|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ЕНЦИКЛОПЕДІЯ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ ТА ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ Кодування мови у цифрових системах стільникового зв'язку. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Мобільний зв'язок У статті нагадуються загальні принципи цифрового кодування мовлення в електрозв'язку. Автор досить докладно висвітлює дуже складні процеси кодування, які застосовують у цифрових системах стільникового зв'язку. Теоретичні дослідження та оригінальні інженерні рішення дозволили створити елегантний малогабаритний абонентський радіотелефон. Про складні процеси, що відбуваються в ньому, про які користувачі і навіть чимало фахівців електрозв'язку навіть не здогадуються, читач дізнається з цієї статті. Загадки мовних сигналів привертали увагу дослідників задовго до електричного зв'язку. Ще у XVIII столітті один з найбільших математиків петербурзький академік Леонард Ейлер (1707-1783) у листі німецької принцеси від 16 червня 1761 р. писав: "Споруда машини, яка б здатна видавати голоси промов наших з усіма змінами, було б, без сом , Найважливіший винахід ... Додавання такої машини мені здається не неможливим ". Ідея винаходу машини, що говорить, хвилювала уми багатьох творців, не тільки прагнули створити її в тому вигляді, як уявляв собі Ейлер, але і як засіб передачі мови на відстань. Наприклад, конструюванням такої машини займався винахідник телефону А. Р. Белл (1847-1922). Однак зрештою виявилося, що передачу мови на відстань можна здійснити і без подібної машини. Це було досягнуто досить легко. За допомогою мікрофона коливання повітря, що переносять мову, перетворювалися на коливання електричного струму, які передавалися по проводах, а на приймальному кінці за допомогою телефону вони знову перетворювали на коливання повітря. Такий метод передачі називається аналоговим через очевидну аналогію між коливаннями повітря, що переносять звук, і електричними коливаннями, що передають цей звук. Дослідження аналогової передачі мови з амплітудною модуляцією показали, що для нормальної якості відтворення мови достатньо смуга частот від 300 до 3400 Гц. Така смуга була прийнята як міжнародний стандарт, і на його основі побудована всесвітня мережа телефонного зв'язку. Принцип дії цієї мережі сьогодні знайомий не тільки кожному зв'язківцю, але й широкій публіці. Цифрова передача мови в мережах провідного зв'язку p align="justify"> Корінні зміни в підходах до організації телефонного зв'язку виникли при переведенні засобів зв'язку на цифрову техніку. Переваги цифрових методів передачі широко відомі. Нагадаємо лише найважливіше з них - цифрова техніка дозволяє забезпечити будь-яку наперед задану якість зв'язку. Для цифрової передачі мови необхідно зробити аналого-цифрове перетворення мовного сигналу: аналоговий сигнал дискретизації, квантування і кодування. Сукупність цих операцій називається імпульсно-кодовою модуляцією (ІКМ). Для точного опису форми мовного сигналу, згідно з теоремою Котельникова, його дискретизацію доводиться проводити з частотою 8 кГц (тобто брати відліки через кожні 125 мкс), а для отримання нормальної якості відтворення мовлення квантувати кожен відлік за шкалою, розбитою на 8192 рівня ( при виборі рівномірної шкали квантування). Щоб закодувати кожне значення відліку за допомогою двійкового числа, потрібно 13 розрядів. У результаті передачі телефонної розмови з допомогою послідовності двійкових імпульсів необхідна швидкість 8х13=104 кбіт/с (що відповідає при оптимальному кодуванні смузі частот 52 кГц). Порівнюючи це число зі смугою частот 3100 Гц, яка потрібна для аналогової передачі, не можна не вразитися колосальному зростанню необхідної смуги, яким доводиться розплачуватися переваги цифрової передачі. Звичайно спробувати при реалізації цифрової системи передачі знизити швидкість передачі. Перший крок у цьому напрямі є досить очевидним. Квантування на 213 рівнів необхідне тому, що рівні аналогових мовних сигналів можуть змінюватися в діапазоні 60 дБ. При цьому сигнали високого рівня при рівномірній шкалі квантування квантуються з таким самим кроком, що і сигнали низького рівня. Але оскільки сприйняття сигналів органами слуху людини пропорційно логарифму рівня сигналу, то було б сигнали високого рівня квантувати грубіше, а низького рівня - точніше. Застосовуючи нелінійне квантування з використанням логарифмічного закону, можна обійтися вісьмома розрядами на відлік, зберігши майже таку саму якість передачі. В результаті швидкість передачі двійкових розрядів виявиться рівною 64 кбіт/с. Саме ця швидкість набула найширшого поширення, вона зафіксована у рекомендації МККТТ С.711, і на ній працює апаратура ІКМ у багатьох країнах. Чи можна зменшувати швидкість далі? Аналоговий сигнал має велику надмірність. Це дозволяє передбачати черговий відлік і передавати лише різницю між фактичним та передбаченим значенням кожного відліку. Якщо застосувати хорошу схему передбачення, зміна амплітуди збільшення сигналу виявиться менше зміни амплітуди самого сигналу, що призведе до зменшення кількості інформації, що передається. На цьому принципі будується диференціальна ІКМ (ДИКМ) та адаптивна диференціальна ІКМ (АДИКМ), яка дозволяє знизити швидкість передачі мови до 32 кбіт/с і нижче за рахунок подальшого ускладнення приймальної апаратури. Продовжуючи ускладнювати апаратуру, можна довести швидкість передачі до 100-300 біт/с. Можна уявити собі, наприклад, на передавальній стороні перетворювач мови в текст, а на приймальній стороні - машину, що читає. Відомі шляхи подальшого зниження швидкості передачі мови, але не будемо на цьому зупинятися. Справа в тому, що апаратура цифрової передачі мови зі швидкістю 64 кбіт/с усіх задовольнила тому, що вона виявилася працездатною при використанні найпростіших симетричних кабелів із парним скручуванням. Апаратура ІКМ-30 розпочала свою тріумфальну ходу із ущільнення з'єднувальних ліній між міськими телефонними станціями. Там, де раніше за кабельною парою можна було організувати сполучну лінію для передачі лише однієї розмови, апаратура ІКМ-30 дозволила організувати з цієї пари передачу 30 розмов. Про найкраще використання такої пари за допомогою аналогової апаратури багатоканального зв'язку не могло бути й мови. Пізніше з'явилися апаратура ІКМ-120 та інші високопродуктивні системи, що працюють за коаксіальними кабелями та волоконними світловодами, і гострота питання про зменшення швидкості передачі розмовних сигналів нижче 64 кбіт/с у мережах провідного зв'язку практично була знята. Навіть численні розробки апаратури цифрової передачі зі швидкістю 32 кбіт/с, реалізовані у багатьох країнах з урахуванням принципу АДИКМ (зокрема, розробка, виконана нашій країні під керівництвом М. У. Поляка), отримали досить широкого застосування. Баланс між збільшенням пропускної спроможності каналоутворювальної апаратури та складністю кінцевого обладнання у провідному зв'язку поки так і не схилився на користь першого рішення. Кодування мовлення у цифрових стільникових системах радіозв'язку Зовсім інші перспективи відкрилися наприкінці 1980-х - на початку 1990-х років, коли почали розвиватися стільникові системи цифрового радіотелефонного зв'язку. На відміну від провідних мереж, де розширення пропускної спроможності можливе за рахунок прокладання нових ліній, тобто відновлення ресурсів пропускної спроможності, в радіомережах діє жорсткий закон тісноти в ефірі, і доводиться мати справу з невідновлюваним ресурсом радіочастот. Правда, ідея стільникового зв'язку якраз і полягає у відновленні ресурсу радіочастот шляхом повторення частоти передачі на території, до якої не доходить сигнал тієї ж частоти від радіостанції, що заважає. Але можливості такого поновлення ресурсу і тут обмежені, тому подальше ускладнення апаратури задля зниження швидкості передачі виявляється виправданим. Наприклад, у прийнятій більшості країн Європи системі стільникового цифрового зв'язку GSM стандартні швидкості передачі мовлення становлять 13 і 6,5 кбіт/с. Для здійснення подібної системи передачі довелося звернутися до старої ідеї машини Ейлера та глибшого проникнення в механізм речетворення. Як відомо, один із найважливіших результатів сучасної теорії передачі інформації полягає у рекомендації поділу завдань кодування джерела та кодування каналу. У завдання кодування джерела інформації входить опис повідомлення, що передається, в максимально економній формі, тобто видалення надмірності в повідомленні. Отримане таким чином стисло повідомлення стає більш вразливим до впливу перешкод і може виявитися спотвореним під час передачі. Тому після кодування джерела застосовуються кодування каналу, завданням якого є захист переданого повідомлення від перешкод. Кодування каналу вимагає внести в повідомлення, що передається, деяку надмірність, але не випадкову, яка була присутня в початковому повідомленні, а строго обгрунтовану теоретично і яка гарантує обумовлену якість передачі. До цього часу ми розглядали лише завдання кодування джерела, яких тепер підійдемо з загальних позицій. Отже, є цифрова версія аналогового мовного сигналу, тобто функція, що описує, наприклад, закон зміни струму в часі. З такого сигналу потрібно спробувати видалити надмірність. Це завдання можна вирішувати кількома методами. Один з них - спробувати знайти надмірність шляхом суто математичного аналізу цієї функції. Інший шлях розв'язання задачі – аналіз акустичних характеристик цієї функції (з точки зору її сприйняття органами слуху). Нарешті, можна шукати надмірність моделювання самого процесу речеобразования. Саме останній із перерахованих методів знайшов застосування у сучасних системах цифрового радіозв'язку. Механізм утворення звуків мови полягає в тому, що багатий гармоніками звук голосових зв'язок, що змінює свою силу та основну частоту, піддається подальшій обробці в ротовій порожнині. Остання працює, по-перше, як резонатор, який, перебудовуючись, виділяє деякі частоти – форманти, що визначають різницю між голосними звуками. По-друге, рухи язика, зубів та губ модулюють звук, виробляючи різні приголосні. У 1930-х роках у Телефонних лабораторіях Белла (США) було збудовано машину за ідеєю Ейлера, принципи дії якої ґрунтувалися на спробах моделювання роботи органів мови людини. Для того щоб синтезувати мовлення на приймальному кінці системи зв'язку, потрібні генератор звукової частоти з багатим спектром, генератор білого шуму, набір формантних фільтрів (їх кількість невелика, тому що голосних звуків небагато, а кожен з них досить добре визначається двома формантами) і схеми, що модулюють . Маючи в своєму розпорядженні таким комплектом апаратури на приймальному кінці, можна передавати по каналу зв'язку не мовний сигнал, а лише команди, що керують процесом синтезу мови. Таким чином, практичне завдання зводиться до того, щоб знайти спосіб створення потрібних команд. Саме це завдання і вирішується конструкторами мобільних телефонів. У системі GSM перших випусків вихідний цифровий потік мовного сигналу зі швидкістю передачі 104 кбіт/с розбивається окремі блоки по 160 відліків, які записуються. Кожен із таких блоків займає проміжок часу 20 мс (інакше кажучи, запам'ятовуються послідовності по 160х13 = 2080 розрядів). Зареєстровані послідовності піддаються аналізу, в результаті якого для кожної з них знаходяться вісім коефіцієнтів фільтрації, що визначають відповідні резонанси, та збуджуючий сигнал. Саме ця інформація передається приймачеві, який відтворює по ній вихідний мовний сигнал на кшталт того, як це відбувається в органах мови людини (цей орган як би налаштовується за допомогою восьми параметрів, а потім при його збудженні виходить звук). Проте згаданий аналіз поширюється на порівняно короткі відрізки часу і може виявити довгі голосні звуки, захоплюючі сусідні блоки. Тому для усунення надмірності при виголошенні довгих голосних застосовується довгострокове передбачення. З цією метою в передавачі запам'ятовуються передані послідовності тривалістю 15 мс, з якими порівнюються поточні послідовності. З уже переданих вибирається послідовність, що має найбільшу кореляцію з поточною (тобто більше за інших схожа на поточну), і передається тільки різниця між поточною та обраною послідовностями. Оскільки записані в передавачі послідовності приймачеві відомі, потрібно передати лише покажчик про те, з якою із записаних послідовностей проведено порівняння. Таким чином досягається подальше скорочення обсягу інформації, що передається. В результаті описаної обробки виходить блок цифрового мовного сигналу тривалістю 20 мс, що містить 260 розрядів і має швидкість передачі всього 13 кбіт/с (тобто у вісім разів нижче за вихідну). Описана процедура отримала назву регулярного імпульсного збудження з довгостроковим передбаченням (англійське скорочення PRE-LTR, яке розшифровується як Regular Pulse Excitation - Long Term Prediction). На наступному етапі набуває чинності кодування каналу, завданням якого є захист від перешкод у каналі зв'язку. Сучасна техніка кодування заснована на глибоких ідеях алгебри та теорії ймовірності. На основі цих ідей розроблено різноманітні та дуже ефективні методи кодування, що вирішують у кожному конкретному випадку певні завдання. Обмежимося тут коротким розглядом деяких ідей, які у системі GSM. Кодовий захист може служити або тільки для виявлення факту появи помилки, або для виправлення помилок, що сталися. Першу можливість здійснити набагато простіше, але й користі від неї менше, оскільки в такому випадку потрібно вимагати повторну передачу блоку повідомлення, в якому виявлено помилку, або якось інакше враховувати наявність помилки. Оскільки окремі розряди в цифровому мовному сигналі, отриманому в ході описаних вище процедур кодування джерела, мають неоднакову важливість, їх ділять на три підкласи і кодування каналу піддають різним методам захисту. З 260 розрядів одержуваного блоку найбільш важливими є розряди, які несуть інформацію про параметри фільтрації, амплітуду сигналу блоку і параметри довгострокового передбачення. Ці розряди належать до так званого підкласу Ia (50 розрядів). Потім йде підклас Ib (132 розряди, що містять покажчики та інформацію про імпульси регулярного збудження, а також деякі параметри довгострокового передбачення). Інші 78 розрядів відносяться до класу II.
Для захисту описаного блоку застосовуються два способи кодування. По-перше, використовується блоковий код, який служить для виявлення помилок, які залишаються невиправленими. Цей код відноситься до класу циклічних, у яких кожна кодова комбінація виходить циклічною перестановкою елементів. При кодуванні цим кодом до розрядів підкласу Ia додається ще три перевірочні розряди, за якими декодер може виявити, чи містить цей підклас невиправлені помилки. Якщо декодер виявляє у розрядах підкласу Ia помилки у передачі, весь розмовний кадр із 260 розрядів скидається. В цьому випадку втрачений кадр відтворюється за допомогою інтерполяції на основі інформації про попередній кадр. Було встановлено, що при такому рішенні якість передачі виявляється кращою, ніж у разі відтворення помилкових розрядів підкласу Ia. По-друге, застосовується згортковий код, що виправляє помилки. Така назва коду пояснюється математичною операцією згортки, що застосовується до функцій, що описують обробку послідовності розрядів, що кодується. На відміну від блокового коду згортковий код є безперервним у тому сенсі, що при його застосуванні процеси кодування і декодування відбуваються не над фіксованими блоками, а над послідовністю символів, що безперервно йде. Згортковий код застосовується як до розрядів підкласу Ia разом із перевірочними розрядами, так і до розрядів підкласу Ib. Ці дві послідовності поєднуються і збільшуються на чотири розряди (див. нижче на рис. 2), що приймають нульові значення. Останні служать повернення кодера у вихідний стан після виконання кодування. Код, що застосовується, характеризується параметрами r=1/2 і К=5. Коефіцієнт r=1/2 говорить про те, що на кожен розряд, що надходить на вхід кодера, кодованої послідовності виходить рівно по два розряди, а К=5 позначає довжину зв'язку, на яку поширюється операція згортки. Ці характеристики можна зрозуміти за схемою згорткового кодування, показаної на рис. 1, де наведена також схема додавання по модулю 2 (логічна операція "що виключає АБО"). Таким чином, в результаті кодування з 189 розрядів, що надходять, виходить 378 розрядів, і до них додаються незахищені розряди II класу, в результаті чого загальна довжина блоку виявляється рівною 456 розрядів (рис. 2). Це становить вісім підблоків по 57 розрядів. З таких підблоків формуються спалахи радіопередачі з тимчасовим поділом.
Ця стаття присвячена питанням кодування мовних сигналів, і, як можна зрозуміти з описаного, на процесор, що розміщується в малогабаритній телефонній трубці, припадає досить великий обсяг їх цифрової обробки. Проте цим завдання процесора далеко ще не вичерпуються. Як відомо, замість передачі мовлення система стільникового зв'язку дозволяє організувати канал передачі даних, який кодується за іншими правилами. Але, крім логічних каналів передачі корисної (оплачуваної) інформації, в мобільному телефоні організується велика кількість логічних каналів передачі сигналів управління. До кожного з таких логічних каналів пред'являються специфічні вимоги кодування інформації, і кожен такий канал вносить свою частку в навантаження процесора. Загальне уявлення про схеми кодування, і навіть формування спалахів передачі всіх логічних каналів у системі радіотелефонного зв'язку дає рис. 3.
Тут на верхньому рівні показано десять різних логічних каналів із зазначенням розмірів блоків повідомлень у цих каналах (у вигляді конкретних цифр або літерних позначень – P0, N0 та ін. – Там, де ці цифри можуть змінюватися). На наступному рівні показаний перший етап кодування для різних логічних каналів із зазначенням числа розрядів вихідної послідовності та послідовності, отриманої після кодування. Якщо мовного каналу застосовується циклічний код, виявляє помилки, то інших каналів застосовуються різні циклічні коди, які виправляють помилки, зокрема циклічний код Файра, який виправляє серії помилок. На другому етапі кодування застосовується вже згаданий згортковий код. Далі (етап 3) для розподілу отриманих 456 розрядів по окремих спалахах (несуть кожен по два блоки з 57 розрядів) застосовуються операції перемішування розрядів та перестановки блоків (прямого або діагонального транспонування). Загальний обсяг обробки сигналів у стільниковому телефоні обчислюється мільйонами операцій на секунду. Таким чином, на відміну від звичайного телефонного апарату стільниковий телефон є мініатюрною, але дуже продуктивною ЕОМ. З одного боку, вона аналізує "свій" мовленнєвий сигнал, виробляючи керуючі команди для синтезу промови в апараті співрозмовника, а з іншого - ця ЕОМ реалізує ідею Ейлера, синтезуючи мова співрозмовника з керуючих команд, що надходять з каналу зв'язку. Автор: В.Нейман, проф., доктор техн. наук, м.Москва
Штучна шкіра для емуляції дотиків
15.04.2024 Котячий унітаз Petgugu Global
15.04.2024 Привабливість дбайливих чоловіків
14.04.2024
▪ Роботи-комахи з двигунами на іонній тязі ▪ Мозок ліворуких людей відрізняється вже в утробі ▪ DeLorean знову випускатиметься ▪ Нові вікна регулюють температуру та освітленість
▪ Розділ сайту Електродвигуни. Добірка статей ▪ стаття Чорту не брат (сам чорт йому не брат). Крилатий вислів ▪ стаття Що таке сатира? Детальна відповідь ▪ стаття Квінслендський горіх. Легенди, вирощування, способи застосування ▪ стаття Індикатори напруги бортової мережі. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Про зниження детонації у ЛПМ. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page