Страница 280 из 436
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 во время строба паузы, когда алгоритм DTX выключает передатчик; этот шум подобен по амплитуде и спектру фоновому шуму в передатчике. Цель генерации CNI состоит в подавлении неприятного эффекта переключения между речью на фоне шума и тишиной. Если сигнал принимается без системы CNI, то слышно быстрое чередование речи на фоне интенсивного шума (например, автомобиля) и тишины. Влияние подобного эффекта значительно уменьшает разборчивость речи.
Когда задействован шумовой генератор DTX, каждый передаваемый голосовой пакет перед отключением передатчика сопровождается блоком данных, описывающих параметры шумового фона (SID). Этот блок данных служит маркером окончания передачи речи для приемной стороны. Он содержит характерные параметры фонового шума в передатчике, например, информацию о спектре, полученную с помощью линейного прогнозирующего кодирования.
Блок данных SID используется генератором "комфортного" шума приемника для синтеза цифрового фильтра, который, при возбуждении его псевдослучайным шумом, генерирует отклик, подобный фоновому шуму в передатчике. Этот "комфортный" шум вставляется в паузы между получаемыми голосовыми пакетами. Параметры шума обновляются через равные промежутки времени с помощью передаваемых во время речевых пауз SID-пакетов.
Для обнаружения и коррекции ошибок в приемнике, процессор добавляет в поток данных служебные биты, за счет чего выходной битрейт кодера увеличивается до 22,8 Кбит/с. Биты в пределах одного блока равномерно перемешиваются со служебными битами псевдослучайным образом, повышая тем самым помехоустойчивость системы.
ТЕЛЕФОНЫ СТАНДАРТА GSM, ИСПОЛЬЗУЮЩИЕ ПРОЦЕССОР ОБРАБОТКИ SOFTFONE™ И КОМПЛЕКТ МИКРОСХЕМ РАДИОКАНАЛА OTHELLO™