Формування сигналу в радіоканалі

Процес формування сигналу в радіоканалі здійснюється в декілька етапів:

- аналого-цифрове перетворення;

- кодування мови;

- канальне кодування;

- модуляція.

Під час аналого-цифрового перетворення аналоговий мовний сигнал, обмежений смугою частот від 300 до 3400 Гц, за рахунок дискретизації (частота дискретизації дорівнює 8 кГц) перетворюється в амплітудно-імпульсно-модульований сигнал (АІМ). Далі кожна з дискет АІМ-сигнала кодується 8-розрядним двійковим кодом, тобто АІМ-сигнал перетворюється в ІКМ-сигнал. Внаслідок на виході аналого-цифрового перетворювача (АЦП) формується потік, швидкість якого дорівнює 64 кбіт/с.

З виходу АЦП оцифрований мовний сигнал надходить на кодер мови. Кодування мови у стандарті GSM здійснюється в рамках системи переривчастої передачі мови (DTX), що забезпечує підключення та роботу передавача тільки на час розмови і відключає його в паузах і наприкінці розмови. Одним з основних завдань кодування мови є стискання мовного сигналу з метою зниження швидкості передачі. Застосування при кодуванні в стандарті GSM вокодерних методів на основі методу лінійного передбачення (ЛП) дозволяє знизити швидкість передачі з 64 до 13 кбіт/с. Кодуванню піддаються відрізки мовного сигналу по 20 мс. За цей інтервал часу такі параметри мовного сигналу, як період основного тону, характер збудження (голосний або дзвінкий приголосний звук у співставленні із глухими звуками), коефіцієнт підсилення залишаються постійними. У стандарті GSM кодування здійснюється за методом RPE-LTP (лінійне передбачення зі збудженням регулярною послідовністю імпульсів і довгостроковим передбаченням). Сутність методу полягає в тому, що для передбачення поточної вибірки використовуються дані з попередніх виборок (диференціальна ІКМ). Кожна вибірка при кодуванні подається лінійною комбінацією попередніх вибірок і описується у вигляді коефіцієнтів цієї лінійної комбінації та закодованої різниці передбаченої і дійсної вибірок. Внаслідок такого кодування в інтервалі 20 мс формується 260 біт, за рахунок чого швидкість передачі знижується до кбіт/с. Отже, кодер мови забезпечує стискання мовного сигналу майже у 5 разів (64/13=4,92).

До складу вхідної інформації кодера мовного сигналу, обсягом 260 біт, входять:

- параметри фільтра короткочасного передбачення (36 біт);

- параметри фільтра довгострокового передбачення (36 біт);

- параметри сигналу збудження (188 біт).

Канальне кодування забезпечує захист від помилок переданої інформації. У стандарті GSM 260 біт інформації в інтервалі 20 мс-сегмента мови поділяється на 2 класи: клас 1 і клас 2. Клас 1 в свою чергу поділяється на два підкласи: підклас 1а – 50 біт найбільш чутливих, і підклас 1b – 132 біта, помірно чутливих до помилок. До класу 2 віднесені 78 біт, найменш чутливих до помилок. Структурна схема канального кодування наведена на рис. 3.5.

Інформація підкласу 1а кодується циклічним кодом (53, 50). При виявленні помилки вся вибірка відкидається і замінюється попередньою. Закодовані 53 біта, підкласу 1а 132 біта підкласу 1b і 4 додаткових нульових біти (усього 189 біт) подаються на згортковий кодер (2, 1, 5), швидкість кодування якого і довжина кодового обмеження . Формуючі поліноми згорткового кодера , . Після згоркового кодування 378 біт разом з 78 бітами класу 2 становлять 456 біт, внаслідок чого швидкість передачі стає рівною кбіт/с.

Після згорткового кодування 456 біт піддаються блочно-діагональному перемеженню, що зменшує вплив групових помилок (вони перетворюються в помилки малої кратності, які виправляються при декодуванні).

Після перемеження початкова послідовність із 456 біт поділяється на вісім 57-бітових блоків, тому що в кожному слоті розміщується два 57-бітових блоки (114 біт). Довжина слоту каналу трафіка з урахуванням додавання допоміжної і службової інформації становить 156,25 біт. Оскільки інформація одного 20-мілісекундного сегменту мови займає по одному слоту в чотирьох послідовних кадрах, то швидкість потоку цифрової інформації становить (4х156,25)/20х10^-3= 625/20х10^-3= 31,25 кбіт/с.

Рисунок 3.5 – Структурна схема канального кодування у стандарті GSM

Ця інформація (а саме 4x156,25 = 625 біт) стискається в часі у 8 разів, так що протягом одного кадру тривалістю 4,615 мс в одному частотному каналі передається інформація восьми часових слотов, внаслідок чого швидкість передачі цифрової послідовності зростає до (8x31,25) = 250 кбіт/с.

На кожні 12 кадрів каналу трафіка, що переносять мовну інформацію (у мультикадрі каналу трафіка інформаційними мовними кадрами є 1-12 і 14-25, у 13-му кадрі передається канал управління SACCH, а кадр 26-й – порожній, резервний) додається по одному кадру з інформацією управління каналу SACCH, який має швидкість 20,833 кбіт/с. Отже, швидкість інформаційної бітової послідовності (мовного сигналу) на виході кодера каналу становить: 250 + 20,833 = 270,833 кбіт/с.

Слід зазначити, що вище була розглянута процедура роботи кодера каналу тільки за завадостійким кодуванням мовного сигналу. Інформація ж каналів управління піддається блоковому і згортковому кодуванню у повному обсязі.

Так, для кодування інформації каналів: повільного сполученого каналу управління SACCH; швидкого сполученого каналу управління FACCH; каналу виклику РСН; каналу дозволу доступу AGCH; виділених закріплених каналів управління SDCCH використовуються блоковий кодер (n, k) (224, 184), згортковий кодер (n, k, K) (2, 1, 5), а також схема перемеження, аналогічна схемі перемеження за мовним каналом.

У каналах синхронізації SCH і випадкового доступу RACH використовуються інші схеми блокового кодування, а також згорткові кодери (2, 1, 5), що відрізняються від згорткових кодерів вищевказаних каналів управління.

При передачі комп'ютерних даних використовуються більш складні схеми згорткового кодування і перемеження, що забезпечують відповідно і більш високу якість передачі інформації.

Вихідні сигнали канального кодера надходять на модулятор, завданням якого є перенесення цифрового сигналу на несучу частоту, тобто модуляція радіосигналу цифровим відеосигналом.

У стандарті GSM використовується гауссова модуляція з мінімальним частотним зсувом (GMSK). При MSK-маніпуляції несуча частота дискретно, через інтервали часу, кратні тривалості інформаційного біта (T_C), приймає одне з двох значень (постійних протягом біту) – або , де – несуча частота радіоканалу, – частота (швидкість передачі) інформаційної бітової послідовності. Рознесення частот – мінімально можливе, при якому забезпечується ортогональність коливань із частотами і на інтервалі тривалістю, яка дорівнює одному біту ( ). При цьому, за час Тс між коливаннями частот і набігає різниця фаз, що дорівнює . Інакше кажучи, формування MSK радіосигналу здійснюється так, що на інтервалі одного інформаційного біта фаза несучої змінюється на . Безперервна зміна фази синусоїдального сигналу дає внаслідок цього частотну модуляцію з дискретною зміною частоти.

Найменування «гауссова» маніпуляція пояснюється тим, що послідовність інформаційних бітів на модулятор надходить через фільтр нижніх частот (ФНЧ) з гауссовою амплітудно-частотною характеристикою. Застосування гауссового фільтра дозволяє зменшити смугу частот випромінюваного радіосигналу. Для GMSK модуляції добуток смуги фільтра (F) на тривалість інформаційного біта ( ) становить величину .

Метод MSK логічно розглядати як метод квадратурної фазової маніпуляції (двократної відносної фазової маніпуляції (QPSK)), у якій прямокутні імпульси, що модулюють, тривалістю замінені напівхвильовими відрізками синусоїд або косинусоід. На рис. 3.6 наведена схема модулятора, часові діаграми, що ілюструють процес формування GMSK сигналу.

На діаграмі 1 подана вхідна бітова послідовність (а) модулятора.

На діаграмах 2 і 3 наведені послідовності непарних і парних біт вхідної послідовності відповідно, причому, тривалість кожного біта збільшена вдвічі, тобто кожен біт «розтягнутий» у часі до 2-бітового символу. Для зручності наступних пояснень прийнято, що послідовності і приймають значення +1 і -1 (значення -1 відповідає значенню 0 вхідної послідовності а). Внаслідок для кожного бітового інтервалу тривалістю розташовані один над одним значення і дають саме ту пару парного і непарного біт, які є аргументами закону модуляції.

Рисунок 3.6 – Структурна схема GSMK модулятора і часові діаграми його роботи

На рис. 3.6 4) і 5) показані форми сигналів, що модулюють, двох квадратурних каналів і , які отримують як добуток функцій і відповідно на квадратурні низькочастотні сигнали і .

Вихідний модульований сигнал виходить як результат перемножування модулюючих сигналів квадратурних каналів і з відповідними несучими і і підсумовування отриманих добутків.

На діаграмі рис. 3.6 6) надана початкова фаза модульованого сигналу.