Как происходит обработка речи в стандарте GSM?

Каким образом кодируется обратный канал в CDMA технологии?

 

Кодирование в обратном канале

В обратном канале использован другой алгоритм формирования спектра, поскольку сигналы от удаленных терминалов достигают базовой станции по различным путям. Пользовательские данные также сгруппированы во фреймы длительностью 20 мс.

 

Рис. 3.12. Структурная схема приема прямого канала на мобильной станции

 

Структура формирования сигнала передатчика обратного канала (от мобильной станции к базовой) аналогична показанной на рис. 3.11. Отличия заключаются в следующем. В обратном канале применяется сверточное кодирование со скоростью 1/3. Это повышает скорость передачи данных с базовой скорости 9,6 до 28,8 Кбит/с, и перемежение в пакете производится на интервале 20 мс. После перемежения выходной поток разбивается на слова по шесть битов в каждом. Шестибитовому слову можно поставить в соответствие один из 64 кодов Уолша; порядковый номер этого кода соответствует двоичному числу, выражаемому этими шестью битами. Таким образом, каждый абонентский терминал использует весь их набор. После этой операции скорость потока данных повышается до 307,2 Кбит/с ((28,8/6) х 64=307,2).

Далее поток преобразуется с помощью длинного кода, аналогичного коду, который используется базовой станцией. На этом этапе происходит разделение пользователей.

Абонентская емкость системы определяется обратным каналом. Для ее увеличения применяются регулирование мощности в обратном канале, методы пространственного разнесения приема на базовой станции и др.

Окончательное формирование потоков данных происходит таким же образом, как и в базовой станции, за исключением дополнительного элемента задержки на 1/2 длительности символа в Q-канале для реализации смещенной QPSK.

Структурная схема приемника обратного канала (на базовой станции) аналогична схеме, приведенной на рис. 3.12. Однако в приемнике принимается объединенный поток от нескольких мобильных станций (в едином частотном спектре). Там же происходит разделение абонентских сигналов в соответствии с кодом Уолша.

Все базовые станции используют для кодирования каналов один и тот же короткий код, но со сдвигом с шагом 64 чипа. Таким образом, возможно 511 сдвигов по отношению к коду с нулевым сдвигом.

Каким образом кодируется прямой канал в CDMA технологии?

Кодирование в прямом канале

Следующий этап преобразования сообщения — кодирование с помощью кодов Уолша. Это повышает скорость информационного потока с 9,6 (19,2) Кбит/с до 1,2288 Мбит/с.

Рис. 3.11. Структурная схема формирования сигнала передатчиком базовой станции

Рассмотрим структурную схему формирования сигнала передатчиком базовой станции (рис. 3.11).

В прямом и обратном канале эта схема повторяется. Последовательность функционирования соответствует цифрам на рисунке.

1. Речевой сигнал поступает на речевой кодер. Для передачи речи по каналам системы CDMA используются вокодеры с линейным предсказанием и кодовым возбуждением (CELP — Code Excited Linear Prediction). Базовая скорость передачи данных в канале составляет 9,6 Кбит/с, что достигается добавлением дополнительных корректирующих двоичных символов к цифровому потоку вокодера 8,55 Кбит/с (диапазон скоростей этого типа вокодеров от 4 до 16 Кбит/с).

2. Сигнал поступает на блок помехоустойчивого кодирования. Для реализации на приемной стороне прямой коррекции ошибок (без повторного запроса и передачи сообщения) в канале используется сверточное кодирование (convolution encoding) (см. часть 1 «GSM»). На передающей стороне используется кодирование с характеристиками: длина кодового ограничения K=9, скорость кодирования r=1/2.Для этого поступающий цифровой поток разбивается на пакеты длительностью по 20 мс и подается на сверточный кодер. На его выходе число битов удваивается (r=1/2), и при входной скорости 9,6 Кбит/с выходная скорость равна 19,6 Кбит/с (384 бита в 20 мс).

3. Далее сигнал поступает в блок перемежения сигнала, предназначенный для борьбы с пачками ошибок в эфире. Пачки ошибок — искажение нескольких бит информации подряд. Данные перемежаются, т. е. перемешиваются во временном интервале 20 мс. Это делается для того, чтобы равномерно распределить в потоке данных потерянные во время передачи биты. Известно, что ошибочно принятые символы обычно формируют группы. В то же время схема прямой коррекции ошибок работает наилучшим образом, когда ошибки распределены равномерно во времени. Это происходит после осуществления на приемной стороне процедуры, обратной перемежению при передаче.

4. Сигнал поступает в блок шифрования (защита от подслушивания), на информацию накладывается маска (псевдопоследовательность) длиной 42 бита. Эта маска является секретной. При несанкционированном перехвате данных в эфире невозможно декодировать сигнал, не зная маски. Метод перебора всевозможных значений не эффективен, т. к. при генерации этой маски, перебирая всевозможные значения, придется генерировать 8,7 триллиона масок длиной 42 бита.

Маска формируется генератором псевдослучайной последовательности.

5. После шифрования цифровой поток преобразуется с помощью длинного кода и логической операции «исключающее ИЛИ» (сложение по модулю два). Как уже говорилось, длинными кодами (кодами максимальной длины) являются коды, которые могут быть получены с помощью регистра сдвига или элемента задержки заданной длины.

Максимальная длина двоичной последовательности, которая может быть получена с помощью генератора, построенного на основе регистра сдвига, равна 2ⁿ—1 двоичных символов, где n — число разрядов регистра сдвига. В аппаратуре стандарта IS-95 длинный код формируется в результате нескольких последовательных логических операций с псевдослучайной двоичной последовательностью, генерируемой в 42-разрядном регистре сдвига. Такой регистр сдвига применяется во всех базовых станциях этого стандарта для обеспечения режима синхронизации всей сети.

6. На этом этапе кодирования сигнала происходит расширение спектра частот, т. е. каждый бит информации кодируется последовательностями ПСП1 и ПСП2, построенными по функции Уолша, которые генерируются со скоростью 1,2288 Мчип/с. Канальная скорость потока данных (19,2 Кбит/с) увеличивается в 64 раза. Следовательно, в блоке модуляции сигнала скорость манипуляции сигнала возрастает, отсюда и расширение спектра частот. Также функция Уолша отвечает за отсев ненужной информации от других абонентов. В момент начала сеанса связи абоненту назначается частота, на которой он будет работать, и один из 64 возможных логических каналов, который определяет функция Уолша.

7—8. На заключительном этапе двоичный поток разделяется между синфазным и квадратурным каналами (I- и Q-каналами) для последующей передачи с использованием квадратурной фазовой манипуляции (QPSK). Цифровой поток в каждом из каналов преобразуется с помощью короткого кода и логической операции «исключающее ИЛИ».

Короткий код представляет собой псевдослучайную двоичную последовательность длиной 2¹⁵=32768 двоичных символов, генерируемую со скоростью 1,2288 Мчип/с. Эта последовательность является общей для всех базовых и подвижных станций в сети.

Все абоненты одной соты или сектора используют одну и ту же пару псевдопоследовательностей. Эти псевдопоследовательности для различных ячеек и секторов различаются временным сдвигом относительно нулевой последовательности.

9. Блок модуляции сигнала. В стандарте CDMA используется квадратурная фазовая манипуляция ФМ4, ОФМ4.

Результирующий двоичный поток в каждом канале проходит через цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой. Полученные аналоговые сигналы поступают на соответствующие входы I/Q-модулятора. Для уменьшения занимаемой полосы частот на выходе модулятора устанавливают фильтр.