Метод STI.
В основе определения индекса передачи речи (STI) – объективной величины, лежат веса, соответствующие вкладу каждой полосы РС. Эти вклады определяются эффективным отношением S/N . При надлежащем выборе формы испытательного сигнала, эффективное отношение S/N может учитывать временные и нелинейные искажения, а также фоновый шум. Временные искажения (реверберация, эхо и АРУ) учтены в процедуре STI и определяют MTF для соответствующих частот. Модуляция осуществляется соответствующими частотами в 1/1 октавных полосах. На рис. 20 показана структурная схема измерений по которой m(F), определяется отдельно для каждой частоты модуляции в каждой 1/1 октавной полосе и результаты заносятся в табл. 19. MTI или m определяется для всех ячеек табл. 19 в семи 1/1 октавных полосах для 14 частот модуляции. Также определяется октавный уровень (Ī k) для использования в вычислении распределения маскировки слуха.
Таблица 19. Типовая рабочая форма для определения значения STI.
|
№ |
Частоты модуляции |
Центральные частоты октавных полос, Гц | ||||||
|
125 |
250 |
500 |
1000 |
2000 |
4000 |
8000 | ||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
1. |
0,63 Гц |
m |
|
|
|
|
|
|
|
2. |
0,8 Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
3. |
1 Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
4. |
1,25 Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
5. |
1,6 Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
6. |
2 Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
7. |
2,5 Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
8. |
3,15 Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
9. |
4 Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
10. |
5 Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
11. |
6,3 Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
12. |
8 Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
13. |
10 Гц |
|
|
|
|
|
|
|
|
14. |
12,5 Гц |
|
|
|
|
|
|
|
Нелинейные Искажения.
Сигнал речи, проходя через систему с нелинейной передаточной функцией (например с клиппированием), порождает гармонические и интермодуляционные компоненты в других полосах. По этому испытательный сигнал не должен модулироваться одной и той же частотой одновременно во всех полосах. Иначе, компоненты, порожденные искажениями, не будут отличимы от компонент, порожденных модулированным испытательным сигналом в рассматриваемой полосе. Однако, модулируя некоррелированными сигналами все другие полосы за исключением рассматриваемой, компоненты порожденные искажениями проявляются и учитываются как шум, сокращая эффективное отношение S/N, так же, как и при линейных искажениях.
Другие эффекты.
Слуховая маскировка, (сокращение диапазона слухового восприятия под влиянием более громкого звука с меньшей частотой), и абсолютный слуховой порог учитываются как сокращение эффективного отношения S/N и MTF. На рис. 21 показан эффект маскировки одной полосой соседней полосы. Влияние этого эффекта независимо от частот полос и абсолютного уровня сигналов. Характеристика маскировки, является прямой с наклоном -35 дБ/октаву, что соответствует фактору слуховой маскировки amf=0,000316. Количественно определить влияние эффекта маскировки на соседнюю справа полосу можно по формуле (16):
Iam, k = Ik-1 • amf (16)
где Iam, k – интенсивность с учетом маскировки в k-й полосе; Iк-1 - интенсивность маскирующего сигнала в (k - 1)-й полосе.
Моделирование абсолютного слухового порога - как более низкого предела уровня с учетом Irs, k, применяется только если интенсивность Ik является эксплуатационным, то есть нормальным (прослушиваемым) уровнем.
Применение коррекции с учетом маскировки и порога слышимости дает выражение (17):
m`k,f = mk,f • [ Ik :(Ik + Iam,k+ Irs,k )] (17)
где, mk,f - индекс модуляции для
k –й октавной полосы и частоты
модуляции f;
m`k,f -
корректированный индекс;
Irs,
k -маскирующие шумы в
i-й полосе.
Эффективное отношение S/N для k–й октавной полосы и частоты модуляции f с учетом (15)и (16) имеет вид (18):
SNRk,f = 10•lg [m`k,f :(1- m`k,f )] (18)
Согласно концепции STI, отношения S/N в диапазоне -15 дБ…+15 дБ линейно связано со вкладами в разборчивость (см. рис. 22). Поэтому эффективное отношение S/N может быть пересчитано в соответствующий индекс передачи (TIk,f), определенный, для k –й октавной полосы и частоты модуляции – f, уравнением (19):
TI k, f = (SNR k, f + shift) : range (19)
Если shift(сдвиг)=15 дБ и range(диапазон)=30 дБ то 0≤ TI k, f≤1. На рис. 22 это показано графически.
Все 14 индексов передачи для всех частот модуляции получены и усредняются для каждой 1/1 октавной полосы, таким образом, получаем индекс передачи модуляции (MTIk) для k-й октавной полосы, а именно:
(20)
Наконец, пересмотренный индекс передачи речи (STIr), который учитывает слуховую маскировку и абсолютный слуховой порог, получается взвешенным суммированием индексов передачи модуляции для всех семи 1/1 октавных полос и соответствующих факторов коррекции избыточности, возникающей из-за вклада соседних полос (21):
(21)
где αk –вес i-й октавной полосы; βk - так называемый фактор коррекции избыточности.
Коррекция для мужской и женской речи.
Оптимальные веса и факторы коррекции избыточности для мужской и женской речи показаны в табл. 20, наряду с факторами пороговой коррекции.
Таблица 20. Факторы коррекции для мужской и женской речи по методу STIr.
|
Центральная частота полосы, Гц |
125 |
250 |
500 |
1000 |
2000 |
4000 |
8000 | |
|
Мужской голос |
α |
0,085 |
0,127 |
0,230 |
0,233 |
0,309 |
0,224 |
0,173 |
|
β |
0,085 |
0,078 |
0,065 |
0,011 |
0,047 |
0,095 |
- | |
|
Женский голос |
α |
- |
0,117 |
0,223 |
0,216 |
0,328 |
0,250 |
0,194 |
|
β |
- |
0,099 |
0,066 |
0,062 |
0,025 |
0,076 |
- | |
|
Фактор порога слышимости |
I rs,k |
46 |
27 |
12 |
6,5 |
7,5 |
8 |
12 |
Анализ и интерпретация результатов.
Важно исследовать матрицу значений уменьшение глубины модуляции, чтобы определить надежность результатов. Как правило, значения в колонках 3-9 табл. 19 для каждой 1/1 октавной полосы должны уменьшаться с ростом частоты модуляции. Постоянные или слегка сокращающиеся значения в колонках указывают на наличие шума. Большие сокращения указывают на то, что главный эффект – реверберация. Если эти значения сначала падают, а затем увеличиваются с ростом частоты модуляции, это указывает на периодические или сильные отражения.
STI принимает значения от 0 (полная неразборчивость) до 1 (отличная разборчивость) (см. табл. 21).
Таблица 21. Значения STI, STITEL и RASTI и соответствующие им оценки РР.
|
Значение STI, RASTI, STITEL |
0…0,3 |
0,3…0,45 |
0,45…0,6 |
0,6…0,75 |
0,75…1 |
|
Оценка разборчивости |
неудовлетворительная |
плохая |
низкая |
хорошая |
отличная |
Точность методов семейства STI.
Кроме прочих факторов, точность зависит еще и от числа дискретных значений m(F) (для метода STI обычно 98) и времени измерения. Как правило, значение стандартного отклонения не более 0,02 для каждой m(F) при постоянном уровне шума в течение 10 сек. измерения. Для шумов с непостоянным, флуктуирующим уровнем возникает систематическая ошибка, которая определяется по результатам измерений в отсутствии испытательного сигнала. Оценка стандартного отклонения должна быть сделана путем повторения измерений
«Быстрый» индекс передачи речи —RASTI (RApid Speech Transmission Index).
Быстрый индекс передачи речи (RASTI) - индекс, полученный по сокращенной версии метода STI. В методе RASTI основное внимание сосредоточенного на оценке влиянии шумов и временных искажений (эха, реверберации). Здесь испытательный сигнал упрощен, а именно сокращено число 1/1 октавных полос. В данном методе измерения производятся только в двух 1/1 октавных полосах с центральными частотами 500 Гц и 2 кГц, и, в этих полосах применяются только четыре и пять частот модуляции, соответственно (см. табл. 22). Это ограничивает полосу пропускания, а, следовательно, фоновый шум с нерегулярным спектром и нелинейные искажения не учитываются корректно. Однако метод RASTI может, использоваться для оценки необходимости звукового экранирования помещений. Метод RASTI, как и метод STI, корректно учитывает некоторые искажения, носящие гладкий и монотонный характер, например реверберационные.
Метод RASTI.
Как показано на рис. 23 и в табл. 22, общее количество используемых частот модуляции-9.
Таблица 22. Значения частот модуляции в 1/1 октавных полосах и соответствующие им факторы коррекции.
|
Центральные частоты полос |
500 Гц |
2 кГц |
|
Частоты модуляции, Гц |
1; 2; 4; 8 |
1,4; 2,8; 5,6; 11,2 |
|
Фактор частотной коррекции |
0,45 |
0,55 |
В [15] и [20] предлагается следующая методика применения RASTI для измерения «секретности» (неразборчивости) речи, величины, противоположной РР. При малых значениях RASTI, результат оценки индекса модуляции m(f) будет тоже очень низок, соизмерим с модуляцией испытательного сигнала фоновым шумом. Эта проблема решается использованием повышенного уровня сигнала. MTF может быть выражена как:
;
(22)
Если обеспечить S/N≥15 дБ, используя повышенные уровни, то второй сомножитель пренебрежимо мало отличается от 1, а значит измерять можно лишь величины, входящие в первый сомножитель. Второй сомножитель, рассчитан по результатам измерений фонового шума Ln и повышенных уровней сигнала LS+n (23):
(23)
Значение RASTI вычисляется для 9 частот модуляции. Факторы сокращения модуляции X i рассчитывается формуле (24):
X i = 10·lg [m i :(1 – m i)]; (24)
Где X, является соотношением S/N, соответствующим фактору сокращения модуляции mi. Значение Х i ограничено: если Х i> + 15 дБ, то Х i = + 15 дБ, если Х i <-15 дБ то, Х i = -15 дБ.
(25)
При 0≤RASTI≤0,3 секретности речи соблюдается.
Метод STITEL.
Индекс передачи речи для телекоммуникационных систем (STITEL) - индекс, полученный так же по сокращенной версии метода STI, отображающей искажения в системах связи. Здесь испытательный сигнал тоже упрощён посредством некоррелированной (речеподобной) модуляции, необходимой для корректной оценки нелинейных искажений. Это открывает возможность параллельной (одновременной) модуляции и обработки всех полос, а значит, сокращает время измерений. Метод STITEL требует для измерения 10…15 сек.
Описание метода STITEL.
Вместо 14 частот модуляции, применяющихся во всех семи 1/1 октавных полосах как в STI, в методе STITEL применяется 7 частот модуляции, по одной в каждой из 1/1 октавных полос, как показано в табл. 23.
Таблица 23. Частоты модуляции для семи октавных полос по методу STITEL.
|
Центральная частота полосы, Гц |
125 |
250 |
500 |
1000 |
2000 |
4000 |
8000 |
|
Частота модуляции, Гц |
1,12 |
11,33 |
0,71 |
2,83 |
6,97 |
1,78 |
4,53 |
Испытательный сигнал содержит все 7 модулируемых полос, и все они анализируются одновременно.
Форма сигнала в методах STI и STITEL.
Несущий шум для каждой 1/1 октавной полосы имеет ширину спектра 1/2 октавы, во избежание влияния на смежные полосы. Огибающая его интенсивности для каждой 1/1 октавной полосы модулируется одним или несколькими синусоидальным сигналами. Амплитуда функции модуляции определяется выражением (26):
[1 + cos(2π)ּfmּ·t] ½ (26)
Точность метода STITEL.
Как и в STI, результаты оценки это средние значения с некоторым стандартным отклонением, из-за хаотичности шума. Стандартное отклонение зависит от числа дискретных измерений m(F) (для метода STITEL обычно 7) и времени измерений.
Потеря артикуляции согласных (%Alcons).
Метод измерения %Alcons - величины потери артикуляции согласных выраженной в процентах, является инструментальным методом оценки РР [8]. %Alcons отображает потерю вокализованных согласных, вызванную реверберацией и поглощением звука в помещении. Для расчёта значения %Alcons используется следующая формула (27):
%Alcons=[200·D22·RT602·(n+1)]:(V·Q·m) (27)
где, V – объём помещения, куб. м.;
D2 – дистанция источник речи – слушатель, м;
Q – фактор направленности;
(n+1) –общее число дикторов (громкоговорителей), создающих реверберационное поле;
m=(1-α):(1-αC) – модификатор критического расстояния;
α - коэффициент поглощения;
αC - коэффициент поглощения поверхности перекрываемой всеми дикторами (громкоговорителями);
RT60- время реверберации, сек;
Этот метод широко используется, особенно в США, но имеет существенные недостатки, из-за которых результаты измерения часто бывают чрезмерно завышены. Соотношение оценки РР и возможностей коммуникации при различных значениях %Alcons представлены в табл. 24. Считается, что максимально допустимое значение (если нет факторов, существенно маскирующих речь) для систем экстренного оповещения %Alcons≤10 %, для учебных аудиторий и систем голосового оповещения %Alcons≤5 %.
Таблица 24. Оценка РР и возможностей коммуникации при различных значениях %Alcons.
|
%Alcons |
Разборчивость |
Возможность коммуникации |
|
0…3 |
Отличная |
Передача сложных сообщений и музыки |
|
3,1…7 |
Очень хор. |
Передача менее сложных сообщений, или привлечение обученных дикторов |
|
7,1…11 |
Хорошая |
Передача простых сообщений или привлечение хорошо обученных дикторов |
|
11,1…15 |
Удовлетворительная |
Передача простых сообщений или привлечение опытных дикторов и обученных слушателей |
|
15,1…20 |
Низкая |
Предел разборчивости для простых сообщений, опытных дикторов и слушателей |
|
20,1…100 |
Неудовлетв. |
Сообщения неразборчивы даже для опытных дикторов и слушателей |
СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ И ВЫВОДЫ.
Обобщим достоинства и недостатки рассмотренных методов оценки РР.
Метод SIL является универсальным для оценки разборчивости как усиленной, так и неусиленной речи. Применение этого метода целесообразно для оценки прямых акустических ТКУРИ, а так же телефонных и радиосвязных систем. Но этот метод учитывает лишь один фактор, влияющий на разборчивость – шум.
Применение метода AI полезно для оценки речевых систем (например, систем связи) и ТКУРИ по качественной шкале разборчивости от «отличной» до «неудовлетворительной». Однако он не достаточно точен для оценки в критических условиях либо выделения лучшей из нескольких речевых систем или наиболее опасного из нескольких ТКУРИ. Алгоритм метода AI таков, что некоторые специфические искажения или шум, ухудшающие РР, не уменьшают значение AI. Данный метод не должен применяться для систем, в которых асимметрия амплитудного ограничения РС превышает 3 дБ, сдвиг частоты превышает 50 Гц, а также есть значительное и переменное замирания. Таким образом, реальная РР может оказаться ниже, а, следовательно, и ТКУРИ менее опасен, чем по результатам оценки AI.
Метод SII, во многом подобный AI, обладает рядом недостатков. Во-первых, поздние отражения и эхо могут значительно исказить результаты измерений. Во-вторых, SII, как и RASTI, склонен искусственно занижать значения разборчивости, если в системе имеют место частотные уплотнения каналов или другие ограничения. В-третьих, SII не учитывает низкочастотные (ниже 100 Гц) источники шумов маскирующих речь, даже в критическом режиме. В-четвертых, SII не учитывает корректно нелинейные искажения.
Тем не менее, при правильном и квалифицированным применении, SII является вполне надежным и точным методом оценки РР.
Методы семейства STI, из-за особенностей формы испытательных сигналов и анализа, не учитывает корректно такие типы искажения как сдвиг частот (в устройствах типа предотвращающих акустическую обратную связь), умножение частот (в устройствах с однополосной модуляцией) и влияние систем типа вокодерных. Рассмотрим ограничения использования для каждого из методов семейства STI.
Метод STI не должен использоваться для каналов передачи, которые:
- осуществляют изменения частоты или умножение частот;
- включают вокодеры (то есть LPC, CELP, RELP и т.д.);
Метод STI как таковой применяется не часто. Более популярна его упрощенная версия-RASTI. К тому же STI не верифицирован для использования в военных и специальных системах.
Ограничения RASTI метода
Применение метода RASTI ограничено уровнями фонового шума и реверберации. Поэтому его использование должно быть ограничено случаями при которых соблюдаются следующие условия:
- отсутствует сдвиг или умножение частот;
- не применяются вокодеры (то есть LPC, CELP, RELP, и т.д.);
- передача речи по существу линейна (сжатие или расширение амплитуды не более 1 дБ) и отсутствует клиппирование сигнала;
- полная частотная характеристика системы на интервале 125 Гц….8 кГц однородна, то есть различие SPL между любыми двумя смежными 1/1 октавными полосами не более 5 дБ;
- фоновый шум не имеет слышимых пиков или впадин в 1/1 октавном спектре;
- фоновый шум не импульсный, в помещении несущественно дискретное эхо, особенно если частота его повторения кратна одной или нескольким частотам модуляции;
- время реверберации не монотонно зависит от частоты;
Главное достоинство метода RASTI в
том, что он учитывает влияние эффектов реверберации, а также фонового шума
на разборчивость. Кроме того метод RASTI легко реализуется аппаратно. По
этой причине RASTI был принят во множестве Европейских стандартов и
технических условий. К примеру, метод RASTI реализован в простом,
портативном приборе фирмы «Bruel и Kjaer», переносном комплекте «SAFETY
& SECURITY TEST AND MEASUREMENT SYSTEM» (см. рис 24) фирмы «GOLD
LINE», быстро выполняющих измерения и оценки РР. В аппаратно-программных
комплексах «MLSSA» фирмы «DRA Laboratories», «Dual Input Room Acoustics Calculator-DIRAK» фирмы «Acoustic Engeneering», «System for improved acoustic performance» фирм «RPG Diffusor Systems Inc. и Wim Prinssen, Siap, B. V.». А также в других измерительных
средствах таких исследовательских учреждений, как «National Center for Voice and Speech», «Acoustics Research Group University of Bologna» и др.
В то же время, RASTI имеет и недостатки. Во-первых, он учитывает только две 1/1 октавные полосы (500 Гц и 2 кГц), предполагая, что частотная характеристика оцениваемых систем или ТКУРИ линейна в речевом диапазоне. Следовательно, ТКУРИ, фактически, пропускающий только 2 рассматриваемые полосы, может получить завышенную оценку опасности, так как результаты оценки РР тоже могут быть завышены. Во-вторых, любые амплитудные ограничения в оцениваемых системах или ТКУРИ, снижающие глубину модуляции испытательного сигнала, могут искусственно занизить значение RASTI, несмотря на то, что в действительности, эти ограничения могут даже благоприятно воздействовать на РР. В таких случаях результаты оценок РР будут занижены. RASTI, также не учитывает нелинейные искажения. Применение данного метода целесообразно при оценке таких систем и ТКУРИ, где значительна реверберация, например в концференц залах.
Ограничения STITEL метода
Метод STITEL не должен использоваться для каналов:
- которые осуществляют сдвиг или умножение частот;
- которые содержат вокодеры (то есть LPC, CELP, RELP, и т.д.);
- для которых время реверберации монотонно зависит от частоты;
- в которых уровень эхо больше чем -10 дБ по отношению к первичному сигналу;
- в которых фоновый шум имеет слышимые пики или впадины в 1/1 октавных полосах;
- в которых фоновый шум - импульсный, и/или проявляется дискретное эхо, особенно если частота его повторения кратна одной или нескольким частотам модуляции;
Если имеют или возможно имеют место 3-й и/или 4-й факторы, то метод STI должен использоваться вместо или вместе со STITEL, чтобы проверить полученные им результаты. Однако STITEL хорошо учитывает нелинейные искажения.
Метод %Alcons обладает следующими особенностями. Во-первых, он использует результаты измерений только в одной 1/3 октавной полосе с центральной частотой 2 кГц, все другие полосы игнорируются. Во-вторых, этот метод не учитывает множество таких, влияющих на разборчивость факторов, как отношение S/N, спектр фонового шума, нелинейные искажения, поздние отражения или эхо, частотные характеристики оцениваемой системы или ТКУРИ, уплотнения каналов, нелинейные искажения, акустическую мощность и некоторые другие. Главный недостаток этого метода в том, что он не учитывает остаточного влияния реверберации и сильных поздних отражений. Применение этого метода не целесообразно при оценке систем, ТКУРИ и помещений с высокой реверберацией. Целесообразно применение для оценки РР, например, в классных комнатах, учебных аудиториях, залах заседаний или в системах оповещения.
Артикуляционные методы PBWL, DRT и его модификации и другие во многом подобны отечественным стандартам, но следует отметить методы рифмованных испытаний, не требующие специального обучения дикторов и аудиторов.
Ряд зарубежных стандартов, методов и алгоритмов позволяет учитывать при оценке РР влияние одного или нескольких факторов, таких как искажение спектра речи, её зашумлённость, а также влияние реверберации. Например, метод SIL не учитывают влияние на РР реверберации и нелинейных искажений. Следовательно, алгоритмы, лежащие в основе таких методов нецелесообразны для оценки защищённости речи в виброакустических каналах утечки, так как не имеют существенных преимуществ перед отечественными алгоритмами и нормативами оценки РР. Для этих целей применимы методы STI и AI (SII) внедрение которых требует создания новой инструментальной базы. Нам представляется, что приведенный обзор будет полезен для совершенствования отечественных методик оценки РР, в том числе при проведении специальных элекроакустических исследований.
Литература
1. Железняк В. К., Макаров Ю. К., Хорев А. А., «Некоторые методические подходы к оценке эффективности защиты речевой информации». Специальная техника № 6. М-2000.
2. Хорев А. А., Макаров Ю. К., «К оценке эффективности защиты акустической (речевой) информации». Специальная техника № 5. М-2000.
3. Халяпин Д.Б. «Вас подслушивают? Защищайтесь!» – М.: «Мир безопасности», 2001.
4. Кученков Е. Б., «Подходы к разработке методики оценки защищенности ВТСС». Специальная техника №1. М-2002.
5. Каргашин В. Л. «Совершенствование методических принципов оценки защищенности помещений от утечки речевой информации». Специальная техника № 6. М-2001.
6. ANSI S3.2-1989. Method for Measuring the Intelligibility of Speech over Communications System.
7. ISO/TR 4870:1991: Acoustics. The construction and calibration of speech intelligibility tests.
8. Sami Lemmetty. “Master's Thesis: Review of Speech Synthesis Technology”. HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY. Laboratory of Acoustics and Audio Signal Processing. 1999
9. Defence standard 00-25 (part 9)/Issue 1. Human factors for designers of equipment. Part 9: Voice communication.
10. ANSI S3.14-1977 (R 1997) American National Standard for Rating Noise with Respect to Speech Interference.
11. ISO/TR 3352 –1974. Acoustics - Assessment of noise with respect to its effect on the intelligibility of speech.
12. ISO 9921-1:1996: Ergonomic assessment of speech communication - Part 1: Speech interference level.
13. IEC 60849 Ed. 1.0 b-1989: Sound systems for emergency purposes.
14. ANSI S3.5-1969 American National Standard Methods for the Calculation of the Articulation Index.
15. S 31 – 990 – 88. Standard testing method for measuring the interzone attenuation of celling systems.
16. ASTM E 1110-86. Standard testing method for objective measurement for speech privacy in open offices using AI.
17. AS 2822-1985. Acoustics. Method of assessing and predicting speech privacy and speech intelligibility.
18. J. S. Bradely, C. Wang. “Speech privacy in open-plan offices: I-Systematic measurements.” Acoustic society of America. Meating in Chicago 2001.
19. IEC 60268-16 Ed. 1.0 b-1988: Sound system equipment. Part 16: The objective rating of speech Intelligibility.
20. Bruel & Kjaer. “Using RASTI to determine speech privacy”