Описание модели системы дуплексной телефонной связи

С целью исследования предложенного в разделе 2.3 способа дуплексной связи, оптимизации характеристик и режимов работы, на языке Matlab-7 была разработана описанная ниже имитационная модель системы дуплексной связи [111]. В качестве источника телефонного сигнала имитационная модель использует заранее подготовленные файлы с записью речи (wav-файлы). Модель имитирует все основные преобразования телефонного сигнала, реализуемые системой связи как на передаче, так и на приеме, а также воздействие канала связи на сжатый телефонный сигнал.

Контроль прохождения телефонного сигнала с использованием наушников, подключенных к аудиокарте, может осуществляться путем программного подключения к различным сечениям модели системы связи. Оценка качества принятого сигнала, проводится экспертным методом на слух путем сравнения с исходным звуковым wav-файлом.

Структура имитационной модели представлена на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Структура модели

Ø Файл параметров модели содержит входные параметры передатчика и приёмника системы, параметры радиоканала с возможностью моделирования как распространение сигнала поверхностными волнами, так и пространственными (ионосферными), данные о считываемом входном звуковом файле, параметры интерфейса.

Ø Входной wav файл имеет параметры: частота дискретизации, разрядность АЦП, число каналов записи (по умолчанию - 44100 Гц, 16 бит, 1 канал).

Ø Модель передатчика осуществляет формирование и передачу в модель канала в режиме вхождения в связь - вызывного сигнала, включающего 16-элементную синхропоследовательность, и в режиме ведения связи - сжатых фрагментов звукового файла, снабженных синхровставками.

Ø Модель канала позволяет задать число лучей, среднюю амплитуду, временную задержку, тип и параметры замираний каждого луча.

Ø Модель приёмника позволяет осуществить в режиме дежурного приема - обнаружение вызывного сигнала, тактовую и цикловую синхронизацию, в режиме ведения связи - точное выделение сжатых звуковых фрагментов из входного потока, восстановление их исходной длительности, объединение всех восстановленных звуковых фрагментов в единый поток, запись полученного цифрового потока в выходной файл wav формата, а также регулярную подсинхронизацию приемника по периодическим коротким синхровставкам.

Ø Интерфейс позволяет объединить все данные окон ввода и вывода в одном диалоговом окне.

Интерфейс модели (представлен на рисунке 3.9) содержит поля ввода данных и кнопки для запуска подпрограмм для отображения и прослушивания данных.

 

При проведении имитационных испытаний интерфейс модели позволяет пользователю вводить исходные данные модели вручную, корректировать их, а также вводить исходные данные из заранее подготовленных файлов параметров. Интерфейс позволяет просмотреть вид сигнала, подготовленного к передаче в радиоканал, вид сигнала на выходе радиоканала, сформировать и просмотреть гистограммы замираний сигнала, формируемых в модели, просмотреть сформированную синхропоследовательность и её спектр.

Интерфейс позволяет прослушать звуковые файлы: исходный, адрес которого задаётся пользователем в соответствующем поле ввода, звуковой файл получаемый после децимации, а также выходной файл после прохождения через радиоканал для прослушивания эффектов, возникающих в аудиосигнале при наличии в канале замираний, многолучёвости, аддитивных шумов.

На рис. 3.10 представлена осциллограмма фрагмента синхропосле-довательности, формируемой для передачи в канал.

 

 

Рис. 3.10. Осциллограмма фрагмента синхропоследовательности.

На рис. 3.11 представлена осциллограмма сигнала, подготовленного к передаче в канал, полученная на имитационной модели. На осциллограмме слева видны передаваемые вызывные сигналы (синхропоследовательности). Далее идут сжатые фрагменты речевого сигнала, снабженные синхровставками.

Разработанная имитационная модель системы дуплексной связи устанавливается на каждом из двух мультимедийных персональных компьютеров, звуковые карты которых связаны друг с другом линиями связи (телефонный выход первой звуковой карты соединен с линейным входом второй и наоборот). Под термином «мультимедийный» в подразумевается ПК с характеристиками: не менее 512 Мбайт оперативной памяти, установленная операционная система Windows XP или выше, тактовая частота работы

Рис. 3.11. Осциллограмма сигнала, подготовленного к передаче в канал.

 

процессора 2,1 ГГц, имеющий в составе своего системного блока звуковую карту и в составе программного обеспечения - драйвер звуковой карты, позволяющий управлять её работой.

Функциональная схема экспериментальной установки, для которой создавалась имитационная модель, приведена на рис. 3.12. Установка позволяет проводить имитацию передачи речи как в одну сторону (односторонняя радиолинии), так и в обе стороны (двухсторонняя радиолиния). Далее, в процессе усовершенствования, установка была дополнена двумя радиостанциями, установленными в разрыве линий связи, соединяющих звуковые карты. Для моделирования односторонней передачи речи в одном из компьютеров инициировались модель передатчика и модель радиоканала, во втором ПК инициировалась модель приемника.

 

 

 

 

 

Рис. 3.12. Функциональная схема экспериментальной установки моделирования дуплексной телефонной связи

 

На ПК «Источник сообщения» моделью решаются следующие задачи:

- формирование файла звукового сигнала (реализуется с помощью стандартной программы ОС Windows «Звукозапись» или использованием готового звукового файла в формате *.wav);

- преобразование звукового файла, включающее:

- сжатие звукового файла по времени в необходимое число раз,

- добавление перед звуковым файлом синхровставки и защитного интервала;

- пропускание сформированного кванта через имитатор канала;

- вывод (трансляцию) файла в линию связи.

На ПК «Получатель информации» решаются задачи:

- определение активности передатчика включающее: определение наличия тактов синхронизации, включение приёмника,

- осуществление вхождения в связь: тактовая, цикловая синхронизация,

- организация ведения связи,

- корректировка синхронизации по положению коротких синхровставок,

- выделение звуковых сообщений из входного потока и их восстановление,

- запись итогового голосового сообщения в файл.

Алгоритм преобразования информации, реализуемый в ходе имитации передачи сообщений, приведён на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Укрупнённый алгоритм модели

Телефонный сигнал представлен в исходном wav-файле последовательностью отсчетов с максимальной частотой дискретизации f_макс (обычно 44100 Гц) и разрядностью, реализуемой аудиокартой компьютера (обычно 16). При моделировании конкретной системы связи должны быть заданы реализуемая частота дискретизации f_д, которая может быть выбрана в соответствии с формулой (4), и реализуемая разрядность системы, которая может быть выбрана 16 и ниже.

(3.38)

 

где k – целое положительное число; k = 1…6.

Для моделирования системы задается длительность цикла прием-передача T и коэффициент временного сжатия k_сж. Сжатый клиппированный сигнал можно представить в виде последовательности выборок с частотой дискретизации f_сж = f_д∙k_сж. При этом, для каждого периода Т первые N выборок новой последовательности поэлементно равны выборкам исходной последовательности, а остальные выборки заполнены нулями. Всего количество выборок новой последовательности на интервале Т N_сж = T∙ f_сж.

(3.39)

А1(n∙Dt_сж) = А(n/f_д), если m∙N_сж +1 ≤ n ≤ m∙N_сж +N;

А1(n∙Dt_сж) = 0, если m∙N_сж +N < n ≤ m∙N_сж +N_сж;

где m – целое число от 0 до М;

M∙T – длительность используемого фрагмента речи (wav - файла).

В табл. 3.1 представлены основные программные модули имитационной модели (m файлы) и их расположение в компьютерах экспериментальной установки.
Таблица 3.1.

№№ п.п.	Название файла	Назначение	Располо-жение	Объём
	Peredacha	Формирование сжатых звуковых квантов, добавление синхровставок и трансляция в канал. Имитирует передатчик.	Передача	5кб
	Vhojdenie	Функция формирующая 32 элементные синхровставки для вхождения в связь.	Передача	1кб
	Сttxt	Чтение задаваемых пользователем данных из файла входных параметров	Передача, Приём	2кб
	Priem3_unreal	Реализует вхождение в связь, ведение связи, выделение сжатых звуковых квантов.	Приём	10кб
	Synchro_2	Функция формирующая 2 элементные синхровставки для ведения связи.	Приём	1кб
	Posledova-telnost	Функция формирующая цикловую синхровставку	Приём	1кб
	Takt3_FFT	Осуществляет тактовую синхронизацию	Приём	2кб
	VAD	Процедура дежурного приёма. Включает приёмник при обнаружении синхровставки.	Приём	1кб
	Sootvetstv	Осуществляет поиск заданной синхрогруппы в последовательности дешифрированных символов	Приём	1кб
	Filrissimo	Осуществляет цикловую синхронизацию	Приём	2кб
	Untitled22	Имитирует действие реального ионосферного КС на сигнал	Передача	9кб

 

Программа «VAD» выполняет процедуру дежурного приёма производит непрерывное считывание сигнала фрагментами по 100 отсчётов из входного потока. При обнаружении в сигнале синхропоследовательности сообщает об этом последующим блокам и передаёт им управление. Выходные данные программы используются в программе Priem3_unreal.

Алгоритм программы изображённый на рисунке 3.14 представляет собой последовательное решение следующих задач:

- считывание 100 отсчётов из входного потока с последующей нормировкой по уровню;

Рис.3.14. Алгоритм программы VAD

- обработка отсчетов программами цифровых фильтров, обеспечивающих выделение частот поднесущих V1 и V2, соответствующих значениям 0 и 1;

- проверка получившегося сигнала по уровню. Если амплитуда сигнала после преобразований нормировки и фильтрации превысит пороговое значение то делается вывод о наличии синхропоследовательности и управление передается блоку синхронизации.

Программа «Sootvetstv» выполняет поиск 16 элементной цикловой последовательности в строке дешифрированных данных. Выбор 16 элементной последовательности обусловлен наличием хороших корреляционных свойств. Алгоритм программы «Sootvetstv», изображённый на рис. 3.15, предусматривает последовательную реализацию следующих действий:

- поиск коэффициента взаимной корреляции при каждом сдвиге на 1 символ;

 

Рис. 3.15. Алгоритм программы Sootvetstv

- нахождение максимального значения коэффициента корреляции превышающего заданный уровень. При коэффициенте корреляции превышаю-щем порог делается вывод о том что заданная последовательность найдена.

Выходные данные программы используются в программах Filrissimo и Priem3_unreal.

Программа «Takt3_FFT» осуществляет поиск начала такта в записанной последовательности следующим образом:

- находится максимум преобразования Фурье на каждом шаге дискретизации (поиск спектра происходит в окне длиной в один символ);

- проверяется соответствие частот максимумов преобразования Фурье частотам V1 или V2 и превышения максимумов заданного порога;

- проверяется то, что найденное положение синхроимпульса истинно. До конца длины принятого сообщения с шагом в такт суммируется число синхроимпульсов, соответствующих одной из гармоник. При достижении счетчиком порогового значения, делается вывод об успешности прохождения тактовой синхронизации.

На рисунке 3.16 изображён полученный путем имитационных испытаний на модели график помехоустойчивости принятого алгоритма тактовой синхронизации для случая следующих параметров тактовой синхронизации: частоты поднесущих V1 = 1600 Гц; V2 = 4000 Гц; длительности посылок = 2.5 мс.

 

 

Рис. 3.16. Зависимость вероятности ошибки тактовой синхронизации от отношения сигнал/помеха.

Программа «Filrissimo» предназначена для нахождения в данной последовательности отсчёта начала цикловой синхровставки.

Программа «Priem3_unreal» (Листинг программы приведён в Приложении 3.2) обеспечивает имитацию режима приема телефонного сигнала в режиме ведения связи и реализует выделение сжатых звуковых квантов, объединение звуковых квантов в единый звуковой файл wav формата, окончание работы приёмника. Длительность единичного звукового сообщения определяется пользователем в пределах Т = 0.1 с ÷ 1 с, по умолчанию устанавливается значение Т = 0.3 с. Ниже на рисунке 3.17 приведена функциональная схема программы Priem3_unreal.

Рис. 3.17. Функциональная схема программы Priem3_unreal.

Алгоритм работы данного модуля имитационной модели предполагает последовательное решение следующих задач:

- дежурный режим приёма (определение активности передатчика);

- запись с линейного входа звукового сообщения;

- вхождение в связь (тактовая и цикловая синхронизация, поиск момента перехода передатчика от передачи вызывного сигнала к передаче телефонного сообщения);

- корректировка начального положения первого символа. Происходит включение приёмника за 2 мс до предполагаемого времени передачи. Данные о предполагаемом времени включения приходят из процедуры Filrissimo. После включения происходит поиск первого символа (аналогично тому, как происходит поиск синхропоследовательности в программе тактовой синхронизации Takt3_FFT);

- дешифрация первых 5 тактов (смотри данную операцию в описании программы Filrissimo). Проводится с целью определения типа передаваемой синхропоследовательности (32 или 2 элементная синхрогруппа);

- переключение на режим ведения связи при обнаружении 2 элементной синхрогруппы;

- выделение сжатого звукового кванта;

- формирование выходного звукового файла. Происходит объединение всех сжатых речевых фрагментов.

Листинг программы «Priem3_unreal» приведён в Приложении 3.1.