Методы оценки качества в каналах телерадиовещания

Москва

Горячая линия – Телеком

2016

УДК 621.397.13 
ББК 32.94+32.871 
  М54 

Р е ц е н з е н т ы :
зав. кафедрой телекоммуникационных систем МИРЭА, доктор техн. наук, профессор  
В. И. Нефедов;  ген. директор ООО «Глобальные телерадиовещательные сети», 
доктор техн. наук А. Н. Иванчин 

А в т о р ы :  Попов О. Б., Рихтер С. Г., Терехов А. Н., Чернышева Т. В. 

М54           Методы оценки качества в каналах телерадиовещания. Учебное 
пособие для вузов / О. Б. Попов, С. Г. Рихтер, А. Н. Терехов и др. – 
М.: Горячая линия – Телеком, 2016. – 232 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0585-6. 

Рассмотрены основные характеристики сигналов и каналов телерадиовещания, базовые процедуры, используемые при обработке звукового вещательного сигнала (ЗВС); основные алгоритмы обработки сигнала в канале передачи. Проведен анализ и оценка искажений сигнала на всех этапах его передачи – 
от первичного цифрового преобразования до аудиопроцессорной обработки. 
Особое внимание уделено проблеме объективной оценки качества ЗВС в системах, не нормируемых в рамках современного метрологического обеспечения. 
Рассмотрен современный подход, реализованный в виде метода комплексного 
статистического оценивания, связанный с объективной оценкой качества передачи реального вещательного сигнала по изменению его временных и спектральных статистических параметров.  
Для студентов старших курсов, обучающихся по направлениям подготовки 
11.03.01 – «Радиотехника» (бакалавр), 11.03.02 – «Инфокоммуникационные 
технологии» (бакалавр), 11.04.01 – «Радиотехника» (магистр), 11.04.02 –
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (магистр), 10.05.02 – 
«Информационная безопасность телекоммуникационных систем», будет полезно специалистам эксплуатационных служб радиосвязи, радиовещания и телевидения. 

ББК 32.94+32.871 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

Учебное издание 

Попов Олег Борисович, Рихтер Сергей Георгиевич,  
Терехов Алексей Николаевич, Чернышева Татьяна Васильевна 
Методы оценки качества в каналах телерадиовещания 
Учебное пособие для вузов 

Тиражирование книги начато в 2016 г.      

Все права защищены.
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и 
какими бы то ни было средствами без письменного разрешения правообладателя
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком»
www.techbook.ru
© О. Б. Попов, С. Г. Рихтер, А. Н. Терехов, Т. В. Чернышева

Список сокращений

АБГШ
аддитивный белый гауссовский шум
АВК
аналоговый вещательный канал
АКСО
аппаратура комплексного статистического оценивания
АМ
амплитудная модуляция
АП
аудиопроцессор / абонентский приёмник
АРГО
автоматический регулятор уровня по гильбертовской
огибающей
АРУР
автоматический регулятор уровня
АЦП
аналого-цифровой преобразователь
АЧХ
амплитудно-частотная характеристика
БПФ
быстрое преобразование Фурье (FFT)
ВЧ
высокочастотный
ГО
гильбертовская (аналитическая) огибающая
ГОСТ
Государственный стандарт
ЗВ
звуковое вещание
ЗС/ЗВС
звуковой сигнал / звуковой вещательный сигнал
ИАОС
интегральное абсолютное отклонение статистик
ИКМ
импульсно-кодовая модуляция (PCM)
ИО
интегральное отклонение
КЗВ
канал звукового вещания
КС
кодовое слово
МАС
мгновенный амплитудный спектр (спектральный
параметр сигнала)
МВ ЧМ
радиовещание на метровых волнах с частотной
модуляцией
МКЗВ
междугородный канал звукового вещания
МККР
Международный Консультативный Комитет по Радио
(CCIR)
МККТТ
Международный Консультативный Комитет по
телеграфии и телефонии (CCITT)
МКСО
метод комплексного статистического оценивания
МСИ
межсимвольные искажения
МСЭ
Международный союз электросвязи (ITU)
МСЭ-R
Международный союз электросвязи, сектор радиосвязи
МСЭ

МСЭ-Т
Международный союз электросвязи, сектор
стандартизации МСЭ
МТВ
метки точного времени
НЧ
низкочастотный
НЧПЗ
нормированная частота появления значений
ОВЧ
очень высокие частоты (диапазон метровых волн)
ОСКО
относительное среднеквадратическое отклонение
ОСМ
относительная средняя мощность (энергетический
параметр сигнала)
ОСШ
отношение сигнал/шум
ОТ
основной тон
ОУП
относительный уровень популярности
ОЦК
основной цифровой канал
ПАМ
психоакустическая модель
ПК
персональный компьютер
ПО
программное обеспечение
ПТЭ
правила технической эксплуатации
ПФ
пик-фактор
РВ
радиовещание / радиовещательный
РВС
радиовещательная станция
РВСС
радиовещательная спутниковая служба
РС
речевой сигнал
СВЧ
сверхвысокая частота
СКО
среднеквадратическое отклонение
СПМ
спектральная плотность мощности
ССИ
субъективно-статистические испытания
ТВРП
тракт вторичного распределения программ
ТПмП
тракт приёма программ
ТПРП
тракт первичного распределения программ
ТФП
тракт формирования программ
ТЭРП
тракт эфирного распространения программ
УВЧ
ультравысокие частоты (диапазон дециметровых волн)
ФОС
фронт огибающей сигнала (параметр формы сигнала)
ФЧХ
фазо-частотная характеристика
ЦАП
цифро-аналоговый преобразователь
ЦВК
цифровой вещательный канал
ЦКПД
цифровой канал передачи данных

ЦРСП
цифровая радиосистема передачи
ЦСП
цифровая система передачи
ЦТРВ
цифровое телерадиовещание
ЧПА
частота появления атак
ЭКЗВ
электрический канал звукового вещания
AAC
Advanced Audio Coding — перспективное звуковое
кодирование
ACR
Absolute Category Rating — шкала абсолютного
шкалирования
AES
Audio Engineering Society — общество
аудио-инженеров
BER
Bit Error Ratio — вероятность ошибки на бит
(параметр ошибки по битам)
CELP
Code Excited Linear Prediction — линейное
предсказание с кодовым возбужд.
ES
Erroneous Second — количество секунд, пораженных
ошибками
ESR
Erroneous Second Ratio — коэффициент ошибок по
секундам с ошибками
FEC
Forward Error Correction — прямое исправление
ошибок; FEC coding — (помехоустойчивое)
кодирование канала с упреждающей коррекцией
ошибок
FER
Frame Error Rate — частота повторения ошибочных
кадров
FFT
Fast Fourier Transform — БПФ
FSQ
Fast Sound Quality — экспресс-оценка качества
звучания (в салоне автомобиля)
ISO
International Organization for Standardization —
Международная организация по стандартизации
ITU
International Telecommunication Union —
Международный Союз Электросвязи (МСЭ)
ITU-R
International Telecommunication Union,
Radiocommunication Bureau — сектор радиосвязи
МСЭ-Р
MOS
Mean opinion score — средняя оценка мнений; средняя
субъективная оценка

MPEG
Moving Picture Expert Group and associated audio —
формат сжатия данных (дословно: группа экспертов по
движущимся изображениям при ISO)
MP-3
алгоритм MPEG-1 Layer 3
PAQM
Perceptual audio quality measure — психоакустическое
измерение качества звучания
PCM
Pulse Coded Modulation — импульсно-кодовая
модуляция (ИКМ)
PDH
Plesiochronous Digital Hierarchy — плезиохронная
цифровая иерархия
PEAQ
Perceptual Evaluation of Audio Quality —
психоакустическое измерение качества
широкополосных аудиокодеков
QEF
Quasi Error Free — квазибезошибочный режим работы
QoS
Quality of Servise — качество обслуживания
RMS
Root-Mean-Square — среднеквадратичный
SBR
Spectral Band Replication — спектральное полосовое
копирование
VBER
ViterbiBER — вероятность ошибки, оцениваемая на
выходе декодера Витерби

Введение

Мир полон звуков, звуки — наши неизменные спутники. Человек
получает информацию из окружающей среды в основном с помощью
органов зрения (80...90%) и слуха (10...20%), характеристики которых
весьма различаются. Информационная пропускная способность зрения равна 3 Мбит/с, а слуха — в 75 раз меньше (около 40 Кбит/с).
Тем не менее, в настоящей книге при изучении методов оценки качества в каналах телерадиовещания пальма первенства отдана звуку.
Слух даёт человеку возможность полноценного общения, а, по
мнению классика, нет радости выше, чем радость человеческого общения. Очевидно, что имеется ввиду непосредственное общение людей. Однако человеку свойственно не только говорить, но и петь, и
играть на музыкальных инструментах.
Соответствующее этим действиям колебание называется звуковым сигналом. Под оценкой качества передачи звукового сигнала
(ЗС) по каналу связи будем понимать оценку качества переданного по этому каналу сигнала. В свою очередь, методы оценки качества
звуковых сигналов зависят от их вида (речь, информационное сообщение, художественное чтение, музыка и т.п.) и в значительной степени
определяются назначением системы, где эти сигналы применяются.
Так, оценка речевых сигналов систем мобильной связи принципиально отличается от оценки выступления артиста разговорного жанра
(художественного чтения) и тем более от оценки широкополосных
звуковых вещательных сигналов музыкально-информационных программ звукового вещания. Однако эти сигналы объединяет то, что
все они адресованы системе слухового восприятия человека и только
он может их адекватно оценить.
Звуковой сигнал, с одной стороны, можно рассматривать как случайный процесс, описываемый своими вероятностными характеристиками, а с другой — как объект слухового восприятия, подчиняющийся
законам психофизиологии слуха. При передаче по каналам связи звуковой сигнал рассматривается как случайный процесс, вероятностные
характеристики которого определяют выбор таких параметров, как
динамический диапазон, частотная полоса, отношение сигнал/шум.
Эти параметры канала могут быть с определенной точностью измерены инструментально, т.е. объективно. Однако при таком «бесчеловечном» подходе невозможно оценить приемлемость качества передачи
звукового сигнала с позиций воспринимающего субъекта — человека.
Воздействие звуковых программ на слушателя в значительной
степени определяется объективными параметрами звукового вещательного сигнала (ЗВС). Параметры ЗВС, определяющие его смыс

Введение

ловую (семантическую) информативность, достаточно хорошо изучены и их сохранение, как правило, обеспечивается существующими
системами передачи. В то же время ценность характеристик ЗВС,
определяющих его эмоциональную (эстетическую) информативность,
зачастую недооценивается при определении требований и к каналам
передачи, и к самим программам. Особенно остро эта проблема встает
в системах высококачественной передачи звука.

В результате многочисленных преобразований в канале передачи деградирует именно эмоциональная информативность ЗВС. А ведь
звуковое вещание, особенно высококачественное — цифровое и ОВЧ
ЧМ, используется для передачи не столько смысловой, сколько эмоциональной информации.

Оценка человеком любого звукового фрагмента всегда субъективна и не факт, что она обязательно совпадает с оценкой объективной, аппаратной. И это естественно, потому что оценка по любому
ограниченному числу объективных показателей никогда не сможет
полноценно заменить систему восприятия звука человеком. Однако
метрология связи предполагает безусловное применение объективных
методов контроля. Лишь в этом случае можно гарантировать реализацию надлежащего качества той или иной услуги связи на реальной
технической базе и в больших масштабах. Исходя из этого сформулируем требования к метрологическому обеспечению систем звукового
вещания:
– 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 коррелирована с субъективной.

Существование проблемы оценки качества звукового сигнала
объясняется субъективным характером его восприятия слушателем и
трудоемкостью методов объективного контроля качества такого сигнала. Основным нормативным документом, определяющим качество
услуги ЗВ, остается ГОСТ 11515-91 «Каналы и тракты звукового
вещания. Основные параметры качества. Методы измерения» [6] (в
обновлённой редакции [7]), регламентирующий параметры качества
каналов и трактов подачи вещательных программ. При этом методы измерений параметров качества предполагают использование не
реального звукового сигнала, а набора стационарных гармонических
колебаний звуковых частот. С усложнением способов обработки и
представления ЗВС предлагаются дополнительные тестовые сигналы
и измеряемые параметры. Для получения более полного соответствия

восприятия искажений их нормативным значениям следует либо бесконечно увеличивать число таких параметров, либо перейти к другим,
интегральным параметрам.
Пока единственным методом оценки качества передачи по таким
каналам остаются субъективно-статистические испытания (ССИ).
Процедура весьма трудоемкая, длительная и дорогая, но при тщательном выполнении обеспечивающая достаточно точную оценку. По существу, субъективная оценка качества звука является интегральной,
поэтому методика оценки восприятия реального вещательного сигнала, близкая к его экспертной оценке слушателем, должна базироваться на анализе интегральных параметров сигнала, определяющих его
восприятие.
Рассмотрению совокупности вопросов, изложенных выше, и посвящено настоящее пособие.

Глава 1

Звуковой вещательный сигнал:
основные свойства и восприятие

Основные свойства и характеристики вещательных сигналов
Качество звучания вещательной программы оценивают по слуховому восприятию. Поэтому технические требования, предъявляемые к
вещательному каналу или его звеньям, определяют путём исследования закономерностей, связывающих субъективное ощущение звука с
объективными, физическими характеристиками звука [13]. Эти закономерности получаются наиболее простыми для синусоидальных колебаний, характеризуемых двумя основными параметрами — частотой
и амплитудой.
Ощущение высоты тона связано с частотой звуковых колебаний. Постепенное увеличение частоты колебаний в области слышимых звуков от 20 до 20 000 Гц вызывает изменение высоты тона от
самого низкого (басового) до наиболее высокого. Изменение высоты
тона на октаву соответствует изменению частот вдвое. Заметим, что
слышимые звуки занимают диапазон приблизительно 10 октав.

Музыкальные инструменты и голос человека создают сложные 
звуковые колебания. Форма волны даже стационарного сигнала резко 
отличается от синусоидальной и подчас бывает несимметричной (рис. 1.1). 
Звуковым 
вещательным 
сигналом 
s(t) 
называют 
колебание, 
соответствующее речи, музыке или их сочетанию. Для исследователей 
было удобно считать ЗВС случайным процессом, характеризующие 
который акустические или электрические величины непрерывно 
изменяются 
во 
времени. 
Как 
случайный 
процесс, 
ЗВС 
характеризуется законом распределения его мгновенных значений, заданным плотностью вероятности W(x) или функцией распределения 
F(x) [1, 34, 51].

t

U

Рис. 1.1. Осциллограмма звукового вещательного сигнала

Для получения стабильных распределений анализ проводят на
достаточно продолжительных отрывках одинаковых по характеру про