Методические указания по использованию программы исследования статистических свойств сигнала звукового вещания «ESTIM»

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра телевидения и звукового вещания

А.В. Малов, А.А. Ождихин, О.Б.Попов, К.А. Черников, Т.В. Чернышева

Методические указания по использованию программы исследования статистических свойств сигнала звукового вещания «ESTIM»

Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлениям подготовки: 11.03.01,11.03.02,11.04.01,11.04.02,10.05.02

Москва , 2013

Методические указания по использованию программы исследования статистических свойств сигнала звукового вещания «ESTIM».

Рассмотрены основные вопросы оценки качества передачи сигнала звукового вещания по современным каналам, не сохраняющим форму сигнала. Показано, что адекватную оценку качества можно получить по статистическим характеристикам относительной средней мощности. Описан интерфейс программы разработанной на кафедре РВиЭА МТУСИ, позволяющей проводить анализ изменения относительной средней мощности реального сигнала в цифровых и аналоговых каналах.

Методическое пособие используется в ходе курсового проектирования и выполнении практических работ по курсам: «Методы цифровой обработки аудиосигналов», « Цифровое представление и кодирование сигналов звукового вещания», «Звуковое вещание», «Основы акустики и аудиотехники», «Запись аудио и видео сигналов», «Защита записей от несанкционированного копирования» направление 210400 профиль «аудиовизуальная техника» - бакалавры; «Цифровая обработка звуковых сигналов», «Запись аудио и видео сигналов», «Системы архивации аудио и видео информации» - магистры; «Основы звукового вещания», «Кодирование звуковых и видео сигналов», «Запись и защита звуковой информации» - специальность 090302.65 – специалисты, «Электроакустика и звуковое вещание», «Формирование и первичная обработка звуковых и видео сигналов» - бакалавры, «Современные методы цифровой обработки сигналов в инфокоммуникационных системах», «Метрология звукового вещания» - магистры направление 210700.

Рецензенты: доктор технических наук, МТУСИ, профессор Безруков В.Н.

к.т.н., Ген. дир. «ИЦ МирТЕЛЕТЭСТ» Фадеев А.Н.

ISBN

УДК 621.396.97 (075)+681.84

ББК 32.87/32.884

М71

ВВЕДЕНИЕ

К настоящему времени объективная оценка качества передачи сигнала звукового вещания не производится, что затрудняет настройку трактов и оценку качества. Существующее метрологическое обеспечение контролирует форму сигнала, которая не сохраняется в современных адаптивных аналоговых и цифровых каналах. Субъективно статистические испытания

(ССИ), процедура трудоемкая, длительная и не исключающая осознанного субъективизма при интерпретации результатов. Из анализа отечественного и мирового опыта контроля качества информационных услуг известны следующие основные требования к метрологическому обеспечению нового поколения для контроля каналов звукового вещания (ЗВ): качество передачи должно оцениваться автоматически, на реальном сигнале, без исключения канала из эксплуатации; контролируемые параметры должны быть устойчивы во времени и независимы от формы сигнала; сформированная оценка должна быть коррелированна с субъективной.

Новый стандарт [1], введенный в действие 1.01.2008г., не отвечает ни одной из указанных позиций. Стандарт предполагает использование целого парка достаточно дорогой измерительной аппаратуры для контроля формы гармонических тестовых сигналов. Использование компьютерной техники в метрологии электросвязи, а аудиопроцессоров - в технологии обработки сигналов ЗВ, делает целесообразным и своевременным разработку устройств тестирования каналов ЗВ на базе персонального компьютера.

Действительно, за последние 8-10 лет произошли кардинальные перемены в технике передачи и обработки сигналов ЗВ, в технических средствах и методах объективного контроля качества сигналов и каналов ЗВ.

Но, похоже, все это прошло мимо внимания заказчиков и разработчиков стандарта [1], которые ограничились копированием (с ошибками)

предыдущего стандарта и включением в документ методов измерений параметров качества аналоговых и цифровых радиопередатчиков,

предусматривающих, в частности, использование весьма дорогостоящего

контрольно-измерительного приемника стандарта DRM. Вещание в формате

DRM действительно должно иметь в России хорошие перспективы, однако много цифрового оборудования применяется на каналах и трактах ЗВ уже не первый год, но полноценного объективного контроля качества как не было раньше, так не появится и теперь с новым стандартом. В то же время существуют возможности контроля любых каналов и трактов звукового вещания на современном уровне, о чем неоднократно сообщалось в научно-

технической литературе и публикациях ITU-T и ITU-R, и в частности в трудах сотрудников кафедры радиовещания и электроакустики МТУСИ

(бывший МЭИС), где еще в 50--60-е годы прошлого века под руководством профессора И.Е. Горона были разработаны нормативы [3], послужившие основой стандарта [4].

С середины 1990-х годов научной группой кафедры опубликовано в научно-технических журналах (“Метрология и измерительная техника в связи”, “Электросвязь”, “Broadcasting. Телевидение и радиовещание”) и

тезисах многочисленных научно-технических конференций около 30

материалов, посвященных вопросам совершенствования объективных измерений каналов и трактов ЗВ, защищены три кандидатские диссертации.

Более того, существует положительный пример в отечественной метрологии,

когда использована пропагандируемая нами идеология. Так, в нормативных документах, принятом в 1995 г., уже нашел отражение новый подход к объективным измерениям сигналов ЗВ, заключающийся в использовании статистических свойств таких сигналов, а именно - относительной средней мощности (ОСМ).

1. ОБЗОР МЕТОДОВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПЕРЕДАЧИ

СИГНАЛОВ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ

1.1. СУБЪЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ (СУБЪЕКТИВНО-СТАТИСТИЧЕСКИЕ

ИСПЫТАНИЯ)

Субъективное испытание является обязательной процедурой оценки для всех звеньев тракта передачи и звуковоспроизведения звукового вещательного сигнала (ЗВС). Это обусловлено тем, что используемый в настоящее время набор объективных параметров: воспроизводимый диапазон частот, неравномерность АЧХ, коэффициент нелинейных искажений и др. (хотя он постоянно расширяется и обновляется) неоднозначно определяет

"слуховой образ", воспринимаемый слушателем.

Несмотря на интенсивные научные исследования, проводимые во многих странах на протяжении длительного периода времени, проблема полной расшифровки "слухового образа" еще не решена полностью. Именно этим объясняется довольно широко распространенное явление, когда, например,

два тракта передачи и воспроизведения ВС, имеющие близкие объективные характеристики, могут значительно различаться по качеству звучания [2].

Поэтому результаты субъективной экспертизы служат главным критерием оценки качества аппаратуры.

Процесс оценки качества звучания всех видов звуковой аппаратуры является процедурой субъективной, результаты которой существенно зависят от многих факторов: параметров помещения прослушивания, выбора тестовых программ, отбора и методов тренировки экспертов, методов выбора оценок и обработки результатов, требований к источникам программ и т.д.

Каждый отдельный исход ССИ – случайное событие, и для анализа результатов испытаний следует применять аппарат теории вероятностей и математической статистики. Для нормирования данных, получаемых при ССИ, максимального устранения случайной составляющей из результатов издаются нормативные документы, фиксирующие параметры помещения прослушивания и аппаратуры, методику отбора экспертов для ССИ и

способы обработки результатов [2]. Вопросам разработки методик организации и проведения субъективных экспертиз уделяется большое внимание в научно-технической литературе. В таких авторитетных международных организациях как IEC (Международная Электротехническая Комиссия - МЭК), AES (Общество аудио-инженеров), ISO, ITU и др. созданы специальные рабочие группы, которые занимаются разработкой рекомендаций по организации субъективных экспертиз, на основе которых разработаны национальные стандарты в большинстве стран-производителей такой аппаратуры (России, США, Японии, Германии и т.п.).

Из-за слабой разработки международных рекомендаций по объективной оценке звуковых кодеков с 1993 года для субъективной оценки речевых и прочих кодеков используется шкала ACR (absolute category rating –

абсолютное шкалирование), принятая как рекомендация ITU-T (ITU-T Recommendation P.800) для систем телефонии. В соответствие с этой рекомендацией, для оценки качества используется 5-балльная шкала (см.

табл. 1.1).

Т а б л и ц а 1.1. Шкала ACR

При прослушивании опрашиваются от 20 до 50 экспертов, каждого просят оценить звучание на основе этой шкалы. В дальнейшем после статистической обработки отдельных результатов рассчитывается оценка

MOS (Mean Opinion Score). В дальнейшем, следуют процедуры сравнительной оценки качества CCR (Comparison Category Rating) и оценки

деградации качества DCR (Degradation Category Rating), описанные в том же

ITU-T P.800 .

Позже стали появляться рекомендации для оценки и широкополосных звуковых сигналов, в частности кодеков с невысоким коэффициентом сжатия. Появление подобных рекомендаций было связано с тем, что даже результат сильной компрессии кодека по старому ITU-T P.800 оценивался как «отлично». В связи с этим, новые рекомендации были ориентированы на парное сравнение двух сигналов — исходного и искаженного. Рекомендации по оценке качества передачи широкополосных сигналов, которые и по сей день являются основными для субъективной оценки искажений, вносимых широкополосными кодекам, известны как ITU-R BS.1116. Впервые BS.1116

опубликованы организацией ITU-R в 1994 г. и были приняты в 1997 г.

Метод тестирования, рекомендованный в BS.1116 («три сигнала со скрытым оригиналом»), является особенно чувствительным и позволяет точно выявлять даже самые незначительные искажения в сигнале. Шкала заимствована из ITU-R BS.562, является также 5-ти балльной и выглядит следующим образом (табл.1.2).

Т а б л и ц а 1.2. Шкала ITU-R BS.562

1.2. ОБЪЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ

Иногда так оценивает отношение субъективных и объективных методов анализа ЗС: «Звук — это область тесного переплетения искусства и науки. В

конечном счете, все решает субъективное восприятие звучания слушателем.

Но разработка звуковой аппаратуры требует быстрого и повторяемого метода оценки качества. К сожалению, ССИ не удовлетворяют ни тому, ни другому требованию. А объективные измерения, даже не будучи идеальными и полностью законченными, способны помочь «отделить зерно от плевел».

До начала 1960-х годов обычно довольствовались оценкой качества работы звукового оборудования по результатам периодически проводимых измерений и непрерывного контроля на слух. Действительно объективные методы оценки качества ЗС появились как способ оперативной оценки искажений ЗС в тех случаях, когда на ССИ нет времени.

Объективные методы оценки качества ЗС в чистом виде – это измерение параметров ЗС (как акустического, так и электрического сигналов).

Проводить оценку можно на основе тестовых и реальных сигналов.

В результате исследований проведенных в МТУСИ была разработана стройная система объективного контроля качества каналов и трактов ЗВ,

сведенная в ГОСТ 11515-65 "Каналы и тракты звукового вещания. Основные параметры качества. Методы измерений". За три с лишним десятилетия этот ГОСТ несколько раз пересматривался, обогащался новыми параметрами.

Разработаны компьютерные системы оценки качества каналов и трактов на основе ГОСТ 11515-91.

Нормативные документы, подобные ГОСТ 11515-91, существуют и в других странах. Параметры качества и нормы на них для каналов звукового вещания приведены в рекомендациях международных организаций МККР и МККТТ. В МККР рекомендации по определению параметров качества и норм на них входят в том XII, а в МККТТ - в том III. Кроме того, следует упомянуть, немецкий DIN 45-500 (для бытовой аппаратуры). Рекомендации МККР и МККТТ пересматриваются один раз в 4 года со сдвигом в 2 года