无线通信语音质量测量结果的不确定度范文

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【摘要】在标准测试环境中测量手机通话语音质量，可评估手机抗击信道衰落的能力。本文分析了在电磁混响室中测量手机终端通话语音质量测量结果的不确定度，分A类评定方法和B类评定方法进行评定，测量不确定度影响量包括四个主要因素：测量结果的重复性；直放站外接天线处的语音质量；混响室内搅拌桨的桨叶位置变化；语音质量测量试验装置测量准确度。

【关键词】语音质量;测量标准不确定度;测量不确定度

引言

无线通信语音服务是现代社会中不可缺少的通信方式，其通话语音质量日益受到重视。无线链路质量是影响通话语音质量的关键因素，电磁混响室能够稳定复现无线信道的时延扩展参数，构建了一个标准的无线链路质量测试环境。在电磁混响室中模拟真实场景下的信道衰落，可用于无线通信系统的设计，即通过测试的手段评估通信系统在模拟衰落信道下的通信质量，从而提出改进措施，最终提升通信系统在真实场景下的通信质量。湖南省计量检测研究院研制了无线通信通话语音质量测量试验装置，通过测量在电磁混响室施加不同程度的多径干扰下的通话语音质量变化情况，可以反映出被测手机抗击信道衰落的性能，从而为改进和提升手机在真实场景下的通话语音质量而服务，具有较强的实用意义。其中，通话语音质量测量结果的不确定度评定，是该项测试工作中的重要环节。

1测量条件

在电磁混响室这一标准环境中，采用无线通信通话语音质量测量试验装置测量手机终端（三星SM-G360）的通话语音质量，分析和评定测量结果的不确定度。

1.1电磁混响室

电磁混响室是标准的链路质量测试环境，可稳定复现时延扩展参数。本测试所用混响室位于中国计量科学研究院昌平基地，内腔体净尺寸为6.43m（长）×5.09m（宽）×5.57m（高）。混响室是强多径干扰的电磁环境，通过放置吸波材料可降低多径效应，通过在混响室中旋转金属搅拌浆可对多径效应的影响进行平均，从而实现对时延扩展的控制。吸波材料由椎体组成，每个椎体的底面是边长为6.8厘米的正方形，椎体高度为17.8厘米。1块大尺寸吸波材料是由81个椎体组成的9×9的椎体阵。

1.2通话语音质量测量试验装置

无线通信通话语音质量测量试验装置（HNJL-VQM-1型）由湖南省计量检测研究院研制，主要包括：移动通信直放站、笔记本电脑、语音测试盒以及语音质量测量软件等。进行语音质量测试时，由计算机通过测试软件控制主叫手机发出一个标准的声音波形，经过GSM网络到达被叫手机，测试软件对收到的波形与发出的波形进行比较、计算后得出通话语音质量评估值。试验装置采用的算法为国际电信联盟提出的语音质量感知评估（PerceptualEvaluationofSpeechQuality，PESQ）算法，语音质量得分范围是-0.5至4.5分。在数字语音通信中，通常认为语音质量得分在4.0至4.5分之间为高质量数字化语音，接近于透明信道编码。得分在3.5分左右，能感到通话质量有所下降，但不妨碍正常通话。得分在3.0以下，虽然有较高的可懂度，但自然度较差。

1.3测试环境搭建

通过移动通信直放站将GSM信号引入电磁混响室中，使得两台手机终端之间可进行语音拨打，从而可在电磁混响室模拟的不同程度的干扰环境中实现语音质量测量。设备连接见图2，其中直放站与混响室中的发射天线相连。

2测量模型及不确定度传播律

2.1测量模型

在混响室内测量语音质量时，由混响室的工作方式和物理特性决定，用搅拌桨多次旋转后，在各个桨叶步进位置测量值的平均值来表征混响室内的语音质量测量结果。在本评定示例中，电磁混响室内放置1块大尺寸吸波材料，搅拌桨转动100次，每次转动3.6°。搅拌桨每转动一次后，连续测量语音质量20次并记录。式中：Va——各个桨叶步进位置处语音质量测量值的平均值，本示例中100个位置处测量结果均值为3.797分；

2.2不确定度传播律灵敏系数为：不确定度传播律为：

3标准不确定度的来源及评定

标准不确定度来源包括：测量重复性引入的标准不确定度u(γ1)；直放站外接天线处的语音质量引入的标准不确定度u(γ2)；混响室内搅拌桨的桨叶位置变化引入的标准不确定度u(γ3)；语音质量测量试验装置测量准确度引入的标准不确定度u(γ4)。标准不确定度u(γ1)、u(γ2)、u(γ3)采用A类评定，标准不确定度u(γ4)采用B类评定。

3.1测量重复性引入的标准不确定度u(γ1)

电磁混响室内放置1块大尺寸吸波材料，重复性条件下进行20次测量，所得数据见表1。单次测量的实验标准差：式中，n为重复测量次数，V(i)为第i次测量的得分，E为n次语音质量测量得分的均值。对于单次测量结果，则有：将20次语音质量测量值取平均后，样本均值的标准差（即测量重复性引入的标准不确定度）为：

3.2直放站外接天线处的语音质量引入的标准不确定度u(γ2)

将无线通信通话语音质量测量试验装置放置于电磁混响室外，直放站外接天线处。试验装置及手机终端连接通信运营商GSM网络，进行通话语音质量测量，测量时间总计5小时，每隔5分钟进行一组测量，总计进行了35组测量，在每一组测量中连续测量语音质量20次并记录。混响室外语音质量测量结果统计见表2。表中，混响室外语音质量得分标准差按下式计算：式中，m为混响室外语音质量测量次数，V(j)为第j次测量的得分，Ey为混响室外共m次语音质量测量得分的均值。则有：

3.3混响室内搅拌桨的桨叶位置变化引入的标准不确定度u(γ3)

电磁混响室内放置1块大尺寸吸波材料，搅拌桨转动100次，每次转动3.6°。搅拌桨每转动一次后，连续测量语音质量20次并记录。则不同桨叶位置的测量结果标准差为：将100个位置处语音质量测量值取平均后，样本均值的标准差（即桨叶位置变化引入的标准不确定度）为：保留小数点后三位数字，取u(γ3)=0.002。

3.4语音质量测量装置准确度引入的标准不确定度u(γ4)

进行测量时，语音质量测量试验装置采用的算法为PESQ算法，其语音质量测量值与实际主观评估值的相关度为97%，则在3.8分测量点处的绝对误差为：在区间内可认为服从均匀分布，包含因子k＝，则有：

4合成标准不确定度的评定

表3为标准不确定度一览表。

5扩展不确定度

取包含因子k=2，则有：

6测量结果报告

电磁混响室内放置1块大尺寸吸波材料时，语音质量测量结果为：

7总结

本文介绍了在电磁混响室中测量手机终端通话语音质量的测试方法，分析了测量不确定度来源和影响，给出了测量结果不确定度评定实例，为相关测试工作的开展提供了技术参考。

参考文献

[1]JJF1059.1-2012，测量不确定评定与表示[S].北京：中国计量出版社，2013

[2]倪育才.实用测量不确定度评定[M].北京：中国计量出版社，2009

[3]王晶，谢湘，李婧欣，等.音频质量评价标准研究[J].信息技术与标准化，2014（3）：39-42

作者：朱宪宇 熊婕 李庆先 刘良江 单位：湖南省计量检测研究院