Лекція 5 Завадостійке кодування в системах мобільного зв'язку
5.1. Характеристики мовних сигналів
Основні характеристики мовного сигналу відповідно до рекомендацій Міжнародного консультативного комітету з телеграфій та телефоній (МККТТ), що використовуються при аналого-цифровому перетворенні і цифровій обробці, наступні:
– діапазон частот мовного сигналу обмежений: 300...3400 Гц.
– тривалість звуків мовного сигналу складає від декількох десятків до декількох сотень мілісекунд при середньому значенні 130 мс, причому середнє значення для голосних звуків 210 мс, а для приголосних 95 мс.
– спектр потужності мовного сигналу має максимум поблизу частоти 400 Гц і спадає на більш високих частотах з швидкістю близько 9 дБ на октаву;
– при телефонній розмові миттєвий рівень мовного сигналу змінюється в діапазоні 35...40 дБ, при цьому рівень приголосних в середньому на 20 дБ нижчий за рівень голосних;
– в задачах кодування сигнал мови часто розглядають як квазістаціонарний гауссівський процес, спектрально-кореляційні характеристики якого постійні на інтервалі 20...30 мс;
– слухове відчуття гучності приблизно пропорційно логарифму інтенсивності дії;
– порогове для слуху змінювання рівня звуку не перевищує ±1 дБ; людське вухо слабо чутливо до точності передачі фазових співвідношень спектральних складових сигналу;
– постійна часу слуху в середньому складає: при наростанні сигналу – 20...30 мс, при спаді – 100...200 мс.
Закінчивши цим вступну частину, перейдемо до послідовного розгляду етапів цифрової обробки.
5.2. Аналого-цифрове перетворення
Раніше була розглянута блок-схема РС (абонентного радіотелефонного апарату), згідно з якою блок РС включає: передавач, приймач, синтезатор частот і логічний блок.
Зосередимо увагу зараз на основних елементах цього блоку. До складу передавача цього блоку входять:
– аналого-цифровий перетворювач (АЦП) – перетворює в цифрову форму сигнал з виходу мікрофону; вся подальша обробка і передача сигналу мови проводиться в цифровій формі, аж до зворотного цифро-аналогового перетворення;
– кодер мови здійснює кодування сигналу мови – перетворення сигналу, що має цифрову форму, за певними законами з метою скорочення його надмірності, тобто з метою скорочення обсягу інформації, що передається по каналу зв'язку;
– кодер каналу – додає в цифровий сигнал, одержуваний з виходу кодера мови, додаткову (надмірну) інформацію, призначену для захисту від помилок при передачі сигналу по лінії зв'язку; з тією ж метою інформація піддається певному переупаковуванню (перемеженню); крім того, кодер каналу вводить до складу передаваного сигналу інформацію управління, що поступає від логічного блоку;
– модулятор – здійснює перенесення інформації кодованого відеосигналу на несучу частоту.
Приймач за своїм складом в основному відповідає передавачу, проте із зворотними функціями що входять в нього блоків:
– демодулятор – виділяє з модульованого радіосигналу кодований відеосигнал, що несе інформацію;
– декодер каналу – виділяє з вхідного потоку управляючу інформацію і направляє її на логічний блок; прийнята інформація перевіряється на наявність помилок, і виявлені помилки по можливості виправляються; до подальшої обробки прийнята інформація піддається зворотному (по відношенню до кодера) переупаковуванню;
– декодер мови – відновлює поступаючий на нього з кодера каналу сигнал мови, переводячи його в природну форму, з властивою йому надмірністю, але в цифровому виді;
– цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) перетворює прийнятий сигнал мови в аналогову форму і подає його на вхід динаміка;
– еквалайзер – служить для часткової компенсації спотворень сигналу унаслідок багатопроменевого розповсюдження; по суті, він є адаптивним фільтром, що настроюється по повчальній послідовності символів, що входить до складу передаваної інформації; блок еквалайзера не є, взагалі кажучи, функціонально необхідним і в деяких випадках може бути відсутній.
Зазначимо, що для поєднання кодера і декодера іноді вживають найменування кодек (наприклад, канальний кодек, мовний кодек).
Аналого-цифровий перетворювач (АЦП) здійснює перший етап цифрової обробки сигналів в передаючому тракті, а відповідно цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) – останній елемент в цифровому приймальному тракті, який виконує прямо протилежну задачу: він перетворює цифровий сигнал в аналоговий, а останній поступає на динамік, що перетворює його в акустичний сигнал, який сприймається вухом.
Робота АЦП складається з двох етапів:
1) дискретизація вхідного безперервного сигналу в часі – зазвичай з постійним кроком, тобто через рівні інтервали часу;
2) квантування величини сигналу по рівню для цих дискретних моментів часу.
В результаті на виході АЦП з фіксованим темпом, який визначається періодом дискретизації, з'являються двійкові числа, тобто набори одиниць і нулів, що відповідають рівням сигналу в моменти дискретизації.
Цей процес схематично ілюструється рис. 5.1, на якому моменти дискретизації показані штрихами на осі часу і для трьох з таких моментів дискретизації вказані рівні сигналу – в десятковому та двійковому представленні.
Відповідно до теореми Котельникова, частота дискретизації повинна принаймні удвічі перевищувати найбільшу частоту в спектрі оброблюваного сигналу. Оскільки при цифровій передачі мовних сигналів по телефонних каналах зв'язку обмежуються смугою частот 300 – 3400 Гц, то частота дискретизації Fд = 8 кГц.
Рис.5.1. АЦП здійснює дискретизацію безперервного сигналу в часі і квантування за рівнем, перетворюючи безперервний аналоговий сигнал в послідовність імпульсів (двійкових одиниць - біт), що несуть інформацію про рівень сигналу у момент дискретизації
Число двійкових розрядів АЦП звичайно вибирається рівним 8, включаючи знаковий розряд, так що діапазон чисел на виході АЦП складає від –127 до +127, оскільки 127 = 27 – 1.
В результаті на виході АЦП виходить потік 8-бітових чисел, прямуючих з частотою 8 кГц, тобто потік інформації на виході АЦП складає 64 кбит/с. Практичні схеми АЦП найчастіше будуються на основі порівняння вибірок миттєвих значень аналогового сигналу з набором еталонів, кожний з яких містить певне число рівнів квантування.
В схемах ЦАП, як правило, використовується формування аналогових величин (струмів), пропорційних ваговим коефіцієнтам розрядів вхідного двійкового коду, з подальшим підсумовуванням в розрядах коду, що містять одиниці. АЦП і ЦАП випускаються промисловістю серійно у вигляді мікросхем, що характеризуються певними значеннями розрядності і швидкодії.