ES2255279T3 - Metodo de seleccion de un patron de sincronizacion a partir de una señal de prueba. - Google Patents
Metodo de seleccion de un patron de sincronizacion a partir de una señal de prueba.Info
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Abstract
Un método de medida de la calidad de una señal, cuyo método incluye: enviar una señal de prueba desde un extremo emisor (10) a un extremo receptor de una conexión, almacenar una copia de la mencionada señal de prueba en el mencionado extremo receptor, y medir la similaridad entre la mencionada copia almacenada de la mencionada señal de prueba y la señal recibida en el mencionado extremo receptor, seleccionar una secuencia de patrones de sincronización diferentes directamente desde la mencionada copia almacenada de la mencionada señal de prueba; determinar a parir de la mencionada señal recibida, una secuencia de segmentos de la señal que coincida mejor con la mencionada secuencia del patrón de sincronización mencionado; y sincronizar la mencionada señal recibida con la mencionada secuencia de segmentos de la señal, sincronizando por tanto la mencionada señal recibida con la mencionada copia almacenada de la mencionada señal de prueba.
Description
Método de selección de un patrón de
sincronización a partir de una señal de prueba.
La presente invención está relacionada en general
con la medida de calidad de una señal, y en particular con la
sincronización de una señal de prueba almacenada con una señal
recibida, cuya calidad tiene que ser medida.
Con el fin de localizar los puntos débiles de por
ejemplo un sistema telefónico o un sistema de radiocomunicaciones
celulares, es posible transmitir una señal de voz conocida y
comparar la señal recibida con una copia de la misma señal. Tiene
que resolverse un problema antes de la comparación, que es la
sincronización de las muestras de la copia almacenada con las
muestras de la señal recibida.
La referencia [1] describe un sistema de
calificación de la calidad de la transmisión, en el cual una señal
de prueba provista con una señal de sincronización en la forma de
varias señales moduladas en frecuencia, se transmite repetidamente
desde un transmisor hasta un receptor. En el receptor se utiliza la
señal de sincronización para encontrar el inicio de la señal de
prueba. Posteriormente se descarta la señal de sincronización, y la
señal de prueba en curso se utiliza para calificar la calidad. Un
inconveniente de este método es que el tiempo ocupado por la señal
de sincronización no puede utilizarse para la calificación, lo cual
hace que sea menos fiable la calificación final. Otro inconveniente
de este método del arte previo es que si se pierde la sincronización
durante la señal de prueba, por ejemplo debido a una conmutación de
traspaso en el sistema de radiocomunicaciones celulares, la
re-sincronización no será posible hasta que termine
la señal de prueba y se transmita una nueva señal modulada en
frecuencia, lo cual puede requerir un tiempo tan largo como
20-30 segundos.
La referencia [2] describe un método de
sincronización de la señal en un receptor de radio, en el cual se
combina una secuencia de sincronización dedicada con una señal
portadora de la información conocida para reducir el tiempo de
sincronización.
Un objeto de la presente invención es un método y
un sistema de medida de la calidad de una señal, que se basan en un
método de sincronización que permite la medida de la calidad de la
señal completa recibida.
En forma resumida, la presente invención consigue
este objeto mediante la selección de patrones de sincronización de
la propia señal de prueba, y mediante el uso de estos patrones para
tanto la sincronización como para la medida de la calidad.
Otro objeto de la invención es un método de
medida de la calidad de la señal que incluye un método de
sincronización que permite la re-sincronización
frecuente.
Un objeto adicional de la invención es un método
de selección del patrón de sincronización para seleccionar los
patrones de sincronización adecuados a partir de una señal de
prueba.
Otro objeto incluso de la invención es un método
de refinamiento de la posición de sincronización.
Los objetos anteriores se consiguen de acuerdo
con las reivindicaciones adjuntas de la patente.
La invención conjuntamente con objetos y ventajas
adicionales de la misma, podrá ser comprendida mejor mediante la
referencia a la siguiente descripción considerada conjuntamente con
los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 es un diagrama de tiempos que muestra
las funciones características de un método de sincronización de la
señal del arte previo;
la figura 2 es un diagrama de tiempos que muestra
las funciones características de una realización de un método de
sincronización de la señal de acuerdo con la presente invención;
la figura 3 es un diagrama de tiempos que muestra
las funciones características de otra realización de un método de
sincronización de la señal de acuerdo con la presente invención;
la figura 4 es un diagrama de tiempos que muestra
una realización del método de selección del patrón de sincronización
de acuerdo con la presente invención;
\newpage
la figura 5 es un diagrama de flujo que muestra
el método de selección del patrón de sincronización de acuerdo con
la presente invención;
la figura 6 es un diagrama de tiempos que muestra
8 funciones de distancia para 8 patrones de sincronización
distintos;
la figura 7 es un diagrama de flujo que muestra
el método de sincronización de la señal de acuerdo con la presente
invención;
la figura 8 es un diagrama de bloques que muestra
el aparato de sincronización de la señal de acuerdo con la presente
invención;
la figura 9 es un diagrama de tiempos que muestra
el método de refinamiento de la posición de sincronización de
acuerdo con la presente invención; y
la figura 10 es un diagrama de flujo que muestra
el método de refinamiento de la posición de sincronización, de
acuerdo con la presente invención.
La presente invención se describirá con
referencia a un sistema de radiocomunicaciones móviles. No obstante,
se observará que pueden utilizarse los mismos principios en otros
tipos de "conexiones", por ejemplo en las redes publicas de
telefonía conmutada o bien en cualquier situación en donde una señal
de prueba conocida posiblemente alterada tenga que ser comparada con
una copia de la señal de prueba original.
Antes de describir con detalle la invención, se
expondrá una explicación conceptual corta de la idea de la invención
con referencia a las figuras 1-3.
La figura 1 es un diagrama de tiempos que muestra
las funciones características de un método de sincronización de una
señal del arte previo. Una señal de voz predeterminada se transmite
repetidamente desde un transmisor hasta un receptor. Una copia de
esta señal de voz se almacena en el receptor. Con el fin de
sincronizar la señal almacenada con la señal recibida, se añade a
cada señal de voz transmitida una señal de sincronización dedicada
SINC, por ejemplo una señal modulada en frecuencia. Esto implica que
no es posible medir la calidad de la señal recibida durante el 100%
del tiempo, puesto que no se ejecutan medidas durante el tiempo
ocupado por la señal de sincronización. Adicionalmente, si se pierde
la sincronización durante la recepción de la señal de prueba, por
ejemplo debido a una conmutación de traspaso, la
re-sincronización no se podrá ejecutar hasta que
llegue la siguiente señal modulada en frecuencia, lo cual puede
requerir hasta 20-30 segundos. Esto implica que las
medidas de calidad ejecutadas durante este periodo de falta de
sincronización darán resultados engañosos, puesto que la calidad de
la señal recibida no podrá ser realmente correcta, puesto que como
está fuera de sincronismo con la señal de prueba almacenada, la
medida de calidad podrá indicar una mala calidad de recepción
durante este periodo.
La figura 2 es un diagrama de tiempos que muestra
las funciones características de una realización de un método de
sincronización de la señal de acuerdo con la presente invención. En
este caso, los patrones de sincronización SINC1, SINC2 se
seleccionan directamente de la señal de voz. Así pues, los patrones
de sincronización SINC1, SINC2 se utilizan para la sincronización y
para la medida de la calidad (puesto que son de hecho unas señales
de voz).
Puesto que los patrones de sincronización SINC1 y
SINC2 se seleccionan directamente a partir de la propia señal de
voz, una importante característica de la presente invención es un
método de selección del patrón de sincronización. Dicho método se
describirá con detalle con referencia a las figuras
4-5.
Adicionalmente, en la figura 2 existen varios
patrones de sincronización (SINC1 y SINC2 en el ejemplo), en cada
señal transmitida. Esta es una función característica de la presente
invención. Tal como se describirá con detalle y en referencia a las
figuras 6-8, el método de sincronización de la
presente invención utiliza varios patrones de sincronización, para
determinar la posición de sincronización más probable. Los múltiples
patrones de sincronización reducen también los tiempos de falta de
sincronismo debido por ejemplo a la conmutación de traspaso.
La figura 3 es un diagrama de tiempos que muestra
las funciones características de otra realización de un método de
sincronización de la señal de acuerdo con la presente invención.
Esta realización es típica para el entorno en el cual se utiliza la
invención. En esta realización, la señal de voz que se transmite
repetidamente, y de la cual se guarda una copia en el receptor, es
de una duración aproximada de 20-30 segundos, y
comprende varias frases grabadas (8 en el ejemplo). Típicamente,
cada frase contiene una voz masculina, femenina o de un niño. En la
presente realización, existen 8 patrones de sincronización en la
señal de voz, una para cada frase.
La figura 4 es un diagrama de tiempos que muestra
una de las muchas realizaciones posibles del método de selección del
patrón de sincronización de acuerdo con la presente invención. En
este ejemplo, se selecciona un patrón de sincronización
independiente a partir de cada frase. Primeramente se decide una
longitud del patrón de sincronización. A continuación se selecciona
un segmento que tenga esta longitud a partir de la frase.
Posteriormente se determina una medida de distancia entre el
segmento seleccionado y cada ventana posible (que tenga la misma
longitud) de la frase. La curva en la figura 4 muestra el resultado
de dichos cálculos. Esta curva tendrá una distancia mínima de cero
en la posición en donde coincida el segmento seleccionado con una
ventana correspondiente. Tal como se muestra en la figura 4,
existirán también otras ventanas de la frase que tengan una
distancia corta (son similares) hasta el segmento seleccionado.
Estas posiciones mostrarán los mínimos en la curva de la distancia.
El más pequeño de estos mínimos se denominará como el "margen"
del segmento seleccionado, y representará un ejemplo de una media
exclusiva del patrón que describirá la forma en la que el segmento
seleccionado se distingue a sí mamo con respecto al resto de la
frase. El segmento deberá tener un gran margen, con el fin de ser
adecuado como un patrón de sincronización (deberá reconocer
fácilmente el patrón de sincronización y no confundirlo con otras
partes de la frase). Tal como se expuso anteriormente, la curva en
la figura 4 representa un ejemplo de una función de la distancia
para solo un segmento seleccionado de una longitud predeterminada.
El mismo tipo de curva se genera ahora para cada posible selección
del segmento (de la longitud dada) de la frase. Finalmente, se
selecciona el segmento más exclusivo (el que tenga el margen más
grande en el ejemplo) como el patrón de sincronización de la frase.
Este proceso se repite para las demás frases de la señal de voz.
A partir del párrafo anterior es evidente que el
tipo de medida de la distancia que se utilice en la búsqueda del
patrón de sincronización puede influenciar en los márgenes actuales
que se obtengan, y por tanto en la selección del patrón
"mejor". La selección de la medida de distancia se expondrá con
detalle con referencia a la figura 9-10.
La figura 5 es un diagrama de flujo que muestra
el método de selección del patrón de sincronización de acuerdo con
la presente invención. En la etapa S1 se selecciona una longitud del
segmento. La etapa S2 selecciona la primera frase de la señal de
prueba. La etapa S3 selecciona el primer segmento de la longitud
dada en la frase seleccionada. En la etapa S4 se selecciona la
primera ventana en la frase dada. La etapa 55 determina la
distancia entre el segmento y la ventana en curso. La etapa S6
comprueba si la ventana en curso es la última ventana en la frase.
Si éste no es el caso, la etapa S7 selecciona la ventana siguiente y
retorna el procedimiento a la etapa S6. De lo contrario, la
singularidad del segmento se determina en la etapa S8, mediante la
determinación del margen con respecto a las distancias medidas. La
etapa S9 comprueba si el segmento en curso es el último segmento en
la frase seleccionada. Si este no fuera el caso, el procedimiento
selecciona el siguiente segmento en la etapa S10, y retorna a la
etapa S4. De lo contrario S11 determina cual es el segmento de los
segmentos de la frase en curso que tiene el margen más grande, y
selecciona este segmento como el patrón de sincronización de la
frase. La etapa S12 comprueba si la frase en curso es la última
frase de la señal de prueba. Si este no fuera el caso, el
procedimiento selecciona la frase siguiente en la etapa S13 y
retorna a la etapa S3. De lo contrario, se selecciona un patrón de
sincronización para cada frase y el concluye el procedimiento.
Opcionalmente, el procedimiento puede retornar a la etapa S1
(indicado por la línea de trazos) y selecciona otra longitud del
segmento y posteriormente repite el procedimiento con esta nueva
longitud del segmento. Esta opción puede ser utilizada si el margen
se considera demasiado pequeño para distinguir suficientemente el
patrón correspondiente con respecto al resto de la frase.
El método de selección del patrón de
sincronización puede parecer más bien complejo, pero hay que
recordar que se ejecuta solo una vez (típicamente en un ordenador) y
fuera de línea (no durante la transmisión real) durante el proceso
de diseño del sistema de media de la calidad. Una vez seleccionados
los patrones de sincronización, se almacenan en el receptor. Esto
puede realizarse, por ejemplo, mediante el almacenamiento de una
tabla de punteros al comienzo del respectivo patrón en la señal de
prueba almacenada, la longitud de cada patrón y la longitud de cada
frase. Esto dará implícitamente las posiciones y las distancias (en
las muestras) entre los patrones en la señal de prueba. Puesto que
las frases son diferentes de los patrones de sincronización, no
tendrán usualmente la misma posición en cada frase.
En la descripción anterior de la figura
4-5, la media de la singularidad del patrón
seleccionado fue el "margen". No obstante, son posibles también
unas medidas más sofisticadas. Un ejemplo es combinar la prueba del
margen con el requisito de que el patrón tiene que exceder también a
un cierto umbral de energía, antes de que pueda considerarse como
un patrón de sincronización. Dicho requisito suplementario asegura
que los segmentos no característicos, tales como las pausas de la
voz (que contienen solo el ruido de fondo) no sean seleccionados
como patrones de sincronización. Sin el requisito de la energía
suplementario, dichos segmentos serían de lo contrario candidatos a
patrones de sincronización, puesto que el ruido no está
correlacionado con el resto de la señal. No obstante, el ruido de
fondo no es adecuado como patrón de sincronización, puesto que puede
ser alterado fuertemente (baja relación de señal/ruido (SNR)) o
incluso ser reemplazado (DTX) durante la transmisión. Una
alternativa al requerimiento de que la energía de la señal exceda de
un cierto umbral sería el requerir que el promedio de la "curva de
distancia" excediera a cierto umbral. Otra prueba alternativa
suplementaria sería el comprobar el ancho de la "abertura" en
torno al mínimo.
Habiendo descrito el método de la selección del
patrón de sincronización, se describirá con detalle a continuación
un ejemplo de una realización del método de sincronización de
acuerdo con la presente invención, con referencia a las figuras
6-8.
Una etapa básica de esta realización del método
de sincronización de la presente invención es deslizar una ventana
de la misma longitud (igual longitud) que los patrones de
sincronización sobre la señal recibida, y determinar la distancia
entre cada patrón y el contenido de cada ventana en cada posición de
la ventana. Suponiendo que existen 8 frases en la señal de voz
grabada, y que el patrón de sincronización 1 ha sido seleccionado
para cada frase, cada posición de la ventana dará por tanto 8
valores de la distancia. Si la ventana coincide con una de las
posiciones de sincronización, una de las 8 distancias sería
idealmente igual a cero, pero puesto que la señal recibida puede
haber sido alterada durante la transmisión, el valor mínimo real
puede ser mayor que cero. Por esta razón, las distintas medidas de
la distancia se comparan con un umbral pequeño. Si la medida de la
distancia cae por debajo del umbral, la ventana puede estar en una
de las posicione del patrón de sincronización.
La figura 6 es un diagrama de tiempos que muestra
8 funciones de la distancia, \psi_{1}- \psi_{8}, parda los
8 patrones de sincronización diferentes. La figura muestra los
distintos mínimos por debajo de las líneas de umbral de trazo
continuo en los instantes T1 - T5 (en la figura el umbral está
fijado a 2). Todos estos mínimos representan las posiciones
potencias de sincronización en las distintas frases que corresponden
a estas 8 curvas. Por ejemplo, el primer mínimo en T1 indica una
coincidencia posible con el patrón de sincronización en la frase 6,
mientras que el segundo mínimo en T2 indica una coincidencia posible
con el patrón de sincronización en la frase 4. No obstante, ambas
posibilidades no pueden ser válidas simultáneamente, puesto que el
tiempo entre T1 y T2 es solo aproximadamente de 0,05 segundos, lo
cual es mucho menor que la longitud típica de una frase (2 - 2,5
segundos) y en el que cada frase contiene solamente un patrón de
sincronización.
Con el fin de resolver el conflicto anterior,
cada mínimo por debajo de la línea de umbral está asociado con una
hipótesis, es decir que corresponda a una coincidencia con un patrón
de sincronización en la frase correspondiente. No obstante, dicha
hipótesis puede ser comprobada, puesto que las demás coincidencias
en las frases siguientes tienen que seguir una coincidencia real en
una frase. Así pues, mediante el seguimiento de cada hipótesis,
pueden seleccionarse la mayoría de las hipótesis probables cuando
los valores de las distancias en las coincidencias esperadas en las
frases siguientes hayan sido determinados. Para ilustrar el
procedimiento se utiliza la siguiente tabla de ejemplo:
| Coincidencia posible | Distancia en la | Distancia en la | Distancia en la | Distancia media |
| en el numero de las | coincidencia | coincidencia | coincidencia | |
| frases | posible | esperada en | esperada en | |
| la siguiente | la siguiente | |||
| frase esperada | frase esperada | |||
| 6 | 1,719 (en T1) | 5, 153 | 7,453 | 4,77 |
| 4 | 1,837 (en T2) | 0,553 | 0,383 | 0,92 |
| 5 | 1,123 (en T3) | 5,556 | 5,437 | 4,00 |
| 1 | 1,679 (en T4) | 9,963 | 3,607 | 5,08 |
| 1 | 1,244 (en T5) | 7,076 | 6,679 | 5,00 |
Esta tabla se utilizará para ilustrar un
procedimiento de sincronización similar al sistema Trellis. La
primera columna en esta tabla da el listado de las frases en la
figura 6, en donde se han encontrado las coincidencias posibles. La
columna 2 da el listado de los valores de distancia correspondientes
(según lo medido con una medida de distancia que se describirá con
referencia a las figuras 9-10). Cada uno de estos
casos genera una hipótesis de que se ha encontrado una coincidencia
real. Así pues, la primera hipótesis será que existe una
coincidencia en T1 en la frase 6. Esta hipótesis se comprueba
midiendo la distancia (similaridad) entre el patrón de
sincronización de la frase siguiente esperada (frase 7) y la señal
en curso en la posición en la que se espere dicho patrón. Una
pequeña distancia soporta la hipótesis, mientras que una distancia
grande hace que la hipótesis sea menos probable. La columna 3 en la
tabla contiene los valores de la distancia para las coincidencias
esperadas de las siguientes frases esperadas para cada hipótesis
(fila). Puesto que todos los valores en la columna 3 exceden al
umbral (que es 2), la hipótesis 2 (fila 2) parece ser la más
probable. Esta hipótesis está reforzada además por la columna 4, la
cual da el listado de las distancias medidas en la coincidencia
siguiente esperada para cada hipótesis. La columna 5 contiene los
valores medios de tres valores de distancia para cada hipótesis.
Claramente la hipótesis 2 tiene el valor de la distancia media más
pequeño, y por tanto la hipótesis será seleccionada como la más
probable. Puesto que la hipótesis 2 corresponde a una coincidencia
detectada en la frase 4 y las coincidencias confirmadas en las
frases 5 y 6, la siguiente frase será recibida por la frase 7.
Puesto que se conoce la longitud de cada frase y la posición de cada
patrón de sincronización en la frase respectiva, puede calcularse el
inicio de la frase 7, y la frase 7 de la señal de prueba almacenada
pueden por tanto sincronizarse con la frase 7 de la señal recibida.
Otra alternativa es sincronizar sobre la última frase en la
hipótesis ganadora (la frase 6 en este caso). Otra posibilidad
incluso es sincronizar sobre la frase que dispare realmente la
hipótesis ganadora (frase 4 en este caso).
En la figura 6, los umbrales fueron constantes.
El umbral por ejemplo puede estar determinado por el nivel de
perturbación esperado. De esta forma es posible controlar el número
de mínimos detectados, de forma que los mínimos no se pierdan y por
tanto el número de los mínimos detectados no será demasiado grande
para que sobrecargue el sistema. No obstante, es posible también
tener unos umbrales dinámicos que estén controlados, por ejemplo,
por el nivel de perturbación estimado. Otra posibilidad es medir el
numero promedio de los mínimos detectados por unidad de tiempo, y
reducir el umbral si este numero es demasiado alto o bien elevar el
umbral si este numero es demasiado bajo. Adicionalmente, es posible
también tener diferentes umbrales para los distintos patrones de
sincronización, puesto que la "singularidad" de los patrones
puede ser distinta.
En lugar de adaptar los umbrales al nivel de
perturbación prevaleciente, es posible también mantener constantes
los umbrales y determinar y almacenar los distintos patrones de
sincronización de distinta longitud para cada frase. Para los
niveles de perturbación bajos pueden utilizarse los patrones más
cortos, mientras que los patrones más largos pueden ser utilizados
para niveles de perturbación más altos, para incrementar la
fiabilidad de la sincronización. Otra alternativa incluso es
determinar y almacenar varios patrones de sincronización para cada
frase. Conforme aumenta el nivel de perturbación, puede
incrementarse también el número de patrones de sincronización que se
utilicen en el procedimiento de sincronización, incrementando por
tanto la fiabilidad de la sincronización. Son posibles también las
combinaciones de estos métodos de adaptación.
La figura 7 es un diagrama de flujo que ilustra
el método de sincronización de la señal de acuerdo con la presente
invención. En la etapa S20 la ventana de inspección se desplaza
hasta una nueva posición en la señal recibida. En la etapa S21 la
parte de la señal recibida que esté dentro de esta ventana se
compara con cada patrón de sincronización para determinar una medida
de la distancia para cada patrón. En la etapa S22 cada medida de la
distancia se compara con un umbral. La etapa S23 comprueba si la
medida está por debajo del umbral. En caso negativo, la rutina
procede hacia la etapa S25. De lo contrario, la etapa S24 añade otra
hipótesis a la lista de hipótesis. Esta etapa corresponde a rellenar
una nueva fila en la tabla anterior con los valores en las columnas
1 y 2. Posteriormente, la rutina procede hacia la etapa S25. La
etapa S25 comprueba si la ventana se encuentra en una posición que
se espera que corresponda a una coincidencia de acuerdo con una
hipótesis en la lista. En caso negativo, la rutina avanza a la etapa
S27. De lo contrario, la etapa S26 graba la distancia entre el
contenido de la ventana y el patrón coincidente esperado en la lista
de hipótesis. Esta etapa corresponde a rellenar las columnas 3 y 4
en la tabla anterior. Posteriormente, la rutina avanza hasta la
etapa S27. La etapa S27 comprueba si la lista de hipótesis ha sido
actualizada por una nueva hipótesis o bien una prueba de la
hipótesis. En el ejemplo dado anteriormente con referencia a la
tabla, la lista de hipótesis se considera actualizada cuando una
hipótesis contiene 3 medidas de distancia consecutivas (valores en
las columnas 2-4 de la misma fila). Otras
realizaciones, en las que se precisan de 2 o más de 3 medidas, son
por supuesto también posibles. Si la lista de hipótesis no ha sido
actualizada, la rutina retorna a la etapa S20. De lo contrario, la
etapa S26 selecciona (esto es la prueba de la hipótesis
anteriormente mencionada) la mejor hipótesis para la sincronización
mediante el calculo de la distancia media para la nueva hipótesis, y
comparándola con las demás distancias medias en la columna 5 de la
tabla anterior. La fila que tenga la distancia media más pequeña se
selecciona como la hipótesis de sincronización en curso, y esta es
la única hipótesis que queda retenida en la lista de hipótesis
(esta etapa es la actualización real de la lista de hipótesis). La
etapa S29 es una etapa de refinamiento de la posición de la
sincronización opcional, que se describirá con detalle con
referencia a las figuras 9-10. Finalmente, la
rutina retorna a la
etapa S20.
etapa S20.
La figura 8 es un diagrama de bloques que ilustra
una realización del sistema de sincronización de la señal, de
acuerdo con la presente invención. El transmisor 10 transmite
repetidamente la señal de prueba. La señal recibida es demodulada en
la unidad de radio 12, decodificando el canal en un decodificador de
canal 14, y decodificada la voz en un decodificador de voz 16 a un
flujo de muestras de voz X(n). Estas muestras de voz son
enviadas a una unidad de sincronización 18, la cual controla la
salida de la copia almacenada de la señal de prueba en una memoria
20 con una señal de control C. La similaridad entre la señal de
prueba de la memoria 20 y las muestras X(n) de voz recibidas,
que están ahora sincronizadas entre sí, se mide en la unidad de
medida de calidad 22.
La unidad de sincronización 18 comprende una
unidad de comparación 24, la cual compara la ventana en curso con
cada patrón de sincronización. Los patrones de sincronización se
obtienen a partir de una tabla de patrones de sincronización, que
recupera los patrones de la memoria 20 de las nuevas coincidencias
potenciales. La unidad de comparación 24 actualiza la lista de
hipótesis 28, conforme se detecten nuevas coincidencias potenciales,
y proporciona también a la lista de hipótesis las medidas de la
distancia de las coincidencias pronosticadas. La lista del historial
se envía a un selector de hipótesis 30, el cual selecciona la
hipótesis más probable para la sincronización. El selector de
hipótesis 30 elimina también cada hipótesis descartada de la lista
de hipótesis 28. La posición de sincronización seleccionada puede
ser refinada adicionalmente en una unidad de refinamiento 32 de la
posición de sincronización, la cual se describirá con referencia a
las figuras 9-10. Típicamente, la funcionalidad de
la unidad de sincronización 18 está implementada por una combinación
del procesador de microseñales.
Una ventaja del método de sincronización
descrito, además del hecho de que la señal de prueba completa está
disponible para las medidas de calidad, es que el método permite la
re-sincronización frecuente. En el ejemplo dado,
cuando tiene lugar una conmutación de traspaso y se cambia la
sincronización de tiempos de la señal recibida, se establece una
re-sincronización después de solamente 3 frases.
Otra ventaja es que la sincronización se actualiza automáticamente
sobre la base de frase en frase.
Tal como se ha observado anteriormente, la medida
de la distancia entre los patrones de sincronización y las ventanas
es una etapa crítica en el método de sincronización de la presente
invención. Un requisito del método de la medida de la distancia es
que la precisión de la sincronización tiene que encontrarse con alta
precisión (nivel de muestreo). Otro requisito es que la complejidad
computacional del método no deberá ser alta, puesto que las medidas
tienen que ejecutarse en tiempo real. Existen excelentes métodos de
alta precisión, pero usualmente son demasiado complejos para su
realización en tiempo real. Con el fin de solventar este conflicto,
la presente invención sugiere un procedimiento de refinamiento
multi-etapa, en el cual se utilice un método de baja
complejidad en el método de sincronización descrito con referencia a
las figuras 6-8, para encontrar una posición de
sincronización aproximada, la cual se refina adicionalmente mediante
métodos más complejos.
La figura 9 es un diagrama de tiempos que ilustra
un método de refinamiento de la posición de sincronización, de
acuerdo con la presente invención. En esta realización, cada patrón
de sincronización comprende 800 muestras (las cuales corresponden a
0,1 segundos de voz a una velocidad de muestreo de 8000 Hz). La
primera etapa de sincronización aproximada, que se muestra en la
parte superior de la figura 9 (curva de comparación \psi_{1} que
corresponde con una de las curvas de la figura 6), determina la
posición de sincronización con una precisión del orden de 200
muestras (con un método descrito con detalle más adelante). La
segunda etapa, que se muestra en la mitad de la figura 9 (curva de
comparación \phi), refina esta precisión hasta aproximadamente 20
muestras (con un método descrito con detalle más adelante), mientras
que la tercera etapa, que se muestra con detalle al final de la
figura 9 (curva de comparación \theta, refina esta precisión con
el nivel de muestreo (con un método que describe con detalle más
adelante).
En la realización ilustrada de la medida de la
posición de sincronización aproximada, el patrón de sincronización
se divide en 5 piezas, consistiendo cada una en 160 muestras.
Posteriormente, cada pieza se modela mediante un filtro
pronosticador de corto plazo, y los coeficientes de la reflexión del
filtro como parámetros del modelo. En la realización ilustrada 4,
los coeficientes de la reflexión se calculan para cada pieza de 160
muestras. Estos 4*5 = 20 parámetros representan ahora el patrón de
sincronización completo. Esos cálculos se ejecutan fuera de línea
durante el proceso de determinación del patrón de sincronización
anteriormente descrito, y los coeficientes de reflexión obtenidos se
almacenan en el receptor. La ventana deslizante en la cual se
presenta la señal recibida utiliza una etapa de deslizamiento de la
misma longitud que las piezas anteriormente descritas, 160 muestras
en el ejemplo. Las muestras de la señal en la ventana deslizante en
curso (800 muestras) se dividen también en 5 piezas que se modelan
por los coeficientes de reflexión de la misma forma que con las
señales de sincronización. Así pues, la ventana deslizante en curso
representará las 800 muestras de la señal mediante 5*4=20
coeficientes de reflexión. Esto implica que cuando la ventana se
desplace, se calcularán los 4 coeficientes de reflexión de la pieza
siguiente, y se descartarán los últimos 4 coeficientes de reflexión.
Cuando se calcule la distancia entre la ventana deslizante en curso,
esta distancia se calculará en el "dominio de coeficientes de
reflexión" en lugar de hacerlo en el "dominio de las
muestras". Típicamente, la medida de la distancia está basada en
la distancia Euclidiana ordinaria (la suma de los cuadrados de las
diferencias entre los coeficientes de reflexión correspondientes de
la ventana y el patrón de sincronización).
El número de piezas y el número de coeficientes
de reflexión que modelan cada pieza, dependerá de los patrones de
sincronización, de la precisión del modelo de cada pieza y de la
complejidad de cálculo que pueda aceptarse.
El método de determinación de la posición de
sincronización aproximada descrita está basado de hecho en la
diferencia de la envolvente espectral entre la señal recibida y los
patrones de sincronización. La curva de comparación \psi en la
figura 9 por tanto tiene la variación lenta deseable, del mismo
orden que la longitud de la pieza (160 muestras en el ejemplo). Esta
es también la razón el porque es adecuado un desplazamiento de la
ventana deslizante de la misma longitud. Puesto que el número de
operaciones requeridas para calcular los coeficientes de reflexión
es proporcional a la longitud de la pieza, y se ejecuta una
evaluación solo una vez para cada longitud de la pieza, se deduce
que el número de operaciones necesario para generar la curva de
comparación \psi es proporcional al número de muestras.
La selección de coeficientes de reflexión como un
"dominio" adecuado tiene varias ventajas. Una ventaja es la
amplia apertura del mínimo de la curva de comparación \psi debida
a la lenta variación de la medida de la distancia. Esto conduce a
unos mínimos perfectamente separados. Otra ventaja es que estos
parámetros puede esperarse que sean resistentes a los errores de
transmisión (el mismo tipo de parámetros que los utilizados para la
codificación/decodificación de la voz en los sistemas de
radiocomunicaciones móviles). Esto implica que aunque la
sincronización pueda se imprecisa, tendrá una alta probabilidad de
ser la correcta. Adicionalmente, la simplicidad de la medida de la
distancia la hace adecuada para el método de sincronización basado
en el sistema Trellis más bien complejo, ya descrito anteriormente.
La medida de la distancia descrita puede ser utilizada en el método
de selección del patrón de sincronización descrito con referencia a
la figura 4-5. Otras posibles medidas de la
distancia pueden estar basadas, por ejemplo, en los parámetros LAR
(una variación de los coeficientes de reflexión) o sistema
Cepstrum.
La etapa siguiente en el método de refinamiento
de la posición de sincronización examina solamente la proximidad de
la estimación inicial (un intervalo de 200 muestras en torno a la
estimación). Puesto que tienen que comprobarse menos posiciones,
puede ser utilizado un método más complejo. Una medida adecuada es
una medida de la distancia en el dominio espectral. Se proporcionan
ejemplos en [3]. Un método preferido actualmente es una medida del
factor SNR (relación de señal/ruido) espectral del segmento definido
por la ecuación (5) en [3]. En esta etapa, la ventana deslizante
será incluso de 800 muestras de ancha como en la primera etapa, pero
utilizando una longitud de etapa de 20 muestras, en las que tendrán
que calcularse solamente 10 posiciones. Esta segunda etapa refina la
precisión de la estimación a 20 muestras aproximadamente. Con este
nivel de precisión, este método proporciona una abertura amplia
deseable para el mínimo de la curva \phi en la figura 9.
La etapa final es el método más complejo y
preciso. El método adecuado es un método basado en la correlación
(en el dominio del tiempo o de las muestras) que encuentre la
correlación entre el patrón de sincronización y las ventanas
deslizantes en las 20 posiciones de la muestras en torno a la
estimación de la etapa 2. Esto lleva a la precisión de la estimación
hasta el nivel de las muestras. Con este nivel de precisión, este
método proporciona una apertura amplia deseable en el mínimo de la
curva \theta en la figura 9.
La figura 10 es un diagrama de flujo que expone
el método de refinamiento de la posición de sincronización, de
acuerdo con la presente invención. En la etapa S30 se determina una
posición de sincronización aproximada mediante un método de baja
complejidad, por ejemplo el método basado en los coeficientes de
reflexión anteriormente descrito. Este método se utiliza en el
método de sincronización altamente computacional que se ha descrito
con referencia a la figura 7. El método aproximado encuentra la
frase correcta y una posición de sincronización aproximada dentro de
dicha frase. La posición de sincronización aproximada se refine en
la etapa S31 con un método de complejidad intermedia, por ejemplo el
método basado en el factor SNR espectral del segmento, anteriormente
descrito. Finalmente, la posición de sincronización se refina hasta
el nivel de las muestras en la etapa S32 con un método más complejo,
por ejemplo el método de correlación descrito. Típicamente, las tres
etapas se realizan mediante una combinación de procesador de
microseñales.
Tal como se ha demostrado en la anterior
descripción del método de refinamiento de la posición de
sincronización, la medida de la distancia puede estar basada en
diferentes dominios y en diferentes medidas de la distancia en cada
dominio. Esto implica que un método basado en la selección del
patrón de sincronización, basado por ejemplo en el dominio de los
coeficientes de reflexión y en la distancia Euclidiana, puede no
proporcionar el mismo patrón de sincronización que un método de
selección basado en el dominio de las muestras (tiempo) y en la
correlación. Esta característica queda reconocida en una realización
más sofisticada del método de selección del patrón de
sincronización, en el cual se seleccionan los patrones de
sincronización individuales, y en el que se almacenan para cada
dominio y en cada medida de la distancia. De esta forma, cada etapa
de refinamiento se asocia con el patrón de sincronización más
"singular" para dicha etapa (de acuerdo con el dominio y la
medida de la distancia utilizada en la etapa).
En ocasiones se atenúa la señal recibida según se
compara con la señal de referencia almacenada. Algunas medidas son
insensibles a los distintos niveles de la señal entre la señal
recibida y la señal de referencia, mientras que otras medidas son
sensibles a dichas diferencias de los niveles. Por ejemplo, las
medidas de la distancia basadas en los coeficientes de reflexión
son insensibles a los cambios en la amplitud de la señal, mientras
que las medidas basadas en la distancia espectral son sensibles a
dichos cambios. En tales casos, la energía de la frase de referencia
puede, después de la sincronización aproximada basada en la medida
de distancia insensible al nivel, calcularse y compararse con la
energía de la primera frase recibida. La relación obtenida puede ser
utilizada entonces como un factor de puesta a escala de la señal
recibida. Incluso aunque la sincronización aproximada no sea
perfecta, la influencia del error de sincronización de hasta 100
muestras no afectará significativamente al factor de puesta a escala
(típicamente las frases tienen 20.000 muestras).
En la anterior descripción, la presente invención
ha sido descrita con referencia a las señales de voz. No obstante,
se observará que la señal de prueba puede contener también otros
tipos de señales de audio, por ejemplo música. De hecho, pueden ser
utilizados los mismos principios para otras señales además de las
señales de audio, tal como las señales de vídeo.
Se comprenderá por los técnicos especializados en
el arte que pueden realizarse varias modificaciones y cambios en la
presente invención sin desviarse del alcance de la misma, la cual
está definida en las reivindicaciones adjuntas.
1. Solicitud de patente canadiense 2148340 (Ascom
Infrasys AG).
2. EP-0714183-A2
(Becker GMBH).
3. S. Tallak y otros, "Estimación del
retardo de tiempo para la evaluación de calidad objetiva de la voz
codificada a baja velocidad binaria en condiciones de un canal
ruidoso", IEEE, 1993, págs. 1216 - 1219.
Claims (16)
1. Un método de medida de la calidad de una
señal, cuyo método incluye:
enviar una señal de prueba desde un extremo
emisor (10) a un extremo receptor de una conexión,
almacenar una copia de la mencionada señal de
prueba en el mencionado extremo receptor, y
medir la similaridad entre la mencionada copia
almacenada de la mencionada señal de prueba y la señal recibida en
el mencionado extremo receptor,
seleccionar una secuencia de patrones de
sincronización diferentes directamente desde la mencionada copia
almacenada de la mencionada señal de prueba;
determinar a parir de la mencionada señal
recibida, una secuencia de segmentos de la señal que coincida mejor
con la mencionada secuencia del patrón de sincronización mencionado;
y
sincronizar la mencionada señal recibida con la
mencionada secuencia de segmentos de la señal, sincronizando por
tanto la mencionada señal recibida con la mencionada copia
almacenada de la mencionada señal de prueba.
2. El método de la reivindicación 1,
caracterizado porque:
se compara cada mencionado patrón de
sincronización con un conjunto de segmentos parcialmente solapados
de la señal recibida por el mencionado receptor, para determinar en
que parte de la mencionada señal recibida se encuentra más
probablemente cada patrón de sincronización.
3. El método de la reivindicación 2,
caracterizado porque la mencionada etapa de determinación es
un procedimiento basado en el sistema Trellis, que encuentra la
secuencia de los segmentos de la señal que tiene la mayor
probabilidad de coincidir con la mencionada secuencia de los
patrones de sincronización.
4. El método de la reivindicación 3,
caracterizado porque la mencionada etapa de comparación
incluye
la comparación para dada patrón y segmento de
sincronización de una medida de la distancia, que representa la
similaridad entre el patrón de sincronización y el segmento con
respecto a un umbral; y
marcar un segmento como la posible posición de
sincronización para el correspondiente patrón de sincronización si
la medida de la distancia cae por debajo del mencionado umbral.
5. El método de la reivindicación 4,
caracterizado porque tiene un umbral individual para cada
patrón de sincronización.
6. El método de la reivindicación 5,
caracterizado porque:
comprende la actualización dinámica de cada
umbral de acuerdo con un nivel perturbación prevaleciente.
7. El método de la reivindicación 4,
caracterizado porque se selecciona otra secuencia de los
patrones de sincronización, en el cual cada patrón de sincronización
tiene otra longitud, en el caso de que el nivel de perturbación
prevaleciente cambie una magnitud predeterminada.
8. El método de la reivindicación 1,
caracterizado porque se selecciona un patrón de
sincronización a partir de la mencionada señal de prueba, que
incluye:
seleccionar una longitud del patrón de
sincronización;
seleccionar posibles segmentos que tengan la
mencionada longitud del patrón de sincronización a partir de la
mencionada señal predeterminada;
deslizar una ventana que tenga la mencionada
longitud del patrón de sincronización sobre la mencionada señal
predeterminada;
determinar para cada segmento una colección de
medidas de distancia que representen la distancia entre el segmento
que corresponda a la colección y el contenido de la mencionada señal
predeterminada en todas las posiciones de la ventana deslizante;
y
seleccionar, como patrón de sincronización, el
segmento que corresponda a la colección, que maximice una medida de
singularidad del segmento predeterminado.
9. El método de la reivindicación 8,
caracterizado porque:
forma un conjunto de medidas de distancia que
contiene la medida de distancia más pequeña estrictamente positiva
de cada colección;
selecciona la medida de la distancia más larga
con respecto al mencionado conjunto de medidas de distancia; y
selecciona como patrón de sincronización, el
segmento que corresponda a la mencionada medida de la distancia más
larga seleccionada.
10. El método de la reivindicación 1,
caracterizado porque la mencionada sincronización de la señal
incluye:
la determinación de una posición de
sincronización inicial aproximada mediante la utilización de una
medida de distancia de baja complejidad en el dominio de los
coeficientes de reflexión; y
el refinamiento de la mencionada posición de
sincronización mediante la utilización al menos de una medida de
distancia de mayor complejidad.
11. El método de la reivindicación 10,
caracterizado porque una de las mencionadas medidas de
distancia de mayor complejidad se encuentra en el dominio del factor
de relación de señal/ruido (SNR) espectral del segmento.
12. El método de la reivindicación 10 ú 11,
caracterizado porque una de las mencionadas medidas de
distancia de mayor complejidad se encuentra en el dominio del tiempo
de las muestras.
13. Un sistema de medida de la calidad de la
señal que incluye:
medios para enviar una señal de prueba desde un
extremo emisor a un extremo receptor de una conexión,
medios (20) parda almacenar una copia de la
mencionada señal de prueba en el mencionado extremo receptor, y
medios para medir la similaridad entre la
mencionada copia almacenada de la mencionada señal de prueba y la
señal recibida en el mencionado extremo receptor,
estando caracterizado el mencionado
sistema porque tiene:
medios (26) para enviar una secuencia de
distintos patrones de sincronización directamente a partir de la
mencionada copia almacenada de la mencionada señal de prueba;
medios (30) para determinar, a partir de la
mencionada señal recibida, una secuencia de los segmentos de la
señal que mejor coincidan con la mencionada secuencia de patrones de
sincronización; y
medios (30, 32) para sincronizar la mencionada
señal recibida con la mencionada secuencia de segmentos de la señal,
sincronizando por tanto la mencionada señal recibida con la
mencionada copia almacenada de la mencionada señal de prueba.
14. El sistema de la reivindicación 13,
caracterizado porque tiene:
medios (24) para comparar cada patrón de
sincronización con un conjunto de segmentos solapados parcialmente
de la señal recibida por el mencionado receptor, para determinar en
donde pueda ser encontrado más probablemente el mencionado patrón de
sincronización en la mencionada señal recibida.
15. El sistema de la reivindicación 14,
caracterizado porque los mencionados medios de determinación
(30) están adaptados para encontrar la secuencia de los segmentos de
la señal que tengan la mayor probabilidad de que coincidan con la
mencionada secuencia de patrones de sincronización, mediante la
utilización de un procedimiento basado en el sistema Trellis.
16. El sistema de la reivindicación 15,
caracterizado porque los mencionados medios de comparación
incluyen:
medios (24) para comparar, para cada patrón de
sincronización y segmento, una medida de distancia que represente la
similaridad entre el patrón de sincronización y el segmento con
respecto a un umbral; y
medios (28) para marcar un segmento como posible
posición de la sincronización para el patrón de sincronización
correspondiente, si la mencionada medida de la distancia cae por
debajo del mencionado umbral.
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