Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №8 - Журнал «Домашняя лаборатория»

Организация многоканального доступа с временным разделением (TDMA) позволяет выделить полосу частот на основании информации о свободном в данный момент канале. В Соединенных Штатах система TDMA выделяет полный канал 30 кГц для индивидуальной передачи только на короткий период времени. Схема мультиплексирования 3:1 позволяет в рамках той же полосы частот, что используется для аналоговой сотовой связи, разместить три канала связи с использованием технологии TDMA. Каждая передаваемая / принимаемая последовательность укладывается в короткие интервалы времени по 6,7 мс. TDMA-система основана на широком использовании DSP-технологий для уменьшения битрейта голосовых данных и подготовки цифровых данных к передаче по аналоговым каналам связи. Используемый в системах TDMA подход также был выбран для GSM-систем и будет рассмотрен ниже более подробно.

Второй цифровой стандарт, используемый в Соединенных Штатах, называется множественным доступом с разделением кодов (CDMA). Эта техника использовалась в защищенных военных коммуникациях на протяжении долгого времени под названием расширенного спектра (spread spectrum). В ней передатчик передает частотно-модулированную псевдослучайную последовательность в относительно широком частотном диапазоне. Приемник имеет доступ к той же самой случайной последовательности и может декодировать данные. В результате подключения дополнительных пользователей к системе уменьшается суммарное отношение сигнал-шум для всех пользователей. При использовании этого стандарта превышение количества запросов над допустимым уровнем должно повысить число ошибочных битов у всех пользователей. Дальнейшее увеличение количества вызовов приводит к постепенному росту взаимного влияния каналов до тех пор, пока процесс в некоторой области не станет саморегулирующимся, т. е. качество голосовой связи станет настолько плохим, что пользователи будут вынуждены сократить время вызова или отказаться от дополнительных звонков. Никто никогда не блокируется в обычном смысле, как это происходит в FDMA или TDMA-системах, когда все каналы или временные интервалы перегружены.

В обеих цифровых системах — TDMA и CDMA — широко применяются алгоритмы цифровой обработки сигналов для сжатия и подготовки речевых сигналов к передаче. В приемнике методы ЦОС используются для демодуляции и декодирования сигналов речи.

В настоящее время в США используются и аналоговые и цифровые системы. Во многих случаях аналоговые и цифровые системы должны сосуществовать в пределах одной области и зоны обслуживания. Такой подход вызывает необходимость поддержания сотовой базовой станцией и аналоговых, и цифровых форматов, подразумевая широкое использование цифровых методов при построении базовых станций, что существенно упрощает оборудование.

Заключительная часть этой главы посвящена обработке речи и канальному кодированию, связанному со стандартом GSM. Эти приложения иллюстрируют фундаментальные принципы, которые применимы ко всем мобильным цифровым системам.

СТАНДАРТЫ ЦИФРОВОЙ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ

• Многоканальный доступ с частотным разделением (FDMA) — пользователи системы получают отдельные участки спектра

• Многоканальный доступ с временным разделением (TDMA) — сигналы для различных пользователей передаются в разные моменты времени (емкость канала приблизительно в три раза выше, чем при FDMA) — стандарт GSM является примером TDMA

• Многоканальный доступ с кодовым разделением (CDMA) — основан на технологии распределенного спектра — увеличение числа пользователей приводит к незначительному увеличению числа ошибок за единицу времени

• В технологиях TDMA и CDMA широко используются цифровые сигнальные процессоры для кодирования речи и канальном кодировании при приеме и передаче

Рис. 9.13

Система GSM

На рис. 9.14 приведена упрощенная блок-схема цифровой сотовой телефонной системы GSM. Голосовой кодер/декодер и дискретная передаточная функция будут описаны более подробно. Передающая и приемная части системы включают в себя цифровой модем, подобный описанным выше. Отличия только в том, что схожие функции, например, эквализация, сверточное кодирование, Viterbi-декодирование, модуляция и демодуляция, реализуются в цифровой форме.

Стандарт кодирования голоса был впервые использован в цифровой передающей системе T-Carrier. В этой системе речь подвергается 8-разрядному логарифмическому кодированию с частотой выборки 8 kSPS. 8-разрядное логарифмическое кодирование и декодирование эквивалентны линейному кодированию и декодированию с 13-разрядным разрешением. Результирующий битрейт равен 104 Кбайт/с. Используемые в большинстве телефонов 16-разрядные сигма-дельта АЦП обеспечивают эффективный битрейт 128 Кбайт/с. Речевой кодер, входящий в состав GSM-систем, сжимает сигнал речи до битрейта 13 Кбайт/с, а на приемной стороне декодер восстанавливает исходный сигнал. Речевой кодер основан на усовершенствованном алгоритме линейного прогнозирующего кодирования (LPC). LPC-алгоритм использует модель человеческого голосового тракта, которая представляет гортань в виде ряда концентрических полостей-цилиндров различного диаметра и с различной резонансной частотой. Эта модель может быть математически представлена в виде систем уравнений, описывающих свойства каждой полости-цилиндра.

Сигнал возбуждения пропускают через полости-цилиндры, генерируя выходной сигнал. В человеческом организме сигнал возбуждения генерируется с помощью воздушных колебаний голосовых связок или сокращений голосового тракта. В цифровой системе сигнал возбуждения представляет собой ряд импульсов, моделирующих колебания связок, и шум, моделирующий сокращения. Этот сигнал поступает на решетчатый цифровой фильтр. Каждый коэффициент фильтра отображает размер цилиндра.

LPC-система характеризуется числом цилиндров, которые использованы в модели. В системе GSM используются восемь цилиндров и, соответственно, должны генерироваться восемь моделирующих коэффициентов.

Использовавшиеся ранее LPC-системы обеспечивали качество, достаточное лишь для того, чтобы разобрать кодируемую речь без распознавания голоса говорящего. Качество зачастую было слишком низким. В LPC-системе стандарта GSM используются два усовершенствованных метода, которые улучшают качество кодируемой речи. Это методы регулярного импульсного возбуждения (RPE) и долговременного предсказания (LTP). Их применение позволяет получить результирующее качество кодируемой речи, почти эквивалентное результатам логарифмической импульсно-кодовой модуляции (сжатая ИКМ, как в системе T-Carrier).

На вход речевого кодера поступает серия 16-разрядных отсчетов голосовых данных в виде равномерной ИКМ с тактовой частотой 8 кГц. Речевой кодер оперирует с блоками по 20 мс (160 отсчетов) и трансформирует их в 76 коэффициентов (в сумме 260 бит), за счет чего битрейт уменьшается до 13 Кбайт/с.

Режим прерывистой передачи (DTX) позволяет отключать передачу во время пауз между словами. Такой подход позволяет уменьшить мощность, потребляемую передатчиком, и увеличить полную емкость GSM-системы.

Низкая потребляемая мощность продлевает жизнь батарей в телефоне и является важной особенностью для переносных портативных телефонов. Она способствует увеличению максимально возможного количества вызовов за счет снижения межканальной интерференции, позволяя более эффективно использовать выделенный частотный спектр. В обычном разговоре каждый абонент говорит менее 40 % времени, и приблизительные оценки показали, что использование DTX может удвоить максимальное количество вызовов системы мобильной связи.

В передатчике размещается голосовой датчик (VAD). Его задача состоит в выделении речи из шумового фона и в игнорировании шума без речи. Входным массивом для голосового датчика является набор параметров, вычисленных речевым кодером. VAD использует эту информацию для принятия решения: содержит или не содержит речь каждый блок по 20 мс, поступающий на кодер.

Генератор "комфортного" шума (CNI) встраивается в приемник. "Комфортный" шум вырабатывается