DE102009038599B4

DE102009038599B4 - Verfahren zur Messung der Sprachverständlichkeit in einem digitalen Übertragungssystem

Info

Publication number: DE102009038599B4
Application number: DE102009038599.1A
Authority: DE
Inventors: Oliver Längert; Michael Zimmer
Original assignee: DB Netz AG
Current assignee: DB Netz AG
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2015-02-26
Anticipated expiration: 2029-08-27
Also published as: DE102009038599A1

Abstract

Verfahren zur Messung der Sprachverständlichkeit in einem digitalen Übertragungssystem (GSM-R-System), wobei die Sprachverständlichkeit direkt an einer Senke gemessen wird und ein Zusammenhang zwischen mindestens einem definierten RxQual-Wert und der Sprachverständlichkeit hergestellt wird, wobei die Sprachverständlichkeit bei definierten RxQual-Werten des zu übertragenden Signals in einer Bandbreite von 300 Hz bis 3,4 kHz derart direkt gemessen wird, dass ein Audiosignal mit konstantem Pegel oder ein Rauschsignal (moduliertes Rauschen) über ein GSM-Modul in einen Netzwerkanalysator gespeist wird, im Netzwerkanalysator über eine Regelung der Feldstärke verschiedene RxQual-Werte provoziert und ausgewertet sowie das Audiosignal aufgezeichnet und über einen Lautsprecher ausgegeben werden und ein STI-Wert für die Sprachverständlichkeit direkt gemessen und anschließend daraus ein RASTI-Wert abgeleitet wird, wobei die Auswertung nur im Sprachband erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Sprachverständlichkeit in einem digitalen Übertragungssystem, vorzugsweise einem GSM-R-System.
Im Gegensatz zur Nachhallzeit, wo der Raum als Ganzes akustisch beschrieben wird, beurteilt man bezüglich der Sprachqualität einzelne Hörerplätze oder Gruppen von Plätzen. Grundsätzlich ist die Güte der Sprachverständlichkeit in einem Raum abhängig von der Nachhallzeit und der Lautstärke von Störsignalen. Für eine gute Sprachverständlichkeit muss die Nachhallzeit niedrig sein. An der Sprecherposition wird dabei ein Schallsender aufgestellt, welcher ein technisch der Sprache ähnliches Schallsignal aussendet. Am Hörerplatz befindet sich ein zweites Gerät als Empfänger und berechnet nach einer Analyse der empfangenen Signale einen RASTI-Wert. Dieser liegt zwischen 0 und 1 und kann der Sprachverständlichkeit wie folgt zugeordnet werden:
RASTI ist eine abgekürzte Variante des Speech Transmission Index-STI.
Man unterscheidet dabei zwei grundsätzliche Klassen von Messverfahren:

1. subjektive Verfahren: Eine Durchsage bzw. spezielle Wortfolgen werden von mehreren Probanden gehört und beurteilt. Durch statistische Auswertungen werden Parameter für die Sprachverständlichkeit abgeleitet. Letztlich ist die Sprachverständlichkeit für menschliche Zuhörer die Referenz, allerdings sind diese Verfahren sehr aufwendig. Derartige Tests sind in der ISO 4870 standardisiert.
2. Objektive Verfahren: Mit Hilfe von speziellen Messsignalen werden Parameter abgeleitet, die anhand von aufwendigen Untersuchungen möglichst gut mit subjektiven Sprachtests korrelieren. Sehr weit verbreitet sind Verfahren basierend auf der DIN/IEC 60268-16, die auch die Grundlage bestimmter Computerprogramme darstellen. Durch die Standardisierung ist eine erhöhte Reproduzierbarkeit gegeben und viele Fehlerquellen bei subjektiven Tests entfallen.

Aus der Automobilbranche ist ein Verfahren zur automatischen Messung der Sprachverständlichkeit in Kraftfahrzeugen bekannt, bei dem ein Testwort mittels eines Lautsprechers von einem Computer in die Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeuges eingespielt wird, bei dem synchron mit dem Einspielen des Testwortes das Innengeräusch, das sich aus dem Testwort und einem Störgeräusch zusammensetzt, mittels eines Mikrofons vom Computer aufgenommen wird, bei dem anschließend das aufgenommene Innengeräusch im Computer im Hinblick auf das Verhältnis des Testwortpegels zum Störgeräuschpegel ausgewertet wird und bei dem aus dem Ergebnis der Auswertung ein Sprachverständlichkeitswert gebildet wird ( DE 198 13 285 B4 ).
Aus der WO 2007/035140 A1 ist eine Methode zur Messung der Sprachverständlichkeit mobiler Kommunikationsnetzwerke im Moment des Gegensprechens bekannt. Diese Methode dient der Optimierung der netzinternen Algorithmen zur Verbesserung der Sprachverständlichkeit, im Speziellen der Unterdrückung von Echos beim Gegensprechen bei unterschiedlich langen Kommunikationswegen.
Bekannt ist ein Verfahren zur Ermittlung einer die Qualität einer digitalen Sprachübertragung kennzeichnenden Größe, wobei in gleichbleibenden Zeitabständen eine Bitfehlerrate ermittelt wird, die ermittelte Bitfehlerrate für einen Zeitabschnitt gespeichert und unter Verwendung einer Transformationsvorschrift in eine die Qualität kennzeichnende Größe umgewandelt und einer mehrdimensionalen Regressionsanalyse unterzogen wird ( EP 0 714 188 A1 ).
In SoftCom 2006, pp. 204–208; Parametric Models for Speech Quality Estimation in GSM Networks; Barile, M., Camarda, P., Dell'Aquila, R., Vitti, N wird eine Sprachqulitätsmessung in GSM beschrieben, wobei aus RXQUAL-Messungen mittels einer Transformation PESQ- und MOS-Werte berechnet werden.
Dies findet sich in ähnlicher Art und Weise auch in IEEE PIMRC 2003, vol. 3, pp. 2611–2615, Jan. 2004; Parameter-based speech quality measures for GSM; Werner, M, Kamps, K., Tuisel, U., Beerends J. G. wieder.
In der US 6 201 960 B1 wird die Berechnung einer Sprachqualität PSQM in GSM anhand von physikalischen Messwerten wie BER, FER, RXQUAL etc. beschrieben.
Die US 2002/0 099 551 A1 offenbart ein Handmessgerät für direkte STI/RASTI-Messungen.
Ein ähnliches Mess-System für Sprachqualität mittels STI/RASTI-Messungen in Gebäuden zeigt die US 2007/0 192 098 A1 .
In der US 2009/0 012 794 A1 wird schließlich ein automatisches Mess-System für Sprachqualität mit einer Anzeige an den Sprecher in Vortragsräumen beschrieben, wobei STI/RASTI-Werte berechnet werden.
Im bei den Eisenbahnen bekannten GSM-R-System sind Sprachapplikationen mit Sicherheitsaufgaben implementiert, d. h. im Rahmen dieser Applikationen muss die Sprachverständlichkeit zwischen Sender (Quelle) und Empfänger (Senke) sichergestellt werden. Dies ist im Rahmen der Applikationen Zug- und Rangierfunk für eine sichere und flüssige Eisenbahnbetriebsführung unabdingbar.
Bei dem GSM-/GSM-R-System handelt es sich um ein digitales Übertragungssystem. Die Qualität des Übertragungsweges wird, entsprechend GSM-Spezifikation, u. a. über die Bitfehlerrate gemessen. Dabei sind bestimmten Wertebereichen der Bitfehlerrate zur besseren Übersicht Ganzzahlen von 0 bis 7 zugeordnet. Diese werden als RxQual-Werte bezeichnet.
Da die Sprache in diesem System digital übertragen wird, besteht zwischen der Bitfehlerrate, d. h. dem RxQual-Wert, und der Sprachverständlichkeit ein Zusammenhang.
Da die Sprachverständlichkeit bisher insbesondere in öffentlichen GSM-Netzen keine grundlegende Rolle spielte, existieren keine Betrachtungen, um vom genannten RxQual-Wert auf die Sprachverständlichkeit einer Verbindung zu schließen.
Der bekannte Stand der Technik weist folgende Nachteile auf:

1. Im GSM-/GSM-R-System wird für ein übertragenes Signal die Bitfehlerrate (RxQual-Wert) gemessen. Die Sprachverständlichkeit wird bei den vorhandenen Qualitätskennzahlen nicht berücksichtigt
2. Es existiert derzeit kein Zusammenhang zwischen den verschiedenen RxQual-Werten und der Sprachverständlichkeit.
3. Es existiert keine Möglichkeit die Sprachverständlichkeit einer Verbindung im GSM-/GSM-R-System direkt von Quelle zu Senke zu messen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Rahmen eines GSM-R-Netzes ein Verfahren anzuwenden, welches es erlaubt, die Sprachqualität sicher und nachvollziehbar sowie weitgehend automatisch zu messen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass
die Sprachverständlichkeit bei definierten RxQual-Werten des zu übertragenden Signals in einer Bandbreite von 300 Hz bis 3,4 kHz derart direkt gemessen wird, dass ein Audiosignal mit konstantem Pegel oder ein Rauschsignal (moduliertes Rauschen) über ein GSM-Modul in einen Netzwerkanalysator gespeist wird, im Netzwerkanalysator über eine Regelung der Feldstärke verschiedene RxQual-Werte provoziert und ausgewertet sowie das Audiosignal aufgezeichnet und über einen Lautsprecher ausgegeben werden und der STI-Wert für die Sprachverständlichkeit direkt gemessen und anschließend daraus der RASTI-Wert abgeleitet wird, wobei die Auswertung nur im Sprachband erfolgt.
Als Signal werden ein Hörbuch und/oder eine CD mit einem speziellen Messsignal (moduliertes Rauschen) mit konstantem Pegel verwendet. Die Sprachverständlichkeit wird dabei direkt an der Senke des Übertragungssystems gemessen. Im Empfänger wird eine Rückwandlung des digitalen Signals in ein analoges Signal durchgeführt, welches für die Messung verwendet wird. Der Modulationsgrad des analogen Signals wird von Ausgang zu Eingang ins Verhältnis gesetzt und der ermittelte Wert wird als ein objektives Maß für die Sprachverständlichkeit verwendet. Der Übertragungsweg des GSM-R-Systems setzt sich aus einem Anteil drahtgebundener und einem Anteil funkbetriebener Übertragung zusammen. Die Verwendung des Hörbuches dient dabei der Gewinnung eines subjektiven Eindruckes für die Sprachverständlichkeit, während das modulierte Rauschen der direkten Messung der Sprachverständlichkeit an der Senke des Systems verwendet wird.
Durch die Messung der Sprachverständlichkeit bei verschiedenen definierten RxQual-Werten ist es weiterhin möglich einen Zusammenhang zwischen dem RxQual-Wert einer Verbindung und der daraus resultierenden Sprachverständlichkeit abzuleiten.
Vorteile der Erfindung:

– erstmals ist eine direkte Messung der Sprachverständlichkeit eines digitalen Übertragungsweges sicher und nachvollziehbar möglich
– es kann auf ein Mikrofon zur Einspeisung des Rauschsignals verzichtet werden
– das Rauschsignal kann direkt vom Abspielmedium (CD) in das GSM-R-Netz eingespeist werden
– die direkte Messung erfolgt nur an der Senke des Übertragungssystems
– es kann erstmalig ein direkter Zusammenhang zwischen definierten RxQual-Werten des Übertragungsweges und der Sprachverständlichkeit des übertragenen Signals hergestellt werden.

Ausführungsbeispiel
Anhand eines Ausführungsbeispieles soll nachfolgend die Erfindung näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 – Prinzipschaltbild der Messung
2 – Messaufbau Festnetz zu Mobilnetz
3 – Messaufbau Mobil- zu Mobilnetz
4 – Messaufbau Mobil zu Festnetz/Sprachspeicher
5 – Messaufbau zur Ermittlung des Zusammenhangs zwischen dem RxQual-Wert und der Sprachverständlichkeit einer Verbindung
In 1 ist die Erfindung im Prinzipschaltbild dargestellt. Dabei erfolgt über die Signalquelle 1 (Rauschquelle) die Einspeisung 2 des Signals in das GSM-R-Netz 3. Über die Luftschnittstelle 4 wird die Störung 5 eingegeben. Das Signal wird anschließend am Endgerät 6 ausgelesen und einem Messgerät (Systemanalyser) 7 zugeführt. Alternativ kann das Signal auch aufgezeichnet und per Software ausgewertet werden.
In 2 wird der Messaufbau Festnetz zu Mobil beschrieben. Dabei wird das Signal (Rauschen) mit konstantem Pegel über einen Lautsprecher 12 von der Signalquelle 1 über das Mikrofon eines ortsfesten GSM-R-Endgerätes 8 in das GSM-R-Netz 3 eingespeist. Über die Luftschnittstelle 4 wird die Störung 5 eingegeben. Über das mobile GSM-R-Endgerät 9 erfolgt der Empfang des Signals und entweder die Aufzeichnung über einen Schnittstellenwandler 10 und einen Laptop 11 als wav-Datei oder die Ausgabe über einen Lautsprecher (Freisprecheinrichtung) 12 mit anschließender direkter Messung der Sprachverständlichkeit mittels Messgerät (Systemanalyzer) 7. Alternativ kann die Auswertung des aufgezeichneten Signals im Nachgang mittels Software erfolgen.
In 3 wird der Messaufbau Mobil zu Mobil beschrieben. Hier wird von der Signalquelle 1 (Rauschquelle) das Signal von einer CD über einen Schnittstellenwandler 10 (3,5 mm Klinkenstecker auf gerätespezifischen Anschluss des mobilen GSM-R-Endgerätes) an das mobile GSM-R-Endgerät 9 gegeben. Über die Luftschnittstelle 4 erfolgt unter Eintrag der Störung 5 die Übertragung über das GSM-R-Netz 3 und anschließend wieder über eine weitere Luftschnittstelle 4 unter Eintrag weiterer Störungen 5 an das mobile GSM-R-Endgerät. Hier kann das Signal zum einen über einen Schnittstellenwandler 10 und einen Laptop 11 als wav-Datei aufgezeichnet werden, zum anderen kann eine Ausgabe über Lautsprecher (Freisprecheinrichtung) 12 und Messung mittels Messgerät (Systemanalyzer) 7 erfolgen. Alternativ kann die Auswertung des aufgezeichneten Signals im Nachgang mittels Software erfolgen.
In 4 wird der Messaufbau von Mobil zum Festnetz über den Sprachspeicher beschrieben. Dabei wird von der Signalquelle 1 (Rauschquelle) das Signal von einer CD über einen Schnittstellenwandler 10 (3,5 mm Klinkenstecker auf gerätespezifischen Anschluss des mobilen GSM-R-Endgerätes) und ein mobiles GSM-R-Endgerät 9 sowie die Luftschnittstelle 4 mit Störungseintrag 5 in das GSM-R-Netz 3 eingespeist. Im GSM-R-Netz 3 erfolgt die Übertragung des Signals über den Sprachspeicher 13 an ein ortsfestes GSM-R-Endgerät. Dort erfolgt die Aus- und Weitergabe des Signals an das Messgerät (Systemanalyzer) 7. Alternativ kann das durch den Sprachspeicher aufgezeichnete Signal auch in seiner Form als wav-Datei per Software ausgewertet werden.
5 beschreibt den Messaufbau zur Ermittlung des Zusammenhangs zwischen dem RxQual-Wert und der Sprachverständlichkeit einer Verbindung im GSM-/GSM-R-Netz. Als Signalquelle 1 dient ein Laptop 14, der ein Audiosignal mit konstantem Pegel bzw. das für die RASTI-Messung erforderliche Rauschsignal (moduliertes Rauschen) über ein GSM-Modem 15 in einen Netzwerkanalysator 16 speist. Im Zusammenhang mit dem Audiosignal ist es wichtig, dass dieses einen konstanten Ausgangspegel aufweist. Im Netzwerkanalysator 16 werden über die Regelung der Feldstärke verschiedene Bitfehlerraten provoziert. Das Ausgangssignal des Netzwerkanalysators 16 wird wieder über das GSM-Modem 15 dem Laptop 14 zugeführt. Auf dem Laptop 14 wird zum einen die resultierende Bitfehlerrate in Form des RxQual-Wertes ausgewertet, zum zweiten wird mittels des Audiorecorders 17 das jeweils empfangene Signal aufgezeichnet. Des Weiteren wird das Signal über einen Lautsprecher 12 ausgegeben um einerseits Mithören zu können und andererseits mittels Messgerät 7 die Sprachverständlichkeit messen zu können. Als Messgerät 7 kann hierbei ein Acoustilizer zum Einsatz kommen.
Das verwendete Messgerät 7 gibt direkt den Wert STI für die Sprachverständlichkeit aus. Der RASTI-Wert wird im Nachhinein aus diesem Wert gebildet. Als Signale werden einmal ein Hörbuch zur Gewinnung eines subjektiven Eindrucks und zum anderen eine CD mit dem speziellen Messsignal (moduliertes Rauschen) für die RASTI-Messung verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Signalquelle (Rauschquelle)
2: Einspeisung
3: GSM-R-Netz
4: Luftschnittstelle
5: Störung
6: Endgerät
7: Messgerät (Systemanalyser)
8: ortsfestes GSM-R-Endgerät
9: mobiles GSM-R-Endgerät
10: Schnittstellenwandler
11: Laptop (Rechner)
12: Lautsprecher
13: Sprachspeicher
14: Laptop mit CD-Wiedergabe und RxQual-Monitoring
15: GSM-Modem
16: Netzwerkanalysator
17: Audiorecorder (Software auf Laptop)

Claims

Verfahren zur Messung der Sprachverständlichkeit in einem digitalen Übertragungssystem (GSM-R-System), wobei die Sprachverständlichkeit direkt an einer Senke gemessen wird und ein Zusammenhang zwischen mindestens einem definierten RxQual-Wert und der Sprachverständlichkeit hergestellt wird, wobei die Sprachverständlichkeit bei definierten RxQual-Werten des zu übertragenden Signals in einer Bandbreite von 300 Hz bis 3,4 kHz derart direkt gemessen wird, dass ein Audiosignal mit konstantem Pegel oder ein Rauschsignal (moduliertes Rauschen) über ein GSM-Modul in einen Netzwerkanalysator gespeist wird, im Netzwerkanalysator über eine Regelung der Feldstärke verschiedene RxQual-Werte provoziert und ausgewertet sowie das Audiosignal aufgezeichnet und über einen Lautsprecher ausgegeben werden und ein STI-Wert für die Sprachverständlichkeit direkt gemessen und anschließend daraus ein RASTI-Wert abgeleitet wird, wobei die Auswertung nur im Sprachband erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als Signal ein Hörbuch und/oder eine CD mit einem speziellen Messsignal (moduliertes Rauschen) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Sprachverständlichkeit direkt an der Senke des Übertragungssystems gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass im Empfänger eine Rückwandlung des digitalen Signals in ein analoges Signal durchgeführt wird, welches für die Messung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass der Modulationsgrad des analogen Signals von Ausgang zu Eingang ins Verhältnis gesetzt und der ermittelte Wert als ein objektives Maß für die Sprachverständlichkeit verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass der Übertragungsweg des GSM-R-Systems aus einem Anteil drahtgebundener und einem Anteil funkbetriebener Übertragung zusammengesetzt wird.