Реализация режима дуплексной радиотелефонной связи с временным разделением каналов приема и передачи в св радиоканале

Критериями сравненияалгоритмов речевого кодирования при выборе оптимального алгоритма компрессии и вокодера являются: скорость выходного потока кодера и качество декодированного сигнала (речи).

В настоящее время разработано множество алгоритмов сжатия цифровой речи, реализующих различные степень сжатия и качество восстановленной речи. Самая высокая степень сжатия речи (скорость цифрового потока менее 100 бит/с) достигается в речеэлементных вокодерах, в которых при кодировании распознаются произносимые элементы речи (например, фонемы) и на выход кодера в канал связи подаются только их номера. При восстановлении речи в декодере по принятым номерам эти элементы выбираются из памяти. Синтезируемая речеэлементными вокодерами речь характеризуется удовлетворительными разборчивостью и качеством слухового восприятия, но вместе с тем, она лишена особых признаков, обеспечивающих узнаваемость голоса и передачу эмоциональной окраски речи.

Высокую степень сжатия и хорошее качество речи реализуют параметрические вокодеры. В параметрических вокодерах из речевого сигнала выделяют два типа информативных параметров и по этим параметрам в декодере синтезируют речь:

- параметры, которые характеризуют источник речевых колебаний: частота основного тона, ее изменение во времени, моменты появления и исчезновения основного тона, шумового сигнала;

- параметры, которые характеризуют огибающую спектра речевого сигнала.

В декодере по заданным параметрам генерируется основной тон, шум, а затем пропускается через гребенку полосовых фильтров для восстановления огибающей спектра речевого сигнала.

Одним из наиболее эффективных является метод линейного предсказания, основанный на авторегрессионной модели процесса формирования и восприятия речи. Метод реализуется в вокодерах с линейным предсказанием (липредерах). Суть его в том, что для прогноза текущего отсчета речевого сигнала можно использовать линейно взвешенную сумму предшествующих отсчетов, то есть предсказываемый отсчет.

Известно несколько разновидностей метода линейного предсказания [100]:

- с возбуждением от импульсов основного тона LPC (Linear Predictive Coding);

- смешанное возбуждение в нескольких частотных полосах MELP (Mixed Excitation Linear Prediction);

- улучшенное многополосное возбуждение IMBE (Improved Multi Band Excitation) – для системы APCO 25;

- с возбуждением от остатка предвидения RELP (Residual Excited Linear Predictive);

- с возбуждением от кода СELP (Code Excited Linear Predictive).

- с алгебраическим кодовым возбуждением ACELP (Algebraic Code Excited Linear Prediction) – для системы TETRA;

- с регулярным импульсным кодовым возбуждением RPCELP (Regular Pulse Code Excited Linear Prediction) - для системы ТЕТРАРОL;

- с возбуждением векторной суммой VSELP (Vector Sum Excited Linear Prediction) - для системы iDEN.

Наиболее надежным способом сравнительной оценки качества передаваемой речи, в том числе оценки искажений от компрессии-декомпрессии, является субъективный метод общего мнения (Mean Opinion Score - MOS), изложенный в Рекомендациях ITU‑T Р.800 и Р.830. Оценки MOS рассчитываются после прослушивания группой людей тестируемого тракта передачи речи по пятибалльной шкале. Оценки 3,5 балла и выше соответствуют стандартному и высокому телефонному качеству, 3,0…3,5 – приемлемому, 2,5…3,0 – синтезированному звуку. Для передачи речи с хорошим качеством целесообразно ориентироваться на MOS не ниже 3,5 балла.

В табл. 2.1 представлен ряд алгоритмов компрессии речевого сигнала с их оценкой по шкале МОS. В тех случаях, когда оценки МОS одних и тех же вокодеров в разных источниках отличались, в таблице они приведены через черточку. С учетом того, что по вокодерам MELP, соответствующим стандарту НАТО STANAG-4591 для скоростей 1,2 кбит/c и 600 бит/c нет данных, можно утверждать, что реализуемые в настоящее время вокодеры со скоростями 1,2 кбит/c и 600 бит/c по алгоритмам MELP, CELP и ряду других пока не обеспечивают необходимого качества речевого сигнала. Между тем, проводимые интенсивные исследования в этой области [13], а также всё увеличивающаяся вычислительная мощность сигнальных процессоров обещают появление вокодеров с удовлетворительным качеством речи при скоростях цифрового потока 1 кбит/с и даже ниже. Наибольший интерес из приведенной таблицы вызывают кодеки со скоростями от 2,5 до 6,0 кбит/с и приемлемыми оценками по MOS (более 3,5 баллов), которые могут быть использованы для создания ТСС в диапазонах СВ и КВ.

Далее необходимо определить скорости, с которыми модем может обеспечить передачу цифровой речи в СВ и КВ радиоканалах, с учетом того,

Таблица 2.1

Скорость передачи, кбит/с	MOS	Название стандарта или системы	Тип кодека	Область применения
	4,1-4,2	ITU-T G.711	ИКМ (PCM)	Телефонные сети
	3,9-4,1	ITU-T G.726	АДИКМ	Телефонные сети
	3,61	ITU-T G.728	LD-CELP	Телефонные сети
	4,1	Skype	AMR-WB	Интернет
	3,7	ITU-T G.729a	CS-ACELP
	3,5	iDEN	VCELP	Сотовая телефония (США)
6,3	3,9	ITU-T G.723.1	MP-MLQ
6,0	3,7-3,8	TETRAPOL	RPCELP	Транкинговая телефония
4,8	3,4-3,6	ETSI TETRA	ACELP	Транкинговая телефония (Европа)
4,4	3,4-3,5	APCO 25	IMBE	Транкинговая телефония (США)
2,4	3,5	STANAG-4591	MELP	Мин. обороны США
1,2	3,0	Разработка комп. SPIRIT	MMBE-LPC	Мультимедиа, Интернет
1,2	Нет данных	STANAG-4591	MELP	Мин. обороны США
0,6	Нет данных	STANAG-4591	MELP	Мин. обороны США

 

что наиболее приемлемым режимом работы будет однополосный режим J3E (полоса 3,1 кГц) и допустимым – двухполосный режим A3E (полоса 6 кГц).

Для симплексной передачи цифровой речи могут быть использованы те же модемы, которые используются для передачи данных. В табл. 2.2 представлены требования широко известного стандарта MIL-STD-188-110B [119] к помехоустойчивости ДКМ модемов для стандартного ряда скоростей.

Таблица2.2

Тип канала	Название стандарта, модема	Информационная скорость обмена данными, бит/с
*АБГШ канал	MIL-STD-188-110 B	6,0
Модем Harris	4,7	9,6	-	-	-
Модем «Южный ветер»			-	-	-
Модем МДМ-9,6 KВ				-
** «Плохой» канал по ITU-R	MIL-STD-188-110 B
Модем Harris		14,5	-	-	-
Модем «Южный ветер»			-	-	-
Модем МДМ-9,6 KВ				-
*АБГШ канал – канал с аддитивным гауссовским шумом; ** «Плохой» канал по ITU-R F.520-2 – канал, включающий два луча с одинаковым средним уровнем, разностью хода 2 мс и скоростью замираний 1 Гц;

 

Здесь же для сравнения приведены характеристики модема Harris (США) и модема «Южный ветер» для скоростей 1200 и 2400 бит/с [29], а также характеристики модема МДМ-9,6 KВ (разработка ОНИИП). К настоящему времени в России, в том числе и в ОАО «ОНИИП», разработаны КВ модемы, обеспечивающие работу со скоростями 9,6 кбит/с и выше, превосходящие по своим характеристикам требования стандарта MIL-STD-188-110B как для канала с АБГШ, так и для «плохого» по ITU-R канала, поэтому требования этого стандарта можно использовать для оценки помехоустойчивости модема для каждой из ряда стандартных скоростей.

Как известно, при распространении радиоволн СВ и нижней части КВ диапазонов поверхностной волной, многолучевость и замирания сигнала отсутствуют [26, 94], при отсутствии отражений от ионосферы и крупных препятствий (гор).

Влияние ионосферной волны определяется значением несущей частоты, диаграммой направленности антенны, гелио- и геофизическими факторами и начинает проявляться (для штыревых антенн) на расстояниях 100 км и более. Вопрос о влиянии отражения от ионосферы при работе поверхностной волной рассмотрен в разделе 1.4.

Требования, представленные в таблице 2.2 для канала с АБГШ, применимы для случая работы систем СВ и КВ связи поверхностной волной.

Требования же, представленные в таблице для «ITU-R плохого канала», применимы для случая работы системы СВ или КВ связи ионосферной волной. При этом, однако, надо учитывать, что при передаче речи в режиме реального времени к каналу связи предъявляются требования по длительности задержки сигнала τ_з ≤ 0,2 с. Поэтому длительность перемежения цифровой информации, которое используется в КВ модемах для борьбы с замираниями сигнала, также не может превышать этой величины. Таким образом, при передаче цифровой речи в ионосферном радиоканале СВ или КВ потребуются более высокие значения отношения сигнал/помеха, чем показанные в таблице 2.2, т.к. приведенные данные получены при максимальном интервале перемежения передаваемых элементов сигнала (до 10 с), что при передаче цифровой речи не может быть использовано из-за ограничений на допустимую задержку сигнала (~ 0,2 с). При передаче информации поверхностной волной (в СВ или КВ канале) в отсутствии замираний, наличие перемежения не влияет на помехоустойчивость системы, поэтому может не учитываться.

При оценке требований к системе связи, реализующей обмен цифровой речью, необходимо учитывать, что помимо сигналов цифровой речи должны передаваться служебные сигналы, обеспечивающие работу системы, кроме того, перед передачей в канал цифровой поток подвергается помехоустойчивому кодированию. В результате этого скорость цифрового потока передаваемого в канал почти в двое выше скорости цифрового потока на выходе речевого кодера. Так для систем протокола TETRA коэффициент увеличения скорости потока составляет К_код = 1,85. Эту цифру будем далее использовать при проведении оценок.

Рассмотрим условия работы системы передачи цифровой речи в симплексном СВ радиоканале поверхностной волны.

В качестве речевого кодека примем кодек MELP со скоростью 2400 бит/с.

Тогда при симплексной работе скорость в канале составит 4440 бит/с. При этом передача в канал может осуществляться со стандартной скоростью 4800 бит/с. Согласно табл. 2.2 передача с такой скоростью требует в АБГШ канале (канале поверхностной волны) обеспечения отношения сигнал/шум более 10 – 13 дБ. Из проведенных в главе 1 расчетов (см. рис. 1.4 и рис.1.5) видно, что это условие обеспечивается до вполне достаточных дальностей связи в системе с (Р_прд = 200 вт; антенна – «штырь 10 м»).

В ионосферном КВ радиоканале работа с такой скоростью также возможна. По результатам испытаний на трассе Самара-Москва-Самара, представленным в работе [61] при мощности передатчика 1 кВт на скорости 4800бит/с обеспечивается 99% времени сеансов связи, при среднем коэффициенте ошибок k_ош = 4,83٠10^-3.

Для обеспечения дуплексной работы, при использовании системы с временным разнесением каналов приема и передачи, скорость передачи цифровой речи в радиоканале должна превосходить скорость на выходе вокодера более чем в 2 раза. Необходимость дополнительного временного сжатия обусловлена чередованием интервалов приема и передачи в симплексной радиостанции и потерь времени на переключение радиостанции и доставку сигнала от передатчика к приемнику. Примем коэффициент увеличения скорости потока за счет дуплексной работы К_дуп = 2,2.

Тогда при скорости потока на выходе кодека MELP 2400 бит/с скорость в канале составит V = 2400٠1,85٠2,2 = 9768 бит/с. В этом случае, при оптимизации значений К_код и К_дуп , передача в канале может проводиться со скоростью 9600 бит/с, что потребует для передачи в СВ канале поверхностной волны превышения отношения сигнал/шум значений 21 – 18 дБ. При этом значительно сократится дальность связи (радиус зоны обслуживания). Передача

с такой скоростью в ионосферном КВ радиоканале также проблематична. По результатам испытаний представленным в работе [61] при мощности передатчика 1 кВт на скорости 9600бит/с обеспечивается 20% времени сеансов связи, при среднем коэффициенте ошибок k_ош = 3,98٠10^-2.

Снижение скорости на выходе речевого кодера вдвое, т.е. использование кодека MELP со скоростью 1200 бит/с позволяет практически решить задачу реализации цифрового дуплекса при передаче речи, т.е. необходима разработка кодека с указанной скоростью.

(2.1)

Другим доступным способом увеличения скорости передачи цифровой речи в ВЧ диапазоне является использование более широкой полосы частот, чем принятая в радиомодемах полоса телефонного канала (3,1 кГц), как, например, принято в DRM [121]. Эта возможность проистекает из известной формулы Шеннона

где V_max – предельно достижимая в канале скорость передачи информации; ∆F – полоса частот сигнала; SNR – отношение мощности сигнала к мощности шума.

Из формулы 2.1 видно, что одну и ту же скорость можно достигнуть уменьшая отношение сигнал/помеха и увеличивая полосу сигнала. Например, для снижения SNR с 20 дБ до 10 дБ при обеспечении той же скорости требуется увеличить полосу сигнала приблизительно в 2 раза.

На основании проведенного анализа могут быть сделаны следующие выводы:

- использование модемов с полосой 3,1 кГц, при реализации в СВ и КВ радиоканалах дуплексного режима передачи цифровой речи с временным

разнесением каналов приема и передачи, не позволяет передавать речевой сигнал удовлетворительного качества из-за необходимости его компрессии до скорости менее 1,2 кбит/с. Применение в этом случае фонемного (речеэлемент-ного) вокодера, обеспечит передачу речи с хорошей разборчивостью и качеством её слухового восприятия, но не соответствующую голосу и интонациям говорящего. Применение же вокодера с линейным предсказанием, обеспечивающий передачу речи на скорости менее 1,2 кбит/с с неудовлетворительным качеством слухового восприятия речи;

- для достижения удовлетворительного качества передаваемого речевого сигнала необходимо использовать модемы с более широкой полосой, чем полоса телефонного канала (не менее 6 кГц), что позволит снизить требования к величине компрессии речевого сигнала до допустимого уровня.

Далее, в разделе 2.3 приводится описание предложенного автором в [102, 103] способа дуплексной телефонной радиосвязи с временным разделением каналов приема и передачи, не требующий вокодерной компрессии речевого сигнала и использования высокоскоростных модемов; рассмотрены варианты реализации способа при передаче аналоговой и цифровой речи.