Радиосвязь,_радиовещание,телевидение2

Список литературы

1.Агафонов Л.К., Кураев Ю.А. Беспроводная технология на местных телефонных сетях. Экономические аспекты внедрения // Электросвязь. – 1997. – № 7. – С. 28–30.

2.Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. – М.: ЭКО-Трендз, 1998. – 368 с.

3.Ратынский М.В. Основы сотовой связи. – М.: Радио и связь, 1998. – 248 с.

4.Даниэль Розен. Архитектуры и технологии беспроводного абонентского доступа// Сети и системы связи. – 1996. – № 6. – С. 84–88.

5.Лопатин С.И. и др. Бесшнуровые телефонные системы и их использование на сетях электросвязи // Электросвязь. – 1996. – № 12. – С. 17–19.

6.Ньюман Д. Беспроводные сетевые технологии// Сети и системы связи. – 1997. –

№2. – С. 52–54.

7.Шельгов В.И. Системы WLL на российском рынке // Сети и системы связи. – 1998. –

№12. – С. 72–75.

8.Сети фиксированной связи стандартаGSM: возможная альтернатива стационарным сетям // Электросвязь. – 1997. – № 12. – С. 38–39.

9.Фиксированная сотовая связь на основе стандартаAMPS/DAMPS // Электросвязь. – 1997. – № 7. – С. 38.

10.Широкополосная система беспроводного доступаWLL стандарта CDMA // Элек-

тросвязь. – 1997. – № 12. – С. 37.

11.Горштейн Л.В. Особенности применения в России стандартаDECT // Мобильные системы. – 1998. – № 3. – С. 5–11.

12.Румянцев М.В., Егоров М.В. Цифровые бесшнуровые телефоны стандарта СТ–2 // Мобильные системы. – 1997. – № 3. – С. 18–21.

13.Макаров Н.В. Мир PHS // Вестник связи. – 1998. – № 10. – С. 33–35.

14.Гольдштейн Б.С. Телекоммуникационные протоколы беспроводного абонентского доступа // Вестник связи. – 1998. – № 10. – С. 28–31.

15.Кисс Сурани. Hicom cordless эффективная беспроводная учрежденческая связь//

Электросвязь. – 1998 . – № 3. – С. 40–41.

Глава 16. Обработка сигналов в оборудовании беспроводного доступа

16.1. Кодер речи

Цифровая обработка сигналов – важный элемент в аппаратурной реализации принципов сотовой связи. Именно цифровая обработка обеспечила возможность перехода от первого поколения сотовой связи ко второму с соответствующим совершенствованием методов множественного доступа, повышением емкости системы, улучшением качества связи. Только в цифровой форме оказывается возможным применение экономичного (с устранением избыточности) кодирования речи, эффективного канального кодирования с высокой степенью защиты от ошибок, совершенных методов борьбы с многолучевым распространением [1, 2].

При рассмотрении цифровой обработки сигналов будем опираться на блок-схему рис. 15.5, отражающую все основные этапы обработки и их последовательность. В соответствии с этой схемой мы рассмотрим:

-аналого-цифровое преобразование сигналов;

-кодирование речи.

Каждому из этапов обработки в передающем тракте соответствует этап обработки в приемном тракте, так что в идеализированной ситуации – при отсутствии шумов, помех и искажений при обработке и распространении сигналов– форма сигнала в соответствующих точках передающего и приемного трактов, например на выходе кодера речи и на входе декодера речи, на выходе АЦП и на входе ЦАП, тождественна. Реально этой тождественности не получается, но обработка сигналов должна быть построена таким образом, чтобы искажения не превышали допустимых пределов.

Аналого-цифровое преобразование является первым этапом цифровой обработки сигналов в передающем тракте (см. рис. 15.5). Работа АЦП складывается из двух этапов, которые в реальном устройстве часто не могут быть четко отделены один от другого: дискретизации

входного непрерывного сигнала во времени обычно с постоянным шагом, т.е. через равные интервалы времени, и квантования величины сигнала по уровню для этих дискретных моментов времени. В результате на выходе АЦП появляются двоичные числа, т.е. наборы единиц и нулей, соответствующие уровням сигнала в моменты дискретизации.

В соответствии с теоремой Котельникова, частота дискретизации должна быть по крайней мере вдвое выше наибольшей частоты

вспектре обрабатываемого сигнала. Поскольку, как указывалось в предыдущем разделе, при передаче сигналов речи по телефонным каналам связи ограничиваются полосой частот от300 до 3400 Гц, общепринятой является частота дискретизации Fд = 8 кГц.

Врезультате на выходе АЦП получается поток8-битовых чисел, следующих с частотой 8 кГц, т е. поток информации на выходе АЦП составляет 64 кбит/с. Практические схемы АЦП чаще всего строятся на основе сравнения выборок мгновенных значений аналогового сигнала с набором эталонов, каждый из которых содержит определенное число уровней квантования.

Всхемах ЦАП, как правило, используется формирование аналоговых величин (токов), пропорциональных весовым коэффициентам разрядов входного двоичного кода, с последующим суммированием

вразрядах кода, содержащих единицы.

Кодирование речи. Кодер речи является первым элементом собственно цифрового участка передающего тракта, следующим после АЦП (см. рис. 15.5). Основная задача кодера(англ. термин encoder) – предельно возможное сжатие сигнала речи, представленного в цифровой форме, т.е. предельно возможное устранение избыточности речевого сигнала, но при сохранении приемлемого качества передачи речи. Компромисс между степенью сжатия и сохранением качества отыскивается экспериментально, а проблема получения высокой степени сжатия без чрезмерного снижения качества составляет основную трудность при разработке кодера. В приемном тракте перед ЦАП размещен декодер речи, задача декодера (англ. термин decoder) – восстановление обычного цифрового сигнала речи, с присущей ему естественной избыточностью, по принятому кодированному сигналу. Сочетание кодера и декодера называют кодеком (англ. термин codec).

Прежде чем перейти к рассмотрению кодеров речи, используемых в сетях радиодоступа, приведем некоторые общие сведения об основных методах кодирования.

Исторически сложилось два направления кодирования речи: кодирование формы сигнала (waveform coding) и кодирование источника сигнала (source coding). Первый метод основан на использовании статистических характеристик сигнала и практически не зависит от механизма формирования сигнала. Кодеры этого типа с самого начала обеспечивали высокое качество передачи речи(хорошую разборчивость и натуральность речи), но отличались меньшей по сравнению со вторым методом экономичностью. В методе кодирования формы сигнала используются три основных способа кодирования: импульс- но-кодовая модуляция ИКМ (Рulse Code Modulation – РСМ), диффе-

модуляция ДМ (Delta Modulation – DМ). ИКМ соответствует цифровой сигнал непосредственно с выхода АЦП, в нем сохраняется вся избыточность аналогового речевого сигнала. При ДИКМ эта избыточность несколько уменьшается за счет того, что квантованию с последующим кодированием и передачей по линии связи подвергается разность между исходным речевым сигналом и его предсказанным значением, а при приеме разностный сигнал складывается с предсказанным значением, полученным по тому же алгоритму предсказания. Шкала квантования может быть равномерной, неравномерной или адаптивно изменяемой, предсказание сигнала может не зависеть от формы последнего или же зависеть от формы сигнала, т.е. быть адаптивным. Если при кодировании сигнала используются элементы адаптации, то соответствующую разновидность ДИКМ называют адаптивной ДИКМ– АДИКМ (Adaptive DPCM – ADPCM). ДМ – это ДИКМ с однобитовым квантованием, она также может быть адаптивной(АДМ). АДИКМ находит применение, например, в беспроводном телефоне(CT) с коэффициентом сжатия сигнала около 2.

Второй метод – кодирование источника сигнала, или кодирование параметров сигнала – первоначально основывался на данных о механизмах речеобразования, т.е. использовал своего рода модель голосового тракта и приводил к системам типа анализ– синтез, получившим название вокодерных систем, или вокодеров (vocoder – сокращение от voice coder, т.е. кодер голоса или кодер речи). Уже ранние вокодеры позволяли получить весьма низкую скорость передачи информации, но при характерном «синтетическом» качестве речи на выходе. Поэтому вокодерные методы долгое время оставались в основном областью приложения усилий исследователей и энтузиастов, не находя широкого практического применения. Ситуация существенно изменилась с выходом на сцену метода линейного предсказания, предложенного в 60-х годах и получившего мощное развитие в80-х, в том числе в прямой связи с разработкой речевых кодеков для цифровых систем сотовой связи. Именно вокодерные методы на основе линейного предсказания и применяются в сотовой связи, причем за-

висимость этих методов от данных о механизмах речеобразования отступает на второй или даже третий план, а оценка передаваемых по линии связи параметров производится на основе статистических характеристик сигнала по жестко определенному алгоритму, как и при кодировании формы сигнала. Поэтому фактически граница между двумя классическими методами кодирования– кодирования формы сигнала и кодирования источника сигнала– до некоторой степени стирается.

16.2. Метод кодирования речевых сигналов

Общее описание алгоритма кодирования речевого сигнала.

Для кодирования (информационного уплотнения) речевых сигналов в сетях радиодоступа используется кодер с линейным предсказанием и многоимпульсным возбуждением от кода– CELP (Code Excited Linear Prediction). Данный метод кодирования основан на линейной

авторегрессионой модели процесса формирования и восприятия речи и входит в группу так называемых методов анализа через синтез, реализующих современные и эффективные алгоритмы информационного уплотнения речевых сигналов. Алгоритмы данного класса занимают промежуточное положение между кодерами формы сигнала, в которых сохраняется форма колебания речевого сигнала в процессе его дискретизации и квантования, и параметрическими вокодерами, основанными на процедурах оценки и кодирования небольшого числа параметров речи, объединяя преимущества каждого из них.

Линейная авторегрессионая модель процесса формирования речевых сигналов с локально постоянными на интервалах10…30 мс параметрами получила в настоящее время наибольшее распространение. Для этой модели последовательность отсчетов речевого сигнала s(n) определяется выражением

m=1

где М – порядок модели, а(m) – коэффициенты линейного предсказания, характеризующие свойства голосового тракта, а х(n) – порождающая последовательность, или сигнал возбуждения голосового тракта. Авторегрессионая модель речевого сигнала описывает его с достаточно высокой степенью точности и позволяет применять развитый математический аппарат линейного предсказания. При этом обеспечивается более высокое качество декодированной речи, устойчивость к входному акустическому шуму и ошибкам в канале связи, чем в системах с иными принципами кодирования.

В рамках данной модели наиболее перспективными методами кодирования считаются методы анализа через синтез с использованием многоимпульсного возбуждения от кода. Новизна многоимпульсного возбуждения заключается в том, что в сигнале остатка линейного предсказания выбираются такие его значения, которые наиболее важны для повышения качества синтезированной речи. При этом используемая в процедуре анализа через синтез схема кодирования, помимо учета ошибок квантования, включает критерии субъективной оценки качества речевого сигнала, что обеспечивает естественное звучание синтезированной речи.

486 Глава 16. Обработка сигналов в оборудовании беспроводного доступа

При многоимпульсном возбуждении сигнал остатка линейного предсказания представляется в виде последовательности импульсов с неравномерно распределенными интервалами и с различными амплитудами (около 8–10 импульсов за 10 мс). Амплитуды и положения этих импульсов определяются на покадровой основе (кадр за кадром).

Методы анализа через синтез используют синтезатор(декодер) речевого сигнала как составную часть устройства кодирования. При этом задача анализа сводится к процедуре оценки передаваемых в канал связи параметров речи, проводимой в соответствии с некоторым критерием рассогласования между исходным и декодированным сигналами. Для учета специфики слухового восприятия в качестве критерия рассогласования обычно используется взвешенная по частоте квадратическая ошибка. Фактически при используемом в кодере взвешивании подчеркивается ошибка в межформантных областях и тем самым обеспечивается более равномерное по частоте распределение отношения мощности полезного сигнала к мощности ошибки кодирования.

В алгоритмах кодирования с анализом через синтез повышение эффективности информационного уплотнения речевых сигналов производится, преимущественно, за счет сокращения избыточности последовательности x(n), которая осуществляет возбуждение синтезирующего фильтра A–1(z) линейного предсказания, формирующего огибающую сигнала, с коэффициентом передачи

Для этой цели применяется также дополнительный фильтр с -ха

новного тона Т. Он выполняет функции генератора квазипериодических колебаний голосовых связок при произношении вокализованных звуков.

В зависимости от способа описания сигналаx(n), поступающего на вход фильтра (16.1), можно выделить алгоритмы кодирования с возбуждением прореженной последовательностью импульсов – MPLP (Multi Pulses Linear Prediction), с самовозбуждением – SELP (Self Excited Linear Prediction), и наконец, с возбуждением от кода– CELP.

Экспериментально установлено, что кодовое возбуждение обеспечивает наиболее высокое качество декодированного речевого сигнала, в том числе и при наличии входных акустических помех.

Метод CELP был предложен Этолом и Шредером в1984 г. Наиболее эффективно применение этого метода при передаче речевого сигнала в диапазоне скоростей от 4 до 16 кбит/с.

При этом отрезок сегмент( ) сигнала возбуждения выбирается из предварительно сформированной постоянной совокупности – кодовой книги, содержащей достаточно большое количество реализаций, например, некоррелированного гауссовского шума. Выбранная реализация усиливается и подается на вход цепочки фильтров (16.2) и (16.3).

Поиск оптимальных значений gp и Т синтезатора основного тона, коэффициента усиления и номера элемента кодовой книги осуществляется посредством анализа через синтез. В целом, в канал связи передаются номер (индекс) элемента кодовой книги с соответствующим коэффициентом усиления, параметры синтезатора основного тона, а также коэффициенты линейного предсказания, характеризующие состояние голосового тракта.

Структура декодера. Основными узлами схемы декодера являются два синтезирующих фильтра с большой и малой постоянной времени и алгебраическая кодовая книга.

Фильтр с большой постоянной времени выполняет функцию долговременного предсказателя (Long Term Predictor) и моделирует квазипериодичность (долговременные корреляции) речевого сигнала и имеет характеристику(16.3). Он выполнен на основе адаптивной кодовой книги, содержащей сигналы возбуждения и реализующей генерацию квазипериодических колебаний голосового тракта.

Фильтр с малой постоянной времени выполняет функцию кратковременного предсказателя (Short Term Predictor) и моделирует кратковременные корреляции, т.е. корреляции между отсчетами речевого сигнала, и имеет характеристику (16.2) с порядком предсказывающего устройства, соответствующим М = 10.

Алгебраическая (постоянная) кодовая книга содержит совокупность последовательностей белого шума с гауссовским распределением, нулевым средним значением и единичной дисперсией. Она служит для реализации первого этапа генерации возбуждающего сигнала. На втором этапе производится коррекция возбуждающего сигнала путем добавления к нему данных из адаптивной кодовой книги. Сформированная в итоге возбуждающая последовательность поступает на вход синтезирующего фильтраA–1( z), где вычисляются значения выходного речевого сигнала.

В кодере производится оценка М = 10 коэффициентов линейного предсказания и анализ возможных значений параметра синтезатора (индекса kc и коэффициента усиленияgc алгебраической кодовой книги и индекса kp и коэффициента усиления gp адаптивной кодовой книги), целью которого является минимизация взвешенной ошибки рассогласования между входным и синтезированным речевыми сигналами.

Полученные при этом оптимальные параметры синтезатора квантуются и передаются в канал связи. Обработка сигналов в кодере

Рис. 16.1. Структурная схема декодера речевого сигнала

и декодере производится по блокам. Длительность основного блока составляет 30 мс, что соответствует 240 отсчетам при частоте дискретизации 8 кГц. Для каждого такого блока формируется кадр передаваемой в канал связи информации объемом 137 бит, что обеспечивает скорость передачи информации 4567 бит/с. Оценка коэффициентов линейного предсказания выполняется один раз на всем блоке, а оптимизация остальных параметров синтезатора выполняется на сегментах длительностью 60 отсчетов, т.е. 4 раза на блок. Поразрядное распределение информации в передаваемом кадре приведено в табл. 16.1.

Т а б л и ц а 16.1. Поразрядное распределение информации в кадре

речевого кодека

490 Глава 16. Обработка сигналов в оборудовании беспроводного доступа

нов сжатия динамического диапазона в ИКМ-сигнал с линейной - ха рактеристикой квантования. Из этого сигнала вычитается восстановленная цифровая версия квантованного сигнала, а разностный сигнал поступает на адаптивный квантователь, шаг квантования которого является переменным и зависит от динамического диапазона квантованного сигнала. Изменение уровня сигнала кодируется четырехбитным кодом (в ИКМ-64 для этого требуется 8 бит): в трех битах записан уровень разностного сигнала, а в одном – его знак. Таким образом, при использовании АДИКМ по каналу связи передается не абсолютное значение сигнала, а разность между текущим и предыдущим отсчетами. При шаге дискретизации 125 мкс выходная скорость кодера составляет 32 кбит/с.

Главное преимущество адаптивного предсказания заключено в использовании переменного шага квантования, определяемого значением абсолютного уровня сигнала, который восстанавливается в инверсном адаптивном квантователе. Благодаря тому, что необходимая для адаптации информация выделяется из выходного кодированного сигнала, а не из входного аналогового, операции кодирования/декодирования идентичны.

Адаптивный предсказатель кодера АДИКМ формирует квантованный сигнал, который обеспечивает отслеживание как быстрых, так и медленных флуктуаций разностного сигнала, поэтому кодер способен эффективно обрабатывать аудиосигналы различных видов, даже с резкими скачками амплитуды, например сигналы, генерируемые модемом, факсимильным аппаратом и т.п.

Декодер АДИКМ (рис. 16.2, б) фактически представляет собой часть кодера (рис. 16.2, а), в котором квантовый разностный сигнал восстанавливается с помощью инверсного адаптивного квантователя.

Практически те же функции выполняет и адаптивный предсказатель, который формирует оценки сигнала, основываясь на разностном сигнале и предыдущих отсчетах восстановленного сигнала. Для устранения возможных ошибок, накапливающихся при последовательном соединении нескольких транскодеров АДИКМ, используется синхронизация.

Кроме DECT-систем транскодер АДИКМ используется и в ряде других сетей беспроводного доступа: СТ2, PHS, PACS. Требования к нему детально определены в спецификацияхG.721 и G.726. Для АДИКМкодеров со скоростью 32 кбит/с качество воспроизведения речи оценивается по экспертной шкалеMOS в 4,1 балла (сравните: для ИКМкодеров со скоростью 64 кбит/с (G.711) аналогичная оценка качества составляет 4,5 балла, а для кодеров сотовых систем (4,8...13 кбит/с) – 3,5...3,8 балла).