装甲车载电台外场试验评价方法

2020-08-22张又明刘瑞之季文龙马殿哲梅青文

火力与指挥控制 2020年7期

张又明，刘瑞之，季文龙，马殿哲，梅青文

（1.解放军32184 部队，北京 100072；2.武汉中原电子集团有限公司，武汉 430205）

1 问题的提出

装甲车载电台性能试验包括技术性能测试和使用性能试验。技术性能测试在实验室条件下按照相关标准实施，使用性能试验主要在外场典型环境下进行［1］。通信距离是电台在外场的重要使用性能，需要在中等起伏地形和自然电磁环境下，对处在规定通信距离上的两部电台的所有频点（或跳频表）进行遍历，统计达到规定语音通信质量的频点数，计算频点可通率。即当频点可通率达到使用要求的规定值时，可认为电台达到规定的通信距离要求。与实验室技术性能测试相比，外场通信距离试验受地理环境、气象天候、电磁环境等因素的影响较大，需采集更多的试验数据以保证试验评价的准确性。

当前，电台通信距离试验主要通过人工通话与主观定性评价通信语音质量的方法进行，存在以下主要问题：1）由于缺少自然电磁环境监测数据，剔除被占用的频点缺乏定量依据；2）由于电台频点多，人工遍历所有频点耗时长、效率低。有时只能对部分频点进行试验，数据量少，评估的置信度偏低；3）语音通信质量以人的主观评价为主，定性评价较多，评价结果可能因人而异。同时，采用人工评价不利于自动测试方法的应用。

为提高装甲车载电台外场通信试验自动化水平，实现当前人工定性试验向自动定量测试的转变，需要解决下列技术问题：

1）自然电磁环境监测；

2）电台自动建链通信；

3）语音质量客观评价。

针对上述问题，本文分别介绍了相关技术解决方法，最后给出自动测试应用方案。其中，电台自动建链通信和语音质量客观评价是解决自动测试的关键。

2 自然电磁环境监测

外场试验时的电磁环境监测可通过电磁环境监测设备（或无线电监测设备）来实现［2］。试验开展前可以让电磁环境监测设备连续工作1 h 左右，通过对频谱占用度、时间占用度进行分析，剔除外场自然环境干扰所占用的频点，为通信距离试验提供准确的可用频点，保证频点可通率计算的准确性。试验开展后，电磁环境监测可以伴随整个试验过程，监测设备连续工作并将处理结果记录到数据库中，作为测量时刻和测量地点的电磁环境资料和试验结果评价的参考。

根据外场通信距离试验对电磁环境监测的需求，本文主要用到下列3 个参数［3］：

1）环境电平门限：当电磁环境电平（场强）超过该电平时，会对该环境内工作的电台产生一定干扰。

2）频谱占用度：电磁环境的电平（场强）超过指定的环境电平门限所占用的频带与电台用频范围的比值。

3）时间占用度：在某一频率范围中，各频点测量出的电平（场强）超过设定的环境电平门限所占用的时间长度与全部试验时间段的比值。

一般的外场电磁环境监测过程如下：

1）设置电磁环境监测参数（包括频率范围、扫描间隔、显示门限、环境电平门限等），用以显示、判别、记录电磁环境背景、干扰信号和试验信号。

2）开始电磁环境监测扫描和分析，并将扫描结果保存在数据库中。

3）根据扫描结果，在预先制定通信方案（或生成跳频表）时，剔除被环境干扰占用的频点。

4）统计被环境干扰占用的频点数，在计算频点可通率时，可最大限度排除电磁环境干扰对试验结果评价的影响。

3 电台自动建链通信

电台自动通信可通过电台遥控和自动建链技术来实现。自动通信中通信链路建立方案如图1 所示。选取若干个电台跳频表（频点），除表号外所有通信相关参数设置一致，A 电台“发”B 电台“收”，发送内容包括A 电台的呼叫信号、值守表号以及时间信息等。假设设置3 个跳频表，首先A 电台依次从表1、表2、表3“发”，发完后在表1“收”，若此时B电台位于表1“收”且未被干扰，则B 电台收到A 电台呼叫后，回复A 电台的呼叫，此时B 电台“发”A电台“收”，则通信链路建立。若此时B 电台未响应，则A 电台开始发起第2 轮呼叫，并在表2“收”，B 电台开始第2 轮等待在表2“收”，若收到A 电台呼叫则在表2 回复，依次循环直到A 电台收到B 电台的回复并实现通信链路建立为止。

图1 自动通信的通信链路建立示意图

进行外场通信距离试验前，根据电磁环境监测结果，预先制定好外场通信方案，并将相关信道参数分别加注到试验电台中。通信时，先通过遥控使收、发双方电台进入自动通信状态，待通信链路建立后，双方电台自动转入预置好的通信方案，并遍历预置的所有频点（或跳频表），解决电台的自动建链通信问题。

4 语音质量客观评价

语音质量评价分为由人进行的主观评价和由机器进行的客观评价两种。主观评价是人对语音质量好坏的一种主观判断，一般根据音质、音量、噪声、音色、能否听懂等因素对语音质量进行等级划分［4-5］。目前，使用比较普遍的主观评价方法是MOS（Mean Opinion Scores）方法，即平均意见分方法。该方法由ITU-T 提出，不仅作为主观评价方法得到广泛应用，也作为衡量语音质量客观评价方法性能优劣的重要依据。MOS 方法在ITU-T 的P.800和P.830 建议中有详细描述，在此不作赘述。其评分标准见表1［6］。

表1 MOS 评分的五级标准

语音质量主观评价方法的优点是直接反映了人的真实感受，但评价结果因人、因评价条件而异。按照MOS 方法，要得到平均意见分，需要较多的测评人员、丰富的测评语音材料，以及尽可能相同的测评环境等，费时费力，难以进行自动测试与评价。

客观评价是指用机器自动判别语音质量，它采用某些特征参数去表征语音通过传输系统后的失真，并以此来评估传输系统的性能优劣。尽管客观评价方法具有省时省力等优点，但还不能反映人对语音质量的全部感受。研究客观评价方法的目的不是为了完全取代主观评价方法，而是使其成为一种既方便快捷，又能准确预测出主观评价分值的自动手段［7］。

2001 年2 月，ITU-T 推出P.862 标准“窄带电话网络端到端语音质量和语音编解码器质量的客观评价方法”，该建议采用感知语音质量评价PESQ（Perceptual Evaluation of Speech Quality）算法［8］。它将语音的频率、响度等物理特性与人类心理上的感知特性之间的关系通过数学模型关联起来，用客观模型来模拟主观感觉的评价，是一种基于输入-输出对比的客观评价算法，在当前语音质量客观评价算法中与MOS 主观评价方法相关度最高，达到0.97［9］，适用于装甲车载电台窄带通信的语音质量客观评价要求。

PESQ 算法的总体思路是：首先将参考语音信号（标准语音信号）和失真语音信号（接收到的语音信号）的电平调整到标准听觉电平，再用输入滤波器模拟标准电话听筒进行滤波，然后将两个信号进行时间对齐，将对齐好的信号进行听觉变换，变换之后的输入和输出信号差值称为干扰度，通过认知模型处理，最后得到PESQ 分值。在干扰度的处理中可能会识别出坏区间，这样就需要对坏区间进行重新对齐。

PESQ 模型的框图如图2 所示［10］。

图2 PESQ 模型框图

由于PESQ 算法在ITU-T 的P.862 标准和相关技术规范中有详细介绍，下面只是简要描述该算法的处理过程［11-12］。

1）电平调整。当标准语音信号经过电台传输后，信号电平发生了差异，为便于比较，需要将电台接收到的语音信号电平和标准语音信号电平调整到统一的电平上。

2）输入滤波。由于实际测试中人是通过电台受话器听到语音信号的，PESQ 算法用修正的IRS（中间参考系统）滤波器来模拟标准电台受话器的发送频率特征，达到人耳听觉效果。

3）时间对齐。在通信过程中，语音会产生时延，而且电台在不同的工作模式下，时延也会不同，而计算PESQ 分值的参数是逐帧进行的，所以要将标准语音信号和电台接收到的语音信号在时间上对齐。

4）听觉变换。听觉变换是一个生理声学模型，它将语音映射到时频域中，来模拟人耳接收语音的过程。

5）计算客观得分。听觉变换之后，输入和输出信号差值称为干扰度，通过认知模型处理，将这些差值在时频尺度上进行非线性累加，得到PESQ分值。

因为PESQ 分值与MOS 分值是高度相关的，通过上述5 个主要步骤就实现了语音质量的客观评价，解决了电台外场通信距离试验自动化测试评价的关键难题。

5 自动测试应用方案

综合采用电磁环境监测、电台自动建链通信和PESQ 客观评价方法，可以实现车载电台外场通信距离试验的测试评价自动化。下面以某型装甲车载电台外场通信距离测试评价为例，介绍上述方法的综合应用，提出自动测试系统初步方案。

5.1 测试评价总体思路

在该型电台技术规范规定的通信距离上，通过监测外场电磁环境的频谱占用度和时间占用度，以超过电台灵敏度某一分贝数作为环境电平门限，剔除时间占用度超过一定百分比的频点，其他频点纳入预定通信方案参加试验测试。利用电台自动建链通信技术，使电台按预定通信方案完成自动建链通信，并遍历预定通信方案的所有频点（或频率表）。采用PESQ 算法，将电台所有频点（或频率表）上接收到的语音信号与输入的标准语音信号进行对比，自动计算两部电台在所有频点（或频率表）上的语音通信质量。统计PESQ 分值超过3 分的频点（或频率表）数，计算电台的频点（或频率表）可通率。当频点（或频率表）可通率达到某个百分比以上时，判定为该型电台达到技术规范规定的通信距离要求。

5.2 自动测试系统方案

自动测试系统由测试主机、测试软件和测试附件组成。

测试主机除电台控制功能外，还内置有场强测试设备、音频信号发生器和音频信号分析仪等功能，能自动完成环境电平测试、电台语音通信并对语音质量进行评估。其中，场强测试设备实现电磁环境监测功能，音频信号发生器实现标准语音信号（参考语音信号）输入功能，音频信号分析仪实现PESQ 分值计算功能。测试主机由射频前端模件、数字中频/音频模件和主控模件组成，框图见图3。