Министерство Российской Федерации по связи и информатизации

Московский технический университет связи и информатики

Кафедра радиовещания и электроакустики

Рихтер С.Г.

УСТРОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

В СИСТЕМАХ ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ

К о н с п е к т л е к ц и й

Москва

2006 г.

А Н Н О Т А Ц И Я

Курс «Устройства преобразования и обработки информации в системах подвижной радиосвязи» (объем 34 час.) посвящен изучению вопросов преобразования и обработки информации в системах связи с подвижными объектами. Наиболее полно процедуры преобразования и обработки информации представлены в работе абонентского терминала - обязательного элемента любой системы связи с подвижными объектами. В курсе последовательно изучаются вопросы формирования и преобразования речевого сигнала на пути от микрофона на передающей стороне до телефона (громкоговорителя) – на приемной, причем основное внимание сосредоточено на вопросах кодирования речи.

Конспект из 17 лекций предназначен для студентов 4-го курса факультета РиТ по специальности 201200. Каждая лекция – информационный блок - сопровождается тестовыми заданиями, содержащими в среднем по 30 тестов. В приложении студент найдет основные сокращения и определения важных понятий и терминов, встречающихся в тексте лекций. Основная и дополнительная литература, необходимая для полноценного изучения курса, приведена в конце конспекта.

О Г Л А В Л Е Н И Е
Номер информационного блока	Наименование материала	Стр.
1	Введение в тему	4
2	Абонентские терминалы систем связи с подвижными объектами	7
3	Речеобразование и характеристики речи	10
4	Характеристики слуха и разборчивость речи	14
5	Акустоэлектрические и электроакустические преобразователи	17
6	Передача речевых сигналов по сетям связи	20
7	Основы цифрового представления речевых сигналов: импульсно-кодовая модуляция	23
8	Дифференциальные методы кодовой модуляции	26
9	Адаптивные методы кодирования формы речевого сигнала	29
10	Основы параметрического кодирования речи	33
11	Вокодеры с линейным предсказанием (липредеры)	36
12	Кодирование речи в гибридных кодерах	39
13	Речевые кодеки для абонентского терминала стандарта GSM	42
14	Оценка качества передачи речи	46
15	Повышение помехоустойчивости цифрового канала передачи	49
16	Цифровая модуляция в системах подвижной связи	53
17	Вопросы совершенствования обработки информации в СПРС	57
18	Приложение. Основные сокращения и определения	60
19	Рекомендуемая литература	64

1. Введение в тему

Одним из наиболее динамично развивающихся видов связи является связь с подвижными объектами, значительно расширяющая рамки традиционной услуги телефонной связи. Применение радиосвязи на абонентском участке позволяет иметь доступ к каналу связи при перемещениях в пространстве. При этом сохраняется возможность соединения с подвижным абонентом по его неизменному номеру.

Радиотелефонная связь с подвижными объектами в районах с относительно высокой плотностью населения реализуется посредством наземных систем подвижной радиосвязи (СПРС). Однако в районах с низкой плотностью населения естественно применять системы персональной спутниковой связи (СПСС) - различные по построению спутниковые системы с космическими аппаратами на орбитах разного типа, работающие в различных диапазонах частот и предоставляющие пользователю различные услуги связи с помощью персонального терминала - как правило, вне зоны действия СПРС.

Основной тенденцией развития систем подвижной радиосвязи в целом является использование цифровых методов передачи. Наиболее привлекательные стороны цифровых методов передачи состоят в том, что они более эффективны в условиях сильных помех, обеспечивают рациональное использование радиочастотного ресурса и, кроме того, цифровая техника характеризуется высокими темпами улучшения характеристик, снижения стоимости и потребляемой мощности. Успехи технологии сверхвысокого порядка интеграции элементов сделали цифровую обработку сигналов связи и их цифровую передачу по радиоканалам более эффективной, нежели аналоговая обработка и аналоговые методы передачи. К наиболее эффективным методам цифровой обработки и передачи речевых сигналов относятся:

• преобразование и кодирование (кодирование источника), позволяющие эффективно устранить избыточность в таких сигналах, благодаря чему в несколько раз уменьшить скорость передаваемого цифрового потока по сравнению с методами ИКМ;

• помехоустойчивое кодирование канала - кодирование с исправлением ошибок, представляющее собой метод обработки сигналов, предназначенный для увеличения надежности их передачи по цифровым каналам за счет специально вводимой избыточности;

• методы цифровой модуляции, которые позволяют повысить эффективность использования радиочастотного ресурса по сравнению с аналоговыми методами.

Использование цифровых методов передачи и временного разделения каналов (ВРК) в системах подвижной радиосвязи позволяет обеспечить: повышенную скорость передачи сообщений; одновременную передачу в стандартном формате речевых сообщений и данных; совместную передачу информационных сообщений и сигналов управления без взаимного мешающего влияния; стабильно высокий уровень разборчивости передаваемых речевых сообщений в условиях всего диапазона дальности связи; надежную и технически несложную защиту передаваемых сообщений; непрерывный контроль качества функционирования каналов связи.

Ведущее положение на рынке систем связи с подвижными объектами занимают:

• профессиональные СПРС - транковая (транкинговая) связь;

• системы сотовой подвижной радиосвязи - сотовая связь;

• системы персонального радиовызова - пейджинговая связь;

• системы беспроводных телефонов.

Профессиональные СПРС, как правило, имеют радиальную или радиально-зоновую структуру сети и, в отличие от сотовых систем, не обеспечивают непрерывности связи при пересечении абонентами границ зон радиопокрытия (передача обслуживания - handover) и не имеют автоматического роуминга - автоматической регистрации и поддержания связи при перемещении в другую зону обслуживания. Наиболее полно перечисленные выше достоинства цифровых технологий присущи перспективной транкинговой СПРС стандарта TETRA.

Основные усилия при разработке новых СПРС сосредоточены на обеспечении высоких показателей в части помехоустойчивости и пропускной способности системы передачи, эффективности использования выделенного спектра частот (частотной эффективности). В этом отношении наиболее перспективными признаны сотовые системы подвижной связи (ССПС) - системы связи с пространственно-разнесенным повторным использованием частот, когда выделенные частотные каналы многократно используются абонентами в ячейках, разнесенных друг от друга на необходимое защитное расстояние. Сеть ССПС состоит из множества приемо-передающих базовых станций (БС), которые обеспечивают все физические функции, требуемые для приема и передачи сообщений через радиоинтерфейс. Зона действия одной БС называется «сотой».

В настоящее время внедрены три стандарта цифровых ССПС второго поколения. Они разработаны и приняты в разных странах, отличаются своими характеристиками, но построены на единых принципах - используют макросотовую топологию сети с радиусом сот до 35 км, ВРК и отвечают требованиям современных информационных технологий. Это: общеевропейский стандарт GSM; американский стандарт ADC (D-AMPS) и японский стандарт JDC (PDC). Основные характеристики указанных стандартов приведены в табл.1.1.

Т а б л и ц а 1.1.

	Характеристики стандарта	GSM	D-AMPS	PDC
1	Метод доступа	ВРК	ВРК	ВРК
2	Разнос частот, кГц	200	30	25
3	Общая полоса частот, МГц	25	25	25
4	Эквивалентная полоса частот на речевой канал, кГц	25	10	8,3
5	Число речевых каналов связи	1000	2500	3000
6	Число каналов на соту	500	357	750
7	Скорость преобразования речи, кбит/с	13	8	11,2
8	Алгоритм преобразования речи	RPE-LTP	VSELP	VSELP
9	Общая скорость передачи, кбит/с	270	48	42
10	Вид модуляции	0,3 GMSK	DQPSK	DQPSK
11	Радиус соты, км	0,5...35	0,5...20	0,5...20
12	Частотный диапазон, МГц	900	800	800...1500

В настоящее время в мире доминирует общеевропейский стандарт GSM. В рамках этого стандарта абонент может воспользоваться более чем 60 услугами, среди которых наиболее востребованы: глобальный роуминг, определитель номера, короткие текстовые сообщения (SMS), система голосовых сообщений, улучшенное полноскоростное кодирование речи и ряд других. Одним из последних достижений техники подвижной радиосвязи является технология пакетной передачи данных по радиоканалу GPRS. Основные преимущества этой технологии: весьма высокая скорость передачи данных (до 171,2 кбит/с), аппарат постоянно подключен к сети Интернет, а оплата осуществляется не за время работы в глобальной сети, а за объем переданных данных.

Дальнейшее развитие систем сотовой подвижной связи осуществляется в рамках проекта ССПС третьего поколения (IMT-2000) под эгидой Международного союза электросвязи (МСЭ). В настоящее время определились три основных направления развития систем третьего поколения: эволюция систем на базе технологии ВРК (GSM, IS-136) и технологии IS-95 (проект cdma2000), а также проекты новых стандартов на основе технологии широкополосной W-CDMA. Универсальная система подвижной связи 3-го поколения будет обладать ка­чественно новыми возможнос­тями. В результате для многих пользователей мобильный абонентский терминал (АТ) или портативное абонентское устройство станет единственным уни­версальным устройством досту­па к услугам связи.

Современный рынок услуг подвижной связи характеризуется высокими темпами развития систем персонального радиовызова (СПРВ), обеспечивающих передачу сообщений ограниченного объема в пределах обслуживаемой зоны. Эти системы гармонично сопрягаются с системами радиосвязи и передачи данных, как по ценовым показателям, так и по разнообразию требуемых пользователю услуг мобильной связи.

Требования к функциональному развитию сетей СПРВ, увеличению скорости передачи сообщений, а также интеграции национальных сетей СПРВ в транснациональные привели к созданию в 1992 г. общеевропейского стандарта ERMES. Фирма Motorola разработала свой протокол передачи сигналов СПРВ, получивший наименование FLEX, основными достоинствами которого являются повышенная скорость передачи сообщений (до 6400 бит/с), большая емкость системы и обеспечение экономичного режима работы пейджера.

Системы беспроводных телефонов (Cordless Telephony) общего пользования, обеспечивающим своим абонентам выход на телефонную сеть общего пользования (ТфОП), составляют значительную конкуренцию сотовым системам связи. Внедрение систем беспроводных телефонов рассматривается в рамках реализации концепции персональной связи, предусматривающей предоставление услуг "всегда и в любом месте" при использовании легких малогабаритных АТ в рамках микро- и пикосотовых сетей связи. Европейская система стандарта DECT предназначена для передачи речевых сообщений и данных; технические решения и службы в этом стандарте близки принятым в стандарте GSM.

Размышления по поводу будущих систем связи привели к появлению кон­цепции универсальной персональной связи (UPT). Согласно этой концепции несколько коммуникационных се­тей - фиксированные сети, системы наземной подвижной связи и спутниковые сети подвижной связи - будут взаимодействовать друг с другом, образуя интег­рированную систему, поддерживающую широкий спектр персональных услуг. Каждый пользователь определяется уникальным абонентским номером, не зави­сящим от сети, в которой находится в текущий момент.

Системы персональной спутниковой связи (СПСС) играют важную роль в концепции UPT. Эти системы нацеле­ны на обеспечение доступа к телекоммуникационной сети из любой точки Зем­ли, особенно из районов, не охваченных другими системами связи, такими, как сеть ТфОП или системы наземной подвижной связи. По сравнению с наземными системами подвижной радиосвязи системы СПСС в своем развитии задержались. Это объясняется тем, что энергетический баланс линий спутниковой связи до последнего времени не позволял уменьшить АТ до размеров телефонной трубки. Однако применение спутников на низких орбитах создает энергетические преимущества перед геостационарными спутниками и дает возможность организовать сети СПСС с персональными телефонами с ненаправленными антеннами. На вес и размеры АТ не всегда накладываются жесткие ограничения, свойственные сотовому телефону. Поэтому под СПСС понимаются различные по построению спутниковые системы с космическими аппаратами (КА) на геостационарной круговой (GEO) - высотой около 36 тыс. км, средневысотных круговых (MEO) - высотой порядка 10 тыс. км, низких круговых (LEO) - высотой 700...1500 км и вытянутых высокоэллиптических орбитах (HEO), работающие в различных диапазонах частот и предоставляющие пользователю различные услуги связи с помощью персонального терминала (портативного, мобильного, стационарного) - как правило, вне зоны действия наземных сотовых систем.

В основу классификации таких систем положены два основных признака: информационная скорость в абонентской линии и тип орбиты КА. Наибольшее распространение нашли низкоскоростные СПСС (информационная скорость передачи от 1,2 кбит/с до 9,6 кбит/с) и высокоскоростные СПСС (64 кбит/с и выше).

Низкоскоростные СПСС предназначены как для передачи данных, так и для организации персональной радиотелефонной и пейджинговой связи в глобальном масштабе. Наиболее известными системами данного класса являются системы Iridium и Globalstar. Отличительными особенностями таких систем радиотелефонной связи являются: совместимость с наземными сетями сотовой телефонной связи; передача данных со скоростью от 1,2 до 9,6 кбит/с, в том числе передача коротких однопакетных сообщений типа пейджинговых; определение координат подвижного объекта (с помощью приемника глобальной навигационной системы - GPS); возможность обеспечения связи в любое время суток в режиме реального времени; обеспечение глобального покрытия земной поверхности без мертвых зон в наиболее обжитых районах мира.

К высокоскоростным СПСС относятся глобальные системы широкополосной связи, использующие все типы орбит и предназначенные для передачи высококачественной речи, высокоскоростных потоков данных, мультимедиа, организации конференц-связи, доступа в Интернет, интерактивной связи.

2. Абонентские терминалы систем связи с подвижными объектами

Абонентские терминалы (АТ) - называемые также абонентскими устройствами и терминалами пользователя, а также подвижной станцией или подвижным терминалом - являются неотъемлемой частью любой системы связи с подвижными объектами. Именно через посредство АТ осуществляется "вхождение" пользователя в Систему связи, реализуются услуги подвижной связи. Номенклатура этих услуг определяет возможные виды передаваемой информации (речь, данные, неподвижные изображения) и, следовательно, типы терминального оборудования АТ, осуществляющего преобразование информации в электрические сигналы.

Помимо терминального, абонентский терминал содержит оконечное оборудование, которое служит для организации доступа абонентов сетей подвижной связи к существующим фиксированным сетям электросвязи. В числе основных функций оконечного оборудования: радиопередача и радиоприем, управление радиоканалами, защита от ошибок в радиоканале, кодирование - декодирование речи, текущий контроль и распределение данных пользователя и вызовов, адаптация по скорости передачи между радиоканалом и данными, обеспечение параллельной работы нагрузок (терминалов), обеспечение непрерывной работы в процессе движения.

На рис.2.1 изображена упрощенная функциональная схема сотового радиотелефона. Приведенная комплектация АТ является минимально необходимой; она характерна для абонентских устройств всех известных цифровых СПРС - и наземных, и спутниковых. В состав терминала входят следующие основные блоки: блок управления, приемопередающий блок и антенный блок. Способ реализации этих блоков определяется типом СПРС.

На схеме приняты следующие сокращения: Тел - телефон (громкоговоритель); АЦП/ЦАП - аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи; Дек.Р - декодер речи; Дек.К - декодер канала; Ант - антенна; Ком. Пм/Пд - коммутатор прием/передача; Код.Р - кодер речи; Код.К - кодер канала; Мик - микрофон.

Антенный блок содержит собственно антенну и электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника. Функционально несложен и блок управления, включающий микротелефонную трубку (микрофон + телефон), клавиатуру и дисплей. Микрофон и телефон выполняют соответственно функции акустоэлектрического и электроакустического преобразователей. Клавиатура (тестатура) служит для набора номера телефона вызываемого абонента, а также команд, определяющих режим работы АТ. Дисплей (как правило - жидкокристаллический) служит для отображения различной информации, предусматриваемой устройством и режимом работы АТ.

Приемопередающий блок - "сердце" абонентской станции - значительно сложнее. Дадим краткое упрощенное описание функций его основных компонентов:

• АЦП - преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона - в результате вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме;

П р и е м н и к Ант