Методы проектирования телекоммуникационных информационно-управляющих систем аудиообмена в сложной помеховой обстановке

@inproceedings{2015,
  title={Методы проектирования телекоммуникационных информационно-управляющих систем аудиообмена в сложной помеховой обстановке},
  author={Кропотов Юрий Анатольевич and Белов Алексей Анатольевич and Проскуряков Александр Юрьевич and Колпаков Александр Анатольевич},
  year={2015}
}
Постановка задачи: передача информации речевыми сообщениями является эффективным средством обеспечения оперативного управления, обеспечения надежного функционирования сложных объектов, что повышает требования к характеристикам информационно-управляющих систем аудиообмена, функционирующих в условиях сложной помеховой обстановки. Используемые методы: в исследованиях применялись методы параметрической оптимизации, локальной аппроксимации, идентификации и адаптивной компенсации. Результат: в работе проведено исследование и разработка методов и теоретических подходов к созданию алгоритмов обработки речевых сигналов, повышающих эффективность функционирования информационно-управляющих телекоммуникационных систем аудиообмена при воздействии внешних акустических помех высокой интенсивности. Разработан алгоритм гистограммного оценивания экспериментальной функции плотности вероятности оцифрованного речевого сигнала. Показана зависимость точности оценивания функции плотности вероятности от времени анализа. Так, для вычисления по этому алгоритму функции плотности вероятности с погрешностью менее 5 % требуется время анализа 0,3 с, для вычислений с погрешностью менее 1 % требуется время анализа 4,5 с. По сравнению с известными способами восстановления плотности вероятности речевого сигнала, имеющими значительную погрешность восстановления, рассмотренные алгоритмы имеют большую точность. Наиболее предпочтительным по критериям максимальной точности и минимальной вычислительной сложности является алгоритм, основанный на аппроксимации гистограммы многочленом по системе экспоненциальных функций. Разработанный алгоритм гистограммной оценки экспериментальной функции одномерного закона распределения плотности вероятности речевых сигналов и рекуррентный алгоритм определения параметров многочлена аппроксимации по системе экспоненциальных функций обеспечивает погрешность восстановления вышеуказанной функции распределения плотности вероятности менее 5%, при использовании в аппроксимирующей функции многочлена третьего порядка. Математическая модель функции распределения плотности вероятности сигналов внешних акустических шумовых помех, полученная с помощью алгоритма гистограммной оценки и рекуррентного алгоритма вычисления параметров, представляется рядом гауссовых кривых третьего порядка. Погрешность восстановления одномерной функции распределения плотности вероятности внешних акустических шумов достигается менее 4,8 %. Исследования различных аппроксимаций спектральной плотности мощности речевого сигнала и акустических шумовых помех показали, что аппроксимации интерполяционным многочленом Лагранжа или кубическим сплайном имеют практически одну и ту же погрешность, при аппроксимации спектральной функции полиномом Лагранжа 11-го порядка получают погрешность 3,39%...4,82%. Сравнительные исследования спектральных характеристик речевых сигналов и акустических помех показали, что спектр акустических помех относительно спектра речевых сигналов смещен в низкочастотную часть звукового диапазона и находится в пределах 0…1000 Гц. Так, спектр шума моря сосредоточен в области от 0 до 500 Гц, спектр шума ветра сосредоточен в пределах от 0 до 300 Гц и спектр шума в машинном отделении или спектр шума в кабине пилота самолета сосредоточен в пределах от 0 до 1200 Гц. Проведенные исследования позволили обосновать создание более эффективных диспетчерско-технологических систем телекоммуникаций, систем громкоговорящей связи обмена речевыми сообщениями в условиях сложной помеховой обстановки. Разработаны методы построения моделей сигналов и моделей алгоритмов обработки, разработаны методы определения параметров систем передачи и обмена речевыми сообщениями, разработаны более эффективные алгоритмы подавления внешних акустических шумов и помех, разработаны более быстродействующие алгоритмы компенсации эхо-сигналов. Решены вопросы повышения эффективности передачи информации речевыми сообщениями в распределенных оперативно-командных телекоммуникационных системах на многофункциональных объектах, работающих в условиях воздействия помех интенсивностью до 90 дБ. Представлены разработанные структуры устройств подавления внешних акустических помех и устройств адаптивных эхокомпенсаторов, позволяющие получить на выходе системы аудио обмена отношение сигнал/помеха более 20 дБ и, соответственно, обеспечить слоговую разборчивость речевых сообщений более 93%.