高速鐵路GSM-R語音質量評估研究

■ 王曉東 王惠生 謝保鋒

1 語音質量評價技術背景

自有通信技術開始，特別是移動通信的發展，語音信息傳輸一直具有舉足輕重的地位。隨著移動網絡發展的日趨成熟，客戶對網絡的性能質量要求逐漸提高。因此，為了更好地定量分析和測量網絡的語音服務質量，要根據電信網絡服務質量（QoS）的要求，建立一套客觀評估標準。

語音質量評價從主體上可分為主觀評價和客觀評價兩大類。主觀評價以人為主體，在某種預設原則基礎上對語音質量作出主觀的等級意見或比較結果，反映聽評者對語音質量好壞的主觀印象，常見的主觀評價方法有平均意見分方法、判斷韻字測試方法、失真平均意見分方法、判斷滿意度測試方法和漢語清晰度測試方法。客觀評價方法是為了彌補主觀評價的缺陷、適應技術發展及運營服務的要求，是指用機器自動判斷語音質量。基于輸入-輸出的客觀評價比較輸出和輸入語音之間的差異（失真）程度，將差異量值作為語音質量的衡量依據。在應用中，輸入語音稱為參考語音，通過系統的輸出語音稱為失真語音。客觀評價方法具有不受人為主觀因素影響、成本低廉、靈活性好、效率高，具有可重復性且可實時使用等優點。

為了評價語音的清晰度，ITU－TP.800和P.830定義了MOS（Mean Opinion Score）的主觀測試方法：具體實現方法和評判標準在ITU-TP.800有相應規定，在ITU P.830中提供了更詳細的操作方法。由不同的人（不同性別、年齡、階層）分別對原始語音和經過系統處理后有衰退的語音材料進行主觀感覺對比，得出MOS分（見表1）。

2 語音質量評價測試方法及系統組成

ITU組織在2001年2月發布了新的語音傳輸質量測量標準：P.862 — PESQ（Perceptual Evaluation of Speech Quality）。PESQ是評價各類端對端網絡條件和語音編碼與解碼的最新標準。PESQ可以根據一些感知標準客觀評價語音信號質量，從而提供可以完全量化的語音質量衡量方法，這些衡量標準又與人類對語音質量的感受完全吻合（見圖1）。

表1 MOS值對應的語音性能

通過PESQ算法可以客觀地評價語音質量，以此為基礎，構建語音質量測試系統，系統測試界面見圖2。語音質量測試中，主叫模塊撥通被叫模塊后，通過語音盒播放計算機中的標準語音文件，再通過語音盒將錄制文件返回給計算機。測試軟件根據PESQ算法對原始語音和錄制語音進行比較計算，得出MOS值。測試界面中可以看到接收和發送的語音波形、失真值、衰減值等參數。為了分析，所有原始語音信息和其他行車信息都進行記錄。

3 語音質量數據分析

高速鐵路GSM-R移動通信系統與公共移動通信網絡的應用特性相差很大，因此語音評價標準不能完全適用鐵路。根據高速鐵路應用特點，對不同速度等級的數據，采用相關性分析方法，確定影響語音質量MOS的主要因素。

可能對MOS值產生影響的每個參數都計算相關系數并求出其于MOS一一對應的值，然后可以將其以散點的形式做圖并分析其分布規律。

在采集大量測試數據的基礎上，通過分析已繪散點圖（見圖3），嘗試尋找參數與MOS的回歸模型，選擇合適的擬合模型，計算估計回歸系數，畫出擬合后的回歸曲線，從而試證明參數與MOS值的關系。單參數擬合曲線見圖4。

為了更好地分析預測數據及其分布趨勢，尋找合適的數學模型，對經過處理的數據進行曲線擬合。經過初步分析原始數據，擬采用最小二乘法實現對測試數據的曲線擬合。

制定語音分析測試方案，通過對比不同線路或不同速度等級下測得的數據，分析速度等因素對MOS值的影響。在同一線路，不同速度等級下測試得到參數值的變化趨勢，MOS值的上下浮動；對不同線路，在相同運行速度下同樣比較參數和MOS值的變化。通過對比能夠確定或排除某些參數在特定條件下和語音質量的關系及其對MOS影響的大小。

根據已知信息，頻偏變化越大對無線質量的影響越大，因此，當列車高速通過基站，經過與基站垂直距離最近點時，頻偏變化最大，多普勒效應最顯著（見圖5）。

圖1 PESQ評估算法框圖

圖2 GSM-R系統語音測試界面

圖3 ReQual、FER與MOS的分布

圖4 單參數擬合曲線

圖5 多普勒效應

由里程信息得到此位置所測的實際參數數據，通過求其均值或范數，與區間覆蓋中心點所測數據進行比較，從而判斷多普勒頻移的影響。如圖6所示，分別測得x1、x2、…、xi、xi+1時各參數值，將頻率鎖定在基站A、B、C等時測得的y1、y2、…、yi、yi+1各參數值進行比較，得出多普勒頻移在高速情況下對通信的影響。

移動通信系統引入小區切換方式保持通話狀態下的語音連續性，切換時信令消息需要以FACCH偷幀方式在TCH上傳送。由于擠占了TCH信道，對語音質量有所影響。MOS下降幅度與完成切換的時間有關，過程越長，MOS值下降越大。

通過以上對語音檢測數據的分析，一次MOS值的計算時間（≈12 s）中存在切換會導致語音質量急劇惡化，MOS值平均降低0.5左右，且速度越高，MOS值下降越快。如圖7所示，速度小于200 km/h的線路切換導致MOS值下降小于7%，速度為200 km/h的線路切換導致MOS值下降占10%左右，而列車速度在350～380 km/h之間切換導致MOS值下降的比率增長到20%左右。可見，在速度影響下，切換對語音質量的影響急速增大。

圖6 測試多普勒效應方法

圖7 切換導致MOS下降

4 結束語

通過對不同運行速度的高速鐵路GSM-R系統語音MOS值的測試和分析，可知運行速度對MOS值的影響較大，主要是切換中斷對語音計算的影響。因此，評價線路GSM-R語音的MOS值還要與檢測的載體速度相關聯，高速運行測試MOS值比低速運行測試時的MOS值低。對語音質量的研究還需采集大量的測試數據，通過對數據的統計分析，研究高速鐵路語音質量評價標準。