diplov / file1

вирішено по різному захищати окремі елементи закодованого сигналу мови. З

цією метою 260 бітів, що містяться в кожному циклі сигналу мови поділено на три класи. Організацію канального кодування окремого блоку бітів, що відповідає циклу сигналу мови тривалістю 20 мс описано на рис. 7.24 і в таблиці 7.5.

Для канального кодування використовується блоковий кодер (50, 53),

тобто до кожного п'ятдесятибітового блоку, що подається на вхід кодера додаються три захисні біти. Використовується також змішувальний код з параметром 1/2. Це означає, що вхідна послідовність бітів розширюється вдвоє.

Кодер мови генерує кожної секунди 50 циклів, кожний довжиною 260

бітів. Отже швидкість бінарного потоку після кодування становить 50 циклів/с

х 465 бітів/цикл=22.8 кбіт/с.

7.2.1.3. Переплітання

На практиці більшість телекомунікаційних каналів вносить завади до сигналу, що передається. Помилки, які утворюються на виході демодулятора мають тенденцію групуватися в, так звані, ―пакети помилок‖. Такий характер каналу є небажаним для роботи канальних кодерів. Класичним методом, який використовується в таких ситуаціях є бітове або блокове переплітання.

Переплітання розмовних сигналів в системі GSM виконується двома кроками. Спочатку виконується бітове переплітання, а потім блокове переплітання.

Виконання бітового переплітання в системі GSM виглядає так. Блок 456

бітів, що відповідає одному циклу сигналів мови на виході канального кодера,

ділиться на 8 частин по 57 бітів - це відповідає довжині кожного з двох полів,

призначених для передачі інформаційних бітів в основному пакеті GSM.

Таблиця 7.5 Організація канального кодування сигналу мови в системі GSM

Після бітового переплітання один цикл сигналу мови тривалістю 20 мс

займає чотири основні пакети, змінюється тільки черговість інформаційних

332

бітів в пакетах. В наступному кроці виконується блокове переплітання. Під час виконання блокового переплітання інформаційні поля основних пакетів переплітаються між собою так, що після переплітання займають по одному інформаційному полю в восьми наступних основних пакетах.

Переплітання зменшує вразливість переданого сигналу до пакетних помилок. Якщо канал спричиниться до втрати кількох бітів під час передачі, то на виході канального декодера тільки в 12,5% бітів будуть міститись помилки.

У випадку, коли канал спричиниться до втрати всього пакету, блокове переплітання зробить так, що кількість бітів, вражених помилками, не перевищить 12,5%. Реально кількість неправильних бітів є наполовину нижча,

тому що серед бітів, вражених помилками, в середньому кожний другий підлягає зміні. Отже, як для коротких, так і для довших пакетів помилок, пакети даних на виході канального декодера мають, звичайно, не більше ніж приблизно 6% помилок. Це процент, який коректують канальні декодери системи GSM. Недоліком переплітання є вносиме запізнення. Передача одного циклу, що відповідає фрагменту сигналу мови тривалістю 20 мс триває приблизно 33 мс.

Після операції переплітання настає остаточне формування пакетів, які далі модулюються і подаються в канал. До інформаційних бітів додається тренувальна група, два однобітові позначники (SF), які вказують, що міститься в блоці інформаційних бітів (розмовні дані чи сигналізація) та три кінцеві біти

(ТВ) на початку і в кінці пакету.

7.2.1.4. Захист сигналів даних від помилок

Канальне кодування і блокове переплітання сигналізаційної інформації та даних істотно відрізняється від канального кодування і блокового переплітання,

описаних в пунктах 11.1.2 та 11.1.3 для сигналу мови. Ці відмінності виникають зі значно вищих вимог, щодо якості трансмісії, які ставляться при передачі таких сигналів. В таблиці 7.6 показано тільки основні параметри кодування і блокового переплітання для деяких окремих видів передачі інформації.

333

Детальний опис способів кодування і переплітання, що використовуються у випадку передачі даних виходить за рамки цього розділу. Незважаючи на те,

що, на перший погляд, існує велика різнорідність кодів, їх параметри вибрані так, що конструкції кодерів мають спільні риси. Для порівняння, в таблиці 7.6

представлено також параметри описаних раніше кодерів, що використовувались для кодування розмовних сигналів.

7.2.1.5. Модуляція

Останнім етапом перетворення сигналу на рис. 7.20, в передавальній частині, є модуляція. В системі GSM використано модуляцію GMSK (англ.

Gaussian Minimum Shift Keying) з параметром ВТ=0.3 ( В - ширина смуги в Гц на рівні 3 дБ; Т - час тривання одного біту). Модуляція GMSK є модифікацією модуляції FSK (англ. Frequency Shift Keying).

Бінарна швидкість пакету бітів на вході модулятора становить:

8.33 мультирамок/с х 26 рамок (в мультирамці) х

8 пакетів (в рамці) х 156.25 бітів (в пакеті) = 270.8 кбіт/с

В зв'язку з тим, що GMSK є бінарною модуляцією, швидкість модуляції на виході модулятора становить також 270.8 кбод. Відносно ширини частотного каналу, яка становить в системі GSM 200 кГц, ефективність використання смуги становить приблизно 1.35 біт/с/Гц. Це відносно висока величина для бінарної модуляції. Набагато вищої величини ефективності роботи діапазону,

що сягає 6 біт/с/Гц і вище, можна досягнути використовуючи багаторівневі модуляції, такі як М-PSK або M-QAM. На теперішньому рівні розвитку техніки це не є можливим тому, що рівень завад і спотворень, притаманний каналам рухомої радіокомунікації, робить неможливим, впевнений прийом багаторівневих сигналів.

Спосіб модуляції в системі GSM стандартизований. Схеми модулятора і демодулятора в специфікації GSM не оговорені і можуть бути модернізовані.

На рис. 7.25 представлено тилову функціональну схему модулятора GMSK. На

334

вхід модулятора подаються прямокутні імпульси, що відповідають закодованому різницевому пакету бітів з виходу канального кодера. Ці імпульси спочатку інтегруються в інтегруючому пристрої, далі згладжуються в фільтрі нижніх частот, який має характеристику кривої Гауса (звідси назва модуляції), а потім подаються на вхід класичного квадратичного модулятора.

Утворений сигнал подається в радіоканал.

Модуляція GMSK є частковим випадком бінарних сигналів з фіксованою фазою і є покращеною версією відомої модуляції MSK (англ. Minimum Shift

Keying).

Таблиця 7.6 Основні параметри канального кодування та пакетного переплітання для передачі різних типів сигналів в системі GSM

7.2.1.6. Приймач GMSK

Явище багатошляховості поширення, яке проявляється в рухомому радіоканалі, приводить до завмирання сигналу. Крім результатів впливу багатошляховості поширення на сигнал, що передається, накладається також ряд інших завад, таких як: канальна і міжканальна інтерференції, завади від інших систем, природній шум і інше.

На основі прийнятого сигналу приймач повинен бути в стані визначити найбільш правдоподібну групу переданих бітів, тобто такий пакет, для якого модульований сигнал, що відповідає йому, відносно мало відрізняється від прийнятого сигналу на вході приймача.

Існує багато різних алгоритмів демодуляції. Стандарт GSM не встановлює

336

конкретного алгоритму демодуляції, порушуючи однак вимоги щодо якості сигналу (рівня помилок) на виході канального декодера. Ці вимоги стосуються різних умов середовища, швидкості ти типу каналу. Стандарт GSM вимагає також від алгоритму, щоб він був в стані прийняти і правильно декодувати сигнал, що надійшов до приймача двома шляхами із взаємним зсувом в часі, що не перевищує 16 мкс (це час тривалості приблизно чотирьох бітів в системі

GSM). При такому зсуві в часі рівень міжсимвольної інтерференції значно перевищує рівень завад, що виникають в самій модуляції. Прості методи демодуляції тут не підходять. Для цього використовують блок корекції.

Принципи роботи коректора радіоканалу представлено на рис. 7.26. Робота коректора є двоетапною. Перший етап полягає на створенні математичної моделі каналу. Якщо радіоканал буде спроектований як лінійний фільтр, то створення моделі каналу відповідає обчисленню імпульсної відповіді фільтру.

Для обчислення імпульсної відповіді фільтру потрібно знати, якими є сигнали на його вході і виході. З цією метою в коректорі використовується відомий раніше в обох кінцях каналу пакет бітів, так звана тренувальна група S. Для кожного наступного прийнятого пакету в коректорі аналізуються всі можливі моделі каналу К і вибирається та з них, для якої група S" є найближча до реально прийнятої групи S' (рис. 7.26а). На цьому етапі відомі групи S і S", але

337

невідома модель каналу К.

В наступній частині процесу корекції приймають, що модель каналу К,

обчислена на першому етапі вже відома. Відомим також є прийнятий пакет інформаційних бітів В'. На цьому етапі переглядаються всі пакети бітів В і шукається пакет, для якого пакет В", що йому відповідає, є найближчий реально прийнятому пакету В' (рис. 7.26B). На цьому етапі відомі група В' і

модель К, а обчислюється пакет В.

Описані вище принципи роботи коректора є відносно простими. Основна проблема полягає в ефективному виконанні необхідних обчислень і порівнянь так, щоб запізнення, що вноситься коректором, не було занадто великим, а

338

коректор мав не дуже складну конструкцію. Для 114 інформаційних бітів, які містяться в одному пакеті, кількість можливих груп В становить 2114, тобто понад 1033. Отже на практиці необхідним є використання ефективних алгоритмів, які обмежують кількість комбінацій, що перевіряються. Прикладом такого алгоритму с алгоритм Вітербі. Опис алгоритму Вітербі виходить поза рамки цього розділу, потрібно тільки зауважити, що він також часто використовується для демодуляції деяких сигналів, в тому числі і сигналів

GMSK. Однією з переваг застосування алгоритму Вітербі для корекції радіоканалу є можливість спільного виконання процесів демодуляції і декодування в приймачі GSM.

7.2.2. Ефективне використання радіозасобів

В системі GSM існують високі вимоги на ефективне використання радіозасобів. Цій меті служать, з одного боку, описані раніше, точно підібраний алгоритм кодування мови та цифрова модуляція. Крім них, з іншого боку, в

системі GSM використовуються також кілька інших спеціальних методів, які виконують подібні функції. Одним з них є процедура скакання по частотах

(англ. frequency hopping), яка в принципі є одним з методів модуляції з розширеною смугою, але в системі GSM використовується з метою зменшення міжканальної інтерференції та підвищення рівня захищеності від завад.

Наступним методом є керування потужністю рухомої станції (англ. power control). Це процедура, яка зменшує рівень радіосигналів в каналі. Слідуючим методом є, так звана, передача з випередженням (англ. timing advance). Метод дозволяє ефективно використовувати радіоканал майже весь час, під час тривання передачі і розташування окремих передавачів на різних відстанях від базової станції. Останнім методом є, так звана, переривчаста передача (англ. Discontinuous Transmission DTX ), яка дозволяє обмежувати трансмісію сигналу в моменти, коли абонент не є активним підчас триваючого з'єднання.

339

7.2.2.1. Скакання по частотах

Скакання по частотах (англ. Frequency Hopping FH ) є, поряд з системами з імпульсним кодуванням, одним з двох основних методів модуляції з розширеною смугою (англ. spread spectrum modulation). Метод скакання по частотах полягає в тому, що несуча частота модульованого сигналу циклічно змінюється і псевдовипадковим способом приймає одну з N можливих величин,

причому типово N = 1000. В результаті отримують модульований сигнал, який займає дуже широку смугу, приблизно в N раз ширшу від смуги сигналів з модулядією амплітуди чи фази. Модульований сигнал таким чином набирає рис псевдошумового сигналу, його важко викрити, а також розшифрувати, він дуже завадостійкий. Можливо також одночасно передавати сигнали, які займають після модуляції той самий інтервал часу і ту саму смугу частоти. Такий спосіб називається кодовим розділення каналів CDMA.

В системі GSM метод скакання по частотах (FH) використано в іншому,

менш тиловому застосуванні. Метою застосування методу FH було, з одного боку, зменшення залежності від якості трансмісії в окремому частотному каналі, а з іншого боку, зниження середнього рівня міжканальної інтерференції

всусідніх комірках. Скакання по частотах в версії, що використовується в системі GSM, може бути використане тільки в комірках, в яких використовується кілька частотних каналів (на практиці хоча б чотири). В такій ситуації фізичний канал організується за допомогою ряду часово-частотних інтервалів, які періодично повторюються, причому величина несучої частоти для даного фізичного каналу не є сталою, а змінюється циклічним способом в рамках певної групи частот. Переваги скакання по частотах видно, між іншим,

вситуації, коли в радіоканалі проявляються швидкі завмирання. Умови поширення в окремих частотних каналах можуть тоді значно відрізнятися одні від одних. Тоді і фізичний канал системи GSM, в якому застосовано скакання по частотах, використовує кожний з доступних частотних каналів. Отже статистичні характеристики поширення в фізичному каналі також можна усереднити, а якість трансмісії в окремих фізичних каналах є наближено

340