3 Модуль кодування виділеного каналу

3.1 Мета роботи

Дослідити спектральні характеристики цифрових послідовностей двох модулів кодування, що формують різні інформаційні потоки. Перший модуль кодування (розроблений на першій лабораторній роботі) має відповідати стандарту GSM 06.53 Європейського інституту ETSI. Цифрові послідовності на вході та виході другого модуля кодування мають відповідати стандарту GSM 06.10.

3.2 Методичні вказівки з організації самостійної роботи студентів

За конспектом лекцій, літературою [3] і специфікацією Європейського інституту стандартів зв'язку GSM 06.10:

– розглянути фазове подання синусоїдальних сигналів;

– розглянути ряди Фур'є й перетворення Фур'є;

– розглянути дискретне перетворення Фур'є (ДПФ);

– розглянути обчислювальну складність ДПФ;

– розглянути алгоритм БПФ за основою 2;

– обговорити деякі питання реалізації БПФ на процесорах.

Вивчивши матеріал лекцій і книг, необхідно отримати достатнє уявлення про перетворення Фур'є, ДПФ і БПФ. Для розробки алгоритму швидкого обчислення ДПФ не потрібно глибокого знання математичних основ БПФ, хоча в ряді випадків воно може виявитися корисним. Зрозуміти математичний зміст перетворення Фур'є набагато легше, зобразивши цей процес схематично.

Перетворення Фур'є є не єдиним методом спектрального аналізу. У циклі лабораторних робіт цифрова обробка сигналів досліджується за допомогою експериментів на цифрових модулях кодування мови. Докладну інформацію про модуля кодування можна отримати в Європейському інституті стандартів зв'язку (Global System for Mobile communications (GSM) UMTS 3GPP, звернувшись на адресу http://www.etsi.org.)

Нижче наведено загальні відомості про модуль кодування, що забезпечує фіксовану швидкість кодування 13 кбіт/с. Модуль кодування відповідає специфікації Глобальної системи мобільного зв'язку GSM06.10.

Обробка мови у стандарті GSM

Процеси обробки мови у стандарті GSM спрямовані на забезпечення високої якості переданих повідомлень, реалізацію додаткових сервісних можливостей і підвищення споживчих якостей абонентських терміналів.

Обробка мови здійснюється в рамках прийнятої системи переривчастої передачі мови. Система переривчастої передачі мови (DTX) забезпечує включення передавача тільки тоді, коли користувач починає розмову та відключає його в паузах і наприкінці розмови. DTX управляється детектором активності мови (VAD), що забезпечує виявлення і виділення інтервалів передачі мови з шумом і шуму без мови навіть у тих випадках, коли рівень шуму порівняємо з рівнем мови. До складу системи переривчастої передачі мови входить також пристрій формування комфортного шуму, що включається та прослуховується в паузах мови, коли передавач відключений. Експериментально показано, що відключення фонового шуму на виході приймача в паузах при відключенні передавача дратує абонента й знижує розбірливість мови, тому застосування комфортного шуму в паузах вважається необхідним. Процес DTX у приймачі включає також інтерполяцію фрагментів мови, загублених через помилки в каналі.

Структурну схему процесу обробки мови в стандарті GSM зображено на рис. 3.1. Основним пристроєм у схемі процесу обробки мови є модуль кодування. У відповідності зі стандартом GSM кожний радіоканал використовується для організації 8 каналів з часовим поділом. У стандарті GSM використовується мінімальна маніпуляція Гауса. Зниження необхідної швидкості передачі для кожного з каналів за рахунок використання більш складних методів кодування має виконуватися без істотного погіршення якості. Найбільш низьку швидкість передачі можна отримати при використанні модулів кодування голосу, однак при цьому виходить низька якість мови. Висока якість мови можна отримати при використанні різних модифікацій ІКМ, але при значній складності апаратної реалізації.

Для того щоб мати високу якість передачі мови при більш низьких вимогах до швидкості передачі інформації в стандарті GSM використовується спосіб кодування, що поєднує модулі кодування голосу і ДІКМ. У стандарті GSM використовується метод RPE-LTP (лінійне передбачення з порушенням регулярної послідовності й довгостроковим передбаченням). Спрощена блок-схема модуля кодування для швидкості 13.0 кбіт/с зображена на рисунку 3.2.

Вхідний сигнал у вигляді ІКМ із рівномірним квантуванням розрядністю 13 біт, спочатку піддається попередній обробці, що полягає в:

– попередньому викривленні вхідного сигналу за допомогою цифрового фільтра, який виділяє верхні частоти;

– розбиванні сигналу на сегменти по 160 відліків;

– зважуванні кожного сегмента функцією вікна Хемінга.

160 отриманих відліків аналізують, щоб визначити коефіцієнти відображення для короткочасного фільтра-аналізатора (LPC аналіз). Ці параметри використовуються для фільтрації тих самих 160 відліків. Результат фільтрації – залишковий сигнал короткочасного передбачення (160 вибірок). Параметри фільтра, названі коефіцієнтами відображення, перетворяться до логарифма відношення площ, LAR, перед передачею. Причому для функції логарифма використовується кусково-лінійна апроксимація.

(1) 8 біт/A- або μ -закон (PCS 1900) ІКМ (ITU-T рек. G.711); (2) 13 біт ІКМ із рівномірним квантуванням, 8000 відліків/с; (3) Прапор активності мови; (4) Закодований мовний кадр, 50 відліків/с, 260 біт/кадр; (5) Silence Descriptor (SID) кадр, утримуючий комфортний шум, 260 біт/кадр; (6) Мовний прапорець, що вказує, передаються інформаційні біти мови або SID інформація; (7) Інформаційні біти, що посилаються в радіопідсистему; (8) Інформаційні біти, отримані з радіопідсистеми; (9) Bad Frame Indication (BFI) прапорець, зіпсований кадр індикації; (10) Silence Descriptor (SID) прапорець; (11) Time Alignment Flag (TAF) прапорець вирівнювання часу, визначає позиції SID кадр у межах SACCH мультикадру.

Рисунок 3.1 – Структурна схема процесу обробки мови у стандарті GSM

(1) Залишок короткочасного передбачення

(2) Залишок довгострокового передбачення (40 відліків)

(3) Оцінка залишку короткочасного передбачення (40 відліків)

(4) Відновлений залишок короткочасного передбачення (40 відліків)

(5) Оброблений залишок довгострокового передбачення (40відліків)

Рисунок 3.2 – Спрощена блок-схема RPE-LTP модуля кодування

Для наступних операцій, сегмент з 160 відліків залишку короткочасного передбачення розділяється на 4 часткових кадри по 40 відліків кожному. Кожний окремий кадр обробляється окремо функціональними наступними елементами.

Обробляється кожний частковий кадр з 40 відліків залишку короткочасного передбачення блоком довгострокового передбачення, його параметри затримки d і посилення g, які оцінені та модифіковані, на основі поточного часткового кадру і збереженої послідовності з 120 попередніх відліків залишку короткочасного передбачення.

Блок з 40 відліків залишку довгострокового передбачення, отриманий, вирахуванням 40 відліків оцінки залишку короткочасного передбачення від залишку короткочасного передбачення безпосередньо. Потім цей блок з 40 відліків довгострокового передбачення, подається на блок RPE аналізу, що виконує основну функцію стиснення алгоритму. У результаті RPE-аналізу, вхідний блок з 40 відліків залишку довгострокового передбачення подані однією з 4 проріджених послідовностей 13 імпульсів кожна. Обрана послідовність ідентифікована RPE зрушенням відносно початку вихідної послідовності (M). 13 RPE імпульсів закодовані, використовуючи адаптивну імпульсно-кодову модуляцію (APCM) з оцінкою часткового блоку амплітуд, які передаються в радіо підсистемі.

Параметри RPE подаються на блок декодування і відновлення RPE параметрів, на виході з'являються оброблені 40 відліків залишку довгострокового передбачення.

Додаючи ці 40 відліків залишку довгострокового передбачення до попереднього блоку оцінки залишку довгострокового передбачення, отримуємо відновлений поточний залишковий сигнал короткочасного пророкування.

Цей блок відновленого залишкового сигналу короткочасного передбачення подається на довгостроковий фільтр-аналізатор, що проводить новий блок з 40 відліків оцінки довгострокового пророкування, які потрібно використати для обробки наступного часткового блоку, таким чином, що завершує цикл зворотного зв'язка.

Як наведено на рис. 3.2 три різних групи даних передаються модулем кодування:

параметри короткочасного строкового;

параметри довгострокового передбачення;

параметри RPE.

Модуль кодування видає цю інформацію в унікальній послідовності та форматі, і модуль декодування має отримати ту саму інформацію в такий самий спосіб. У таблиці 3.1 наведена послідовність бітів b1...b260 і розрядний розподіл для кожного параметра.

Різні параметри закодованої мови і їх індивідуальні біти мають нерівну важливість щодо суб'єктивної якості.

Таблиця 3.1

Параметр	Номер параметра	Назва параметра	Ім’я змінної	Кількіть біт	№ біт
Параметри фільтра	1 2 3 4 5 6 7 8	Логарифм відношення площ	LAR 1 LAR 2 LAR 3 LAR 4 LAR 5 LAR 6 LAR 7 LAR 8	6 6 5 5 4 4 3 3	b1 - b6 b7 - b12 b13 - b17 b18 - b22 b23 - b26 b27 - b30 b31 - b33 b34 - b36
Частковий кадр №1
LTP- параметри	9 10	LTP затримка LTP посилення	N1 b1	7 2	b37 - b43 b44 - b45
RPE- параметри	11 12 13 14 .. 25	RPE зсув Блок амплітуд RPE-імпульс 1 RPE-імпульс 2 … RPE-імпульс 13	M1 Xmax1 x1(0) x1(1) … x1(13)	2 6 3 3 … 3	b46 - b47 b48 - b53 b54 - b56 b57 - b59 ... b90 - b92
Частковий кадр №2
LTP- параметри	26 27	LTP затримка LTP посилення	N2 B2	7 2	b93 - b99 b100- b101
RPE- параметри	28 29 30 31 .. 42	RPE зсув Блок амплітуд RPE-імпульс 1 RPE-імпульс 2 … RPE-імпульс 13	M2 Xmax2 x2(0) x2(1) … x2(13)	2 6 3 3 … 3	b102- b103 b104- b109 b110- b112 b113- b115 ... b146- b148
Частковий кадр №3
LTP- параметри	43 44	LTP затримка LTP посилення	N3 B3	7 2	B149 – b155 B156 – b157
RPE- параметри	45 46 47 48 .. 59	RPE зсув Блок амплітуд RPE-імпульс 1 RPE-імпульс 2 … RPE-імпульс 13	M3 Xmax3 x3(0) x3(1) … x3(13)	2 6 3 3 … 3	b158- b159 b160- b165 b166- b168 b169- b171 ... b202- b204
Частковий кадр №4
LTP- параметри	60 61	LTP затримка LTP посилення	N4 B4	7 2	B205 – b211 B212- b123
RPE- параметри	62 63 64 65 .. 76	RPE зсув Блок амплітуд RPE-імпульс 1 RPE-імпульс 2 … RPE-імпульс 13	M4 Xmax4 x4(0) x4(1) … x4(13)	2 6 3 3 … 3	b214- b215 b216- b221 b222- b224 b225- b227 ... b258- b260

Функціональний опис RPE-LTP модуля кодування

Блок-діаграма RPE-LTP модуля кодування наведена на рисунку 3.2.

Блок попередньої обробки RPE-LTP модуля кодування включає наступний два окремих блоки:

– компенсації зсуву;

– попередніх спотворень.

Блок LPC аналізу RPE-LTP модуля кодування включає п'ять часткових блоків:

– сегментація;

– автокореляція;

– алгоритм Шура;

– перетворення коефіцієнтів відображення у логарифм відношення площ;

– квантування і кодування логарифма відношення площ.

Блок аналізу короткочасного пророкування RPE-LTP модуля кодування включає чотири часткових блоки:

– декодування та відновлення логарифма відношення площ (LAR);

– інтерполяція логарифма відношення площ;

– перетворення логарифма відношення площ у коефіцієнти відображення;

– аналіз-фільтрація короткочасного передбачення.

Блок аналізу довгострокового передбачення включає чотири часткових блоки. Ці блоки працюють з частковими кадрами залишку короткочасного передбачення:

– обчислення параметрів LTP;

– кодування LTP затримок і LTP посилення;

– декодування LTP затримок і LTP посилення;

– аналіз і синтез фільтрації при довгостроковому передбаченні.

Блок RPE кодування включає п'ять різних часткових блоків:

– фільтр нижніх частот;

– адаптивний вибір зміщення RPE послідовності;

– АІКМ обраної RPE послідовності;

– адаптивна імпульсно-кодова демодуляція;

– компенсація зміщення RPE послідовності.

3.3 Опис лабораторної установки

Цифровий аналізатор мовних сигналів для швидкості 13,0 кбіт/с, зображений на рис. 3.3. Необхідно дослідити взаємозв'язок характеристик вихідної тестової цифрової послідовності Seq01.inp і відповідні характеристики, що розраховуються при спектральному аналізі.

Рисунок 3.3 – Цифровий аналізатор мовних сигналів для швидкості 13,0кбіт/с

3.4 Порядок виконання роботи та методичні указівки щодо її виконання

Крок 1. Дослідити цифрову послідовність відліків періоду основного тону на виході модуля кодування 13 кбіт/с:

– перетворити файл (Seq01.cod) параметрів кодування в 13 файлів за допомогою командного рядка (/extract13k.exe Seq01.cod);

– переконатися, що параметри короткочасного передбачення зберігаються у вісьмох файлах (Seq01_S_LAR1.13k, Seq01_S_LAR2.13k,..., Seq01_S_LAR8.13k) і кожний файл є цифровою послідовністю відліків коефіцієнтів трансверсального фільтра. Кожний відлік має бути розрахований по одному кадрі вхідного сигналу модуля кодування (Seq01.inp). Тривалість кадру 20 мс, тобто 160 відліків вхідного сигналу;

– переконатися, що параметри довгострокового передбачення зберігаються у двох файлах (Seq01_L_G.13k, Seq01_L_L.13k). У файлі (Seq01_L_L.13k) має бути наведена цифрова послідовність відліків періоду основного тону рекурсивного фільтра довгострокового лінійного передбачення. Кожний відлік має бути розрахований по одному частковому кадру вхідного сигналу модуля кодування (Seq01.inp). Тривалість часткового кадру 5 мс, тобто 40 відліків вхідного сигналу;

– переконатися, що три параметри збудливої послідовності, утримуються в трьох файлах відповідно (Seq01_E_G.13k, Seq01_E_P.13k, Seq01_E_V.13k);

– за допомогою пакета EDSW відкрити такі файли: Seq01.inp, що містить вихідну тестову послідовність на вході модуля кодування по 40 відліків сигналу в кожному кадрі, і Seq01_L_L.13k, що містить послідовність відліків періодів основного тону на виході модуля кодування по одному на кожний кадр вихідної цифрової послідовності;

– у файлі Seq01_L_L.13k знайти і записати у звіт номери відліків (кадрів), фрагмент послідовності, у якому величина періоду основного тону не міняється (параметра N на рис. 3.1), виділити кольором знайдений блок;

– обробити виділений блок за допомогою команди Обробка>Статистика> Гістограма з кількістю точок, рівній 10;

– оцінити і записати у звіт величину періоду основного тону для виділеного блоку;

– знайти у вихідній звуковій цифровій послідовності Seq01.inp фрагмент, що відповідає виділеному кольором блоку в послідовності Seq01_L_L.13k;

– для прискорення пошуку виділеного блоку цифрову послідовність Seq01.inp необхідно розмітити. Для цього натискаємо праву клавішу миші на графіку цифрової послідовності, викликаємо контекстне меню властивостей об'єкта. У діалоговому вікні, що відкрилося, «Параметри вікна» слід вибрати аркуш «Часові позначки» і в поле «Кадрові позначки» необхідно їх включити, установити період 40 відліків, початок відліку рівним 0;

– виділити кольором і прослухати заданий фрагмент за допомогою команди Відтворення/Виділений блок панелі меню;

– перевірити правильність виконаних дій шляхом розмітки тестової послідовності з періодом знайденого основного тону;

– визначити і записати у звіт час початку та закінчення знайденого фрагмента тестової послідовності.

Крок 2. Для виділеного блоку за допомогою пакета EDSW побудувати графіки та гістограми аналізованих цифрових послідовностей досліджуваних параметрів. Параметри слід розбити на три класи, передбачені специфікацією GSM Європейського інституту стандартів зв'язку:

– вісім параметрів трансверсального фільтра короткочасного лінійного передбачення містяться у вісьмох файлах (Seq01_S_LAR1.13k, Seq01_S_LAR2.13k,..., Seq01_S_LAR8.13k);

– два параметри рекурсивного фільтра довгострокового лінійного передбачення містяться у файлах (Seq01_L_L.13k, Seq01_L_G.13k);

– три параметри збудливої послідовності, що містяться у трьох файлах (Seq01_E_G.13k, Seq01_E_P.13k, Seq01_E_V.13k).

Крок 3. За допомогою пакета EDSW отримати амплітудний спектр виділеного блоку вихідної тестової послідовності та навести його у звіті:

– оцінити спектр за допомогою швидкого перетворення Фур'є;

– оцінити спектр за допомогою регресивної моделі восьмого порядку – моделі лінійного пророкування (LPC).

Крок 4. За допомогою пакета EDSW отримати усереднену періодограму виділеного блоку вихідної тестової послідовності й навести у звіті:

– оцінити спектр за допомогою швидкого перетворення Фур'є;

– оцінити спектр за допомогою регресивної моделі восьмого порядку – моделі лінійного передбачення (LPC).

Крок 5. Відповідно до вищенаведеного методикою дослідити цифрову послідовність відліків періоду основного тону на виході модуля кодування 12,2 кбіт/с:

– створити файл (file_name_Seq01.cod) параметрів кодування за допомогою командного рядка (/design_name_12k.exe Seq01.inp file_name_Seq01.cod). Для створення файла застосувати проект модуля кодування, розробленого в лабораторній роботі №1;

– перетворити файл (file_name.cod) параметрів кодування у 13 файлів за допомогою командного рядка (/extract12k.exe file_name.cod);

– переконатися, що параметри короткочасного пророкування зберігаються в п'яти файлах (Seq01_S_F1.12k, Seq01_S_F2.12k, Seq01_S_F3.12k, Seq01_S_F4.12k, Seq01_S_F5.12k) і кожний файл є цифровою послідовністю відліків пари частот косинусного перетворення вхідного сигналу модуля кодування (Seq01.inp);

– переконатися, що параметри довгострокового передбачення зберігаються в п'яти файлах (Seq01_L_G.12k, Seq01_L_L.12k, Seq01_L_L6.12k, Seq01_L_L9.12k, Seq01_L_Lfrac.12k). У файлі ( Seq01_L_L.12) має бути подана цифрова послідовність відліків періоду основного тону рекурсивного фільтра довгострокового лінійного;

– переконатися, що три параметри збудливої послідовності, утримуються у трьох файлах відповідно (Seq01_E_G.12k, Seq01_E_G.12k, Seq01_E_G.12k).

Крок 6. Поповнити конспект лекцій необхідним матеріалом, оформити звіт у робочому зошиті й подати його викладачеві для захисту.

3.5 Зміст звіту

У робочому зошиті побудувати графіки, отримані за допомогою пакета EDSW.

3.6 Контрольні запитання та завдання

1. Для чого використовується перетворення Фур'є?

2. У чому розходження між перетворенням Фур'є та дискретним перетворенням Фур'є?

3. У чому розходження між оцінкою амплітудного спектра за допомогою швидкого перетворення Фур'є та оцінкою спектра за допомогою регресивної моделі восьмого порядку – моделі лінійного передбачення (LPC)?

4. У чому розходження між оцінкою усередненої періодограми, отриманої за допомогою швидкого перетворення Фур'є, і оцінкою усередненої періодограми, отриманої за допомогою авторегресійної моделі восьмого порядку – моделі лінійного пророкування (LPC)?

5. У чому розходження між оцінкою амплітудного спектра й оцінкою усередненої періодограми, отриманої за допомогою швидкого перетворення Фур'є.

6. Яка розрядність кожного з параметрів моделі аналізу модуля кодування стандарту GSM?