Дипломная (вкр): Исследование процессов формирования и передачи аудиоинформации с борта летательного аппарата

голосовую связь от пилота к экипажу и пассажирам;

голосовую связь от бортпроводника к пассажирам;

усиление записанных сообщений и музыки;

тональные звонки (вызов бортпроводника, "Не курить" и т.п.).

В настоящее время в авиации внедряются глобальные телекоммуникационные сети, предназначенные для передачи цифровых данных с земли на ЛА и с ЛА на землю. Эти сети будут связывать в единое целое все составляющие гражданской авиации - находящиеся в воздухе и на земле летательные аппараты, авиакомпании, службы управления воздушным движением, службы погоды и т.д. Они будут обеспечивать связь, навигацию, управление воздушным движением. Бортовая аппаратура пополниться 1-2 телекоммуникационными терминалами, сигнальным табло и маршрутизатором. Для передачи информации с борта и приема адресованной ЛА информации будут использоваться уже имеющиеся радиостанции.

Терминал устанавливается в кабине. Он представляет собой компактный индикатор с маленьким цифробуквенным экраном и несколькими кнопками вокруг него.

Маршрутизатор устанавливается в техническом отсеке. Он обеспечивает включение данного ЛА в глобальную сеть. Задачей маршрутизатора является выбор самого эффективного маршрута передачи данных и выбор между всеми возможными средствами связи (ВЧ-радиостанция, СВЧ- радиостанция, терминал спутниковой связи).

С появлением такой системы изменяется общение пилота с диспетчером: вместо голосовой связи они будут обмениваться стандартными сообщениями.

Предполагается, что это позволит уменьшить количество возникающих недоразумений, вызванных некачественной радиосвязью и плохим владением английским языком. Кроме того, это позволит разгрузить радиодиапазон, который в настоящее время уже переполнен. Пилот будет выбирать на своем терминале одно из 128 возможных сообщений, которое он будет посылать одним нажатием кнопки. О приходе сообщений с земли пилота предупредит сигнальное табло, а само сообщение (диспетчера или кого-то другого) пилот увидит на экране своего терминала.

Еще одна функция телекоммуникационных сетей - обеспечение автоматического зависимого наблюдения, то есть слежение за летательными аппаратами с земли и с других ЛА. Приемопередатчик ЛА будет на определенной частоте раз в секунду передавать всем другим информацию о своем ЛА - его идентификатор, координаты и высоту. В то же время он будет принимать подобные же данные от всех других ЛА. Наземные центры УВД будут передавать на борт данные по тем ЛА, которые не оборудованы подобными системами. Вся эта информация поступит в маршрутизатор, а оттуда - в систему индикации, на экранах которой пилот сможет увидеть ситуацию с воздушным движением вокруг своего ЛА.

2. Методы и алгоритмы повышения разборчивости речи, критерии разборчивости

.1 Определение понятия "качество передачи речи"

Тракт передачи речи (ТПР), обобщенная схема которого приведена на рисунке 2.1, состоит из микрофона М, передающей аппаратуры (ПА), канала связи (КС), приемной аппаратуры (ПрА), телефона (Т) [1].

Рисунок 2.1 Тракт передачи речи

Согласно [1], основными критериями качества тракта передачи речи служат:

разборчивость;

громкость;

натуральность.

При этом громкость не является самодостаточным параметром - она используется совместно с разборчивостью и определяет желаемый (комфортный) уровень принимаемых сигналов. Даже из личной практики каждого человека известно, что чересчур низкий уровень громкости приводит к снижению разборчивости. Исследования показывают, что разборчивость понижается и при чересчур высоком уровне громкости речи.

Натуральность речи - это способность системы воспроизводить не только смысл передаваемой речи, но и ее тембр, индивидуальные особенности речи диктора. Для трактов передачи речи (телефонная связь, радиосвязь) эта характеристика является второстепенной, за исключением тех случаев, когда стоит задача высококачественного воспроизведения речи диктора (или пения). В нашем случае натуральность речи также является второстепенной, если только не стоит задача определения личности диктора.

Таким образом, разборчивость речи является основным параметром, характеризующим тракт передачи речи.

2.2 Методы измерения разборчивости речи

Все методы измерения разборчивости речи условно делятся на субъективные и объективные [1]. «Условно» - поскольку существует по меньшей мере две трактовки «субъективности-объективности» метода.

Первая трактовка. Согласно первой трактовке, при субъективном методе разборчивость речи оценивают по результатам единственного опыта - отсюда неизбежное влияние на результаты измерений особенностей речи и слуха людей, участвующих в испытаниях. Чтобы объективизировать метод, нужно осуществить много экспериментов с различными дикторами и абонентами, а затем усреднить результаты измерений.

Разборчивость передаваемой речи оценивают по пятибалльной шкале Международного Консультативного Комитета по Радиосвязи (МККР) [1]:

неразборчиво;

разборчиво временами;

разборчиво с трудом;

разборчиво;

совсем разборчиво.

Примером объективизации измерений разборчивости речи служат современные методы оценки качества передачи речи по трактам связи, изложенные в Государственном стандарте Российской Федерации [3], согласно которым в испытаниях должно участвовать не менее 3-х дикторов и 4-5-ти аудиторов, удовлетворяющих ряду условий (отсутствие выраженных дефектов речи и слуха, нетренированность). Например, при оценивании фразовой разборчивости диктор читает одну таблицу фраз в нормальном темпе произнесения (одна фраза за 2,4 с) и вторую таблицу в ускоренном темпе (одна фраза за 1,5-1,6 с). Пауза между фразами должна быть 5-6с. Аудитор прослушивает сначала таблицу, прочитанную диктором в нормальном темпе, затем таблицу, прочитанную тем же диктором в ускоренном темпе. Правильность приема фраз определяют по квитанции, переданной по каналу телефонной связи. Цикл измерений состоит из передачи всеми дикторами по 10 таблиц каждым, и приема всеми аудиторами всех переданных таблиц. Фразу считают неправильно принятой, если хотя бы одно слово принято неправильно, пропущено или добавлено. Фразовую разборчивость определяют путем вычисления процента правильно принятых фраз для нормального и ускоренного темпов произнесения по формуле 2.1

 (2.1)

где j_i - результат единичного измерения фразовой разборчивости, %; N - число единичных измерений; J_Н - фразовая разборчивость при нормальном темпе произнесения, %; J_У - фразовая разборчивость при ускоренном темпе произнесения, %.

Методы, описанные выше, называют артикуляционными. При их использовании необходимо располагать специальными артикуляционными таблицами, составление которых - самостоятельная сложная задача. Другой недостаток артикуляционных методов - большое время испытаний, составляющее несколько недель.

Очевидное достоинство артикуляционных методов - простота, позволяющая участвовать в испытаниях операторам с относительно низким уровнем технической квалификации.

Вторая трактовка. При второй трактовке «субъективности-объективности» метода субъективными называют все методы, в которых человек является составной частью измерительного тракта, а объективными - такие методы, в которых весь измерительный процесс осуществляется приборами без участия органов чувств человека. С этой целью передающий и принимающий операторы должны быть заменены искусственными эквивалентами («искусственный голос», «искусственное ухо»).

Тональный метод. В [1] описывается два метода измерения разборчивости речи, базирующихся на такой трактовке объективности. В так называемом «тональном методе» несколько дикторов заменены единственным искусственным голосом, который генерирует чистые тоны. Искусственный голос представляет собой обычный громкоговоритель без диффузора, возбуждаемый с помощью тонального генератора таким образом, чтобы уровень звуковых давлений, создаваемых на различных частотах, соответствовал бы кривой спектра формант. Помещение передачи и помещение приема речевых сигналов искусственно зашумляют - тем самым обеспечивают требуемое отношение сигнал-шум, при котором испытываемая система должна нормально функционировать. Прием информации по-прежнему производит бригада аудиторов. При этом задача аудиторов упрощается: вместо того, чтобы осмыслить и записать услышанное звукосочетание, от них требуется лишь определить, слышен ли сигнал на данной частоте или не слышен. Кроме того, операторы должны измерить уровень ощущения формант - делается это весьма просто, путем введения положительного или отрицательного затухания в тракт связи. Если сигнал слышен, затухание делают положительным, пока сигнал перестанет быть слышным. Наоборот, если сигнал не слышен, затухание делают отрицательным, пока сигнал не станет слышным. Дальнейшее определение величины разборчивости речи производят аналитически, с помощью графиков и несложных формул.

Таки образом, тональный метод, в отличие от артикуляционного, можно отнести к косвенным методам измерений разборчивости.

Достоинства тонального метода:

1)      не применяются артикуляционные таблицы;

2)      значительное сокращение времени измерений.

Недостатки тонального метода:

1)      повышенные требования к технической грамотности персонала, организующего испытания;

2)      человек еще не выведен из состава измерительной системы.

Как указано в [1], тональный метод регламентирован ГОСТ № 8031-78.

Объективный метод. В другом методе, именуемом «объективным», применяют как искусственный голос, так и искусственное ухо. В данном методе, как видим, человек полностью выведен из состава измерительной системы. Следует отметить, что искусственное ухо - обычный в технике акустических измерений прибор, применяемый при испытании телефонов и позволяющий воспроизвести акустическую нагрузку, создаваемую на телефон естественным ухом. Тем самым удается измерить звуковое давление, создаваемое звучащим телефоном в ухе.

Общий порядок измерений при этом такой:

1)      С помощью генератора шума и громкоговорителя создают уровень шума, соответствующий условиям работы приемного конца испытуемого тракта. Измеряют уровень шума на выходе искусственного уха в критической полосе частот слуха, причем средняя частота этой полосы равна частоте измерительного тона.

2)      Генератор шума выключают, а вместо него на вход тракта «искусственный голос - канал передачи - искусственное ухо» подают тональный сигнал. Уровень интенсивности звука на микрофоне берется таким, чтобы при условном нуле на регулировщике затуханий распределение звуковых давлений соответствовало кривой спектра формант.

)        С помощью регулирования затуханий добиваются, чтобы уровень сигнала на выходе искусственного уха был таким же, как уровень шума. Показания регулятора затуханий представляют собой результат измерений уровня ощущений.

4)      Далее, как и в тональном методе, определение величины разборчивости речи производят аналитически, с помощью графиков и несложных формул (тех же).

Объективный метод точнее и быстрее тонального, для его проведения не нужны операторы (дикторы и аудиторы). Наконец, объективный метод принципиально позволяет полностью автоматизировать процедуру измерений на базе современных ЭВМ.

Как и тональный метод, объективный метод является косвенным, т.е. разборчивость речи оценивается не путем подсчета правильно распознанных речевых единиц, а путем проведения специального измерительного эксперимента со звуковыми сигналами в виде тона и полосового шума, в ходе которого измеряются уровни ощущений в нескольких полосах частот. Разборчивость речи вычисляют, базируясь на результатах экспериментальных измерений.

Ввиду неоспоримых достоинств объективного метода, а также в силу отмеченного выше принципиального сходства ТПР и ТКУИ, в настоящее время объективный метод в той или иной модификации применяют как при оценке качества каналов связи [], так и при оценке эффективности защиты речевой информации [4,5,6]. Поэтому целесообразно подробно рассмотреть идею, лежащую в основе рассмотренных выше косвенных методов измерения разборчивости речи. При этом целесообразно также вспомнить некоторые положения психофизиологии речи и слуха, на использовании которых базируются косвенные методы.

2.3 Свойства речевых сигналов, влияющих на разборчивость

Спектральные свойства звуков речи. Спектры гласных звуков представляют собой (в первом приближении) периодическую последовательность спектральных пиков. Период следования этих пиков называют частотой основного тона. Выраженные всплески уровня «огибающей» спектральных пиков именуют «формантами» (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 Вид спектра гласного звука

Полезная информация о гласном звуке речи содержится в описании соответствующих формант. Принято каждую форманту описывать ее граничными частотами. В русском языке достаточно ограничиться одной-двумя формантами, чтобы достигнуть приемлемой разборчивости речи.

Спектры согласных звуков либо полностью сплошные, т.е. совсем не содержат дискретных компонентов, либо сплошные в отдельных полосах частот. Эти спектры также содержат локальные всплески. Некоторые из них являются формантами, некоторые - нет.

Чтобы решить, какие всплески уровня спектра являются формантами, следует помнить, что физическая природа формант - явление резонанса в полостях глотки и носоглотки (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 Полости глотки (1) и носоглотки (2-4)

В отдельных звуках можно заметить до 6 спектральных подъемов. К формантам относятся только те, которые обусловлены явлением резонанса в речевом аппарате человека. Часть формант (как указывалось - одна-две в русском языке) обеспечивают разборчивость речи, другая часть обеспечивает индивидуальность голоса диктора, что может быть использовано в задачах распознавания голоса (идентификации) диктора.

Форманты звуков речи расположены в области частот от 200 до 8600 Гц. Однако подавляющая часть формант звуков речи находится в пределах от 300 до 3000 Гц, поэтому такую полосу обычно считают достаточной для хорошей разборчивости речи. Спектральные различия между звуками речи являются главными, хотя и не единственными. Например, при распознавании согласных звуков важны и временные характеристики.

Интегральные спектральные характеристики речи. Как следует из названия, интегральные спектральные характеристики речи характеризуют свойства речевого процесса в целом [1]. Сюда относят:

- спектр речи ;

спектр формант ;

относительную встречаемость формант по спектру .

Спектром речи называют оценку спектральной плотности мощности речевого сигнала , вычисленную по отрезку речевого сигнала значительной протяженности (более минуты). Спектр речи характеризует распределение мощности речевого сигнала по частоте.

Спектром формант  называют зависимость наиболее вероятного уровня формант от частоты. Чтобы оценить спектр формант, необходимо также располагать отрезком речи большой протяженности. Спектр формант на всех частотах меньше спектра речи (рисунок 2.4):