CC BY
21
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛА ВЕЩАНИЯ ПО КОРОТКОМУ РЕАЛЬНОМУ ЗВУКОВОМУ
СИГНАЛУ
Абрамов Валентин Александрович,
доцент, МТУСИ, Москва, Россия, vabramov44@mail.ru
Малов Александр Викторович,
аспирант, МТУСИ, Москва, Россия, almalov@mail.ru
Попов Олег Борисович,
профессор, МТУСИ, Москва, Россия, almalov@mail.ru
Черников Кирилл Вячеславович,
аспирант, МТУСИ, Москва, Россия, che-kirill@yandex.ru
Ключевые слова: объективная оценка, канал звукового вещания, короткий временной интервал, относительная средняя мощность (ОСМ), аналитическая огибающая, субъективно-статистические измерения, предпочтительные значения параметров.
Целью статьи является изложение нового метода объективной оценки качества передачи вещательных сигналов. Показано, что существующая методика объективной оценки канала звукового вещания по гармоническим тестовым сигналам связана с выводом канала из эксплуатации на 4-6 часов. Предлагается формировать оценку качества передачи по достаточно короткому, около 2 минут, отрезку заранее известного реального вещательного сигнала. Приводится оценка коэффициента передачи канала при использовании в измерениях короткого реального сигнала в виде гимна России. Показано, что заметность искажений (изменений) сигнала наступает примерно при 3% изменении его относительной средней мощности (ОСМ), поэтому в качестве меры такого изменения предложено использовать интегральное отклонение распределений ОСМ на длительности формирования ощущения громкости (около 200 мс). Повысить точность оценки мощности предложено на основе использования аналитической огибающей измеряемого вещательного сигнала. Рассматривается методика синтеза ортогонального сигнала, при использовании которой, ошибка не превышает 10-5, что позволяет с высокой точностью выделять аналитическую огибающую вещательного сигнала. Показано, что оценка ОСМ дискретизированно-го сигнала на основе использования аналитической огибающей позволяет повысить точность формирования оценки на коротких временных интервалах. Еще больше повысить точность предложено за счет оригинального метода повышения частоты дискретизации. Приводится результаты экспериментального статистического исследования сигнальных ОСМ вещательных сигналов, хорошо коррелирующиеся с результатами субъективно-статистических измерений по критериям "заметности изменений сигнала" или балльной оценки. Определяются величины ОСМ параметров, связанные с тормозящим, возбуждающим или нейтральным воздействием звукового сигнала на слушателей и определяются предпочтительные значения данных параметров. Предлагаемый метод объективной оценки качества передачи вещательных сигналов на коротких временных интервалах позволяет полностью исключить существующую трудоемкую и неточную методику контроля, связанную с длительным выводом вещательного канала из эксплуатации, что имеет практическую ценность. Данный метод позволяет существенно сократить эксплуатационные расходы, повысить качество вещательных сигналов и исключить длительные перерывы в работе каналов передачи информации, что имеет высокую социальную значимость. Оригинальность предлагаемого метода подтверждена патентами и статьями.
Для цитирования:
Абрамов В.А., Малов А.В., Попов О.Б., Черников К.В. Прогнозирование качества передачи сигнала вещания по короткому реальному звуковому сигналу // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №2. С. 19-24.
For citation:
Abramov V.A., Malov A.V., Popov O.B., Chernikov K.V. (2017). Prediction of the quality of the broadcast signal by short real audio signal. T-Comm, vol. 11, no.2, рр. 19-24. (in Russian)
У
ются адаптивными и меняют свои параметры в соответствии со свойствами сигнала, поэтому такие каналы гарантируют только сохранение субъективного качества данного сигнала.
Напомним, что в соответствии с международными рекомендациями используются разные критерии оценки субъективного качества:
- по заметности изменения звучания.
- по баллам;
- по предпочтительности звучания;
Наиболее точным из них, а потому и наименее применяемым, является критерий замети ости изменений сигнала. Именно с его использованием, под руководством заведующего кафедрой РВиЭА И.Е. Горона, были сформированы требования ГОСТ 11515. Было установлено, что заметность искажений (изменений) сигнала наступает примерно при 3% изменении его относительной средней мощности (ОСМ). ОСМ - отношение мощности реального сигнала к мощности гармонического сигнала с амплитудой номинальной для канала (канальных ОСМк), или с амплитудой максимальной на интервале наблюдения (сигнальных ОСМе). Причем слушателю все равно, в области каких уровней происходит это изменение сигнала, поэтому в качестве меры такого изменения предложено использовать интегральное отклонение распределений ОСМ на длительности формирования ощущения громкости (около 200 мс).
К сожалению, точность вычисления ОСМ для дискрети-зированного сигнала, на основе существующих методов, невысока и производится путем суммирования абсолютных значений сигнала на коротких временных интернат ах. Такой подход к опенке мощности реального сигнала вносит достаточно большие погрешности.
Повысить точность оценки мощности предложено на основе использования аналитической огибающей измеряемого вещательного сигнала.
(1) (2)
При этом = ^(г)созФ(/) И /(г)=л(0$&ф(0- (3)
По критериям простоты вычислительных операций и скорости вычислений был выбран алгоритм преобразования в частотной области на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ):
Xk=Xk Hk, Hk =
L JV A
-j, * =
l 2 J
'N „ 1
+j, k =
,2 J
(4)
Здесь: Х- ~ коэффициенты БПФ отсчетов исходного сигнала, хк - коэффициенты ортогонального сигнала, последовательность // _ можно интерпретировать как дискретное представление функции
Для оценки искажений на первых и последних коэффициентах дополнительно был произведен анализ параметров различных оконных функций в частотной области (рис. 5). Для этих коэффициентов вычислялось отношение ц:
р — '-I '
2Е,
(5)
где Е1 - энергия /'-го коэффициента, к — номер коэффициента, к спектральной энергии выше которого относилась энергия всех коэффициентов,
Я, дБ
80 70
60 10
f
/
/ Hanwnoivi a
J /
/
Хемминга /
/- - ___-- --~
О 1 2 3 4 к, ÓUH
Рис. 5, Отношение Rk для четырех оконных функции
1 0.3 0.5 0.7 0-3 1,1 1,3 Т.5 1.7 1.92,1 2,3 2,5 2.7 2.0 3,1 3,3 3,5 3,7 3,0 4,1 4,3 4,54,7 4.0 5,1 5,3 5,5 5.7 5,0 К. 6
Рис. 6. Погрешности синтеза ортогонального сигнала для гармонического колебания
Из рисунка 5 видно, что окно Наттолла уступает в защитном отношении сигнал-шум другим окнам до 3-го коэффициента, и значительно превосходит их на коэффициентах больших номеров. На 4-м коэффициенте значение R достигает величины, приблизительно, 85,7 дБ и далее не изменяется. На рисунке 6 представлены погрешности синтеза (отношение сигнал-шум преобразования ОСШ„) ортогонального сигнала для гармонического колебания, частота которого соответствовала заданным коэффициентам БПФ,
Для обеспечения единичного коэффициента передачи для окна Наттолла и устранения влияния процессов обработки, было предложено ввести дополнительную корректирующую оконную функцию, поправочные коэффициенты которой приведены ниже.
W (п) = я(| ■ a, eos( 2p,tn) + o-, cos(4p,!n) + я, eos{6pfn ) Коэффициенты Натолла: а(|=0.3635, а|=0.48'Л, a;=0.1365, и-ff-l) 1
t.=-
N -1
,-h =>[o, Д'-l]' КЩ = 1 / (Ц») * "'("))-
При использования предложенной методики ошибка синтеза ортогонального сигнала не превышает 10°, что позволяет с высокой точностью выделять аналитическую огибающую вещательного сигнала. Оценка мощности дискрета з про ванного сигнала на основе использования аналитической огибающей позволяет повысить точность формирования оценки на коротких временных интервалах [3]. Результаты расчета приведены в таблице I.
Таблица 1
Мощность дискретизированного сигнала на коротких временных интервалах
Мощность, л Б Число периодов дискрешзируемого сигнала
0,5 1 2 3 9 4000
Average RMS Power -3 -3 -3 -3,97 -6,5 -6,01
СКМ гю огибающей -6,01 -6,01 -6,01 -6,01 6,01 -6,0!
1/ В^ jr(rt)
Cm пк — ¡Sin ni В В
t = 0,1, ...5-1
Х(к\) = + XkfKkl) К]- В...v*B-], где V -кратность преобразования
Cos-^-nk+ jSin—^nk В В
, и = 0,1,,„ N - I
(6)
(7)
валах в пределах 2-3 минут. Это резко ускоряет весь процесс измерений. Результаты сглаживания приведены на рис. 8.
JnUi
. I-4... .....
üi us и уз и пя (и а» ал г "л -г с ы un i
UP—j
Для анализа сигнала звукового вещания в трактах формирования программ, такой точности недостаточно. Повысить ее предложено за счет повышения частоты дискретизации.
В связи с этим был предложен неискажающиЙ способ изменение частоты дискретизации [4], в котором операции происходят в частотной области с добавлением коэффициентов Фурье в области, где по определению отсутствует энергия звукового сигнала, поэтому величина ошибки не превышает -92 дБ. Это позволяет проводить измерения мощности реального сигнала звукового вещания, на коротких временных интервалах, с высокой точностью.
Рис. 7. Результат статистического исследования сигнальных ОСМс
Разработанные алгоритмы и ПО для его реализации позволили перейти к шкалированию мощностных параметров сигналов звукового вещания (СЗВ),
0,3 028 02f> 0.24 022 02 0.18 0,16 0.14 0,12 0,1 0.08 0.06 0.04 0.02 в Частота появления значен
//
Г
1
h
/1
0.05 0.1 0.15 0.2 025 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 ОСМ осна1»наи
Möcujtoö |з Дополнительно-1 OCiHonim. Грацл*. | Соирдаыгъ [
ско
0.207
Д^ммгч , дБ
£0.9
где х(п) - последовательность из В временных отсчетов, Х(к) - последовательность из В частотных отсчетов.
При использовании в практических приложениях, например для обработки вещательных сигналов, необходимо увеличивать длину выборки, а часть коэффициентов -отбрасывать.
Разработанное на кафедре РВ и ЭА программное обеспечение (ПО) позволяет производить расчет интегральных распределений ОСМ или дифференциальных ОСМ.
Пример результата экспериментального статистического исследования сигнальных ОСМ вещательных сигналов показан на рис. 7.
На графике отображены распределения мгновенных значений ОСМс для гимна России до и после искажающего канала, ниже приведены ряд численных значений, в том числе интегральное отклонение распределений по которому можно сделать вывод о величине искажений.
Из рисунка 7 видно, что графики существенно изрезаны, что снижает точность формирования оценок. Предложенное использование онлайновой аппроксимации при формировании оценок статистических параметров вещательного сигнала Позволяет формировать их па коротких временных иитер-
□ тигапетя Ит^гр - О 2В344! Б.10720Н Чйь.с. - 1.03)794
Рис. 8. ОСМс с применением сплайновой аппроксимации
В таблице 2 [5] приведены допустимые значения интегральных отклонений нормированной частоты появления значений (НЧПЗ) по параметру ОСМс при оценке по критерию замети ости изменений сигнала, т.е. показана связь между изменениями статистических характеристик СЗВ и замети остью этих изменений слушателем:
Таблица 2
Соответствие изменений статистических параметров
СЗВ
Параметр Процент заметности изменений вещательного сигнала
10 15 30 50 75
ОСМс, % 1,0. ..2,0 1,5.,.2,8 4...6 45...50 60... 75
К сожалению, к настоящему моменту практически не осталось каналов соответствующих этому критерию качества
передачи. В связи с этим, получила широкое распространение более грубая и удобная для разработчиков бальная оценка. Так именно на основе этой оценки широко используется любимый молодежью формат МР, хотя экспертиз кроме разработчиков никто толком не проводил. При этом считается допустимым снижение качества в канале передачи на 1-1,5 балла.
Метод оценки качества СЗВ по баллам, используется организацией ISO/MPRG для подтверждения эффективности кодеков, хотя он, как было установлено, наименее точен ( табл. 3).
Таблица 3
Соответствие изменений статистических параметров СЗВ
Параметр Балльная оценка изменений, вносимых алгоритмом MPEG
0.3 0.6 0.9 1.2 1.5
ОСМс, % 43 48 52 52 55
ОСМ к, % 7 8 12 13 15
Сравнительный анализ параметров короткого реального вещательного сигнала на входе и выходе канала передачи позволяет сформировать объекгивную оценку качества передачи, хорошо коррелирующуюея с результатами субъек-тивно-статистичееких измерений по критериям «замен юсти изменений сигнала» или балльной оценки. К сожалению, в целом ряде практических приложений таких оценок недостаточно. К настоящему времени изменения сигнала в трактах формирования, первичного и вторичного распределения столь велики и разнообразны, что зачастую не укладываются в вышеприведенные шкалы. Появилась необходимость формализованной шкалы объективных абсолютных параметров сигнала, сформированных но критерию «предпочтительности» его слушателем.
Критерий предпочтительности является не только сложнейшим из рассматриваемых, но и самым важным. В конечном счете, не столь важно, насколько изменился звуковой сигнал, важно, насколько результат нравится потребителю и оказывает на него определенное воздействие. В ходе проведенных экспериментов были определены величины ОСМ параметров, связанные с тормозящим, возбуждающим или нейтральным воздействием звукового сигнала па слушателей и определены предпочтительные значения данных параметров.
Таблица 4
Соответствие статистических параметров соответствующих наиболее предпочтительному звучанию
Параметр Диапазон предпочтительных значений параметра
Энергетические параметры
ОСМ к 0,13...0,18
ОСМе (тормозящее воздействие) 0,18
ОСМс (возбуждающее воздействие) 0,06
ОСМс (нейтральное воздействие) 0.12
Таким образом, проведенное моделирование прохождения короткого реального сигнала но аналоговым и цифровым каналам передачи сигнала звукового вещания показало возможность формирования как объективной оценки качества передачи в соответствии с ГОСТ 11515, так и прогнозирование субъективной оценки качества в соответствии с принятыми критериями.
Литература
t. Попов О.Б., Рихтер С.Г. Цифровая обработка и измерения сигналов а трактах звукового вещания. М.: Инсвязьиздат, 2010, 292 с.
2. Попов О.Б.. Орлов С.Е. Объепивная экспресс оценка качества передачи звуковых сигналов // 7-ая Международная НТК INTERMATIC-2010 «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения». М.: Энергоатомиздат, 2010. Тезисы докладов часть 3. С. 217-221.
3. Абрамов В.А.. Попов О.Б.. Рихтер С.Г. Способ измерения мгновенных и средних значений абсолютной и относительной мощности акустических сигналов и устройство для его осуществления. Патент№2458340. ЬИ №22 от 10.04.2012.
4. Абрамов В.А., Попов О.Б.. Рихтер С,Г. Способ изменения скорости передачи цифровою звукового сигнала телерадиовещания и устройство для его Осуществления. Патент № 2405262, БИ № 33 от 27.11.2010.
5. Абрамов В.А.. Малое А.В- Прогнозирование качества передачи сигнала звукового вещания но короткому реальному сигналу // 19-ая Международная НТК «Современные Телевидение и Радиоэлектроника». М.: ФГУ11 МКБ «Электрон», 2011. Тезисы докладов. С. 44-49.
7Тл
■
PREDICTION OF THE QUALITY OF THE BROADCAST SIGNAL BY SHORT REAL AUDIO SIGNAL
Valentin A. Abramov, Moscow, Russia, vabramov44@mail.ru Alexander V. Malov, Moscow, Russia, almalov@mail.ru Oleg B. Popov, Moscow, Russia, olegp45@yandex.ru Kirill V. Chernikov, Moscow, Russia, che-kirill@yandex.ru
Abstract
The purpose of the article is a summary of the new method for objective assessment of the quality of the transmission of broadcasting signals. It is shown that the existing methodology for the objective evaluation of audio broadcasting channel on harmonic test signals associated with the conclusion of the operation on Channel 4-6 hours. It is proposed to generate enough transmission quality assessment of short, about 2 minutes, stretch beforehand known real broadcast signal. Assessing the channel transfer coefficient when using dimensions short of a real signal as the national anthem of Russia. It is shown that the visibility of distortion (changes) signal occurs approximately 3% change its relative average power (RAP), so as a measure of such a modification is proposed to use the cumulative deviation for durations, RAP distributions formation sensations volume (approx. 200 MS). Increase the accuracy of assessment power suggested through the use of analytical baseband measured broadcast signal. Demonstrates techniques for synthesis of orthogonal signaling that, error does not exceed I0-5, that allows you-high precision allocate analytical envelope broadcast signal. It is shown that the assessment of signal based on discretized RAP use of analytical baseband allows you to increase the accuracy of the Fort under evaluation at short time intervals. To further enhance the accuracy requested through the original method of increasing the sampling frequency. Provides the results of the pilot study statistics signal RAP broadcast signals, well korrelirujushhiesja with the results of subjective-statistical measurements according to the criteria of the "signal" or changes the visibility of a mark estimation. Defines the values of the parameters associated with the RAP, retarding, excitatory or neutral impact of the acoustic signal is received and identifies preferred values for these settings. The proposed method of objective evaluation of the quality of the transmission of broadcasting signals over short time intervals allows you to completely eliminate the existing time-consuming and inaccurate monitoring technique, associated with prolonged withdrawal of broadcasting channel of exploitation that has practical value. This method can significantly reduce operating costs, improve the quality of broadcast signals and eliminate lengthy breaks communication channels that has high social significance. The originality of the proposed method has been confirmed by patents and articles.
Keywords: оjective evaluation of audio, channel broadcast a short time interval, the relative average power (RAP), envelope, subjectively-statistical measurements, the preferred options.
References
1. Popov O.B., Richter S.G. (2010). Digital processing of signals and measuring circuits audio broadcasting. Moscow: Insvjaz'izdat. 292 p. (in Russian)
2. Popov O.B., Orlov S.E. (2010). Objective quality evaluation of transfer express beeps. 7-th international STC INTERMATIC-2010 "Fundamental problems of electronic instrument engineering. Noscow: Energoatomizdat, pp. 217-221. (in Russian)
3. Abramov V.A., Popov O.B., Richter S.G. (2012). Method of measurement of instantaneous and averages absolute and relative power of acoustic signals and device for its realization. Patent No. 2458340, no. 22, dated Tuesday, BI. from 10/04/2012. (in Russian)
4. Abramov V.A., Popov O.B., Richter S.G. (2010). How to change the transmission speed of digital audio signal-leradioveshhanija and device for its realization. Patent No. 2405262, no. 33 BI from 27/11/2010. (in Russian)
5. Abramov V.A., Malov A.V. (2011). Forecasting quality signal transfer of audio broadcasting on short real signal. 19-th international STC "Modern Tv and radio electronics. Noscow: FSUE "Elektron" IBC 2011, pp. 44-49. (in Russian)
Information about authors
Valentin A. Abramov, MTUCI, the senior lecturer, Moscow, Russia Alexander V. Malov, MTUCI, the post-graduate student, Moscow, Russia Oleg B. Popov, MTUCI, professor, Moscow, Russia Kirill V. Chernikov, MTUCI, post-graduate student, Moscow, Russia
