Формирование сигнала в радиоканале
Процесс формирования сигнала в радиоканале осуществляется в несколько этапов:
- аналого-цифровое преобразование;
- кодирование речи;
- канальное кодирование;
- модуляция.
В процессе аналого-цифрового преобразования аналоговый речевой сигнал, ограниченный полосой частот от 300 до 3400 Гц, за счет дискретизации (частота дискретизации равняется 8 кГц) превращается в амплитудно-импульсно-модулированный сигнал (АИМ). Дальше каждая из 8 дискрет АИМ-сигнала кодируется разрядным двоичным кодом, т.е. АИМ-сигнал превращается в ИКМ-сигнал. В результате на выходе аналого-цифрового преобразователя (АЦП) формируется поток, скорость которого равняется 64 кбит/с.
Из выхода АЦП оцифрованный речевой сигнал поступает на кодер речи. Кодирование речи в стандарте GSM осуществляется в рамках системы прерывчатой передачи языка (DTX), что обеспечивает включение в работу передатчика только на время разговора и отключает его в паузах и в конце разговора. Одним из основных заданий кодирования речи есть сжатие речевого сигнала с целью снижения скорости передачи. Применение при кодировании в стандарте GSM вокодерных методов на основе метода линейного предесказания (ЛП) разрешает снизить скорость передачи с 64 до 13 кбит/с. Кодированию подвергаются отрезки речевого сигнала по 20мс. За этот интервал времени такие параметры речевого сигнала, как период основного тона, характер возбуждения (громкий или звонкий согласный звук в сопоставлении с глухими звуками), коэффициент усиления остаются постоянными.
В стандарте GSM кодирование осуществляется
за методом RPE-LTP (линейное предсказание
с возбуждением регулярной последовательностью
импульсов и долгосрочным предсказанием).
Сущность метода заключается в том, что
для предсказания текущей выборки
используются данные с предыдущих выборок
(дифференциальная ИКМ). Каждая выборка
при кодировании представляется линейной
комбинацией предыдущих выборок и
описывается в виде коэффициентов этой
линейной комбинации и закодированной
разностью предсказываемой и действительной
выборками. В результате такого кодирования
в интервале 20мс формируется 260 бит, за
счет чего скорость передачи снижается
к
кбит/с.
Таким образом, кодер речи обеспечивает
сжатие речевого сигнала почти в 5 раз
(64/13=4,92).
В состав входящей информации кодера речевого сигнала, объемом 260 бит, входят:
- параметры фильтра кратковременного предсказания(36 бит);
- параметры фильтра долгосрочного предсказания (36 бит);
- параметры сигнала возбуждения (188 бит).
Канальное кодирование обеспечивает защиту от ошибок переданной информации. В стандарте GSM 260 бит информации в интервале 20мс-сегмента речи делится на 2 класса: класс 1 и класс 2. Класс 1 в свою очередь делится на два подкласса: подкласс 1а - 50 бит наиболее чувствительных, и подкласс 1b - 132 бита, умеренно чувствительных к ошибкам. К классу 2 относятся 78 бит, наименее чувствительных к ошибкам. Структурная схема канального кодирования приведена на рис.1.5.
Информация подкласса 1а кодируется
циклическим кодом (53, 50). При выявлении
ошибки вся выборка откидывается и
заменяется предыдущей. Закодированные
53 бита подкласса 1а, 132 бита подкласса
1b и 4 дополнительных нулевых бита (всего
189 бит) подаются на сверточный кодер (2,
1, 5), скорость кодирования которого
и длина кодового ограничения
.
Формирующие полиномы сверточного кодера
,
.
После сверточного кодирования 378 бит
вместе с 78 битами класса 2 составляют
456 бит, в результате чего скорость
передачи становится равной
кбит/с.
После сверточного кодирования 456 бит подвергаются блочно-диагональному перемеживанию, которое уменьшает влияние групповых ошибок (они превращаются у ошибки малой кратности, которые исправляются при декодировании).
Рисунок 1.5 - Структурная схема канального кодирования в стандарте GSM
После перемеживания начальная последовательность из 456 бит делится на восемь 57- битовых блоков, так как в каждом слоте размещается два 57- битовых блока (114 бит). Длина слота канала трафика с учетом добавления вспомогательной и служебной информации составляет 156,25 бит. Поскольку информация одного 20- милисекундного сегмента речи занимает по одному слоту в четырех последовательных кадрах, поэтому скорость потока цифровой информации представляет (4х156,25)/20х10-3= 625/20х10-3= 31,25 кбит/с.
Эта информация (а именно 4x156,25 = 625 бит) сжимается во времени в 8 раз, так что на протяжении одного кадра продолжительностью 4,615 мс в одном частотном канале передается информация восьми временных слотов, в результате чего скорость передачи цифровой последовательности возрастает к (8x31,25) = 250 кбит/с.
На каждые 12 кадров канала трафика, что переносят речевую информацию (в мультикадре канала трафика информационными речевыми кадрами являются 0-11 и 13-25, в 12-ом кадре передается канал управления SACCH, а 26-ый кадр - пустой, резервный) прибавляется по одном кадру с информацией управления канала SACCH, который имеет скорость 20,833 кбит/с. Таким образом, скорость информационной битовой последовательности (речевого сигнала) на выходе кодера канала представляет:250 + 20,833 = 270,833 кбит/с.
Выше была рассмотрена процедура работы кодера канала только по помехоустойчивому кодированию речевого сигнала. Информация же каналов управления подвергается блочному и сверточному кодированию в полном объеме.
Так, для кодирования информации каналов:
медленного соединенного канала управления
SACCH; быстрого соединенного канала
управления FACCH; канала вызова РСН; канала
разрешения доступа AGCH; выделенных
закрепленных каналов управления SDCCH
используются блочный кодер (n, k)
(224, 184), сверточный кодер (n, k, K)
(2, 1, 5), а также схема перемеживания,
аналогичная схеме перемеживания
речевого канала
В каналах синхронизации SCH и случайного доступа RACH используются другие схемы блочного кодирования, а также сверточные кодеры (2, 1, 5), которые отличаются от сверточных кодеров вышеуказанных каналов управления.
При передаче компьютерных данных используются более сложные схемы сверточного кодирования и перемеживания, что обеспечивают соответственно и более высокое качество передачи информации.
Исходные сигналы канального кодера поступают на модулятор, задачам которого являются перенесения цифрового сигнала на несущую частоту, т.е. модуляция радиосигнала цифровым видеосигналом.
В стандарте GSM используется гауссова
модуляция с минимальным частотным
сдвигом (GMSK). При MSK-манипуляции несущая
частота дискретно, через интервалы
времени, кратные продолжительности
информационного бита (TC), принимает
одно из двух значений (постоянных на
протяжении биту) –
или
,
где
– несущая частота радиоканала,
– частота (скорость передачи) информационной
битовой последовательности. Разнос
частот
– минимально возможный, при котором
обеспечивается ортогональность колебаний
с частотами
и
на интервале продолжительностью, которая
равняется одному биту (Тс). При этом, за
время Тс между колебаниями частот
и
набегает разность фаз, которая равняется
.
Иначе говоря, формирование MSK радиосигнала
осуществляется таким образом, который
на интервале одного информационного
бита фаза несущей изменяется на
.
Беспрерывное изменение фазы синусоидального
сигнала дает в результате частотную
модуляцию с дискретным изменением
частоты.
Наименование «гауссова» манипуляция
объясняется тем, что последовательность
информационных бит на модулятор поступает
через фильтр нижних частот (ФНЧ) с
гауссовою амплитудно-частотной
характеристикой. Применение гауссового
фильтра разрешает уменьшить полосу
частот излучаемого радиосигнала. Для
GMSK модуляции произведение полосы фильтра
(F) на продолжительность информационного
бита (
) представляет величину
.
Метод MSK логически рассматривать как
метод квадратурной фазовой манипуляции
(двукратной относительной фазовой
манипуляции (QPSK)), в которой прямоугольные
импульсы, которые модулируют
продолжительностью
заменены полуволновыми отрезками
синусоид или косинусоид. На рис.1.6
приведена схема модулятора, временные
диаграммы, которые иллюстрируют процесс
формирования GMSK сигнала.
Рисунок 1.6 - Структурная схема GSMK модулятора и временные диаграммы его работы
На диаграмме 1 представлена входная битовая последовательность (а) модулятора.
На диаграммах 2 и 3 представлены
последовательности непарных
и парных
бит входной последовательности
соответственно, причем, продолжительность
каждого бита увеличена вдвое, т.е. каждый
бит «растянут» во времени до 2-битового
символа. Для удобства следующие объяснения
приняты, что последовательности
и
принимают значение +1 и -1 (значение -1
отвечает значению 0 входной последовательности
а). В результате для каждого битового
интервала продолжительностью
расположенные один над одним значение
и
дают именно ту пару парного и непарного
бит, которые являются аргументами закона
модуляции.
На диаграммах 4 и 5 показанные формы
сигналов, которые модулируют, двух
квадратурных каналов
и
,
что получают как произведение функций
и
соответственно на квадратурные
низкочастотные сигналы
и
.
Исходный модулированный сигнал выходит
как результат перемножения модулирующих
сигналов квадратурных каналов
и
с соответствующими несущими
и
и суммирование полученных произведений.
На диаграмме черт.1.6 предоставлена начальная фаза модулированного сигнала.