21. Объективная оценка показателей качества передачи речи: рейтинговая модель E при планировании; интегральные оценки по отношению сигнал/шум и на основе обобщенного коэффициента. Субъективная оценка показателей качества передачи речи: статистические слушательская и абонентская.

Оценка качества передачи речи

При оценке качества передачи речевой информации применяются субъективные, квазисубъективные либо объективные методы. В послед­нее время чаще используются объективные методы оценки, позволяющие автоматизировать данный процесс, сделать его экономичнее и техноло­гичнее и, что самое важное, осуществлять оценку качества без перерыва связи. Применение известных методов оценки качества при передаче ре­чевой информации по каналам мобильной связи имеет ряд особенностей, в частности:

• в процессе связи оценку качества проводят непосредственно абонен­ты, ведущие в данный момент переговоры;

• абоненты могут вести переговоры в разных ситуационных условиях (на месте, в движении либо один из них на месте, а другой в движе­нии); • каналы мобильной связи, даже для одного и того же соединения, мо­гут иметь разную структуру (т. е. время прохождения информацион­ного сообщения);

• от структуры канала мобильной связи зависит величина помех, влияющих на качество, и их разновидность; в свою очередь, структу­ра канала, непосредственно связана со структурой сети мобильной связи, определяемой системой, предоставляющей услуги связи, и стандартом оборудования.

Расчетная модель, применяемая при планировании(Е-модель)

При планировании современных сетей с точки зрения обеспечения достаточного качества передаваемой речи МСЭ-Т и BTSI рекомендуют основываться на специально разработанной Е-модели. Основной принцип, заложенный в Е-модель, гласит: «Психологические факторы на психологической шкале являются аддитивны». Таким образом, Е-модель учитывает все факторы, влияющие на качество речевого обмена в теле­фонных сетях, основными из которых являются уровень речевого сигна­ла, амплитудно-частотные искажения, задержка передачи, задержка и ос­лабление эхо-сигнала, уровень шума, нелинейные искажения (в том чис­ле низкоскоростных кодеков речи), а в случае участка с IP-телефонией -пропадание пакетов и непостоянство задержки передачи. Модель вводит такой параметр, как рейтинг (качества) передачи (transmission ratings -R). Основное уравнение данной модели выглядит следующим образом:

R = Ro-Is-ld-Ie + A,

где Ro - отношение сигнал/шум; Is - степень ухудшения тракта, связан­ная с искажениями типа перегрузки, шумом квантования, местным эф­фектом и др.; Id - ухудшение тракта, связанное с задержкой распростра­нения радиосигнала; Ie - снижение качества передачи, связанное с вклю­ченными в тракт устройствами обработки речи; A - коэффициент ожидания, определяемый эмоциональным настроем пользователя, кото­рый подсознательно предъявляет к качеству связи разные требования в зависимости от условий ведения разговора и его доступности.

При комфортных условиях и со стационарного телефона ожидаемое пользователем качество связи очень высокое, т. е. А = 0. При разговоре из быстро движущегося транспорта или с корреспондентом, который на­ходится где-нибудь в малодоступном районе, пользователь заранее на­строен не обращать внимания на плохое качество, и значение А может равняться 20.

В табл. 2.13 показано соотношение между величиной коэффициента R, результатами субъективно-статистической оценки качества передачи речи по 5-балльной шкале MOS(Средняя экспертная оценка - MOS (Mean Opinion Scores) - это субъектив­ное измерение, определенное в рекомендациях ITU-T для оценки качества пере­дачи речи в телефонных сетях) и степенью удовлетворенности пользо­вателей качеством речи.

	Таблица 2.13. Степень удовлетворенности пользователей качеством связи в зависимости от показателей R и MOS
ЗначениеR (нижний предел)			MOS (нижний предел)		Удовлетворенность пользователей
90			4,34		Весьма удовлетворены
80			4,03		Удовлетворены
70			3,60		Некоторые пользователи не удовлетворены
60			3,10		Многие пользователи не удовлетворены
50			2,58		Почти все пользователи не удовлетворены

E-model существует в двух версиях: в версии для оценки пропускной способности сети на участке «конечный пользователь - конечный поль­зователь» (SCQME) и в версии для сетевого планирования (ТРЕ). Приме­нение Е-модели при планировании сетей мобильной связи позволяет про­гнозировать качество предоставляемых пользователю услуг речевой свя­зи. Однако при наличии в тракте нескольких низкоскоростных кодеков прогнозирование качества речи невозможно. В реальных составных трак­тах нельзя исключить возможность включения нескольких участков с низкоскоростными кодеками, и тогда результирующее качество речи становится непредсказуемым.

Объективная оценка качества речи

В последнее время наиболее часто используются объективные мето­ды оценки, дающие возможность автоматизировать данный процесс, сде­лать его экономичнее и технологичнее и, что самое важное, осуществлять оценку качества без перерыва связи. Объективные измерения эффектив­ны с точки зрения цены и повторяемости результатов, однако при этом важно правильно выбрать метод измерения для применяемых типов ко­деков в системе мобильной связи. Примеры объективных измерений речи включают:

• отношение сигнал/шум и воспринимаемое взвешенное отношение сигнал/шум (далее - ОСШ);

• индекс артикуляции (AI);

• искажения логарифмического спектра (LSD) и логарифмическое кепстральное расстояние (LCD).

Наиболее общим измерением искажений является среднеквадратическая ошибка (Mean Square Error, MSE), определяемая как

где х - вектор входных значений; у - вектор оценок; N- общее число от­счетов.

Допускается, что искажения, вносимые каждым элементом вектора х, имеют равный вес. В общем случае можно ввести неравные веса, чтобы отразить вклады отдельных элементов в искажение как более важные, чем другие. Таким образом, взвешенная среднеквадратическая ошибка определяется как

где W- положительно определенная взвешивающая матрица.

Для количественной оценки качества речевого сигнала обычно ис­пользуют нормированный показатель погрешности, характеризующий средний квадрат ошибки воспроизведения , усредненной по времени и приведенной к дисперсии сообщения :

Величина, обратная нормированному показателю погрешности, яв­ляется отношением мощности сигнала к мощности шумов:

При объективных методах оценки для анализа качества систем пе­редачи речи необходимо оценивать отношение мощности сигнала к сум­марной мощности шума - и знать взаимосвязь между и разборчивостью S.

Известно, что значения ОСШ имеют устойчивую связь с субъектив­ными оценками качества восприятия речи. При субъективных оценках наиболее часто используются численные характеристики разборчивости фрагментов речи, в частности слогов. Для слоговой разборчивости S* найдены функции взаимосвязи с другими видами разборчивости: слов, фраз, фоном.

Поскольку в выражении (2.17) используется дисперсия сигнала и шума , вычисленные (или измеренные) за время речевого теста, дан­ный показатель будем именовать долгосрочным ОСШ. Следует отметить, что исследование цифровых методов передачи речи, и особенно различ­ных адаптивных методов кодирования, выявили серьезные расхождения субъективных оценок при одинаковых значениях ОСШ. Это объясняется различным характером искажений, создаваемых адаптивными и неадаптивными системами передачи. В неадаптивных системах имеет место стационарный шум с уровнем, не зависящим от уровня сигнала. Качество тракта передачи при этом определяется главным образом по восприятию шума в паузах речи. В адаптивных системах шумы незанятого канала мо­гут быть неощущаемыми на слух. Восприятие искажений будет опреде­ляться нестационарным сопровождающим шумом, дисперсия которого определяется и уровнем сигнала, и его спектральными характеристиками. В связи с этим при объективной оценке различных алгоритмов кодирова­ния и восстановления речи используются специальные устройства, гене­рирующие шум, коррелированный с речевым сигналом. Такие устройства называются MNRU (Modulated Noise Reference Unit). Использование MNRU позволяет учесть нестационарность возникновения шумов при изменении текущей мощности речевого сигнала. Отметим, однако, что здесь не учитывается изменение модели спектра сигнала при произноше­нии вокализованных и невокализованных звуков. Кроме того, при ис­пользовании адаптивных кодеров, например АДИКМ, выявились значи­тельные расхождения субъективных и объективных оценок. В результате для оценки качества предложена более корректная оценка, получившая название сегментного ОСШ:

где и - дисперсии ошибок речевого сообщения и ошибки, вычис­ленные на сегменте i длительностью Т; М - общее количество сегментов в испытуемом сигнале. Взаимосвязь качества речи в баллах и значений ОСШ - суммарного и сегментного ОСШ_сег представлена в табл. 2.14.

Объективные методы оценки успешно применяются для оценки ухудшения качества передаваемой речи в реальных условиях конкретных сетей по сравнению с идеальными условиями работы этих сетей. Но при этом нет уверенности в возможности их использования на трактах произ­вольной структуры без предварительной калибровки.

За основу может быть принят обобщенный коэффициент качества, используемый при оценке показателя качества передачи речевого сигнала по проводным и составным каналам связи:

где К_{обобщ. кач} - обобщенный коэффициент оценки качества; К_гр - коэффи­циент громкости; К_разб - коэффициент разборчивости; К_нат - коэффициент натуральности; m1, m2, т3 - весовые ко­эффициенты соответствующих оценок качества передачи речевой ин­формации по громкости, по разборчивости и по натуральности. Соответ­ственно задача выбора интегрального критерия оценки качества передачи речевой информации по каналам мобильной связи сводится к определе­нию величины обобщенного коэффициента К_{обобщ. кач} . Интегральную оценку качества можно определить арифметическим либо геометриче­ским методом.

Возможны два варианта арифметического метода вычисления К_{обобщ. кач}.

В первом случае выражение для обобщенного коэффициента качест­ва определяется формулой

где величины весовых коэффициентов, определенные методом эксперт­ных оценок, соответственно равны: m1=0,2 ; m2 = 0,4 ; т3=0,2; т4 = 0,2. Во втором случае К_{обобщ. кач} определяется по формуле

где величины весовых коэффициентов выбираются равными: m1=0,25; m2=0,5; m3=0,25. К достоинствам арифметического метода следует отне­сти то, что он учитывает удельный вес каждого индивидуального крите­рия оценки: разборчивости, натуральности, громкости, структуры мо­бильного канала связи. Проанализируем возможность использования оценки (2.21), (2.22) в качестве интегрального критерия оценки качества передачи речевой информации.

Практика показывает, что когда одна из составляющих интегрального критерия равна нулю, то интегральный критерий тоже должен быть равен нулю. Оценка по (2.21) и (2.22) эту взаимосвязь не отражает. Поэтому не­обходимо внести коррекцию, позволяющую устранить этот недостаток. Приведем выражения (2.21) и (2.22) к виду

При геометрическом методе определения интегрального критерия возможны 3 варианта: оптимистический, пессимистический и реалисти­ческий.

Оптимистический вариант оценки качества определяется при макси­мальном значении всех компонентов, т. е.

Из формулы (2.25) следует, что если любой из составляющих компо­нентов равен нулю, то К_{обобщ. кач.опт} тоже равен нулю и достигает максиму­ма только тогда, когда все компоненты достигают максимума.

Пессимистический вариант оценки качества передаваемой речи оп­ределяется при минимальном значении всех компонентов:

Реалистический критерий является комбинированным вариантом оп­тимистического и пессимистического критерия. При этом интегральная оценка К_{обобщ. кач.реал} равна одному из составляющих компонентов, когда 3 остальные равны максимуму; геометрической средней величине двух компонентов, когда третий и четвертый равны максимуму, либо геомет­рической средней величине трех компонентов, когда один из них дости­гает максимума, либо геометрической средней величине всех компонентов, когда ни один из них не достигает максимума. На практике при оп­ределении К_{обобщ. кач.реал} используют последний вариант, т.е.

Применяя этот критерий оценки качества передачи речевой инфор­мации, можно считать, что он содержит все основные показатели, харак­теризующие качество передачи речевой информации по каналам мобиль­ной связи.