IP電話語(yǔ)音質(zhì)量的測(cè)試

2019-11-03 09:03:35

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供稿：網(wǎng)友

崔建平

　　摘要:從語(yǔ)音質(zhì)量這一根本性的指標(biāo)分析入手，對(duì)ip電話網(wǎng)絡(luò)中影響語(yǔ)音質(zhì)量的主要因素作定量分析并介紹其測(cè)量方法，以便對(duì)全面評(píng)估IP電話網(wǎng)絡(luò)的性能提供參考數(shù)據(jù)。

　　關(guān)鍵詞:IP電話語(yǔ)音質(zhì)量分析測(cè)試

　　1　ＩＰ電話網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音質(zhì)量的特殊問(wèn)題

　　與普通電話網(wǎng)比較，ＩＰ電話網(wǎng)采用了語(yǔ)音壓縮編碼算法，將話音用數(shù)據(jù)包的形式在分組交換網(wǎng)上傳遞，因此其對(duì)傳輸線路的時(shí)空利用率都有大幅度的提高。但ＩＰ電話也遇到了傳統(tǒng)電話不太關(guān)注的語(yǔ)音質(zhì)量問(wèn)題。事實(shí)上，目前ＩＰ電話的用戶都會(huì)感覺(jué)到通話過(guò)程中隨時(shí)會(huì)出現(xiàn)令人難以忍受的語(yǔ)音畸變和頻繁的斷話現(xiàn)象。引起語(yǔ)音質(zhì)量惡化的原因主要是ＩＰ電話網(wǎng)延時(shí)、丟包（包括數(shù)據(jù)包丟失和數(shù)據(jù)包排序溢出）、沿切割和抖動(dòng)，其中延時(shí)問(wèn)題尤為明顯。

　?。桑须娫捑W(wǎng)中，網(wǎng)關(guān)或路由器內(nèi)部的語(yǔ)音編碼器（Ｖｏｃｏｄｅｒｓ）對(duì)帶內(nèi)音頻信號(hào)進(jìn)行打包和重組。這些器件對(duì)確認(rèn)接收和有效數(shù)據(jù)包接收的順序進(jìn)行糾錯(cuò)檢查，一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，將命令重發(fā)，而重發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)包則不可避免地造成傳輸上的延時(shí)。網(wǎng)關(guān)或路由器上的另一個(gè)重要組成部分——緩存器（Ｂｕｆｆｅｒ）即為容納這些延時(shí)的數(shù)據(jù)包而設(shè)置。一般地講，緩存器的容量越大，數(shù)據(jù)包被損壞的機(jī)率就越小，但同時(shí)延時(shí)卻會(huì)增大。這是一對(duì)矛盾，需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)和管理者來(lái)綜合平衡，選擇最佳的配置。圖1示出了ＩＰ電話網(wǎng)絡(luò)中延時(shí)的分布情況。

　　非常明顯，在ＩＰ電話網(wǎng)中影響語(yǔ)音質(zhì)量的因素是由其結(jié)構(gòu)決定的特殊問(wèn)題，而且各因素之間存在著此消彼長(zhǎng)的制約關(guān)系。因此，根據(jù)電信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（ＱｏＳ）的要求，建立一套客觀評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)ＩＰ電話網(wǎng)的語(yǔ)音服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行定量分析和測(cè)量就擺在了從事這項(xiàng)工作的人們面前。

　　為了便于下文進(jìn)行的關(guān)于測(cè)試方案的介紹，現(xiàn)就ＩＰ電話有關(guān)的術(shù)語(yǔ)解釋如下。

　?。?）回音抑制（ＥｃｈｏＣａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）

　　其定義由ＩＴＵ－Ｔ建議Ｇ．168給出。回音抑制的功能是用相位補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ窒脒h(yuǎn)端發(fā)送信號(hào)中的遠(yuǎn)端接收信號(hào)。其目標(biāo)是消除延時(shí)超過(guò)45ｍｓ的回聲，因?yàn)楫?dāng)回音超過(guò)45ｍｓ時(shí)，發(fā)話方就能夠聽(tīng)到反射回來(lái)、滯后的自己的聲音。

　?。?）語(yǔ)音活動(dòng)檢測(cè)器（ＶＡＤ，ＶｏｉｃｅＡｃｔｉｖａｔｉｏｎＤｅｔｅｃｔｏｒ）

　　該器件在信號(hào)電平低于某一特定的門限值時(shí)，將限制數(shù)據(jù)包的傳輸，此時(shí)其提供空閑（ｉｄｌｅ）或者“舒適噪音”（Ｃｏｍｆｏｒｔｎｏｉｓｅ）以避免電話用戶感到“斷線”（ｄｅａｄａｉｒ），ＶＡＤ是當(dāng)線路狀態(tài)從空閑變成傳遞信號(hào)時(shí)產(chǎn)生“前沿切割”（“Ｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅｃｌｉｐｐｉｎｇ”）和當(dāng)線路狀態(tài)從傳遞信號(hào)變成空閑時(shí)產(chǎn)生“后沿拖尾”（“ｔｒａｉｌｉｎｇｅｄｇｅｃｌｉｐｐｉｎｇ”）的根源。

　?。?）語(yǔ)音編碼器（ＶｏｉｃｅＣｏｄｅｒ－ｄｅｃｏｄｅｒ，Ｖｏｃｄｅｒ）

　　該器件應(yīng)用一種對(duì)人類語(yǔ)音有特殊功效的壓縮算法，將模擬語(yǔ)音轉(zhuǎn)換成數(shù)字比特流。語(yǔ)音編碼器工作時(shí)僅需＜64ｋｂ／ｓ的帶寬。這種算法不僅適用于語(yǔ)音的壓縮，在增加專門應(yīng)用軟件條件下，它亦可支持調(diào)制解調(diào)器和傳真的應(yīng)用。語(yǔ)音編碼器是在ＩＰ電話網(wǎng)中上產(chǎn)生延時(shí)的一個(gè)重要因素。

　?。?）語(yǔ)音壓縮算法（ＶｏｉｃｅＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）

　　人類語(yǔ)音交流過(guò)程中，通常有50％的時(shí)間為靜音（Ｓｉｌｅｎｔ）。為了節(jié)約帶寬，就必須壓縮靜音。同時(shí)還要使用不同的算法來(lái)對(duì)普通電話呼叫中的人類語(yǔ)音及其中所含的諸如ＤＴＭＦ等特殊的控制音調(diào)轉(zhuǎn)換的指令進(jìn)行壓縮打包，并將其送達(dá)接收端。

　?。?）緩存器（Ｂｕｆｆｅｒ）

　　緩存器用于管理信息，使其按順序從點(diǎn)到點(diǎn)依次通過(guò)。在諸如網(wǎng)關(guān)這樣的器件中，緩存器的功能是處理兩個(gè)方向的信息流。即語(yǔ)音編碼器與分組交換網(wǎng)之間的發(fā)送信息流和分組交換網(wǎng)與語(yǔ)音編碼器之間的接收信息流。緩存器通常按需要來(lái)設(shè)置其容量，而緩存器的溢出和冗余均是導(dǎo)致丟包、延時(shí)和抖動(dòng)的重要因素。

　　2?。桑须娫捳Z(yǔ)音質(zhì)量的測(cè)試

　　2.1　測(cè)試參數(shù)

　　ＩＰ電話網(wǎng)中的語(yǔ)音質(zhì)量問(wèn)題是普通電話網(wǎng)中不存在的特殊問(wèn)題，能否對(duì)其進(jìn)行定量的分析測(cè)量，并依據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)ＩＰ電話網(wǎng)中各器件進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到最佳的語(yǔ)音質(zhì)量，已成為決定ＩＰ電話生存發(fā)展的必要條件。衡量語(yǔ)音質(zhì)量有4個(gè)重要參數(shù)，即：

　　· 延時(shí)（Ｄｅｌａｙｓ），包括單向延時(shí)（ＯｎｅＷａｙｄｅｌａｙｓ）和回路延時(shí)（Ｒｏｕｎｄ－ｔｒｉｐｄｅｌａｙｓ）；

　　· 丟包（Ｄｒｏｐｐｅｄ－ｏｕｔ）；

　　· 抖動(dòng)（Ｊｉｔｔｅｒ）；

　　· 沿切割（Ｃｌｉｐｐｉｎｇ）。

　　根據(jù)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)和理論分析，若使ＩＰ電話的語(yǔ)音質(zhì)量接近普通電話，單向延時(shí)的指標(biāo)最好＜100ｍｓ，最大不能超過(guò)250ｍｓ（見(jiàn)圖1），而丟包率不能超過(guò)5％。

　　2.2　原有的測(cè)試方法

　　隨著ＩＰ電話技術(shù)的發(fā)展，人們不斷尋求測(cè)試方法，以便能規(guī)范ＩＰ電話設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。最初ＩＴＵ－Ｔ建議Ｐ．800提出了ＭＯＳ（ＭｅａｎＯｂｊｅｃｔｉｏｎＳｃｏｒｅ）的方法。即請(qǐng)40 ～ 60 位有代表性的人士來(lái)聽(tīng)一段相同的語(yǔ)音樣本，然后對(duì)該樣本經(jīng)過(guò)ＩＰ電話傳輸后的語(yǔ)音質(zhì)量進(jìn)行投票評(píng)價(jià)。隨著語(yǔ)音因語(yǔ)言、年齡、性別的變化，得分亦被賦予不同的意義。這是一種純粹主觀的定性測(cè)量。ＩＴＵ－Ｔ選取在非常寬的聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)，不同年齡、性別和語(yǔ)言組別的相同得分，作出語(yǔ)音質(zhì)量的判別標(biāo)準(zhǔn)：5：最佳 4：好（4.5 － 4.0 ＝可收費(fèi)電信級(jí)） 3：中級(jí)（4.0 － 3.5 ＝可通話通信級(jí)） 2：較差（3.5 － 2.5 ＝可建立連接級(jí)） 1：差很顯然，ＭＯＳ方法是一種模糊的評(píng)估方法，其測(cè)試結(jié)果很難對(duì)ＩＰ電話系統(tǒng)的改進(jìn)和不同ＩＰ電話設(shè)備之間性能的比較作出有實(shí)際意義的判別。因此ＩＴＵ－Ｔ在建議Ｐ．861中又提出了ＰＳＱＭ（ＰｅｒｃｅｐｔｕａｌＳｐｅｅｃｈＱｕａｌｉｔｙＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）方法。

　?。校樱眩腿砸裕停希拥?個(gè)級(jí)別作為客觀標(biāo)準(zhǔn)，所不同的是其對(duì)每一個(gè)級(jí)別都以百分比的方式作出了差／最差（％ＰｏＷ，ＰｅｒｃｅｎｔＰｏｏｒｏｒＷｏｒｓｅ）和好／最好（％ＧｏＢ，ＰｅｒｃｅｎｔＧｏｏｄｏｒＢｅｔｔｅｒ）的進(jìn)一步描述。根據(jù)Ｐ．861提出的ＰＳＱＭ方法，ＩＰ電話的測(cè)試開(kāi)始擺脫原始的人類主觀評(píng)估，而開(kāi)始使用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的波型文件（ＷａｖｅＦｉｌｅ），通過(guò)比較其通過(guò)ＩＰ電話網(wǎng)傳輸前后的變化計(jì)算出ＰＳＱＭ中相對(duì)應(yīng)的級(jí)別及好壞程度。

　?。校樱眩蜔o(wú)疑比ＭＯＳ前進(jìn)了一步，但其實(shí)質(zhì)仍然是一種定性評(píng)估的方法，不能準(zhǔn)確給出影響ＩＰ電話網(wǎng)語(yǔ)音質(zhì)量的諸因素的量值，而且波形文件不能完全代表各種不同年齡、性別、語(yǔ)言的人類語(yǔ)音通過(guò)ＩＰ電話網(wǎng)時(shí)的真實(shí)情況，同時(shí)在具體測(cè)試中必須令波形文件信號(hào)返回方可進(jìn)行比較，這樣就無(wú)法測(cè)量網(wǎng)絡(luò)端到端的單向延時(shí)，這些都是ＰＳＱＭ的局限和缺憾。

　　顯然ＩＰ電話技術(shù)的發(fā)展迫切需要一種能定量分析測(cè)量其影響語(yǔ)音質(zhì)量的4個(gè)參數(shù)的方法和相應(yīng)儀器設(shè)備。

　　3?。粒恚澹颍椋簦澹愕臏y(cè)試方案

　　針對(duì)ＩＰ電話網(wǎng)的特點(diǎn)和對(duì)其語(yǔ)音質(zhì)量測(cè)試的要求，Ａｍｅｒｉｔｅｃ在長(zhǎng)期從事電路交換語(yǔ)音測(cè)試和模擬語(yǔ)音傳輸損耗測(cè)試（ＴＩＭＳ）研究的理論上，開(kāi)發(fā)了用于分組交換系統(tǒng)測(cè)試的專利技術(shù)——“ ＧｏｌｄｅｎＶｏｉｃｅ ”。

　　“ＧｏｌｄｅｎＶｏｉｃｅ”是一個(gè)復(fù)合音調(diào)發(fā)生器，其產(chǎn)生的復(fù)合音調(diào)信號(hào)可以確保其作為測(cè)試音信號(hào)可靠地通過(guò)所有現(xiàn)在的語(yǔ)音編碼器和譯碼器（如Ｇ．711，Ｇ．728，Ｇ．729，ＧＳＭ，ＣＤＭＡ等）。

　　“ＧｏｌｄｅｎＶｏｉｃｅ”可以配置在Ａｍｅｒｉｔｅｃ的任何型號(hào)的大話務(wù)量呼叫發(fā)生器上，因此利用Ａｍｅｒｉｔｅｃ的大話務(wù)量呼叫發(fā)生器可以隨時(shí)為用戶提供各種物理接口用于ＩＰ電話測(cè)試，如模擬用戶線、隨路信令（ＣＡＳ）數(shù)字中繼（Ｅ1／Ｔ1），Ｎｏ．7信令（ＣＣＳ）數(shù)字中繼（Ｅ1／Ｔ1）和ＩＳＤＮ（ＢＲＩ／ＰＲＩ）等。圖2所示為測(cè)試的連接。

　　根據(jù)圖2所示，可以提供的ＩＰ電話測(cè)試功能及指標(biāo)如下。

　?。?）丟包測(cè)量（ＤｒｏｐｏｕｔＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）

　　語(yǔ)音丟包檢測(cè)器可以連續(xù)地測(cè)量每一個(gè)語(yǔ)音通道的音頻能量，對(duì)檢測(cè)出的由于打包或幀丟失引起的超過(guò)5ｍｓ的丟包進(jìn)行計(jì)數(shù)，并可對(duì)不同長(zhǎng)度的丟包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

　?。?）前后沿切割測(cè)量（ＬｅａｄｉｎｇａｎｄＴｒａｉｌｉｎｇＥｄｇｅＣｌｉｐｐｉｎｇＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）

　　檢測(cè)網(wǎng)關(guān)中相應(yīng)部件對(duì)從靜音—講話和從講話—靜音之間的過(guò)渡狀態(tài)的響應(yīng)。

　?。?）抖動(dòng)測(cè)量（ＪｉｔｔｅｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）

　　檢測(cè)瞬間的時(shí)序變化，±5ｍｓ分辨力。

　?。?）單向和回路延時(shí)測(cè)量（Ｏｎｅ－ｗａｙａｎｄＲｏｕｎｄ－ｔｒｉｐｄｅｌａｙＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）

　　各音頻通道獨(dú)立檢測(cè)，單向±5ｍｓ分辨力，回路±10ｍｓ分辨力。

　　4　測(cè)試分析

　?。?）丟包測(cè)試

　　圖3為丟包測(cè)試的時(shí)序圖，圖中的復(fù)合語(yǔ)音路由測(cè)試信號(hào)即為“ＧｏｌｄｅｎＶｏｉｃｅ”產(chǎn)生的一種偽隨機(jī)語(yǔ)音信號(hào)。在測(cè)試中，用戶可以自行設(shè)定分別為5，10，15，25，50或100ｍｓ的檢測(cè)門限值。

　　一旦呼叫建立后，被叫即將測(cè)試音信號(hào)送至主叫（該測(cè)試音將覆蓋語(yǔ)音編碼器的動(dòng)態(tài)范圍），而主叫將檢測(cè)該信號(hào)通過(guò)ＩＰ電話后的狀態(tài)變化。

　　如圖3中“ａ”處，雖然出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，但由于其時(shí)間間隔小于設(shè)定門限20ｍｓ，故在測(cè)試中忽略不計(jì)?！埃狻碧幊霈F(xiàn)一個(gè)為20ｍｓ的丟包，則計(jì)數(shù)一次?！埃恪碧幊霈F(xiàn)總長(zhǎng)200ｍｓ的丟包，則計(jì)數(shù)器按20ｍｓ門限值的整數(shù)倍統(tǒng)計(jì)為10次，依次類推。也就是說(shuō)，在圖3例中，我們檢測(cè)出在這次呼叫中共出現(xiàn)了11次丟包。

　?。?）沿切割、抖動(dòng)和丟包測(cè)試

　　在分組交換網(wǎng)中，沿切割、抖動(dòng)和丟包通常是相伴而出的。如前所述，其產(chǎn)生的根源都在語(yǔ)音編碼器，因此該3項(xiàng)指標(biāo)可以在一次測(cè)量中完成。圖4示出了沿切割和抖動(dòng)對(duì)信號(hào)的影響。用戶可以在不少于12個(gè)測(cè)試信號(hào)周期內(nèi)選擇不同的脈沖占空比（如25％、50％、75％或100％）以補(bǔ)償在“靜音”時(shí)有可能產(chǎn)生的丟包。測(cè)試過(guò)程如下：建立呼叫→被叫應(yīng)答→被叫送測(cè)試信號(hào)到主叫→主叫調(diào)整脈沖電平→主叫與測(cè)試信號(hào)同步→一旦電平調(diào)整與同步完成，開(kāi)始檢測(cè)抖動(dòng)、前沿切割、后沿切割及丟包。

　?。?）延時(shí)測(cè)量

　　單向延時(shí)測(cè)量過(guò)程如下：主叫發(fā)起呼叫→被叫應(yīng)答→被叫送出長(zhǎng)度為100ｍｓ的帶有時(shí)標(biāo)標(biāo)記的測(cè)試音信號(hào)到主叫→主叫檢測(cè)收到的信號(hào)，并對(duì)時(shí)標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，分辨力±5ｍｓ→呼叫完成后，儀器中的ＤＳＰ將測(cè)量數(shù)據(jù)輸出到ＬＧＣ存儲(chǔ)。

　　回路延時(shí)測(cè)量依此類推，分辨力變?yōu)椤?0ｍｓ。

　　
摘自　中國(guó)寬帶網(wǎng)

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