на скремблировании.
Объект исследования — цифровые технологии передачи речи по низкоскоростным каналам связи.
Предметом исследования являются цифровые способы формирования и обработки клиппированной речи в низкоскоростных каналах связи.
Методами исследования, использующимися при выполнении диссертационного исследования, являются:
1) цифровые методы обработки данных;
2) компьютерное моделирование.
Научная и практическая значимость диссертационных исследований
Интерес с научной точки зрения проявляется в значимости сжатия речи в обработке сигналов, в возможности использовать минимальный размер речевых данных с неизменной разборчивостью. Практическая значимость состоит в возможности использования низкоскоростных каналов связи для передачи цифровой клиппированной речи.
Апробация результатов диссертационного исследования
Результаты диссертационного исследования обсуждались на следующих научно-практических конференциях: международная научно-практическая конференция компании National Instruments «NI Academic Days 2017» (Москва, 2017); молодежная научно-практическая конференция с международным участием «Естественнонаучные, инженерные и экономические исследования в технике, промышленности, медицине и сельском хозяйстве» (Белгород, 2017); неделя науки НИУ БелГУ (Белгород, 2017). Проект, соответствующий направлению диссертационного исследования, победил в конкурсе молодежных проектов по инновационному развитию бизнеса "Технократ" программы УМНИК по направлению Н1. Информационные технологии (г. Москва, Роснано, 9 ноября 2016 г.)
Публикации
По теме диссертационного исследования опубликовано 3 печатных работы, которые приведены в приложении.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения и Приложений. Работа изложена на 69 страницах машинописного текста, включая 19 рисунков, 13 таблиц и список литературных источников из 60 наименований.
Одной из самых актуальных является задача создания и развития новых информационных технологий, позволяющих намного ускорить процесс обмена информацией между людьми, при этом стоит отметить, что довольно существенную долю этой информации составляют речевые данные.
Проблема сокращения объема данных при передаче речевых сигналов в цифровых системах передачи информации и сейчас остается по-прежнему одной из самых исследуемых, так как технологии сжатия речи используются для повышения объемов передаваемой речевой информации, а также компактного хранения этих данных. При решении этой проблемы необходимо обращать внимание на сохранение качества речевого сигнала на выходе системы передачи информации, которое определяется такими показателями как разборчивость речи и сохранение тембра речи, обеспечивающего узнаваемость голоса.
В низкоскоростных каналах аналоговых систем служебной радиосвязи также необходимо обмениваться речевыми данными. Специфичными качествами таких систем связи являются мобильность, низкая энергетика, высокая степень зашумлённости. На сегодняшний день представляет интерес построение аналогичных систем на основе цифровых методов передачи речи. В качестве одного из способов передачи речевых сообщений в таких системах может применяться метод клиппирования речевого сигнала.
Цель диссертационного исследования: исследовать возможность передачи клиппированной речи по низкоскоростным каналам связи на основе применения цифровых методов ее формирования и обработки с сохранением разборчивости и обеспечением информационной безопасности.
Постановка научной задачи: выбор наиболее целесообразного способа передачи клиппированной речи по низкоскоростным каналам связи, обеспечивающего приемлемую разборчивость речи с возможностью обеспечения информационной безопасности при минимизации скорости передачи речевых данных.
Наиболее существенные новые научные положения, выдвигаемые для защиты:
1) Известные методы не обеспечивают допустимое качество звучания клиппированных речевых сигналов при передаче по каналам связи, в виду чего разработка технологии передачи клиппированной речи с улучшенными исходными характеристиками является актуальной научной задачей, новое решение которой обусловлено существенным техническим вкладом в отрасль знаний по электросвязи.
2) Функционирование цифровой технологии передачи
клиппированной речи осуществимо в низкоскоростных каналах связи при условии ее модификации.
3) Значительное улучшение качества клиппированной речи достижимо за счет применения методов ее обработки во временной области.
4) Существенное снижение скорости цифрового потока реализуемо целесообразным выбором кодирования клиппированной речи на основе однополярного клиппирования сигналов.
К другим наиболее существенным новым научным результатам, выдвигаемым для защиты, относятся:
1. Модификация технологии передачи клиппированной речи - клиппированная речь, обработанная в заданном необходимом порядке, отличающаяся от известных использованием цифровых методов обработки во временной области.
2. Впервые предлагаемый метод кодирования клиппированной речи для снижения скорости цифрового потока, разработанный на основе знакового кодирования положительной полярности сигналов.
3. Впервые предлагаемый метод шифрования клиппированных сигналов для обеспечения защиты информации и обеспечения конфиденциальности при передаче клиппированной речи по каналам связи, основанный на скремблировании.
Объект исследования — цифровые технологии передачи речи по низкоскоростным каналам связи.
Предметом исследования являются цифровые способы формирования и обработки клиппированной речи в низкоскоростных каналах связи.
Методами исследования, использующимися при выполнении диссертационного исследования, являются:
1) цифровые методы обработки данных;
2) компьютерное моделирование.
Научная и практическая значимость диссертационных исследований
Интерес с научной точки зрения проявляется в значимости сжатия речи в обработке сигналов, в возможности использовать минимальный размер речевых данных с неизменной разборчивостью. Практическая значимость состоит в возможности использования низкоскоростных каналов связи для передачи цифровой клиппированной речи.
Апробация результатов диссертационного исследования
Результаты диссертационного исследования обсуждались на следующих научно-практических конференциях: международная научно-практическая конференция компании National Instruments «NI Academic Days 2017» (Москва, 2017); молодежная научно-практическая конференция с международным участием «Естественнонаучные, инженерные и экономические исследования в технике, промышленности, медицине и сельском хозяйстве» (Белгород, 2017); неделя науки НИУ БелГУ (Белгород, 2017). Проект, соответствующий направлению диссертационного исследования, победил в конкурсе молодежных проектов по инновационному развитию бизнеса "Технократ" программы УМНИК по направлению Н1. Информационные технологии (г. Москва, Роснано, 9 ноября 2016 г.)
Публикации
По теме диссертационного исследования опубликовано 3 печатных работы, которые приведены в приложении.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения и Приложений. Работа изложена на 69 страницах машинописного текста, включая 19 рисунков, 13 таблиц и список литературных источников из 60 наименований.
В данном диссертационном исследовании была разработана цифровая технология передачи речи в низкоскоростных каналах связи на основе использования метода клиппирования. Разработанная технология позволяет осуществлять передачу речи не только в низкоскоростных каналах, БЦК, но и открывает возможность передачи зашифрованной речи в закрытых каналах связи.
Для осуществления цели данного диссертационного исследования были выполнены следующие задачи:
1. Проведен анализ существующих методов снижения скорости передачи речи.
2. Проведен анализ существующих методов и критериев оценки качества звучания речи.
3. Разработка и описание модели в среде разработки NI LabVIEW.
4. Исследовано влияние значения частоты дискретизации на разборчивость клиппированной речи.
5. Исследовано наличие эффекта элайзинга при клиппировании цифрового речевого сигнала.
6. Исследована эффективность порогового шумоподавления в паузах речи на разборчивость клиппированной речи.
7. Исследование влияния тембра голоса дикторов на разборчивость клиппированной речи.
8. Разработан способ снижения скорости передачи клиппированной речи на основе однополярного клиппирования речевого сигнала.
9. Подтверждена возможность снижения разборчивости клиппированной речи методом скремблирования.
10. Описана технология передачи цифровой клиппированной речи по низкоскоростным каналам связи.
11. Предложены рекомендации по выбору параметров основных функциональных блоков созданной модели.
Для реализации цифровой технологии передачи речи в низкоскоростных каналах связи была выбрана среда разработки и платформа для выполнения программ LabVIEW, созданная на графическом языке программирования «G» фирмы National Instruments.
В качестве передаваемых объектов по каналам связи были выбраны клиппированные сигналы.
В помощь исследованию и разработке была использована программная среда MatLab.
Результаты вычислительных экспериментов, полученные в ходе диссертационного исследования доказывают, что:
- улучшение качества звучания клиппированной речи возможно при соблюдении описанных в диссертации требований и рекомендаций;
- применение данной технологии осуществимо в современных каналах связи, таких как: низкоскоростные КС, БЦК, закрытые КС, так как соответствует необходимому критерию оценки качества речевых данных MOS > 3;
- при существенном снижении скорости цифрового потока передаваемых клиппированных сигналов до 8 кБит/с разборчивость остается неизменной;
- качество клиппированной речи не зависит от характеристик голоса диктора, тем самым подтверждается универсальность применения данной технологии.
Для осуществления цели данного диссертационного исследования были выполнены следующие задачи:
1. Проведен анализ существующих методов снижения скорости передачи речи.
2. Проведен анализ существующих методов и критериев оценки качества звучания речи.
3. Разработка и описание модели в среде разработки NI LabVIEW.
4. Исследовано влияние значения частоты дискретизации на разборчивость клиппированной речи.
5. Исследовано наличие эффекта элайзинга при клиппировании цифрового речевого сигнала.
6. Исследована эффективность порогового шумоподавления в паузах речи на разборчивость клиппированной речи.
7. Исследование влияния тембра голоса дикторов на разборчивость клиппированной речи.
8. Разработан способ снижения скорости передачи клиппированной речи на основе однополярного клиппирования речевого сигнала.
9. Подтверждена возможность снижения разборчивости клиппированной речи методом скремблирования.
10. Описана технология передачи цифровой клиппированной речи по низкоскоростным каналам связи.
11. Предложены рекомендации по выбору параметров основных функциональных блоков созданной модели.
Для реализации цифровой технологии передачи речи в низкоскоростных каналах связи была выбрана среда разработки и платформа для выполнения программ LabVIEW, созданная на графическом языке программирования «G» фирмы National Instruments.
В качестве передаваемых объектов по каналам связи были выбраны клиппированные сигналы.
В помощь исследованию и разработке была использована программная среда MatLab.
Результаты вычислительных экспериментов, полученные в ходе диссертационного исследования доказывают, что:
- улучшение качества звучания клиппированной речи возможно при соблюдении описанных в диссертации требований и рекомендаций;
- применение данной технологии осуществимо в современных каналах связи, таких как: низкоскоростные КС, БЦК, закрытые КС, так как соответствует необходимому критерию оценки качества речевых данных MOS > 3;
- при существенном снижении скорости цифрового потока передаваемых клиппированных сигналов до 8 кБит/с разборчивость остается неизменной;
- качество клиппированной речи не зависит от характеристик голоса диктора, тем самым подтверждается универсальность применения данной технологии.