Модуляция радиосигнала

В стандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссова частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется гауссовой потому, что последовательность ин­формационных битов до модулятора проходит через фильтр нижних час­тот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот излучаемого радиосигнала. Формирование GMSK радио­сигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного инфор­мационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименее воз­можное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискретным изменением частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить «гладкие переходы». В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ = 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню -3 дБ, Т - длительность 1 бита цифрового сообщения. Функциональная схема модулятора показана на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 - Функциональная схема модулятора

Основой формирователя GMSK-сигнала является квадратурный (1/Q) модулятор. Схема состоит из двух умножителей и одного сумматора. За­дача этой схемы заключается в том, чтобы обеспечить непрерывную точ­ную фазовую модуляцию. Один умножитель изменяет амплитуду синусоидального, а второй – косинусоидального колебания. Входной сигнал до умножителя разбивается на две квадратурные составляющие. Разложение происходит в двух обозначенных «sin» и «cos» блоках.

Диаграммы, иллюстрирующие формирование GMSK-сигнала, пока­заны на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Формирование GMSK-сигнала

Модуляцию GMSK отличают следующие свойства, предпочтитель­ные для мобильной связи:

- постоянную по уровню огибающую, что позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С;

- компактный спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, что обеспечивает низкий уровень внеполосного излу­чения;

- хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.

Обработка речи

Обработка речи в стандарте GSM осуществляется с целью обеспече­ния высокого качества передаваемых сообщений и реализации дополни­тельных сервисных возможностей. Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы преры­вистой передачи речи(Discontinuous Transmission - DTX), которая обес­печивает включение передатчика, когда пользователь начинает разговор, и отключает его в паузах и в конце разговора. DTX управляется детек­тором активности речи (Voice Activity Detector - VAD), который обес­печивает обнаружение и выделение интервалов передачи речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи. В состав системы прерывистой передачи речи входит так­же устройство формирования комфортного шума, который включается и прослушивается в паузах речи, когда передатчик отключен. Экспери­ментально доказано, что отключение фонового шума на выходе прием­ника в паузах при отключении передатчика раздражает абонента и сни­жает разборчивость речи, поэтому применение комфортного шума в пау­зах считается необходимым.. DTX-процесс в приемнике предполагает интерполяцию фрагментов речи, потерянных из-за ошибок в канале. Структурная схема процессов обработки речи в стандарте GSM пока­зана на рисунке 3.10, главным устройством в этой схеме является речевой кодек.

Рисунок 3.10 - Структурная схема обработки речи в стандарте GSM

Принцип выбранного в стандарте GSM метода кодирования речи состоит в извлечении основных характеристик речи в форме коэффици­ентов фильтра, по которым речь может быть восстановлена, используя низкоскоростную квантизацию. Структурные схемы кодера и декодера речи показаны на рисунке 3.11. Уменьшение скорости передачи речи до 13 кбит/с достигается тремя этапами:

- LPC - линейным кодированием с предсказанием;

- LTР - долговременным предсказанием;

- RPE - регулярным импульсным возбуждением.

На первом этапе входной сигнал разделяется на сегменты 260 бит по 20 мс. Затем в процессе LPC анализа вычисляются 8 коэффициентов цифрового LPC анализирующего фильтра, которые представляются как уровень, и минимизируется динамический диапазон фильтрованной версии.

На втором этапе происходит дальнейшее снижение динамического диапазона за счет долговременного предсказания, в процессе которого каждый сегмент выравнивается до уровня следующих друг за другом сегментов речи. В принципе, LTP фильтр вычитает предыдущий период сигнала из текущего периода. Этот фильтр характеризуется параметром задержки N и коэффициентом усиления b. Период вычисления этих па­раметров равен 5 мс.

Рисунок 3.11 - Структурная схема речевого PRE/LTP-LPC-кодека

Восемь коэффициентов r(i) LPC анализирующего фильтра и пара­метры фильтра LTP анализа кодируются и передаются со скоростью 3,6 кбит/с. Для формирования последовательности возбуждения остаточный сигнал пропускают через фильтр нижних частот с частотой среза 3...4 кГц. Окончательно периодическая последовательность фрагментов пере­дается со скоростью 9,4 кбит/с. Общая скорость передачи составляет 3,6 + 9,4 = 13 кбит/с.

В декодере речевой сигнал восстанавливается по откликам последо­вательности регулярного импульсного возбуждения (RPE) двухступенча­тым синтезирующим фильтром, при этом качество речи соответствует качеству речи, передаваемой по ISDN, и превосходит качество речи в аналоговых радиотелефонных системах.

Теоретически время задержки речевого сигнала в кодеке равно дли­тельности сегмента и составляет 20 мс. Реальное время задержки суче­том операций канального кодирования и перемежения, а также физиче­ского выполнения рассматриваемых операций составляет 70.. .80 мс.

Детектор активности речи (VAD) пред­назначен для включения передающего устройства только при передаче информации. Если канал на мгновение свободен, его можно заблокиро­вать. Поскольку средняя активность речи говорящего ниже 50%, то это обеспечивает существенную экономию энергии аккумуляторной батареи.

К VAD предъявляются следующие основные требования:

- минимизация вероятности ложной тревоги при воздействии только шума с высоким уровнем;

- высокая вероятность правильного обнаружения речи низкого уровня;

- высокое быстродействие распознавания речи для исключения за­держек включения;

- минимальное время задержки выключения.

В стандарте GSM принята схема VAD с обработкой в частотной об­ласти. Структурная схема VAD приведена на рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 - Структурная схема детектора активности речи

Ее работа осно­вана на различии спектральных характеристик речи и шума. Считается, что фоновый шум является стационарным в течение относительно боль­шого периода времени, его спектр также медленно изменяется во времени. VAD определяет спектральные отклонения входного воздействия от спектра фонового шума. Эта операция осуществляется инверсным фильтром, коэффициенты которого устанавливаются применительно к воздействию на входе только фонового шума. При наличии на входе речи и шума инверсный фильтр осуществляет подавление компонентов шума и в целом снижает его интенсивность. Энергия смеси (сигнал + шум)на выходе инверсного фильтра сравнивается с порогом, который уста­навливается в период воздействия на входе только шума. Этот порог^- на­ходится выше уровня энергии шумового сигнала. Превышение порогово­го уровня принимается за наличие на входе смеси (сигнал + шум). Коэффи­циенты инверсного фильтра и уровень порога изменяются во времени в зависимости от изменения уровня входного шума. Решение об изменении параметров (коэффициентов и порога) принимается вторичным VAD на основе сравнения огибающих спектров в последовательные моменты времени. Если они аналогичны для относительно длительного периода вре­мени, предполагается, что имеет место шум, следовательно, коэффициенты фильтра и шумовой порог можно изменять, т. е. адаптировать VAD к теку­щему уровню и спектральным характеристикам входного шума. VAD с обработкой в спектральной области удачно сочетается с рече­вым RPE/LTP-LPC-кодеком, так как в процессе LPC-анализа уже опреде­ляется огибающая спектра входного воздействия, необходимая для работы вторичного VAD.

Формирование комфортного шума осуществляется в паузах активной речи и управляется речевым де­кодером. Когда VAD в передатчике обнаружит, что говорящий прекра­щает разговор, передатчик остается еще включенным в течение следую­щих пяти речевых кадров. Во время первых четырех из них характери­стики фонового шума оцениваются путем усреднения коэффициента усиления и коэффициентов фильтра LPC-анализа. Эти усредненные зна­чения передаются в следующем, пятом кадре, в котором содержат ин­формацию о комфортном шуме (SID-кадр). В речевом декодере комфортный шум генерируется на основе LPC анализа SID-кадра. Чтобы исключить раздражающее влияние модуляции шума, комфортный шум должен соответствовать по амплитуде и спектру реальному фоновому шуму в месте передачи. В условиях мобильной свя­зи фоновый шум может постоянно изменяться. Это значит, что характе­ристики шума должны передаваться с передающей стороны на приемную сторону не только в конце каждого речевого всплеска, но и в речевых паузах так, чтобы между комфортным и реальным шумом не было резких рассогласований в следующих речевых кадрах. По этой причине SID-кадры посылаются каждые 480 мс в течение речевых пауз. Динамическое изменение характеристик комфортного шума обеспе­чивает натуральность воспроизведения речевого сообщения при исполь­зовании системы прерывистой передачи речи.

Вусловиях замира­ний сигналов в мобильной связи речевые фрагменты могут подвергаться значительным искажениям. При этом для исключения раздражающего эффекта при воспроизведении необходимо осуществлять экстраполяцию речевого кадра. Было установлено, что потеря одного речевого кадра мо­жет быть значительно компенсирована путем повторения предыдущего фрагмента. При значительных по продолжительности перерывах в связи предыдущий фрагмент больше не повторяется и сигнал на выходе рече­вого декодера постепенно заглушается, чтобы указать пользователю на разрушение канала. То же самое происходит и с SID-кадром. Если SID-кадр потерян во время речевой паузы, то формируется комфортный шум с параметрами предыдущего SID-кадра. Если потерян еще один SID-кадр, то комфорт­ный шум постепенно заглушается. Применение экстраполяции речи при цифровой передаче, формиро­вание плавных акустических переходов при замираниях сигнала в кана­лах в совокупности с полным DTX-процессом значительно улучшает по­требительские качества связи с GSM.

Контрольные вопросы