Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Сети радиодоступа. Ч.1. Учебное пособие
.pdf
41
ный видеосигнал, несущий информацию;
– декодер канала выделяет из входного потока управляющую
информацию и направляет ее на логический блок; принятая информация
проверяется на наличие ошибок, и выявленные ошибки по возможности
исправляются; до последующей обработки принятая информация подвергается
обратной (по отношению к кодеру) переупаковке;
– декодер речи восстанавливает поступающий на него с кодера канала
сигнал речи, переводя его в естественную форму, со свойственной ему
избыточностью, но в цифровом виде;
– цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый
сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика;
– эквалайзер служит для частичной компенсации искажений сигнала
вследствие многолучевого распространения; по существу, он является
адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности
символов, входящей в состав передаваемой информации; блок эквалайзера не
является, вообще говоря, функционально необходимым и в некоторых случаях
может отсутствовать. Заметим, что для сочетания кодера и декодера иногда
употребляют наименование кодек.
Помимо собственно передатчика и приемника, в приемопередающий
блок входят логический блок и синтезатор частот. Логический блок – это по
сути микрокомпьютер со своей оперативной и постоянной памятью,
осуществляющий управление работой подвижной станции. Синтезатор
является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи
информации по радиоканалу. Наличие гетеродина и преобразователя частоты
обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки
спектра (так называемое дуплексное разделение по частоте).
Структурная схема абонентского терминала (рисунок 2.7) является
существенно упрощенной. На ней не показаны усилители, селектирующие
цепи, генераторы сигналов синхрочастот и цепи их разводки, схемы контроля
мощности на передачу и прием и управления ею, схема управления частотой
генератора для работы на определенном частотном канале и т.п. Для
обеспечения конфиденциальности передачи информации в некоторых системах
возможно использование режима шифрования; в этих случаях передатчик и
приемник подвижной станции включают соответственно блоки шифрования и
дешифровки сообщений.
Подвижная станция может включать также так называемый детектор
речевой активности (Voice Activity Detector), который включает работу
передатчика на излучение только на те интервалы времени, когда абонент
говорит. Делается это в интересах экономного расходования энергии источника
42
питания (уменьшения средней мощности излучения), а также снижения уровня
помех, неизбежно создаваемых для других станций при работающем
передатчике. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт
дополнительно вводится так называемый комфортный шум. В необходимых
случаях в подвижную станцию могут входить отдельные терминальные
устройства, например факсимильный аппарат, в том числе подключаемые через
специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.
2.5 Базовая станция
Эти компоненты системы беспроводного абонентского радиодоступа
осуществляют радиосвязь со стационарными или ограниченно мобильными
абонентами в пределах своих зон обслуживания, величина которых зависит от
используемой в системе радиотехнологии, и обеспечивают передачу вызовов
контроллеру БС. БС (рисунок 2.8) состоит из: антенно-фидерного тракта; одно
– или многоканальной приемопередающей аппаратуры; локальной подсистемы
управления; коммуникационных интерфейсов; подсистемы питания.
Делитель Сумматор
Контроллер базовой станции
Контроллер связи
К центру коммутации
Пр- к NПр- к 1 Пер-к 1 Пер-к N
Рисунок 2.8 – Структурная схема базовой станции
43
Ориентация на обслуживание стационарных абонентов создает
определенную специфику развертывания и применения систем беспроводного
абонентского радиодоступа, если сравнивать их с сотовыми системами
подвижной связи. Последние должны обеспечивать сплошное покрытие
обслуживаемой территории, в то время как базовые станции можно располагать
лишь вблизи мест расположения абонентов (точнее, зданий, где они живут или
работают). Наличие информации о количестве потенциальных стационарных
абонентов позволяет при установке системы реализовать лишь минимально
необходимую абонентскую емкость, которую затем можно будет увеличивать
по мере роста числа пользователей. Благодаря этому можно оптимизировать
конфигурации БС и системы в целом, а также минимизировать затраты на
начальном этапе развития системы. Достоинством систем беспроводного
абонентского радиодоступа является и относительно слабое (опять же по
сравнению с системами подвижной связи) проявление эффекта замирания
сигнала из–за многолучевого распространения радиоволн.
Многие элементы, входящие в состав базовой станции, по
функциональному назначению не отличаются от аналогичных элементов
подвижной станции, но в целом базовая станция существенно больше и
сложнее подвижной, что соответствует ее месту в системе радиосвязи.
Первая особенность базовой станции, которую следует отметить, – это
использование разнесенного приема, для чего станция должна иметь две
приемные антенны (на схеме эта особенность не отражена). Кроме того, базовая
станция может иметь раздельные антенны на передачу и на прием. Вторая
особенность – наличие нескольких приемников и такого же числа
передатчиков, позволяющих вести одновременную работу на нескольких
каналах с различными частотами.
Одноименные приемники и передатчики имеют общие перестраиваемые
опорные генераторы (не показанные на рисунке 2.8), обеспечивающие их
согласованную перестройку при переходе с одного канала на другой;
конкретное число N приемопередатчиков зависит от конструкции и
комплектации базовой станции. Для обеспечения одновременной работы
приемников на одну приемную и передатчиков на одну передающую антенны
между приемной антенной и приемниками устанавливается делитель
мощности, а между передатчиками и передающей антенной – сумматор
мощности.
Приемник и передатчик имеют в общем ту же структуру, что и в
подвижной станции (рисунок 2.7), за исключением того, что здесь в них
отсутствуют соответственно ЦАП и АЦП, поскольку и входной сигнал
передатчика, и выходной сигнал приемника имеют цифровую форму.
44
Возможны варианты, когда кодеки – либо только кодек речи, либо и кодек
речи, и канальный кодек – конструктивно реализуются в составе центра
коммутации, а не в составе приемопередатчиков базовой станции, хотя
функционально они остаются элементами приемопередатчиков.
Блок сопряжения с линией связи осуществляет упаковку информации,
передаваемой по линии связи на центр коммутации, и распаковку принимаемой
от него информации. В качестве линии связи базовой станции с центром
коммутации обычно используется радиорелейная или волоконно-оптическая
линия, если базовая станция и центр коммутации не располагаются
территориально в одном месте.
Контроллер базовой станции, представляющий собой достаточно
мощный и совершенный компьютер, обеспечивает управление работой
станции, а также контроль работоспособности всех входящих в нее блоков и
узлов.
Для обеспечения достаточной степени надежности многие блоки и узлы
базовой станции резервируются (дублируются), в состав станции включаются
автономные источники бесперебойного питания (аккумуляторы). Поскольку
аппаратура базовой станции потребляет значительную мощность и,
соответственно, выделяет заметное количество тепла, в ней предусматриваются
специальные устройства охлаждения. Все эти элементы, как и ряд других, не
являющихся в известном смысле существенными для пояснения принципов
работы станции, на схеме рисунка 2.8 не показаны.
Контрольные вопросы
1. Поясните характеристики компонентов системы беспроводного
абонентского доступа.
2. Характеристики контроллера базовых станций.
3. Характеристики аппаратных кодов.
4. Характеристики линейных кодов.
5. Мультиплексирование цифровых потоков.
6. Поясните функции элементов передающей части структурной схемы
абонентского терминала.
7. Поясните функции элементов приёмной части структурной схемы
абонентского терминала.
8. Поясните функции элементов структурной схемы базовой станции.
9. Алгоритмы формирования линейных кодов HDB-3 и CMI.
45
3 Обработка сигналов в оборудовании беспроводного доступа
Цифровая обработка сигналов – важный элемент в аппаратурной
реализации принципов, беспроводного доступа. Именно цифровая обработка
обеспечила возможность совершенствования методов множественного доступа,
повышения емкости системы, улучшения 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, 9, 17, 18, 19, 21].
При рассмотрении цифровой обработки сигналов будем опираться на
блок-схему рисунка 2.7 (раздел 2), отражающую все основные этапы обработки
и их последовательность. В соответствии с этой схемой мы рассмотрим:
- аналого-цифровой преобразователь сигнала;
- кодер речи;
- кодер канала.
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, тождественно одинакова. Реально этой тождественности
не получается, но обработка сигналов должна быть построена таким образом,
чтобы искажения не превышали допустимых пределов.
3.1 Импульсно-кодовая модуляция
Первым шагом в преобразовании аналогового сигнала uk(t) в цифровой
(рисунок 3.1) является формирование последовательности дискретных
моментов времени r(t), в которые осуществляется дискретизация сигнала. Если
дискретные отсчеты формируются достаточно часто, то исходный сигнал
может быть полностью восстановлен из последовательности дискретных
отсчетов путем применения фильтра нижних частот для интерполяции или
формирования сглаженного по величинам дискретных отсчетов сигнала.
Согласно теореме Котельникова-Найквиста частота дискретизации FД
непрерывного, ограниченного по спектру сигнала, с верхней частотой FВ много
большей FН, должна быть
2
ДВ
FF
(3.1)
46
Дискретизация
во времени
Квантование
(дискретизация
по амплитуде)
Кодирование
Аналоговый
сигнал
Цифровой
сигнал
Частота
дискретизации
Тактовая
частота
Эталонные
напряжения
Рисунок 3.1 – Последовательность преобразования аналогового сигнала в
цифровой при стандартной импульсно-кодовой модуляции
Для канала тональной частоты с FВ = 3,4 кГц, в соответствии с формулой
(3.1), частота дискретизации будет равна
8 кГц.
Д
F =
(3.2)
В ЦСП используется временное разделение каналов (ВРК), для
реализации которого формируется цикл (frame - кадр), с длительностью
мкс. (3.3)
В блоке дискретизации во времени (рисунок 3.1) аналоговый сигнал
дискретизируется по времени и на его выходе формируются АИМ импульсы
(отсчеты аналогового сигнала) с частотой дискретизации.
После дискретизации во времени полученный аналоговый АИМ сигнал
перед преобразованием в цифровой сигнал подвергается операции квантования,
которая заключается в замене бесконечного множества значений напряжения
сигнала конечным множеством дискретных (квантованных) значений. Для
этого на вход квантователя подаются эталонные напряжения (рисунок 3.1).
Кодер для квантованных значений АИМ сигнала создает
восьмиразрядные (m = 8) двоичные кодовые комбинации, численный
эквивалент которых пропорционален квантованным значениям АИМ сигналов,
их образующих. Таким образом, получается цифровой сигнал с тактовой
частотой
кГц. (3.4)
47
При этом скорость передачи цифрового сигнала при передаче
аналогового сигнала тональной частоты методом стандартной импульснокодовой модуляции равна
кбит/с (3.5)
Аналоговый сигнал тональной частоты занимает полосу частот ΔF = 3.4
кГц, в то время как цифровой сигнал, полученный его оцифровкой методом
стандартного ИКМ преобразования, занимает полосу ΔF = 64 кГц. То есть
примерно в 20 раз больше. Поскольку частотный ресурс является дефицитным,
необходимо стремиться обеспечить передачу информации аналоговых сигналов
с меньшей скоростью цифрового потока и, соответственно, в более узкой
полосе частот. Для этого используются адаптивная дифференциальная
импульсно-кодовая модуляция (АДИКМ) и кодеры речи.
3.2 Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая
модуляция
Для оцифровки речи в аппаратуре радиодоступа помимо рассмотренной
выше импульсно-кодовой модуляции используется и адаптивная
дифференциальная импульсно-кодовая модуляция АДИКМ (ADPCM – adaptive
differential pulse code modulation). Этот вид импульсно-кодовой модуляции был
стандартизован ITU-T и используется во многих приложениях, включая
цифровые сети с коммутацией каналов, такие как ISDN, и при реализации многих
беспроводных абонентских линий связи.
Дифференциальное квантование основано на принципе, согласно
которому речевые сигналы незначительно изменяются от выборки к
выборке, так как за секунду берётся 8 тысяч выборок (3.2) При обычной
импульсно-кодовой модуляции квантованные значения смежных выборок
будут в общем случае близки друг к другу, поэтому передаваемые
модулированные значения будут содержать много избыточной информации.
Следовательно, имеет смысл передавать только значение разности двух
смежных выборок, а не их абсолютные значения, тогда для передачи
разности соседних выборок потребуется меньшее число битов. Таким
образом, значения разностей будут меньшими, чем абсолютные значения
выборок, так как голосовые сигналы изменяются относительно медленно,
поэтому можно довольно точно оценить или предсказать значение k-й
выборки m(k) на основе значений предыдущих выборок.
Производительность схемы дифференциальной импульсно-кодовой
модуляции (DPCM) можно повысить, если использовать адаптивные методы
предсказания и квантования, которые позволят предсказателю и устройству
квантования адаптироваться к изменяющимся характеристикам кодируемой
речи.
48
В этом разделе описывается схема ADPCM, стандартизованная ITU-T в
Рекомендации G.726, которая используется в системах DECT и во многих
абонентских линиях связи.
На рисунке 3.2 а и б показаны структурные схемы кодера и декодера
адаптивной дифференциальной ИКМ. Кодер преобразует поток
оцифрованной речи со скоростью 64 Кбит/с в сжатый поток со скоростью
32 Кбит/с. Общая структурная схема кодера и декодера ADPCM
аналогична схеме, приведенной для модуляции DPCM. В последнем случае
адаптивный предсказатель использует не только значения своих предыдущих
выходных данных, но и значения предыдущих квантованных разностей. В
предсказателе и в устройстве квантования параметры алгоритмов
регулируются динамически, в зависимости от статистических свойств
предыдущих выборок. Как и при использовании схемы DPCM, ядро
декодера – копия части логики кодера.
Адаптивный
квантователь
Адаптивный
предсказатель
m(k)
m' q (k)
d(k)
dq(k)
m q (k)
Декодер
ИКМ
Декодер
АДИКМ
32 Кбит/с
АДИКМ
Разностный
сигнал
Квантованный
разностный
сигнал
Восстановленный
сигнал
Оценка
сигнала
а) Кодер ADPCM
Кодер
АДИКМ
Декодер
АДИКМ
32 Кбит/с
АДИКМ
Адаптивный
предсказатель
64 Кбит/с
ИКМ
Кодер
ИКМ
Квантованный
разностный
сигнал
Восстановленный
сигнал
Оценка
сигнала
б) Декодер ADPCM
Рисунок 3.2 – Структурная схема кодера а) и декодера б) АДИКМ
49
Адаптивное устройство квантования (аналого-цифрового
преобразователя – АЦП) в качестве входных данных принимает значение
разности d(k) между модулированным сигналом s(k) и оценкой этого сигнала
se(k), а на выходе выдает 4-битовый модулированный сигнал ADPCM I(k). До
квантования разность d(k) представляется в виде логарифма по основанию
2, затем она масштабируется на величину у(к) – множитель адаптации,
основанный на скорости изменения сигнала от выборки к выборке.
Полученный результат представляется в виде 4 бит, которые и передаются
как сигнал ADPCM.
На вход обратного адаптивного АЦП подается 4-битовый сигнал I(k), а
на выходе получается разностный сигнал dq(k), который затем используется
в качестве входного сигнала для адаптивного предсказателя.
Как правило, предсказатель (рисунок 3.3) – это трансверсальный
рекурсивный фильтр с использованием задержек, равных интервалу выборки,
реализующий линейную взвешенную сумму предыдущих выборок
1
( ) ( )
N
q i q
i
m k Am k i
=
=−
, (3.6)
где коэффициенты предсказателя Ai определяются из статистических
свойств выборок.
m q (k)
А
1
А
2
А
3
А
N-1
А
N
Задержка
T
S
Задержка
T
S
Задержка
T
S
m' q (k)
´ ´ ´ ´ ´
Рисунок 3.3 – Схема линейного предсказателя
Адаптивный предсказатель для схемы ADPCM является комбинацией
рекурсивного фильтра второго порядка и нерекурсивного фильтра
шестого порядка, что можно представить следующим уравнением:
6
2
11
( ) ( ) ( ) ( ),
e i i q
ii
s k A k i B k i d k i
==
= − + − −
(2.26)
50
где коэффициенты А
i
и Вi обновляются с помощью алгоритмов
адаптации к скорости изменения выборок se(k) и dq(k).
Таким образом, адаптивный предсказатель настраивается на скорость
изменения разностей выборок, а также на скорость изменения оценочных
значений сигнала. Кодеки ADPCM работают на скоростях 40, 32, 20 и 16
кбит/с.
3.3 Кодер речи
С возникновением электрической связи ученые и инженеры начали
неустанный поиск способов компактного представления данных, то есть
хранения и передачи информации меньшим потоком цифровых данных или в
более узком частотном диапазоне. Весьма важное место в технике связи
занимает передача речи. Поэтому понятно стремление представить речь в
возможно более компактной форме.
Сжатие речи при ее передаче сокращает объем передаваемых данных,
затраты и, благодаря этому, позволяет снижать цены на услуги и привлекать
новых пользователей. Именно поэтому рынок цифровой телефонии
развивается под непосредственным технологическим диктатом ученых и
разработчиков кодеков речи.
3.3.1 Особенности вокодерного кодирования
Вокодеры предназначены исключительно для кодирования речевого
сигнала. При их построении максимально учитывают особенности образования
речи и ее восприятия человеком. Форма восстановленного сигнала при этом
может радикально отличаться от формы исходного сигнала.
В качестве примера на рисунке 3.4 приведены осциллограммы двух
сигналов, внешне весьма различных. Тем не менее, при их воспроизведении
человек не заметит разницы. Дело в том, что спектральный состав обоих сигналов
одинаков: они являются суммой первой и третьей гармоник синусоиды.
Различны лишь значения начальной фазы третьей гармоники. Органы же слуха
человека не реагируют на фазовые соотношения.
Задача различных способов получения цифрового сигнала ИКМ, ДИКМ,
ДМ, – максимального точно передать информацию о форме сигнала. Именно
поэтому эти методы кодирования называют кодированием формы.
Задача вокодерной обработки другая – обеспечить, чтобы
восстановленный сигнал звучал как можно более сходно с исходным сигналом.
Принципиальное отличие вокодерного кодирования от кодирования
формы состоит в том, что по каналу связи передают не сам сигнал, а параметры
модели его образования. На приемном конце восстанавливаемый сигнал
синтезируют.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]