IP電話語音質量的測試

2019-11-03 09:03:35

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供稿：網友

崔建平

　　摘要:從語音質量這一根本性的指標分析入手，對ip電話網絡中影響語音質量的主要因素作定量分析并介紹其測量方法，以便對全面評估IP電話網絡的性能提供參考數據。

　　關鍵詞:IP電話語音質量分析測試

　　1?。桑须娫捑W絡語音質量的特殊問題

　　與普通電話網比較，ＩＰ電話網采用了語音壓縮編碼算法，將話音用數據包的形式在分組交換網上傳遞，因此其對傳輸線路的時空利用率都有大幅度的提高。但ＩＰ電話也遇到了傳統電話不太關注的語音質量問題。事實上，目前ＩＰ電話的用戶都會感覺到通話過程中隨時會出現令人難以忍受的語音畸變和頻繁的斷話現象。引起語音質量惡化的原因主要是ＩＰ電話網延時、丟包（包括數據包丟失和數據包排序溢出）、沿切割和抖動，其中延時問題尤為明顯。

　　ＩＰ電話網中，網關或路由器內部的語音編碼器（Ｖｏｃｏｄｅｒｓ）對帶內音頻信號進行打包和重組。這些器件對確認接收和有效數據包接收的順序進行糾錯檢查，一旦發現錯誤，將命令重發，而重發相關數據包則不可避免地造成傳輸上的延時。網關或路由器上的另一個重要組成部分——緩存器（Ｂｕｆｆｅｒ）即為容納這些延時的數據包而設置。一般地講，緩存器的容量越大，數據包被損壞的機率就越小，但同時延時卻會增大。這是一對矛盾，需要系統設計和管理者來綜合平衡，選擇最佳的配置。圖1示出了ＩＰ電話網絡中延時的分布情況。

　　非常明顯，在ＩＰ電話網中影響語音質量的因素是由其結構決定的特殊問題，而且各因素之間存在著此消彼長的制約關系。因此，根據電信網絡服務質量（ＱｏＳ）的要求，建立一套客觀評估標準，并對ＩＰ電話網的語音服務質量進行定量分析和測量就擺在了從事這項工作的人們面前。

　　為了便于下文進行的關于測試方案的介紹，現就ＩＰ電話有關的術語解釋如下。

　?。?）回音抑制（ＥｃｈｏＣａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）

　　其定義由ＩＴＵ－Ｔ建議Ｇ．168給出?；匾粢种频墓δ苁怯孟辔谎a償的方法抵消串入遠端發送信號中的遠端接收信號。其目標是消除延時超過45ｍｓ的回聲，因為當回音超過45ｍｓ時，發話方就能夠聽到反射回來、滯后的自己的聲音。

　　（2）語音活動檢測器（ＶＡＤ，ＶｏｉｃｅＡｃｔｉｖａｔｉｏｎＤｅｔｅｃｔｏｒ）

　　該器件在信號電平低于某一特定的門限值時，將限制數據包的傳輸，此時其提供空閑（ｉｄｌｅ）或者“舒適噪音”（Ｃｏｍｆｏｒｔｎｏｉｓｅ）以避免電話用戶感到“斷線”（ｄｅａｄａｉｒ），ＶＡＤ是當線路狀態從空閑變成傳遞信號時產生“前沿切割”（“Ｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅｃｌｉｐｐｉｎｇ”）和當線路狀態從傳遞信號變成空閑時產生“后沿拖尾”（“ｔｒａｉｌｉｎｇｅｄｇｅｃｌｉｐｐｉｎｇ”）的根源。

　　（3）語音編碼器（ＶｏｉｃｅＣｏｄｅｒ－ｄｅｃｏｄｅｒ，Ｖｏｃｄｅｒ）

　　該器件應用一種對人類語音有特殊功效的壓縮算法，將模擬語音轉換成數字比特流。語音編碼器工作時僅需＜64ｋｂ／ｓ的帶寬。這種算法不僅適用于語音的壓縮，在增加專門應用軟件條件下，它亦可支持調制解調器和傳真的應用。語音編碼器是在ＩＰ電話網中上產生延時的一個重要因素。

　　（4）語音壓縮算法（ＶｏｉｃｅＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍ）

　　人類語音交流過程中，通常有50％的時間為靜音（Ｓｉｌｅｎｔ）。為了節約帶寬，就必須壓縮靜音。同時還要使用不同的算法來對普通電話呼叫中的人類語音及其中所含的諸如ＤＴＭＦ等特殊的控制音調轉換的指令進行壓縮打包，并將其送達接收端。

　?。?）緩存器（Ｂｕｆｆｅｒ）

　　緩存器用于管理信息，使其按順序從點到點依次通過。在諸如網關這樣的器件中，緩存器的功能是處理兩個方向的信息流。即語音編碼器與分組交換網之間的發送信息流和分組交換網與語音編碼器之間的接收信息流。緩存器通常按需要來設置其容量，而緩存器的溢出和冗余均是導致丟包、延時和抖動的重要因素。

　　2?。桑须娫捳Z音質量的測試

　　2.1　測試參數

　　ＩＰ電話網中的語音質量問題是普通電話網中不存在的特殊問題，能否對其進行定量的分析測量，并依據測量結果對ＩＰ電話網中各器件進行調整，使其達到最佳的語音質量，已成為決定ＩＰ電話生存發展的必要條件。衡量語音質量有4個重要參數，即：

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

　　· 丟包（Ｄｒｏｐｐｅｄ－ｏｕｔ）；

　　· 抖動（Ｊｉｔｔｅｒ）；

　　· 沿切割（Ｃｌｉｐｐｉｎｇ）。

　　根據測試經驗和理論分析，若使ＩＰ電話的語音質量接近普通電話，單向延時的指標最好＜100ｍｓ，最大不能超過250ｍｓ（見圖1），而丟包率不能超過5％。

　　2.2　原有的測試方法

　　隨著ＩＰ電話技術的發展，人們不斷尋求測試方法，以便能規范ＩＰ電話設備的技術標準。最初ＩＴＵ－Ｔ建議Ｐ．800提出了ＭＯＳ（ＭｅａｎＯｂｊｅｃｔｉｏｎＳｃｏｒｅ）的方法。即請40 ～ 60 位有代表性的人士來聽一段相同的語音樣本，然后對該樣本經過ＩＰ電話傳輸后的語音質量進行投票評價。隨著語音因語言、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量。ＩＴＵ－Ｔ選取在非常寬的聽覺范圍內，不同年齡、性別和語言組別的相同得分，作出語音質量的判別標準：5：最佳 4：好（4.5 － 4.0 ＝可收費電信級） 3：中級（4.0 － 3.5 ＝可通話通信級） 2：較差（3.5 － 2.5 ＝可建立連接級） 1：差很顯然，ＭＯＳ方法是一種模糊的評估方法，其測試結果很難對ＩＰ電話系統的改進和不同ＩＰ電話設備之間性能的比較作出有實際意義的判別。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?個級別作為客觀標準，所不同的是其對每一個級別都以百分比的方式作出了差／最差（％ＰｏＷ，ＰｅｒｃｅｎｔＰｏｏｒｏｒＷｏｒｓｅ）和好／最好（％ＧｏＢ，ＰｅｒｃｅｎｔＧｏｏｄｏｒＢｅｔｔｅｒ）的進一步描述。根據Ｐ．861提出的ＰＳＱＭ方法，ＩＰ電話的測試開始擺脫原始的人類主觀評估，而開始使用計算機產生的波型文件（ＷａｖｅＦｉｌｅ），通過比較其通過ＩＰ電話網傳輸前后的變化計算出ＰＳＱＭ中相對應的級別及好壞程度。

　　ＰＳＱＭ無疑比ＭＯＳ前進了一步，但其實質仍然是一種定性評估的方法，不能準確給出影響ＩＰ電話網語音質量的諸因素的量值，而且波形文件不能完全代表各種不同年齡、性別、語言的人類語音通過ＩＰ電話網時的真實情況，同時在具體測試中必須令波形文件信號返回方可進行比較，這樣就無法測量網絡端到端的單向延時，這些都是ＰＳＱＭ的局限和缺憾。

　　顯然ＩＰ電話技術的發展迫切需要一種能定量分析測量其影響語音質量的4個參數的方法和相應儀器設備。

　　3　Ａｍｅｒｉｔｅｃ的測試方案

　　針對ＩＰ電話網的特點和對其語音質量測試的要求，Ａｍｅｒｉｔｅｃ在長期從事電路交換語音測試和模擬語音傳輸損耗測試（ＴＩＭＳ）研究的理論上，開發了用于分組交換系統測試的專利技術——“ ＧｏｌｄｅｎＶｏｉｃｅ ”。

　　“ＧｏｌｄｅｎＶｏｉｃｅ”是一個復合音調發生器，其產生的復合音調信號可以確保其作為測試音信號可靠地通過所有現在的語音編碼器和譯碼器（如Ｇ．711，Ｇ．728，Ｇ．729，ＧＳＭ，ＣＤＭＡ等）。

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

　　根據圖2所示，可以提供的ＩＰ電話測試功能及指標如下。

　?。?）丟包測量（ＤｒｏｐｏｕｔＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）

　　語音丟包檢測器可以連續地測量每一個語音通道的音頻能量，對檢測出的由于打包或幀丟失引起的超過5ｍｓ的丟包進行計數，并可對不同長度的丟包進行統計。

　　（2）前后沿切割測量（ＬｅａｄｉｎｇａｎｄＴｒａｉｌｉｎｇＥｄｇｅＣｌｉｐｐｉｎｇＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）

　　檢測網關中相應部件對從靜音—講話和從講話—靜音之間的過渡狀態的響應。

　?。?）抖動測量（ＪｉｔｔｅｒＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）

　　檢測瞬間的時序變化，±5ｍｓ分辨力。

　　（4）單向和回路延時測量（Ｏｎｅ－ｗａｙａｎｄＲｏｕｎｄ－ｔｒｉｐｄｅｌａｙＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）

　　各音頻通道獨立檢測，單向±5ｍｓ分辨力，回路±10ｍｓ分辨力。

　　4　測試分析

　?。?）丟包測試

　　圖3為丟包測試的時序圖，圖中的復合語音路由測試信號即為“ＧｏｌｄｅｎＶｏｉｃｅ”產生的一種偽隨機語音信號。在測試中，用戶可以自行設定分別為5，10，15，25，50或100ｍｓ的檢測門限值。

　　一旦呼叫建立后，被叫即將測試音信號送至主叫（該測試音將覆蓋語音編碼器的動態范圍），而主叫將檢測該信號通過ＩＰ電話后的狀態變化。

　　如圖3中“ａ”處，雖然出現丟包現象，但由于其時間間隔小于設定門限20ｍｓ，故在測試中忽略不計。“ｂ”處出現一個為20ｍｓ的丟包，則計數一次?！埃恪碧幊霈F總長200ｍｓ的丟包，則計數器按20ｍｓ門限值的整數倍統計為10次，依次類推。也就是說，在圖3例中，我們檢測出在這次呼叫中共出現了11次丟包。

　?。?）沿切割、抖動和丟包測試

　　在分組交換網中，沿切割、抖動和丟包通常是相伴而出的。如前所述，其產生的根源都在語音編碼器，因此該3項指標可以在一次測量中完成。圖4示出了沿切割和抖動對信號的影響。用戶可以在不少于12個測試信號周期內選擇不同的脈沖占空比（如25％、50％、75％或100％）以補償在“靜音”時有可能產生的丟包。測試過程如下：建立呼叫→被叫應答→被叫送測試信號到主叫→主叫調整脈沖電平→主叫與測試信號同步→一旦電平調整與同步完成，開始檢測抖動、前沿切割、后沿切割及丟包。

　?。?）延時測量

　　單向延時測量過程如下：主叫發起呼叫→被叫應答→被叫送出長度為100ｍｓ的帶有時標標記的測試音信號到主叫→主叫檢測收到的信號，并對時標進行測量，分辨力±5ｍｓ→呼叫完成后，儀器中的ＤＳＰ將測量數據輸出到ＬＧＣ存儲。

　　回路延時測量依此類推，分辨力變為±10ｍｓ。

　　
摘自　中國寬帶網

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