通信对抗原理(冯小平)全书第7章ppt课件.ppt

第7章 通信干扰方程和干扰效果评价,7.1通信干扰方程 7.2通信干扰效果评价准则 7.3通信干扰效能检测和评估方法 7.4对语音信号质量的客观评价方法 7.5通信干扰效能评估的仿真技术 习题,式中,ERPj表示干扰发射机的有效辐射功率;ERPs表示通信发射机的有效辐射功率。其他传播条件的干信比也可以利用有效辐射功率表示，这里不再一一给出。上面讨论的各种不同的传播模式下的干信比关系就是通信干扰方程。当按照上面的关系计算得到的干信比超过干扰压制系数时，对应的干扰就是有效的。通信干扰方程是一个重要的方程式，它是干扰功率计算和干扰压制区计算的基础。7.1.3通信干扰有效辐射功率计算干扰有效辐射功率计算是通信干扰系统设计的最重要的参数，它根据干扰系统的战术使用要求，如系统作用距离、干扰对象等，通过分析计算和计算机仿真后确定。根据前节得出的干信比公式，可以得到自由空间传播模式下所需的干扰有效辐射功率为 ,同理可以得到其他两种传播模式的干扰有效辐射功率为,在以上各种传播模式下的干扰有效辐射功率的表达式中，通信发射机的有效辐射功率ERPs、通信收发天线高度hsr和hst、工作波长取决于干扰对象；通信距离Rc、干扰距离Rj、干通比r则由战术使用要求决定；干扰天线hjt的高度可以通过设计选取；最后只剩下干扰压制系数的选取。干扰压制系数的选取涉及到最佳干扰技术，理论上，压制系数最小的干扰样式是最佳干扰样式，它需要的干扰功率最小。对于不同的通信体制，最佳干扰样式不同，所需要的干扰压制系数也不同。下面举例说明通信干扰功率的计算方法和步骤。设计一个车载VHF(30100MHz)战术干扰系统，用于干扰空地、地空和地地通信链路。最大干扰距离为30km，实施干扰后允许的最大通信距离为3km(即干通比r=10)，通信发射机最大有效辐射功率为100W。试计算该干扰系统所需的干扰有效辐射功率。,其中，计算时使用的10m(f =30MHz)，hjr=2m。可见，利用地面车载干扰平台干扰空地链路需要的干扰功率极大，几乎无法实现。因此，必须使用升空平台才能实现对空地链路的有效干扰。,(2)地空通信链路干扰功率。地空链路是指通信方的发送设备在地面，接收设备在空中，所以通信方是自由空间传播模式。而干扰方是车载干扰系统，它位于地面对空中通信接收机实施干扰，因此也是自由空间传播模式。我们已经计算得到了干扰和通信双方都在自由空间传播模式下，需要的干扰有效辐射功率为20kW，因此，可以实现有效干扰。问题在于，由于通信发射机在地面，侦察引导设备也在地面，那么侦察设备是否能够对通信信号可靠的侦收和识别呢？下面就对此进行必要的分析。根据地面反射传播模型，到达侦察接收机的通信信号功率为,其中,计算时通信发射机天线高度hs2m，侦察接收机天线在天线发射机方向的增益Gjr=4，侦察(干扰)天线高度hj20m，通信发射机有效辐射功率PstGjt100W。一般，通信侦察系统的灵敏度都优于100dBm，所以使用20m高度的天线是可以侦收和识别地空通信链路的通信信号，实现对干扰机的引导。,(3)地地通信链路的干扰功率。地地通信链路是指通信方的发送和接收设备都在地面，所以通信方是地面反射传播模式。干扰方是车载干扰系统，它位于地面对地面通信接收机实施干扰，因此也是地面反射传播模式，它所需要的干扰有效辐射功率为,根据以上分析，该干扰系统的有效辐射功率最终为20kW。但是需要注意的是，用有效辐射功率20kW的干扰系统无法对空地通信链路进行有效干扰，只能通过其反向链路即地空链路干扰，来达到干扰空地链路的目的。在干扰功率计算中，干通比的确定是关键，干通比是干扰距离与通信距离之比。干扰距离可以根据战术使用要求确定，但是通信距离的确定就比较困难一些。如果只考虑战术使用要求，则希望有效通信距离尽可能小。但是这是要付出代价的，有效通信距离减小，则干扰功率就需要增加，干扰设备就复杂，成本就高，所以在系统设计时，就需要在有效通信距离和成本之间综合考虑。,不失一般性，将c1和c2统一用c表示，则有,图7.1-1 干扰机和通信系统的布局,图7.1-2 c=1时的干扰压制区,1)c1的情况当c1时，边界圆的圆心位于正x轴上，并且值大于d。因此圆心在通信发射机右侧，如图7.1-3所示。 注意到，边界圆始终覆盖通信发射机，因为该圆的圆心离原点的距离与圆半径的差始终小于d，即小于通信发射机离原点的距离。但是边界圆始终不可能超过图中虚线所示的中线。由于在圆内，干扰距离与通信距离之比大于，因此圆内为干扰无效区；在圆外，干扰距离与通信距离之比小于，所以圆外为干扰压制区。并且c越大，边界圆的圆心越接近通信发射机，圆的半径也越小。当c时，圆心与通信发射机重合，圆半径0，此时整个区域均为干扰压制区。,图7.1-3 c1时的干扰压制区,2)c1的情况当c1时，由于值 ，所以边界圆的圆心位于负x轴上，如图7.1-4所示。 注意到，边界圆始终覆盖干扰发射机，因为该圆的圆心离原点的距离与圆半径的差始终大于0，即小于通信发射机离原点的距离。由于在圆内，干扰距离与通信距离之比小于，因此圆内为干扰有效区；在圆外，干扰距离与通信距离之比大于，所以圆外为干扰无效区。并且c越小，边界圆的圆心越接近干扰发射机，圆的半径也越小。当c0时，圆心与干扰发射机重合，圆半径0,此时整个区域均为干扰无效区。c0表示干扰功率0，或者由于干扰对象采取了极强的抗干扰措施,使所需的干扰压制系数Kj，再大的干扰功率也难以奏效。,图7.1-4 c1时的干扰压制区,从以上对干扰有效区的分析可以看出，不同的c值对应的干扰压制区的形状是不同的。c=1时的干扰压制区是一个半平面，c1时的干扰压制区为扣除了边界圆后的整个区域，而c1时的干扰压制区最大，而c1时的干扰压制区最小。所以，再干扰机设计时，应该尽可能提高c值，以获得尽可能大的干扰压制区。特别需要指出的是，c1时干扰机只适合于防御作战情况，因为此时干扰机只能干扰周围区域的通信接收机，而无法干扰靠近敌方区域的通信接收机。这一点从c=1和c1时的干扰压制区上就能够明确的看出。不过，随着干扰机的微型化、网络化，一种所谓分布式干扰技术将可以工作在c1方式下，利用大量的微型干扰机在某个区域通过自组织网协调工作，形成合力来共同对付给定目标。这种分布式干扰技术在未来战场上将是十分有用的一种干扰形式。,另外，从c1方式的有效干扰压制区可以看出，干扰距离不能完全反映干扰机的干扰能力，或者说，单纯的讲干扰距离是没有意义的。如图7.1-4中边界圆右侧，虽然离干扰距离较远，但是该区域的干通比小于设计值，仍然是有效干扰压制区，并且干扰压制区并不是以通信发射机为中心的圆，而是中心偏离通信发射机位置并且偏向其右侧的圆。只有当c很大时，其圆心才会接近通信发射机的位置。干扰压制区的上述特点，如果不进行详细的分析是很难想象的。以上仅给出了干扰信号和通信信号在相同的传播模式下的干扰压制区的情况。如果两者的传播模式不同，其干扰压制区要复杂得多，这里不再讨论。,7.2 通信干扰效果评价准则7.2.1概述通信干扰是通信对抗的进攻手段，以破坏敌方指挥控制和通信系统的正常工作，使敌武装部队失去或部分失去作战能力为目的。因此，敌方作战能力到底损失了没有，实施通信干扰之后到底起了多少作用，也就是说通信干扰的效能如何，这对于实施电子进攻的一方是极希望知道的。另外，获取通信干扰效能的数据对于通信对抗装备技术的发展也十分必要。为此，就产生并迅速发展了通信干扰效能检测与评估这一门技术。,1)通信干扰效能的检测与评估定义效能是指一个武器系统在战场环境中能够成功履行其作战使命和完成任务的程度。通信干扰效能就是通信对抗装备在战场环境中能够成功地对敌通信过程进行破坏和压制的程度。(1)通信干扰效能检测的定义。通信干扰效能检测是指在给定条件下，针对人为设定的环境(如电子靶场、仿真环境等)，对通信对抗装备干扰特性和干扰效能进行测试和数据统计工作。(2)通信干扰效能评估的定义。通信干扰效能评估是指在通信对抗装备实施干扰后，对被干扰的目标对象受到破坏或削弱程度进行全面而综合的评价和估计。,2)通信干扰效能检测与评估的方法由于通信干扰自身所具有的前瞻性、科学性、破坏性，被干扰的对象往往是敌方最敏感的部分，开展实战环境下通信干扰效能检测与评估是非常困难的。因此，通信干扰效能的检测与评估，除在设定的实际环境进行试验和测试外，通常还使用仿真的原理和方法。仿真是进行通信干扰效能检测与评估比较可行的办法。所谓仿真，就是应用相似定理和类比关系来研究事物，也就是用实物或模型代替实际系统进行实验和研究。在通信对抗干扰效能检测和评估的仿真中，根据所介入的实物或模型的程度不同，分为物理仿真和数学仿真两类。,(1)物理仿真。由全部或部分物理设备(包括模拟设备)参与仿真试验的方式称物理仿真。根据参与仿真的物理设备数量的多少可分为全物理仿真(习惯上称为“全实物仿真”)和半物理仿真(习惯上称为“半实物仿真”)。(2)数学仿真。数学仿真是用计算机构成系统以实现并求解给定数学模型的仿真，习惯上称为“计算机仿真”。计算机仿真是由计算机和数学模型模拟实际的物理设备，通过运行仿真软件演示被仿真装备的实际工作，检测和评估被仿真装备的功能和性能。,式中,Pj是干扰信号功率；Ps是目标通信信号的功率。由于干扰信号的作用，造成的信息损失表现在对目标通信信号的遮盖、扰乱、产生判决错误，甚至中断信息传输等。信息损失的情况与干扰样式和被干扰目标通信信号的体制等因素有关。如果Ps和Pj理解为信号平均持续时间内功率的平均值，那么，以所需的最小干扰功率和目标信号功率比表示的压制系数的定义，适用于任意形式的信号。但是压制系数的数值，只有当干扰信号和被压制设备给定时才能求出。因此，功率准则与信息准则不同，它需要知道被压制系统的具体特性。如果系统是已知的，那么采用适当的干扰信号，以较低的功率消耗，系统就可以被压制，但按照信息准则不一定是最佳的。当干扰信号和有用信号的概率特性已知，而且干扰信号与,有用信号在无线电通信设备中的变换特性也已知时，利用统计决策理论就可以确定所需的最小功率比。其中对于遮盖性干扰来说，压制系数可以分两步求得：首先，根据信息准则，提供质量最好的干扰信号；然后根据信息准则提供的最佳信号，求出对于给定无线电通信设备的压制系数，求得压制系数的数值是近似的，而且近似的程度与所采用的不同决策准则有关。对于两种必择其一的假设(干扰或信号干扰)的选择，可以利用如贝叶斯(Bayes)准则、极小极大(minmax)准则、诺伊曼-皮尔逊(NeumnnPearson)准则、柯捷里尼可夫-齐格特(Kotellnikovzlgert)准则和瓦尔德(wald)准则等进行判决。这两种必择其-的假设的选择，是以在观察区间(0，T)所得到的随机电压(电流)，即有用信号与干扰信号之和作为这种选择的考察基础的。,3.其他准则1)概率准则概率准则是从通信对抗装备在电磁环境中完成给定任务的概率出发评价通信干扰的效能。概率准则建立在大量统计数据的基础上，运用统计实验分析方法，得到完成给定任务的概率。通常用干扰有效概率、压制概率、误差概率、虚警概率等具体形式来表现。2)时间准则当干扰作用于通信系统之后，由于信息传输速率的降低或信道中通过的信息流量减少，完成给定信息量传输任务所花费的时间必然增加。因此，通过检测通信系统完成给定传输任务所需时间的变化量来进行干扰效能检测的准则称为时间准则。,3)战术运用准则根据通信对抗装备在战术使用过程中对战斗进程和作战结果产生的影响来评价通信干扰效能的准则称为战术运用准则。4)广义关联准则通信干扰效能是一个多元函数。它与各种各样的因素有关，有设备的、技术的、操作方面的以及战术使用的方式与时机，敌我双方人员的心理素质与技术水平等。同时干扰效能的表现也是多方面的，有直接的，有间接的，有速效的，也有经较长时间才能显现的。通信干扰效能的影响有些在干扰消除后立即消除，有些在干扰消失后仍持续相当长时间。故对通信干扰效能的评估，从一定意义上讲，需要遵循这些广义关联准则。,7.3 通信干扰效能检测和评估方法7.3.1对语音通信系统干扰效能的检测和评估一般说来，语音质量至少包括三个方面内容：清晰度、可懂度和自然度。清晰度是指语音中语言单元为意义不连贯的(如音素、声母、韵母等)单元的清晰程度；可懂度是指语音中有意义的语言单元(如单词、单句等)内容的可识别程度；自然度则与语音的保真性密切相关。目前对语音可懂度、清晰度的主观评测已有国际和国内标准，对语音自然度还缺乏公认的评价准则。当需要对一个通信干扰系统的干扰能力作出评价的时候,或在给定条件下对一个通信干扰系统的干扰效能给出数值估值的时候，可以用实验或仿真模拟方法对干扰的作用结果进行检测。,对语音通信系统的干扰效能的评估可以采用主观评价和客观评价两种方式，主观评价通过专家进行人工试听，评价干扰效能，而客观评价是利用计算机进行自动评价。1.通信干扰效能的主观检测方法主观评价方法种类很多，其中又可分为可懂度评价和音质评价两类。音质直接反映评听人对输出语音质量好坏的综合意见，包括自然度和可辨识说话人能力等方面。而可懂度评价反映了评听人对输出语音内容的识别程度，音质高一般意味着可懂度也高，但反过来却不一定。可懂度评价的方法包括判断韵字测试、改进的韵字测试、拼写字母测试、语音平衡字表法等。在音质评价方法中，典型的如平均意见得分(MOS)法，用于对语音整体满意度或语音通信质量评价。,MOS法通常邀请若干个专家，对经过通信系统传输后失真的标准测试语音段进行试听，然后对该语音做出15分的评价，并且进行平均，得到语音质量评价。语音主观评价当然是最准确的，也是最容易理解的一种方法，但也是十分耗费时间、人力和财力的，并且经常要受到人为因素的内在不可重复性的影响。一般来说，一个编码器的评价结果不能够可靠地与另一个编码器的结果直接比较，除非测试环境完全一致。因此许多主观测试一般用于成对的对比评价过程，另外，为评听者能够建立有意义的统计结果，失真语音的样本数应该足够大。 下面以话音通信为例说明通信干扰效能主观检测方法的一般过程。通信系统受干扰作用之后最为直观的表现是通信接收,端语音可懂度下降。但是作为检测对象，语言可懂度的概念不确定性较大，语言试样的内容对检测结果影响很大，在同样强度的干扰作用下，传送无意义的数码报文和传送有意义的语音消息，可能测得完全不同的可懂度结果。这是因为在这两种情况下，监听者从干扰背景下提取有用信息的先验知识是不一样的。语音的语句各音节之间是部分关联的，后续语句的可预知性较大，所以用语句可懂度来检测干扰效能，结果的可信度不高。语音信号受干扰作用之后，可懂度降低的本质在于音节清晰度下降。研究表明，影响音节清晰度的因素有四种：音频频谱范围、混响、信号失真和信噪比。在这四种因素中，对于给定的通信系统，干扰的作用主要体现在信噪比的降低和信号失真度的增加。,主观检测方法如下：(1)在没有干扰作用时，通信系统发信方发送标准测试语音100个单音节，通信接收端接收并记录相应的判听结果，找出错误判听的音节数，并将此试验重复多次，将多人次所得的结果取平均值。然后，计算没有干扰作用时的音节清晰度As。(2)按照规定强度施加人为干扰。在有干扰作用的情况下，重复上述实验，并计算错误判听音节数的平均值和有干扰作用时的音节清晰度As+j。(3)计算通信干扰效能Ej。,2.通信干扰效能的客观测度方法音节清晰度的主观检测，所得结果的准确度和可信度随着试验次数和实验人员的增加而提高。不过这种检测方法费时费力，经济性不佳。为此人们希望找到一种理想的音节清晰度的客观测度方法。对于这种方法多年来国内国外很多人研究过，但遗憾的是迄今为止还没有得到一种理想的方法。一种较为可行的相对客观的测量音节清晰度的方法是加权倒谱距离的语言频谱测量方法。之所以称为“相对客观”，是因为这种方法并不独立完成被测试样的音节清晰度测量，而是用加权倒谱距离，即利用倒谱系数方差的倒数作为权值的一种统计加权距离方法求得被测试样与参考样板的符合程度，从而对,被测试样做出以参考样板为标准的评价。参考样板作为测度的基准，仍然是通过主观检测方法得到的。这种客观测度方法的实际操作程序如下： (1)用主观检测办法制作出具有不同清晰度等级的参考样板，这些参考样板可以保存在各种不同的媒体中。(2)参考样板输入计算机系统，为“算法”定标。(3)将被测接收机的输出接入计算机系统，进行分析、计算与比较。(4)得出被测试样与参考样板的符合程度，给出关于音节清晰度的数值结论。(5)计算通信干扰效能Ej。,3.对模拟通信干扰效能的干信比检测方法对于模拟通信系统，多数情况下传输的是语音信号，如AM、FM语音通信系统。语音通信系统受到一定的干扰后，会引起语音信号的可懂度和清晰度的下降，而语音清晰度的下降程度与AM/FM解调器输入的干信比有关。分析表明，当采用调频噪声干扰，并且忽略通信接收机内部噪声时，清晰度指数和干信比之间满足指数关系，其关系曲线如图7.3-1所示。 通常，当清晰度指数小于0.3时，认为语音质量极差，不能够接受；当清晰度指数处于0.30.7之间时，认为语音质量较差，但基本可以接受；当清晰度指数大于0.7时，认为语音质量较好，可以接受。,图7.3-1 清晰度指数和干信比的关系,由图7.3-1可知，对于FM系统，干信比只要大于6dB，清晰度指数小于0.5，此时通信系统就被阻断。而对于AM系统，干信比需要大于15dB，才能到达同样的干扰效果。对于其他的干扰样式，语音清晰度和干信比之间也存在类似的关系，其影响程度需要具体分析。这里不再说明。7.3.2对数字通信系统干扰效能的检测和评估数字通信干扰效果评估是在电磁威胁环境中，定量评价和估计通信干扰信号、通信干扰设备或者通信干扰环境对数字通信系统工作性能的影响程度。可信、定量的数字通信干扰效果评定是指挥员在实战中决策的依据，同时也是科研部门和军工企业进行通信对抗新技术开发和新装备研制的依据。,数字通信可靠性被破坏程度有一定的统计规律，但在实施干扰的过程中，数字通信系统采用的通信方式、通信体制、背景环境、接收方式等因素及数字通信对抗方采用的干扰方式、干扰样式、干扰功率等因素都对干扰效果有着重要的影响，而且各因素与干扰效果之间有着重要联系，各个因素与干扰效果之间的关系具有不确定性，必须对通信与干扰过程中的诸多因素进行分析，全面综合考虑影响评定结果的各种因素，寻求客观、可行的评定方法。1.数字通信系统干扰效果评价准则如何在通信干扰与抗干扰的对抗中，对干扰和抗干扰效果进行卓有成效的定量评定是通信对抗领域一个长期以来没有解决但是必须解决的问题。近几十年来，通信对抗专家们对通信对抗和抗干扰效果的评定进行了许多开创性的研究，取得了许多理论上的研究成果。,对数字通信干扰的最终目的是使目标通信系统接收机解调输出的差错率增大，通信的可靠性下降，同时也使其通信的有效性降低，故衡量数字通信系统的干扰效果一般用通信系统的差错率误码率Pe(Probabilityoferror)来做度量。为了评价通信系统受干扰的程度，可以定义数字通信系统的干扰等级：当Pe0.2时，通信系统受到强干扰，干扰等级为三级；当0.12Pe0.2时，通信系统受到中度干扰，干扰等级为二级；当0.05Pe0.12时，通信系统受到轻度干扰，干扰等级为一级；当Pe0.05时，通信系统未受干扰。,以上的干扰效果的划分方法，是从长期实践中得出的结论，评定方法简单，具有很强的实用性和可操作性，且得到了很多专家的公认。在对现有数字通信系统的干扰效果的研究分析中发现，其评定方法也有一定的问题，主要的问题是：如果对于一个数字通信系统，或在电磁环境比较恶劣的环境下，即使在无人为干扰的情况下，其系统的差错率是10%，在受到人为干扰之后其差错率还是10%，这不能说人为干扰有效。2.数字通信系统干扰效果的评估方法可靠性是通信系统传输信息质量上的表征，是指接收信息的准确程度。衡量数字通信系统可靠性的主要指标是差错率(习惯上称为误码率)。差错率是衡量数据传输正确性的重要指标，反映了各种干扰、信道质量对通信可靠性的影响，具体划分为比特差错率、码元差错率和码组差错率等。由于比特差错,7.4 对语音信号质量的客观评价方法7.4.1概述语音质量包括两方面内容：清晰度和自然度。前者是衡量语音中字、单词和句的清晰程度，而后者则是对讲话人的辨识水平。语音质量评价不但与语音学、语言学、信号处理等学科有关，而且还与心理学、生理学等学科有着密切的联系，因此语音质量评价是一个极其复杂的问题。语音质量评价从评价主体上讲可分为两大类：主观评价和客观评价。主观评价是以人为主体来评价语音的质量。该方式虽较为繁杂，但由于人是语音的最终接受者，因此这种评价应是语音质量的真实反映。目前，国内外使用较多的主观评价方法有：,平均意见分(MOS)法、音韵字可懂度测量(DRT)法和满意度测量(DAM)等方法。其中，MOS评分法是一种广为使用的主观评价方法，它以平均意见分来衡量语音质量，用五个等级来表示语音的质量等级：优(5分)、良(4分)、一般(3分)、差(2分)、坏(1分)。显然，主观评价的优点是符合人对语音质量的感觉，缺点是费时费力费钱，且灵活性不够，重复性和稳定性较差，受人的主观影响较大等。为了克服主观评价缺点，人们不得不寻求一种能够以方便、快捷方式给出语音质量评价值的客观评价方法，即用机器来自动判别语音质量。不过值得注意的是，研究语音质量客观评价的目的不是要用客观评价来完全替代主观评价，而是使客观评,价成为一种既方便快捷又能够准确预测出主观评价值的语音质量评价手段。尽管客观评价具有省时省力等优点。但它还不能反映人对语音质量的全部感受。当前的客观评价方法都是以语音信号的时域、频域及变换域等的特征参量作为评价依据，没有涉及到语义、语法、语调等这些影响语音质量主观评价的重要因素。语音质量客观评价从评价结构上可分为基于输入输出的评价和基于输出的评价。基于输入输出的评价是以语音系统的输入信号和输出信号之间的误差大小来判别语音质量的好坏，是一种误差度量；基于输出的评价是仅根据语音系统的输出信号来进行质量评价。近30年来，语音质量客观评价方法研究主要集中在基于输入输出方式的评价上，即通过提取两端,语音信号的特征参量来建立评价模型。随着信息、通信技术的飞速发展，这种基于输入输出的评价方法已满足不了许多领域的实际应用需要，如在无线移动通信、航天、航海以及现代军事等领域，往往要求客观评价方法具有较高的灵活性、实时性和通用性，而且在得不到原始输入语音信号情况下也要能对语音质量进行评价，所以，在20世纪90年代基于输出方式的客观评价方法已开始受到国内外学者的重视。语音质量客观评价研究自20世纪70年代以来迅速发展，国内外学者提出了数以千计的客观评价方法，从它们各自使用的主要技术(如谱分析、LPC分析、听觉模型分析、判断模型分析等)和主要特征参数(时域参数、频域参数、变换域参数等)又可以分为以下六类：,(1)基于信噪比评价方法。信噪比(SNR)是一种广为应用的简单客观评价方法，高信噪比是高质量语音的必要条件，但不是高质量语音的充分条件。大量的实验表明，单一的SNR预测主观评价的能力极差。经过改进的分段信噪比、变频分段信噪比等方法与主观评价得出的评价结果间的相关度有所提高，但这些都只是针对高速率的波形编码语音而言。(2)基于LPC技术评价方法。这类方法是以LPC分析技术为基础的，把LPC系数及其导出参数作为评价的依据参量。由LPC导出的方法有：LRC(LinearReflectionCoefficient)、LLR(LogLikelihoodRatio)、LSP(LineSpecturmPairs)、LAR(LogAreaRatio)、Itakura、CD(CepstralDistance)等方法以及它们的一些改进方法。,(3)基于谱距离评价方法。基于谱距离的评价方法是以语音信号平滑谱之间的比较为基础的。谱距离评价有很多种，主要有：SD(SpectralDistance)、LSD(LogSD)、FVLISD(FrequencyVariantLinearSD)、FVLSD(FrequencyVariantLogSD)、WSD(WeightedslopeSD)，ILSD(InverseLogSD)等方法。(4)基于听觉模型评价方法。该类评价方法是以人感知语音信号的心理听觉特性为基础。具有代表性的听觉模型方法有巴克谱失真(BSD)、修正的巴克谱失真(MBSD)、感知语音质量测度(PSQM)、PLP(PerceptualLinearPredictive)、MSD(MelSpectralDistortion)等。(5)基于判断模型的评价方法。这类评价方法是在选择表达语音质量的特征参量基础上，更主要侧重于模拟人对语音质量的判断过程，如AD/MNB方法、模糊决策树方法等。,(6)其他评价方法。其他单价方法主要有一致函数CHF法、信息指数II法、专家模式识别EPR法等。客观评价和主观评价之间的联系常用一种函数映射关系来表示，通过这个映射关系可以将客观评价值转换成主观评价值。该函数可以是线性或非线性回归关系也可以是多项式拟合关系。由于客观评价实质上是对主观评价值的一种预测，因此客观评价方法的性能好坏可以利用其与实际主观评价值的相关性来衡量，两者之间的相关系数越接近1越好。表7.4-1给出了目前具有代表性的客观评价方法的相关系数数值表。由于受测试数据、测试方式等因素的影响，因而在不同文献中使用同样方法却会得到不同结果。,表7.4-1 客观评价方法的相关系数,7.4.2语音信号的失真测度语音质量客观评价的核心是性能良好的失真测度，语音质量的客观评价对语音质量的评价是建立在语音信号特征矢量(参数)之间的失真距离上的，因此研究和选取特征矢量之间的度量方法对客观音质评价来说是非常重要的，它常决定了整个系统的性能。目前从语音特征参数的提取上看，失真测度大体可分为时域测度、频域测度和感知域测度。1.频域失真测度频域失真测度也叫谱失真测度，如对数似然比测度LLR(LogLikelihoodRatio)、参数距离测LPC(LinearPredictiveCoding)、线性预测编码倒谱距离测度LPC-CD(LinearPredictiveCodeCepstralDistance)等方法以及它们的一些改进方法。这些测度比,时域测度的性能更可靠，对信号时间同步要求也不高。若测度计算的结果值越小，则说明失真语音和原始语音越接近，即语音质量越好。1)线性预测倒谱系数及其谱失真测度由线性预测系数(LPCCepstralCoefficient，LPCC)ai可以直接递推出倒谱系数cn。理论上这种倒谱系数是一个无穷长序列，但是倒谱的一个重要特点是它所反映的谱包络信息主要集中在低时间区域，因此常常只取10个左右的倒谱系数就够了。时间原点的倒谱系数通常不用，因为它是反映频谱能量的。线性预测倒谱特征矢量(设为L维)的谱失真测度通常用平方和测度，即,这里XL(k)和分别为cn和的N点离散傅立叶变换，它们是信号频谱经倒谱窗函数平滑以后的对数模函数的估值。因此，这种测度与人耳的听觉特性是大致相符的。大量实践证明：倒谱特征矢量及其谱失真测度优于增益归一化似然比失真测度，因此，在语音识别、语音质量客观评价方法等研究中得到了广泛的应用。然而，虽然它是直接由线性预测系数递推得到的，但它在倒谱域做了截短，相当于在频域进行了倒谱窗平滑，使共振峰展宽了，因此它不再是线性预测系数的等价参数，在语音合成与编码中也很少采用。对倒谱系数进行某种加权，就得到加权倒谱失真测度，即,其中,a=a1,a2,ap为信号Y的p阶线形预测系数。实际上，式(7.4-10)的值就是用全极点模型Y()对信号X进行线性预测所产生的预测残差能量。板仓-斋田谱失真测度与被比较的两种谱的能量大小有关。在许多实际应用中，常常希望只比较两种谱的形状(因为谱形状反映声道形状)，而把能量(增益)分离出来另外考虑。因此，由上述谱失真测度出发，而将两个被比较的谱增益都归一化，这就导出了著名的Itakura失真测度，或称为增益归一化似然比失真测度，即,2.感知域失真测度频域失真测度往往作为判定语音编码器的设计模型性能的重要依据。与此相比，感知域失真测度的计算则更多地基于人耳的听觉感知模型。在计算中，语音信号从线性频域变换到巴克域，由于符合人耳主观听觉感受，这类失真测度对语音质量主观评价的预测达到了高的水平。从最近几年国内外语音质量客观评价失真测度研究得到的结果看，只有较好地利用或体现人的感知特性的客观评价失真测度，才能在同样失真条件下得到主客观测试结果的更好相关。因此，以心理声学为基础，针对人的感知特性的客观失真测度的研究成为目前主要的研究方向，主要包括美尔频率倒谱系数MFCC(MelFrequencyCepstralCoefficient)距离测度，巴克谱失真测度BSD，ITU-TP.861建议的感知语音质量测度PSQM，度量标准化段MNB。,7.4.3基于Mel谱失真测度的干扰效果评价1.MFSC的计算流程首先将语音的Hz频率映射为Mel频率，以描述人耳频率的非线性感知特性；然后Mel域带通滤波表示了人耳对声音的频率分析功能；最后使用幅值非线性变换模拟声音的强度响度变换特性，这样就实现了在Mel域上对语音的感知分析。将经过上述处理过程得到的谱命名为Mel谱。Mel谱是图7.4-1所示感知分析所得到的语音帧特征表示，为了保证特征参数之间的无关性和降低特征参数的使用维数，对Mel谱进行DCT变换处理，变换得到的参数称为Mel谱系数(MelFrequencySpectraCoefficient，MFSC)。MFSC的实现流程如图7.4-1所示，虚线框中的为语音感知的实现环节，是MFSC计算的核心部分。,图7.4-1 MFSC实现流程,图7.4-2 在Hz频率域上表示Mel三角滤波器组,图7.4-3为MFSC与MFCC的原理示意图。虽然两者在形式上只有一个环节不同，但是这个环节的区别体现的则是分析原理上的不同：MFCC分析本质上是同态解卷处理，MFSC分析则是听觉感知分析。同时，说明MFSC与MFCC分析的计算复杂性几乎相同。,图7.4-3 MFSC、MFCC的原理示意图,2.主观评价标准的选择在语音性能的客观评价中，MOS评分法使用最为普遍，其原因是MOS法更倾向于整体满意度得分，且不要专业的评听队伍，实施比较容易。MOS法的核心内容，是将语音的整体分为为五个等级。参加测试的评听人在听完测试音后，便按这五个等级给出他对所测语音属于哪个等级的质量评价。全体评听者的平均分就是所测语音的质量的MOS值。DMOS是由失真等级评价法(DCR)发展而来的。在对高质量语音通信系统的评价中它比ACR具有更高的灵敏度。MOS、DMOS判分的五级标准如表7.4-2所示。,表7.4-2 MOS、DMOS判分的五级标准,3.统计相关模型的建立为了与主观评价等级一致，需要利用统计相关模块建立客观失真量与主观质量分之间的对应关系。假设主观质量分为MOS值，所使用的函数映射关系表示如下：So(i)=P(di)(7.4-26)其中，P()为预测函数或回归函数，可以是线性或是非线性回归关系函数；di为第i个样本的客观失真量值;So(i)为di通过P()对应的5级尺度范围内的质量分值，称为客观MOS分或者预测MOS分。对失真语音进行主观、客观评价关联，将得到一些分布在二维平面上的点，其横坐标为客观失真测度值d，纵坐标为MOS值。如使用下式给出的二次多项式函数形式进行拟合确定a、b、c的数值，便得到客观失真测度值与客观MOS值之间的对应关系为,其中，so(i)是第i个失真语音文件的客观MOS值；ss(i)是第i个失真语音文件的主观真实MOS值;M是失真语音文件的数量。 若主客观MOS之间的相关值小于0.85，一般认为客观评价结果的可靠性和有效性欠佳；相关值大于0.90是目前客观评价的基本要求，达到0.95左右则认为是高度一致相关。4.美尔谱失真测度将MFSC作为语音特征参数用于基于输入-输出方式的语音质量客观评价中，这种使用MFSC的客观测度称为美尔谱失真测度(MelFrequencySpectralDistortionMeasure，Mel-SD)，其过程如下：,图7.4-4 信噪比和Mel-SD距离图,Mel-SD失真测度的主客观拟合曲线如图7.4-5所示。 主客观评价结果的相关系数为0.937，说明用Mel-SD失真测度还是比较可靠的。以信噪比为参量，当信噪比分别为20dB、25dB、30dB、35dB、40dB的语音信号，改变干信比得到的失真测度距离如图7.4-6所示。从图中可以看出，当信噪比较高时，失真距离比较大。 当信噪比为40dB时，加入干扰信号后，不同干信比得到的Mel-SD失真测度值的客观MOS值如表7.4-3所示。 从上表可以看出，随着干信比增加，其对应的Mel-SD失真测度的客观MOS值不断减小，也就是语音质量变差，干扰效果越来越明显。,图7.4-5 归一化Mel-SD失真测度的主客观评价值二次拟合曲线,图7.4-6 不同信噪比语音Mel-SD距离-干信比关系,表7.4-3 参考语音客观MOS值和加干扰时的语音客观MOS值,7.5 通信干扰效能评估的仿真技术7.5.1通信干扰效能评估的物理仿真1.全实物仿真系统全实物仿真(全物理仿真)是根据真实设备的物理特性来建立模型，参加仿真试验的设备全部是实际物理设备或用缩比模型代替真实设备，避免了设备中某些实物及其部件难以建立精确的数学模型的困难。全实物仿真可再现真实设备的主要特性并以此为基础进行研究和试验。,1)全实物仿真的内容全实物仿真首先需要建立物理模型(相似模型)。当人们对真实设备的物理特性无法用数学模型进行描述和分析时，物理模型(相似模型)可让人们对其有直观的认识。根据仿真目的的不同，建立物理模型的方法也不同。对用于直观、便于人们了解的目的时，往往在人机界面建立逼真的物理模型，如控制台的操作菜单、全景显示等；而对于研究真实设备的物理特性时，则可建立一些缩比模型,如信号模拟器等。建立缩比模型必须不改变真实设备的主要物理特性，如通信信号模拟器的工作频率、调制方式、跳速、频率集；干扰信号模拟器的工作频率、干扰方式、干扰样式；方向信号模拟器的工作频率、移相范围等。,2)全实物仿真的实施用全实物仿真检测和评估通信对抗装备的干扰效能，一般采用外场试验和测试的方法(如电子靶场试验、部队试验等)。试验系统包括被检测和评估的通信对抗装备、用于检测干扰效能的通信系统、测量仪器、指挥控制网络和数据处理设备。参加试验的设备数量要根据试验的规模和测试的项目而定。用这种方法得到的数据真实、可靠性高，但试验和测试花费的时间长、耗资大，且难以完全展现战场复杂、密集的电磁环境。全实物仿真一般在通信对抗装备设计定型试验或最终验收时采用。,2.半实物仿真系统半实物仿真(半物理仿真)是由实际物理设备和数学模型相结合的一种仿真试验环境。由于受实物仿真条件的制约，随着计算机技术的发展和对仿真领域的深入认识，特别是大量成熟的仿真工具软件问世，现已逐步用数学模型代替物理模型。不过，仍还有一些需物理设备参与的仿真试验，如通信对抗装备的控制中心，因控制流程复杂，建立控制模型难度大，常用实际设备参与仿真研究。这种数学、物理两方面仿真兼而有之的半实物仿真已成为当今物理仿真的主流。,1)半实物仿真的特点半实物仿真大都用于大型复杂的通信对抗装备，通常对数学模型和物理模型建立一个软、硬件的仿真环境，用标准接口、网络联成一体，控制设备保证数学模型与物理模型的实时同步。在物理模型上可设置一系列反映物理量的传感器，在数学模型上加载物理设备产生的仿真数据。通过计算机数据采集设备采集相应物理量的数据，由仿真计算机进行数据处理，将结果输出到显示设备，检测与评估系统可根据结果进行相应的评估。半实物仿真必须满足控制设备的实时性和可靠性、计算机内存大而速度快、人机界面与真实设备一致且能模拟真实情况下通信对抗装备的系统响应等要求。,2)半实物仿真系统的组成及工作原理半实物仿真可为通信干扰效能检测与评估提供一个真实的试验