Вопросы самоконтроля

1.Назовите основные характеристики голосового и слухового аппарата человека.

2. Поясните назначение речевого кодирования.

3. Как зависит качество передачи речи от скорость кодирования?

4. Почему не ограничиваются методами кодирования ИКМ, ДИКМ, АДИКМ в радиосвязи и, в частности, в сотовой связи?

5. Назовите методы кодирования источника (параметров) сигнала, используемые в сотовой связи.

6. Поясните суть метода кодирования RPE-LTR.

7. Поясните суть оценки MOS. Назовите скорость и качество работы кодеров формы сигнала, вокодеров, гибридных кодеров.

Тема 2.5. Повышение качества передачи сигнала в радиоканале применением методов канального кодирования и перемежения. Требования к знаниям

Студент должен

знать:

• определение частоты битовых ошибок BER качества принятой информации;

• методы слежения за качеством передачи информации – метод введения избыточности и метод измерения качества импульсов;

• причины ошибок, возникающих при распространении сигналов по радиоканалу от передатчика к приёмнику в системах с единичными и пакетными потерями;

• методы и способы исправления и обнаружения ошибок – разнесённый приём, адаптивную подстройку, перескоки по частоте, временное упреждение, измерение мощности, свёрточное, блочное кодирование и перемежение;

• уметь:

• составить схемы канального кодирования и перемежения в стандартах GSM и D-AMPS.

Содержание учебного материала

При распространении радиосигнала возникает ряд проблем значительно уменьшающих полученную при расчёте величину плотности потока мощности, из-за которых часть или даже вся информация может быть потеряна. Особенно это присуще системам типа сотовой связи, работающим в сложной эдектромагнитной обстановке, в условиях многолучевого распространения радиоволн и отсутствии прямой видимости.

К вызывающим потерю сигнала проблемам относится затухание по мере удаления сигнала от передатчика, эффект тени от неровностей рельефа местности и сооружений, эффект многолучёвости, временная дисперсия которая вызывает межсимвольную интерференцию, эффект Доплера.

Если сложить несколько сигналов, пришедших к АС по разным путям и имеющих разные фазы, результирующий сигнал может быть как выше, так и заметно ниже среднего уровня. Причём замирания сигнала при неблагоприятных условиях могут быть глубокими (даже равны нулю) и приводить к потере связи.

Быстрые замирания являются следствием многолучевого распространения, приводят к изменению сигнала до 10% в плюс и до 30% в минус. При неподвижной АС интенсивность сигнала не меняется, а при движении периодичность изменения сигнала составляет около полуволны, т.е. порядка 10-15 см в линейной мере. При скорости около 50 км/час период изменений составляет около 10 мс. Частота замираний глубиной 30-10 дБ при этой скорости составляет 5-50 провалов в секунду.

Меленные замирания обусловлены эффектом тени от рельефа, зданий, нарушающих прямую видимость. Интенсивность медленных флуктуаций не превышает 5-10 дБ, а их периодичность соответствует передвижению АС на десятки метров. Основную проблему создают быстрые замирания, приводящие к значительному уменьшению сигнала, когда соотношение сигнал/шум станет настолько малым, что информация будет искажаться шумами или совсем исчезнет.

Для борьбы с быстрым замиранием используют:

- разнесённый приём,

- работу с расширением спектра.

Для борьбы с последствиями многолучевого распространения РВ, для устранения ошибок, используется помехоустойчивое канальное кодирование.

При передаче речи по радио интерфейсу, для гарантии правильности передачи речевой информации используется контроль ошибок и избыточность. Это обеспечивает передачу через BSS достоверной непрерывной речи.

Исправление ошибок основывается на высокой избыточности с применением сложных методов контроля четности циклического избыточного кода. Это делается для того, чтобы обеспечить обнаружение многих типов паразитных и случайных ошибок и их коррекции (естественно до определенной степени). В случае речи, применяется циклическое кодирование, сверточное кодирование и кодирование данных по четности. Речевые данные на входе кодера канала стартуют как блоки из 260 (112) битов а на выходе после процедуры прямого контроля ошибок, преобразуются и кодируются как 456 (228) - битовые блоки.

Эти блоки разбиваются затем на восемь (для полускоростных каналов на четыре) частей, которые перемежаются с соседними блоками в кадрах TDMA и в таком виде передаются как пачки радиосигналов. Это значит, что даже если некоторые из этих блоков будут утеряны во время передачи, то, вероятность того, что оставшиеся будут обладать достаточной избыточностью чтобы речевой блок сохранил смысл, велика! А с единичными ошибками можно бороться с помощью помехоустойчивого канального кодирования

Перемежающиеся блоки передаются по радио интерфейсу и затем заново компануются в BTS. Когда перемежающиеся блоки подвергаются перекомпоновке и проверяются на ошибки четности, имеется высокая вероятность, что данные могут быть восстановлены. В речевых данных, самые значимые биты сильно защищены и всегда передаются в начале кадра TDMA. Это гарантирует, что даже если блок речи не может быть заново скомпонован, то по крайней мере наиболее значащие данные речи могут быть использованы для обеспечения близкой аппроксимации (восстановления).

На рисунке 5 приведена структурная схема радиотракта с блоками канального кодирования и перемежения, которая соответствует элементам системы и Рекомендациям стандарта GSM.

Рис.5 Структурная схема радиотракта.

Рассмотрим кодирование сегмента речевого сигнала полученного на вы­ходе кодера речи и имеющего:

• параметр фильтра STP — 36 бит,

• параметр фильтра LTP — 36 бит,

• параметр сигнала возбуждения (СВ) — 188 бит,

то есть за 20 мс передаются в сегменте речевого сигнала 260 бит.

В кодере канала 260 бит информации разделяются на 2 класса

• класс 1 — в него включено 182 бита, защищаемых помехоустойчивым кодированием;

• класс 2 — в него включены оставшиеся 260 - 182 = 78 бит, которые передаются без помехоустойчивого кодирования. Рис.6 Схема кодирования сегмента речевого сигнала

В свою очередь класс 1 делится на:

• подкласс 1а, к которому относятся параметры фильтра кратковременного предсказа­ния STP (36 бит) и часть информации (14 бит) о параметрах фильтра долговременного предсказания LTP, то есть в подклассе 1а выделяется 50 = (36 + 14) бит существенной речевой информации, которая подвергается наиболее мощному помехозащищенному кодированию;

• подкласс 1в, в который включены остальные 182 - 50 = 132 бита, кодируется слабее, чем информация подкласса 1а. В подкласс 1в включаются 22 бита информации о па­раметрах фильтра LTP и 110 бит о параметрах сигнала возбуждения.

Итак, распределение цифровой информации (бит) по подклассам 1а, 1в и классу 2 реа­лизовано для сегмента речи в виде: 1а — 50 бит; 1в —132 бит; 2 — 78 бит.

Информация 50 бит класса 1а кодируется блочным кодом — укороченным систематическим циклическим кодом (n, к) = (53, 50), то есть 3-битовый код четности позволяет обнаружи­вать ошибки. На выходе блочного кодера, таким образом, цифровая последовательность имеет 53 бита (избыточные 3 бита).

1. В специальном блоке информация подклассов 1а (53 бита) и 1в (132 бита) переупако­вывается, располагаясь в такой последовательности:

• биты с четными индексами;

• код четности подкласса 1а;

• биты с нечетными индексами в обратной последовательности;

• четыре добавочных нулевых бита, то есть всего 53 + 132 + 4 = 189 бит.

3. Цифровая последовательность в 189 бит подается на вход сверточного кодера (кодера свертки) (n, к, К) = (2, 1, 5), имеющего скорость кодирования R = k/n = 0,5 и длину ограни­ чения К = 5. В результате сверточного кодирования на выходе кодера получается цифровая последовательность в 189x2 = 378 бит.

Окончательно цифровые последовательности сегмента речи по блоку 1 — 378 бит и блоку 2 — 78 бит совместно составляют 456 бит, то есть скорость потока информации речи на выходе кодера канала равна 456/20*10 ³ = 22,8 кбит/с.

Однако процесс кодирования речи перед подачей цифровых сигналов на модулятор на этом не завершается.

В стандарте GSM используется достаточно сложная и совершенная схема блочного диа­гонального перемежения. Полученные 456 бит информации одного 20-миллисекундного сегмента речи разбива­ются на 8 подсегментов по 57 бит каждый (456/8 = 57).

Рис. 7