Процесс передачи в системе GSM

 

На рис. 2.23 представлен процесс передачи в системе стандарта GSM.

 

Рис 2.23. Процесс передачи в системе GSM

 

Условно процесс передачи в системе GSM можем разделить на несколько этапов.

· Аналого-цифровое преобразование (АЦП):

- Формирование выборки сигнала (дискретизация)

- Квантование по уровням

- Кодирование

· Сегментация

· Речевое кодирование

· Канальное кодирование

· Интерливинг (перемежение)

· Шифрование

· Форматирование кадров

· Модуляция и передача

2.5.1. Аналого-цифровое преобразование. (Analog To Digital (A/D) Conversion)

Одним из первых шагов работы MS является шаг преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую форму: A/D Conversion. Результатом преобразования аналогового сигнала в цифровую форму является набор битов, среди которых присутствуют нули и единицы.

 

Рис. 2.24. А/Ц преобразование

 

Процесс преобразования речи в цифровой сигнал носит название ИКМ (Импульсно кодовой модуляции). Процесс ИКМ включает в себя три основных этапа:

· Дискретизацию (формирование выборки сигнала)

· Квантование

· Кодирование

 

Дискретизация (Sampling)

 

Дискретизация или формирование выборки сигнала означает измерение уровня аналогового сигнала в определённые временные интервалы.

 

Рис. 2.25. Формирование выборки сигнала

 

Точность описания аналогового сигнала в терминах "цифра", зависит от того, как часто осуществляется выборка сигнала. Последнее определяется частотой формирования выборки сигнала. Теорема Котельникова гласит, что для передачи сигнала с ограниченным спектром без искажений необходимо производить определение уровня сигнала с частотой, равной двум частотам наивысшей гармоники аналогового сигнала.

Обычная речь, передаваемая в телефонии, содержит частоты, лежащие в диапазоне от 300 до 3400 Гц. Мощность наивысшей частоты речи невелика, поэтому может не приниматься во внимание. Согласно теории дискретизации аналоговых сигналов частота формирование выборки сигнала должна равняться 2*3.4 кГц = 6.8 кГц. В телекоммуникационных системах частота дискретизации составляет 8 кГц, что удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Квантование (Quantization)

 

Следующий этап – этап квантования. Квантование позволяет каждому полученному при дискретизации отсчёту (уровню сигнала) присвоить конкретное значение. В связи с этим амплитуда сигнала во время его дискретизации измеряется, а затем сопоставляется в заранее известным уровнем сигнала, таким образом абсолютное значение измеренного сигнала заменяется на конкретное значение - номер уровня заранее известной последовательности.

На рис. 2.26. схематично представлено квантование аналогового сигнала. Может показаться, что при аппроксимации сигнала вносится ошибка передачи достоверного сигнала. Последнее зависит от количества уровней квантования. Следует отметить, что в обычной телефонии используется 256 уровней квантования, в то время как в системе GSM используется 8192 уровней.

 

 

 

Рис 2.26 Процесс квантования

 

 

Кодирование (Coding)

 

Процесс кодирования включает в себя преобразование квантованных значений в бинарный код 1/0.

Каждое значение представляется бинарным кодом из 13 бит (). Например, значению 2157 будет соответствовать число 0100001101101.

 

Рис 2.27 Представление числа 2157 двоичным кодом

Результатом аналого-цифрового преобразования является оцифровка 8000 отчётов за секундный интервал и представление каждого отсчёта в виде бинарного кода длинной в 13 бит. Последнее в терминах скорости передачи данных соответствует скорости в 104 кбит/сек.

В случае, если 8 абонентов используют один радиоканал (одну несущую), то общая скорость передачи составляет 8*104 кбит/сек = 832 кбит/сек.

Исходя из того, что за одну секунду (одно колебание частотой один Герц) передаётся 1 бит информации и, учитывая, что полоса радиоканала составляет 200 кГц, можно увидеть, что 8 абонентов не могут быть обслужены со скоростью 832 кбит/сек.. Для осуществления передачи абонентской информации с требуемой скоростью в системе GSM осуществляется сегментация и речевое кодирование.

 

Сегментация (Segmentation)

 

Основным методом уменьшения скорости битового потока, представляющего собой закодированную речь, является передача информации о речи, а не самой речи, то есть в системе GSM непосредственно речевые сигналы не передаются. Вместо речи предаются параметры речи: тон (частота речевого сигнала), продолжительность конкретного тона, высота звука (уровень речевого сигнала)…. Параметры речи после их генерации передаются через сеть к другой MS, которая воспроизводит речь по полученным параметрам речи.

Ниже более подробно представлено описание процессов сегментации и речевого кодирования.

Процесс воспроизведения человеческой речи начинается с вокального аккорда, производимого генерирующим тональные сигналы речевым органом. Такие речевые органы как рот, язык, зубы и т.д. работают как фильтр, изменяя природу данного тона. Цель речевого кодирования в системе GSM заключается в передачи только информации об оригинальном тоне и о фильтрах.

Поскольку речевые органы являются достаточно инерционными параметры фильтра, представляющего речевые органы, остаются постоянными в течение минимум 20 мсек. В связи с этим при речевом кодировании в системе GSM используется блочное кодирование с длительностью каждого блока в 20 мсек.

 

Рис 2.28 Сегментация и речевое кодирование

Кодирование осуществляется одним набором битов. На самом деле данный процесс похож на оцифровку речи с частотой 50 раз в секунду вместо 8000, как это используется при стандартном аналого-цифровом преобразовании.

 

2.5.3. Речевое кодирование [4] (Speech Coding)

 

Вместо использования кодирования последовательностью из 13 битов, применяемого в аналого-цифровом преобразовании, в речевом кодировании используется кодирование последовательностью из 260 битов. Следовательно, общая скорость передачи информации о речи составляет 50*260 = 13 кбит/сек. Данное кодирование обеспечивает удовлетворительное качество речи, которое приемлемо в мобильной телефонии и сравнимо с качеством проводных линий сетей общего пользования PSTN.

 

Рис 2.29 Зависимость качества речи от скорости кодирования

 

В настоящее время существует множество различных речевых кодеров. Некоторые кодеры являются высококачественными с большей скоростью кодирования (waveform coders – кодирование формы сигнала). Некоторые кодеры обладают низким качеством, но обеспечивают меньшую скорость кодирования (vocoders). В системе GSM используются гибридные кодеры (Hybrid Coders), которые обеспечивают удовлетворительное качество речи при относительно малой скорости кодирования.

Речевой GSM кодер осуществляет кодирование со скоростью 13 кбит/сек для одного абонента. Следовательно, 8 абонентов при использовании одной несущей будут обслуживаться со скоростью 8*13 кбит/сек = 104 кбит/сек. Оптимальность такого метода кодирования особенно заметна при сравнении с кодированием при аналого-цифровом преобразовании со скоростью 832 кбит/сек.

Однако речевое кодирование не защищает передаваемую информацию от искажения и ошибок при её передаче через радиоэфир. Для защиты речи от этих негативных явлений используются другие методы:

· канальное кодирование

· перемежение (интерливинг)