Главная » 2014 » Июнь » 23 » Скачать Развитие теории и техники подавления эффекта электрического эха в телекоммуникациях. Шаврин, Сергей Сергеевич бесплатно
18:33
Скачать Развитие теории и техники подавления эффекта электрического эха в телекоммуникациях. Шаврин, Сергей Сергеевич бесплатно
Развитие теории и техники подавления эффекта электрического эха в телекоммуникациях
Диссертация
Автор: Шаврин, Сергей Сергеевич
Название: Развитие теории и техники подавления эффекта электрического эха в телекоммуникациях
Справка: Шаврин, Сергей Сергеевич. Развитие теории и техники подавления эффекта электрического эха в телекоммуникациях : диссертация доктора технических наук : 05.12.13 / Шаврин Сергей Сергеевич; [Место защиты: Моск. техн. ун-т связи и информатики] - Москва, 2009 - Количество страниц: 379 с. ил. Москва, 2009 379 c. :
Объем: 379 стр.
Информация: Москва, 2009
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
1 ЭФФЕКТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭХА В КАНАЛАХ ТЕЛЕФОННОЙ СВЯЗИ И АНАЛИЗ ЕГО МЕШАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
11 Механизм возникновения эффекта электрического эха в телефонных каналах
12 Анализ психофизических аспектов восприятия эхосигналов человеком
13 Разработка концепции и информационной модели субъективного восприятия эхосигналов
14 Анализ основных методов и средств оценки степени мешающего воздействия эффекта электрического эха
141 Метод мнений и практика его использования для оценки степени мешающего воздействия эффекта электрического эха
142 Метод заметности электрического эха и эффектов, вызванных включением в канал эхоподавляющих устройств
143 Исследование возможности использования Е - модели прогнозирования качества телефонной передачи для оценки степени мешающего воздействия эффекта электрического эха
144 Разработка метода оценки вероятности появления затруднений у абонентов при разговорах по каналам сети
145 Разработка метода оценки эффективности алгоритмов управления эхоподавляющими устройствами на сетях связи по критерию вероятности появления затруднений
15 Анализ характеристик эхосигналов и цепей их распространения, определяющих степень мешающего воздействия эффекта электрического эха
151 Анализ характеристик эхосигналов
152 Анализ основных цепей формирования и распространения эхосигналов
Выводы
2 ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ИСТОЧНИКОВ И СОСТАВЛЯЮЩИХ ЭХОСИГНАЛА В ТЕЛЕФОННЫХ КАНАЛАХ
21 Общие положения
22 Анализ основных источников задержки эхосигнала
221 Задержка, вносимая средой передачи
222 Задержка, вносимая оборудованием систем передачи
223 Задержка, вносимая оборудованием коммутационных станций
23 Анализ основных причин возникновения отражений и цепей, формирующих характеристики эхосигналов
231 Разработка модели формирования эхосигналов в несогласованной двухпроводной линии
232 Разработка моделей, описывающих характеристики передачи и формирование эхосигналов в эхотракте
24 Анализ основных причин возникновения эхосигналов за счет перехода с четырехпроводной части канала на двухпроводную
241 Пассивная оконечная трансформаторная дифсистема
242 Активные типы дифференциальных систем
25 Анализ влияния акустической связи меиеду телефоном и микрофоном абонентского терминала на характеристики эхосигналов
251 Разработка общей модели формирования акустической составляющей эхосигнала в телефонных каналах
252 Акустическая связь в микротелефонных трубках мобильных абонентских терминалов
253 Акустическая связь между телефоном и микрофоном в радиоудлинителях DECT
254 Акустическая связь в стационарных телефонных аппаратах
255 Акустическая связь в громкоговорящем режиме телефонных аппаратов
26 Анализ влияния оборудования сетей доступа на характеристики эхосигналов
261 Влияние четырехпроводных однополосных аналоговых систем передачи
262 Влияние двухполосных аналоговых систем передачи
263 Влияние цифровых систем передачи с ИКМ
264 Анализ влияния цифровых систем передачи, использующих интерполяционные механизмы сжатия речи
265 Влияние оборудования коммутационных станций
27 Разработка математических моделей эхотрактов
271 Математическая модель эхотракта, формируемого типовой аналоговой сетью доступа
272 Математическая модель эхотракта, формируемого типовой цифровой сетью доступа
273 Разработка модели нелинейности эхотракта
274 Разработка модели параметрических воздействий в эхотракте
275 Разработка моделей каналов, сигналов ошибки и шумов, используемых в процессе исследований
276 Разработка модели участка, уплотненного интерполяционными алгоритмами сжатия речи
Выводы
3 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ БОРЬБЫ С МЕШАЮЩИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭФФЕКТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭХА 109 31 Анализ основных методов подавления эхосигналов в телефонных каналах и средств их реализации
311 Согласующий метод подавления эхосигналов
312 Разработка базовой математической модели заграждающего метода подавления эхосигналов
313 Анализ основных принципов, архитектуры и алгоритмов компенсационного метода подавления эхосигналов
32 Исследование влияния характеристик эхосигналов на качество телефонной передачи по эхозащищенным каналам
321 Исследование влияния характеристик эхосигналов и эхотракгов на работу эхозаградителя
322 Исследование влияния характеристик сигналов, каналов и эхотрактов на работу эхокомпенсатора
Выводы
4 РАЗВИТИЕ ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ ПОДАВЛЕНИЯ ЭХОСИГНАЛОВ,
ОПТИМИЗАЦИЯ ИХ АРХИТЕКТУРЫ И ХАРАКТЕРИСТИК
41 Развитие архитектурных решений и оптимизация характеристик заграждающего принципа подавления эхосигналов
411 Развитие архитектурных решений заграждающего принципа подавления эхосигналов
412 Разработка методов и оптимизация процедуры измерения значения времени концевой задержки
413 Разработка рекомендаций по оптимизирующей коррекции номенклатуры динамических параметров заграждающего принципа подавления эхосигналовJ
414 Оптимизация адаптивного управления заграждающей функцией подавления эхосигналов
415 Развитие архитектуры исполнительных элементов заграждающей функции и оптимизация их характеристик
416 Развитие принципов обнаружения речевых сигналов в технике подавления эффекта электрического эха
417 Коррекция диаграммы уровней соединений как системная функция ЭПУ
418 Исследование влияния основной группы мешающих факторов на качество телефонной передачи по каналам, оборудованным усовершенствованными эхозаградителями
42 Развитие архитектурных решений и оптимизация характеристик компенсационного принципа подавления эхосигналов
421 Разработка метода и оптимизация процедуры измерения времени концевой задержки
422 Разработка компактных алгоритмов реализации корреляционного метода адаптивной настройки эхокомпенсатора
423 Оптимизация архитектурных решений и характеристик нелинейного процессора
424 Оптимизация функций и характеристик детекторов речи в составе архитектуры эхокомпенсатора
Выводы
5 ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПРОБЛЕМ И ОСОБЕННОСТЕЙ ПОДАВЛЕНИЯ МЕШАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭФФЕКТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭХА В РАЗЛИЧНЫХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ПРИЛОЖЕНИЯХ
51 Исследование и анализ характеристик эхосигналов, возникающих на фиксированной сети связи, и разработка рекомендаций по их подавлению
511 Цифровые сети доступа
512 Аналоговые сети доступа
513 Системы многостанционного доступа
514 Статистические системы
515 Системы, использующие интерполяционные механизмы сжатия речи
516 Исследование влияния неподавленных эхосигналов на качество телефонной передачи по каналам систем, использующих интерполяционные алгоритмы сжатия речи
52 Исследование особенностей и анализ возможностей подавления эхосигналов в сетях мобильной связи
521 Анализ характеристик эхоподавляющих устройств различных производителей, установленных на сетях подвижной связи стандарта GSM в России
522 Анализ особенностей архитектуры и оборудования мобильных сетей, определяющих условия формирования, восприятия и подавления эхосигналов
523 Исследование возможных причин недостаточной эффективности работы эхоподавляющих устройств, связанных с разбросом параметров эхотрактов типовой сети стандарта GSM
524 Разработка рекомендаций по архитектуре эхоподавляющих устройств для мобильных сетей и оптимизация их характеристик
525 Разработка математической модели комбинированного эхокомпенсатора для сетей подвижной связи
526 Разработка рекомендаций по оптимизации качества телефонной передачи на сетях мобильной связи с точки зрения мешающего воздействия эффекта электрического эха и явлений, вносимых в каналы со стороны эхоподавляющих устройств
53 Исследование особенностей подавления эхосигналов в системах связи, использующих блочные алгоритмы защиты информации от несанкционированного доступа
531 Анализ основных стандартов блочных алгоритмов защиты информации от несанкционированного доступа
532 Исследование влияния ошибок передачи защищенной информации на работу эхоподавляющих устройств
533 Разработка рекомендаций по архитектуре и алгоритмам функционирования эхоподавляющих устройств, устойчивых к воздействию ошибок передачи защищенной информации
54 Анализ особенностей подавления эхосигналов в системах IP телефонии
55 Анализ особенностей проявления эха в конференцсвязи и разработка рекомендаций по их подавлению
Введение:
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 фактором 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 [69].
Для борьбы с мешающим воздействием эффекта электрического эха использовался заграждающий принцип, предполагающий внесение значительного затухания в обратное направление передачи при передаче речи в прямом. С целью облегчения условий ведения встречного разговора при его возникновении в тракт прямого направления передачи предусматривалось внесение небольшого затухания или компрессии сигнала.
Эхоподавляющие устройства (ЭПУ), реализующие заграждающий принцип подавления эхосигналов, получили название эхозаградителей (ЭЗ) [80]; они обеспечивали достаточно полное подавление эффекта электрического эха, а погрешности их работы достаточно хорошо маскировались шумами, перманентно действующими в каналах аналоговых систем передачи и коммутации, особенно в сетях доступа. В целом же трафик по каналам, требующим защиты от мешающего воздействия эффекта электрического эха, составлял незначительную долю общего телефонного трафика, и проблема защиты не ставилась во главу угла.
Бытовало также мнение, что электрически или логически полностью четырехпроводное соединение является радикальным решением проблемы эффекта электрического эха на сетях связи.
Проблемам восприятия эффекта электрического эха и борьбы с его мешающим воздействием в каналах телефонной связи посвящено труднообозримое количество работ как отечественных, так и зарубежных исследователей; ссылки на наиболее значимые литературные источники по рассматриваемым вопросам приведены в соответствующих их тематике разделах диссертации.
Отечественная школа исследования проблемы электрического эха обязана своим основанием таким видным ученым, как П.К.Акулыпин, И.А.Кощеев, К.Е.Кульбацкий, К.П.Егоров, 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, Э.З.Раппопорт, С.В.Кунегин и др. Первой отечественной публикацией по рассматриваемой проблеме следует считать, по-видимому, работу [1].
Зарубежные исследования по проблеме связаны с именами таких исследователей, как M.M.Sondhi, D.A.Barkley, R.Wehrmann, W.Koch, J.Hutter, G.Williams, L.S.Moye, D.G.Messerschmitt, R.R.Riesz, E.T.Klemmer, M.R.Asharif, S.H.Ardalan, S.L.Gay, S.Tavathia, S.Tsujii, J.Chao, T.Petillon и др.
Цифровизация связи дала новый мощный импульс борьбе с мешающим воздействием эффекта электрического эха, превратив ее в системную проблему.
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. Как только уровень развития микропроцессорной элементной базы обеспечил возможность серийного выпуска эхоподавляющих устройств компенсационного типа, - эхокомпенсаторов (ЭК), - в приемлемых стоимостных рамках, заграждающий принцип подавления был предан забвению. Последняя редакция рекомендации МСЭ-Т G.164 [178], регламентирующей характеристики ЭЗ, относится к 1984 году.
Параллельно эхоподавляющим устройствам развивались принципы и средства построения систем передачи.
Шум практически исчез из цифровых телефонных соединений, унеся с собой эффект маскирующего действия на остаточный эхосигнал. Заметность сигналов электрического эха значительно возросла, что привело к возобновлению исследований по количественной оценке степени их мешающего воздействия, вылившиеся в многократные ревизии рекомендаций МСЭ-Т G.121 и G.131 [49, 50, 51,52, 53, 174, 176, 177].
Результаты проведенных исследований потребовали также ревизии нормативного значения времени распространения сигналов, превышение которого требует включения в канал эхоподавляющих устройств; в настоящее время оно составляет 25 миллисекунд в одном направлении [177].
Значительно увеличилась доля каналов, требующих использования средств подавления эффекта электрического эха, - и не столько за счет ревизии нормативного значения времени задержки, сколько за счет широкого использования на сетях связи цифровых методов обработки сигнала, связанных, главным образом, с блочным характером обработки.
Широкое и повсеместное распространение получили статистические системы передачи и в еще большей степени — системы, использующие интерполяционные алгоритмы сжатия речи. На фиксированных сетях статус стандарта де-факто приобрел алгоритм CS-ACELP [183], обеспечивающий восьмикратное сжатие речи с незначительной потерей качества, а на сетях мобильной связи — RPE-LTP (GSM 06.10) [153], реализуемый близкими к CS-ACELP процедурами и обладающий близкими свойствами.
Наблюдается значительная диспропорция в развитии междугородной и местных сетей [129]. Междугородная (транспортная) сеть в настоящее время построена практически полностью на цифровом оборудовании. Местные же сети (сети доступа), даже МГТС, имеют преимущественно аналоговую структуру, причем достаточно часто используется архаичное оборудование, например, двухполосные системы. С транспортной сети ушла в прошлое традиционная трансформаторная оконечная дифференциальная система; функция перехода с четырехпроводной части канала на двухпроводную в современных коммутационных станциях выполняется кофидеками, которые с транспортной сети переместились на сети доступа. Как показывает практика, функция настройки балансных контуров оконечных дифференциальных систем, пребывавшая в небрежении на междугородной сети, совсем потерялась в процессе перехода на сети доступа, для обслуживающего персонала которых понятие эффекта электрического эха является в значительной степени экзотикой, а программирование кофидеков не отражено в должностных инструкциях. Результатом такого подхода является повышенный разброс значений переходного затухания [86, 111, 115].
Изменился вид диаграммы уровней телефонного соединения за счет изменения значений относительных уровней виртуальной точки четырехпроводной коммутации с минус 3,5 дБ до 0 дБ. Использование на сети старого оборудования, не допускающего необходимых подстроек характеристик, часто приводит к перекосам диаграммы уровней, влияющим на стабильность работы ЭПУ.
Существенно изменились архитектура и характеристики абонентского оборудования. Изменение геометрии микротелефонных трубок и применяемых при их изготовлении материалов привели к повышению роли акустической составляющей эхосигнала (возникающей вследствие акустической связи телефон — микрофон), особенно в мобильных терминалах и радиоудлинителях DECT.
Телефонные аппараты строятся в настоящее время на основе активных элементов, усугубляющих нелинейность эхотрактов; многие аппараты оснащаются функцией громкоговорящей связи, еще в большей степени усиливающей роль акустической составляющей в эхосигнале.
Появились новые методы 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 трафика максимально возможного объема при имеющейся пропускной способности шлюзов в сеть общего пользования заставляет операторов использовать максимальную емкость буфера сбора (джиттера) 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 эхоподавляющих устройств.
Подавление эффекта электрического эха в изменившейся обстановке превратилось в сложную системную и сетевую задачу, обеспечивающую практическое знакомство с его мешающим воздействием едва ли не каждого абонента телефонной сети.
Со времени самых первых испытаний эхокомпенсаторов и до настоящего момента одной из главных сложностей полноценного и качественного компенсационного подавления эхосигналов является нелинейность, повсеместно встречающаяся в телефонных соединениях. Линейный характер трансверсального фильтра, используемого в архитектуре эхокомпенсатора для формирования копии эхосигнала, принципиально не обеспечивает возможности генерации нелинейных продуктов, лишая эхокомпенсатор способности подавления нелинейных составляющих эхосигнала и стимулируя пропускания на их фоне линейной составляющей эквивалентной мощности. Между тем мешающее воздействие неразборчивого (невнятного) эха, формируемого нелинейными составляющими эхосигнала (безотносительно к объединению с линейными) нисколько не уступает мешающему воздействию обычных эхосигналов.
Для подавления остатков эхосигналов, включающих линейную и нелинейные составляющие, в архитектуре эхокомпенсатора предусмотрен нелинейный процессор (НП). Реализуя, фактически, заграждающий принцип подавления остаточных эхосигналов, НП вносит в канал специфические динамические пропадания отрезков передаваемого речевого сигнала, получившие название клиппирования, которые могут в значительной степени усугубляться влиянием импульсной помехи и перекосами диаграммы уровней.
Еще одним столь же существенным фактором, как нелинейность, влияющим на работу эхокомпенсатора и обеспечиваемое качество телефонной передачи по эхозащищенным каналам, является параметрическое изменение характеристик эхотрактов [114, 220]. Источники параметрических изменений на сетях достаточно многочисленны — это и «мерцание контакта» на механических коммутационных станциях, и изменение усилий, прикладываемых абонентом к телефонной трубке в процессе разговора, и переключение на другой телефонный аппарат, и изменение сопротивления угольного микрофона и многое другое.
Импульсная помеха как фактор нарушения адекватности работы НП и причина клиппирования сигнала приобретает особое значение в каналах, обладающих свойством размножения ошибок.
Свойством сгруппированного размножения ошибок передачи обладают системы защиты передаваемой информации от несанкционированного доступа, использующие блочные (блоковые) алгоритмы [35, 36, 39, 90, 120], а также системы, использующие интерполяционные механизмы сжатия речи [65, 115, 153]. Особенно остро проблема размножения ошибок (и связанная с ней некорректность работы НП) стоит в системах мобильной связи вследствие высоких значений коэффициента ошибок передачи по радиоканалу в сложных условиях приема.
Неподавленные эхосигналы, в свою очередь, могут оказывать значительное влияние на корректность работы систем передачи, часто имеющее неожиданные проявления, например, такие, как пропадания отрезков передаваемой речи значительной (более 1с) длительности в системах статистического уплотнения [12, 60, 108] или характерное металлическое звучание в системах, использующих интерполяционные алгоритмы сжатия речи [20, 65].
Дублируя эхотракт, в некоторых случаях эхокомпенсатор сам становится источником эхосигналов в телефонных каналах.
Изложенные положения дают основание для включения проблемы электрического эха на сети связи в число главнейших и актуальнейших 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 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; это обеспечит возможность оптимизации 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 эхотрактов, 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 [3];
• легла в основу алгоритмов функционирования серийно выпускавшихся эхозаградителей КЭЗ-А.001.КЭЗ-А.004 и более поздних моделей КЭЗ-А.Ц01 .КЭЗ-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 «эхозаградители с улучшенными динамическими характеристиками» [78].
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 КЭЗ—А.Ц02, отмеченных Постановлением Коллегии Государственного Комитета Российской Федерации по связи и информатизации №2 — 1 от 26.01.99 как пример конкурентоспособной продукции Российских производителей.
Эхозаградитель КЭЗ-А.Ц02 выполнен в идеологии загружаемых платформ и поддерживает различные системные функции, например:
• полную поддержку взаимодействия с протоколами ОКС-7, 2ВСК, 1VF, МККТТ №5, Q.50, EDSS1 (PRI) и др.;
• возможность эксплуатации в полнофункциональном режиме при времени концевой задержки до 1020 мс, включая работу в системах спутниковой связи в режиме многостанционного доступа и в системах мобильной связи в режиме подавления эхосигналов, возникающих в абонентских терминалах;
• возможность измерения значения времени концевой задержки и вида импульсной характеристики эхотракта;
• возможность поддержки видеоконференции и др.
4. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс МТУ СИ 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 —'ГП» 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. 8084) на конференциях и сессиях НТОРЭС им А.С. Попова, на конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического 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.
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, задействуемые 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.
