Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Системный анализ, управление и обработка информации

Диссертационная работа:

Белов Сергей Павлович. Методы и алгоритмы повышения эффективности информационно-телекоммуникационных систем при хранении и передаче речевых данных: автореферат дис. ... доктора технических наук: 05.13.01 / Белов Сергей Павлович;[Место защиты: ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет»].- Белгород, 2012.- 39 с.

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность работы. Современный этап развития общества характеризуется увеличением в информационно-телекоммуникационных системах (ИТС) потоков речевых сообщений как наиболее естественной для человека формы информационного обмена. Интенсивный рост запросов от пользователей на объемы последнего порождает проблему повышения эффективности ИТС, одним из направлений решения которой является минимизация затрат их частотно-временных ресурсов на основе совершенствования методов обработки данных. Это связано с тем, что возможности роста затрат указанных ресурсов существующих ИТС, под которыми в рамках диссертационной работы понимаются ширина частотной полосы и время, доступные для передачи информации в определенной системе, ограничены физическими и техническими факторами, а также объемами финансовых затрат.

В настоящее время проблема минимизации затрат частотно-временных ресурсов ИТС на хранение и передачу речевых данных интенсивно исследуется. Необходимо отметить, что эта проблема носит системный характер, так как, с одной стороны, связана с уменьшением объемов битовых представлений речевых данных на основе учета структурной избыточности речевых сигналов с точки зрения восприятия слуховой системой человека речевой информации, а с другой -с минимизацией затрат частотно-временных ресурсов каналов связи, определяемых режимами передачи этого вида информации.

Большой вклад в решение проблемы минимизации затрат частотно-временных ресурсов ИТС при хранении и передаче речевых сообщений внесли многие ученые и инженеры, среди которых следует выделить Б.С. Атала, Б. Голда, Е.Г. Жилякова, Дж. Маркела, М.В. Назарова, Э. Оппенгейма, А.А. Пирогова, Ю.Н. Прохорова, Л. Р. Рабинера, Ч. Рейдера, В.Г. Санникова, М.А. Сапожкова, В.А. Свириденко, Р.В. Шафера, О.И. Шелухина, Д.В. Агеева, М.Д. Бенедиктова, Н. Винера, Дж. Возенкрафта, В.И. Долгова, А.Г. Зюко, В.А. Котельникова, Д.Д. Кловского, В.Ф. Кравченко, Б.Р. Левина, Н.Т. Петровича, А.А. Харкевича, А.Я. Хинчина, Л.М. Финка, К. Шеннона, В.П. Яковлева и других российских и зарубежных ученых.

В настоящее время созданы различные методы и алгоритмы обработки речевых и канальных сигналов, применение которых позволяет до определенной степени уменьшить затраты частотно-временных ресурсов существующих ИТС при хранении и передаче речевых данных.

1. Для уменьшения объемов битовых представлений речевых данных на основе учета структурной избыточности речевых сигналов с точки зрения восприятия слуховой системой человека речевой информации широко применяются методы, основанные на обнаружении и кодировании данных, зарегистрированных в периоды пауз между слитно произнесенными звуками речи (так называемые технологии VAD (voice active detection)), и сжатии данных, соответствующих собственно звукам речи после удаления пауз, которые не свободны от следующих основных недостатков:

существующие технологии VAD обладают низкой эффективностью, так как используемые в них решающие функции недостаточно чувствительны к наличию звуков речи;

сжатие данных, принадлежащих собственно звукам речи, с использованием грубого квантования по уровню осуществляется с учетом особенностей психоакустической модели и реализуется с помощью методов, которые не являются оптимальными в смысле достижения минимальных погрешностей аппроксимации в выбранных частотных диапазонах спектров исходных сигналов.

2. Современный уровень эффективности использования ИТС для передачи речевых данных является недостаточным, так как он обеспечивается на основе применения специальных методов разделения частотно-временных ресурсов каналов связи и соответствующих классов канальных сигналов, которые обладают следующими недостатками:

разделение канальных сигналов в системах передачи речевой информации с частотным уплотнением на основе применения фильтров с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтров), из-за не прямоугольности их амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) не оптимально в смысле достижения минимума «просачивания» энергии из соседних каналов, что приводит к необходимости расширения межканальной полосы частот для достижения приемлемого уровня их взаимного влияния, а это не позволяет достичь максимального использования выделенных частотных ресурсов;

современные методы формирования канальных сигналов с частотным уплотнением не позволяют эффективно использовать частотно-временные ресурсы ИТС, так как не обеспечивают максимальной концентрации энергии в выделенной полосе частот при заданной длительности сеанса связи;

в системах связи с подвижными объектами эффективность использования выделенного частотного и временного ресурсов также снижается и за счет того, что при большой неопределенности частоты, вызванной эффектом Допплера, и изменений времени прихода принимаемых сигналов для снижения взаимных помех приходится вводить защитные интервалы по частоте и времени;

при передаче речевых данных в режиме кодового разделения ресурсов каналов связи требуются большие временные затраты на подстройку частоты несущих колебаний при реализации информационного обмена с подвижными объектами, а также не удается минимизировать выделенные частотные ресурсы из-за эффекта Допплера.

Это не позволяет говорить об удовлетворительном решении проблемы минимизации затрат частотно-временных ресурсов ИТС при хранении и передаче речевых данных.

Таким образом, разработка новых методов и алгоритмов обработки речевых сигналов, формирования и приема канальных сигналов, позволяющих

минимизировать затраты частотно-временных ресурсов ИТС при хранении и передаче речевых данных, является актуальной проблемой.

Объект диссертационных исследований - информационно-телекоммуникационные системы и процессы обработки речевых и канальных сигналов.

Предмет диссертационных исследований - методы и алгоритмы обработки речевых и канальных сигналов, минимизирующих затраты частотно-временных ресурсов ИТС при хранении и передаче речевых данных.

Целью работы является: повышение эффективности использования ИТС при хранении и передаче речевых данных на основе разработки минимизирующих затраты их частотно-временных ресурсов вариационных методов субполосной обработки речевых и канальных сигналов.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи.

1. Разработка и исследование оптимальных методов и алгоритмов
обработки речевых сигналов на основе субполосных представлений в задачах
сжатия речевых данных.

  1. Разработка и исследование математических основ оптимального субполосного анализа речевых сигналов.

  2. Разработка и исследование методов обнаружения и кодирования речевых данных, принадлежащих паузам, между звуками слитно произнесенной русской речи, на основе учета различий в распределениях долей энергий по частотным интервалам выходных сигналов микрофона при речевых воздействиях и в паузах между ними.

  3. Разработка и исследование методов уменьшения объемов битовых представлений данных об отрезках речевых сигналов, порождаемых звуками русской речи на основе квантования по уровню коэффициентов разложения по собственным векторам субполосных матриц из ^-информационных частотных интервалов с применением кодовых книг квазиоптимальных квантователей.

2. Разработка и исследование методов формирования и приема канальных
сигналов, минимизирующих затраты частотно-временных ресурсов ИТС при
передаче речевых данных.

  1. Разработка и исследование методов и алгоритмов оптимального анализа и синтеза канальных сигналов для систем передачи речевой информации в режиме разделения частотно-временного ресурса ИТС.

  2. Разработка методов и алгоритмов формирования и приема широкополосных шумоподобных канальных сигналов (ШШКС), минимизирующих затраты частотно-временных ресурсов ИТС при большой неопределенности частоты, вызванной эффектом Доплера, и изменениях времени прихода принимаемых сигналов.

3. Разработка технических решений, позволяющих реализовать на основе
применения элементов цифровой вычислительной техники созданные алгоритмы
обработки речевых и канальных сигналов, минимизирующие затраты частотно-
временных ресурсов ИТС при хранении и передаче речевых данных.

Методы и средства исследований. При решении указанных задач использовались методы теории преобразования Фурье, оптимизации, линейной алгебры и теории матриц, теории информации, теории вероятности и математической статистики, теории сигналов, включая цифровые методы их формирования и обработки, вычислительный эксперимент.

Степень достоверности результатов проведенных исследований обеспечивается корректностью проведенных математических преобразований, непротиворечивостью сформированных положений и выводов исследования установленным ранее фактам теории и практики построения ИТС и повышения их эффективности при реализации речевого информационного обмена, а также подтверждается многочисленными вычислительными экспериментами с речевыми и канальными сигналами.

Научную новизну составляют следующие результаты.

Теоретические основы минимизации затрат частотно-временных ресурсов ИТС при хранении и передаче речевых данных, созданные на основе математического аппарата собственных функций субполосных ядер, включая:

метод обработки речевых данных на основе обнаружения и кодирования пауз между звуками слитно произносимой речи с применением решающей функции, обладающей максимальной чувствительностью к наличию в отдельных частотных интервалах энергии, обусловленной звуками речи, что позволяет достичь максимальных степеней сжатия данных при сохранении высокого качества воспроизведения речевых сообщений;

метод сжатия речевых данных на основе обнаружения и кодирования пауз в условиях изменяющихся фоновых шумов путем отображения пространства отрезков речевых сигналов на дискретное пространство заданных частотных интервалов;

метод сжатия речевых данных с исключенными паузами на основе квантования по уровню коэффициентов разложения отрезков речевых сигналов по собственным векторам субполосных матриц из т-информационных частотных интервалов с применением кодовых книг квазиоптимальных квантователей;

интерполяционный метод формирования канальных сигналов с максимальной концентрацией энергии в изменяющейся частотной полосе ограниченных размеров и точным восстановлением передаваемых данных при отсутствии помех;

вариационный метод формирования канальных сигналов для систем цифровой передачи информации с частотным уплотнением, обеспечивающий при разделении каналов на основе оптимальной линейной субполосной частотной фильтрации максимальную концентрацию энергии в заданной частотной полосе и точным восстановлением передаваемых данных при отсутствии помех;

метод восстановления канальных сигналов для систем цифровой передачи с частотным уплотнением на основе оптимальной линейной субполосной частотной фильтрации, позволяющий в отличие от

используемой для этих целей КИХ-фильтрации исключить влияние смежных каналов передачи;

методы формирования и обработки ШШКС для систем цифровой передачи с кодовым разделением адресов, обладающих по сравнению с существующими аналогичными классами канальных сигналов значительно большим объемом слабокоррелированных форм и свойством инвариантности к допплеровскому рассогласованию по частоте, что позволяет минимизировать затраты частотно-временных ресурсов ИТС при связи между подвижными объектами за счет эффективного использования выделенной частотной полосы и обеспечения одновременного информационного обмена для большего количества абонентов.

Практическая значимость результатов исследований определяется возможностью повышения эффективности ИТС при хранении и передаче речевых данных на основе минимизации затрат их частотно-временных ресурсов с помощью разработанных методов и алгоритмов обработки речевых и канальных сигналов с применением предлагаемых технических решений.

Реализация результатов исследования осуществлена: в Белгородском филиале ОАО «РосТелеком», в ОАО «Концерн Созвездие», в НЛП «СпецРадио», в учебном процессе факультета компьютерных наук и телекоммуникаций НИУ «БелГУ» при подготовке специалистов по направлению инфокоммуникационные технологии и системы связи. Внедрения подтверждаются соответствующими документами. Связь с научными и инновационными программами. Результаты диссертационных исследований были использованы при выполнении ряда проектов в рамках следующих программ фундаментальных, поисковых и инновационных исследований:

аналитической ведомственной целевой программы федерального агентства по образованию РФ «Развитие научного потенциала высшей школы в 2006 - 2008 гг.», проект РНП 2.1.2.4974;

федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России, 2007 - 2012 гг.», поисковые исследования в рамках Госконтракта от 26 февраля 2007 года № 02514114010;

аналитической ведомственной целевой программы федерального агентства по образованию РФ «Развитие научного потенциала высшей школы в 2009 - 2011 гг.», проект 656;

федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы», Государственный контракт №П964от27мая2010г;

гранта РФФИ, проект №10-07-00326-а, 2009 - 2010 гг.;

федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические
кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы», Государственный контракт
№ 14.740.11.0390, 2011 - 2012 гг.;

гранта РФФИ, проект № 12-07-00514-а, 2012 - 2014 гг.

Положения, выносимые на защиту.

1. Теоретические положения, совокупность которых является вкладом в
развитие перспективного направления - создание методов обработки речевых и
канальных сигналов, повышающих эффективность использования частотно-
временных ресурсов ИТС при хранении и передаче речевых данных.

1.1. Аппарат собственных функций субполосных ядер, на основе которого
адекватно сформулированы вариационные условия и решены следующие
оптимизационные задачи обработки и передачи речевых данных.

вычислений точных значений долей энергий сигналов в заданных частотных интервалах;

наилучшей аппроксимации отрезков трансформант Фурье сигналов в заданных частотных интервалах;

построения решающей функции максимальной чувствительности при обнаружении и кодировании пауз в речи;

формирования и обработки канальных сигналов с максимальной концентрацией энергии в заданной частотной полосе при точном восстановлении передаваемых данных;

формирования ШШКС с минимизацией времени на их обнаружение и синхронизацию на приемной стороне и выделяемой частотной полосы для каждого абонента при реализации связи между подвижными объектами.

  1. Методы сжатия речевых данных на основе оптимального обнаружения и кодирования пауз и квантования по уровню коэффициентов разложения отрезков сигналов, принадлежащих собственно звукам речи, по собственным векторам субполосных матриц из ^-информационных частотных интервалов с применением кодовых книг квазиоптимальных квантователей.

  2. Методы формирования и обработки канальных сигналов, оптимальных в смысле минимизации требующейся для передачи ширины частотной полосы с точным восстановлением передаваемых данных при отсутствии помех.

  3. Методы формирования ШШКС для передачи речевых данных с кодовым разделением ресурсов ИТС, позволяющие минимизировать время на их обнаружение и синхронизацию на приемной стороне и выделяемую частотную полосу для каждого абонента при реализации связи между подвижными объектами.

  1. Алгоритмы, реализующие разработанные методы обработки речевых и канальных сигналов при хранении и передаче речевых данных.

  2. Результаты вычислительных экспериментов по исследованию разработанных алгоритмов обработки речевых и канальных сигналов, иллюстрирующие их преимущества при хранении и передаче речевых данных по сравнению с используемыми в настоящее время.

4.Технические решения, позволяющие реализовать созданные алгоритмы обработки речевых и канальных сигналов на основе средств цифровой вычислительной техники.

Специальность, которой соответствует диссертация.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net