Системах подвижной связи

При передаче по радиоканалам цифровые сигналы подвергают обработке (рис. 3.7). При этом преследуют несколько важных целей. Из телефонного сигнала устраняют избыточность, чтобы снизить скорость передачи. Снижение скорости передачи В [бит/с] приводит к сужению полосы радиосигнала П [Гц] = kВ [бит/с],что позволяетувеличить число каналов связи. В GSM, где для передачи цифрового сигнала по радиоканалу используют гауссовскую частотную манипуляцию с минимальным сдвигом фазы, k » 0,7.

Рис 3.7. Последовательность обработки речевого сигнала в MS

стандарта GSM

Избыточность в телефонном сигнале определяется присутствием в нем периодичности, повторяющихся процессов, которые можно предсказать. Для удаления избыточности речевой сигнал после первичного кодирования обрабатывают в специальном речевом кодере - вокодере (Voice Coder). В разных цифровых стандартах подвижной связи используют разные вокодеры, но все они предусматривают три этапа обработки речи (рис. 3.8).

Рис 3.8. Принцип работы речевого кодера

На первом этапе кратковременного предсказания из речи удаляют быстро меняющиеся периодические последовательности - форманты. Форманты - это колебания резонансных частот голосовых резонаторов. Считают, что на временном интервале 10 - 20 мс параметры формант мало меняются, поэтому обработку проводят последовательно для отдельных сегментов речи длительностью 10 - 20 мс. Для каждого сегмента находят параметры фильтра кратковременного предсказателя, удаляющего форманты, после которого получают первый остаточный сигнал r₁. Сигнал r₁ еще содержит периодические колебания с частотой основного тона (50...400 Гц), с которой голосовая щель посылает импульсы воздуха в гортань. В анализаторе основного тона определяют параметры фильтра долговременного предсказателя (Long Time Prediction - LTP) и удаляют из сигнала r₁ основной тон. Эти первые два этапа называют линейным предсказанием (Linear Prediction - LP). Остается второй остаточный сигнал r₂, чисто шумовой, где периодичность отсутствует. Его аппроксимируют различным образом.

Один способ состоит в прореживании сигнала r_3. При этом выбрасывают большую часть отсчетов, а оставшиеся, например, каждый третий, передают по каналу связи. Этот способ называют возбуждением регулярной последовательностью отсчетов (Regular Pulse Excitation - RPE). При другом виде аппроксимации второй остаточный сигнал заменяют определенной комбинацией нулей и единиц; это кодовое возбуждение (Code Excitation - CE) или векторное возбуждение (Vector Set Excitation - VSE).

Следовательно, по каналу связи передают не речь, а параметры кратковременного и долговременного предсказателей и аппроксимацию второго остаточного сигнала. В приемниках по этим параметрам восстанавливают (синтезируют) исходный речевой сигнал. Параметры кодирования выбирают так, чтобы синтезируемая речь сохраняла естественность звучания.

Использование вокодеров позволяет снизить скорость передачи цифрового телефонного сигнала с 64 кбит/с в несколько раз. В GSM используют вокодеры RPE-LTP и более совершенные ACELP (Algebraic Code Excitation Linear Prediction), позволяющие снизить скорость до 13 и 12,2 кбит/c, соответственно. Эти кодеры предназначены для работы в полноскоростных каналах.

Если трафик в соте приближается к предельно допустимому, то возможен перевод части абонентов на полускоростной канал телефонии, где использован вокодер VSELP (Vector-Sum Excitation Linear Prediction) со скоростью 5,6 кбит/с. В этом случае в одном ВИ передают не один, а два канала трафика, через кадр. Качество связи несколько снижается, но число активных абонентов возрастает в 2 раза. Соответствующие режимы работы речевого кодера GSM принято обозначать FRS (Full Rate Speech), EFR (Enhanced Full Rate Speech) и HRS (Half Rate Speech).

На следующем этапе обработки (рис. 3.7) сжатый телефонный сигнал или данные подвергают избыточному канальному кодированию. При передаче по радиоканалу некоторые биты могут быть неправильно приняты или просто пропасть, так что из N_пак переданных бит n_ош будут ошибочными. Если к N_пак бит добавить определенное число N_доп дополнительных бит, то по комбинациям принятых символов удается восстановить непринятые биты и исправить ошибки. Чем больше число добавленных кодирующих бит, тем выше вероятность обнаружения и исправления ошибок. Однако при этом при заданной скорости передачи в радиоканале снижается скорость передачи информации.

Степень избыточности кодирования характеризуют скоростью кода R_кода = n_инф/n_код, где n_инф – число информационных бит (до кодирования), а n_код – число бит после кодирования. В радиоканалах GSM при передаче полноскоростной телефонии и данных со скоростью 9,6 кбит/с скорость кода R_кода » 1/3. При уменьшении R_кода до 1/3, 1/4 возрастает кодовая защита (что эквивалентно увеличению отношения сигнал/помеха), но снижается скорость передачи информации. Если R_кода = 1, то избыточное кодирование отсутствует. В последние годы при передаче телефонии стали использовать кодеки с адаптивным изменением скорости передачи AMR – Adaptive Multi Rate. В таких кодеках скорость передачи речи можно менять от 12,2 до 4,75 кбит/с при скорости кода от 0,54 до 0,21. Поэтому при возрастании помех в канале можно за счет ухудшения психофизических свойств речи при снижении скорости ее передачи получать устойчивую связь, обусловленную мощной кодовой защитой.

Чтобы при передаче не возникали цепочки ошибок, перед формированием пакетов производят перестановку бит - операцию, называемую перемежением. В результате выстраивается последовательность операций над передаваемым сигналом (рис. 3.7), которую процессор обработки сигналов производит в реальном времени. При приеме сигналов процессор осуществляет преобразования в обратном порядке.