3.8 Формування сигналу в радіоканалі

Процес формування сигналу в радіоканалі здійснюється в декілька етапів:

- аналого-цифрове перетворення;

- кодування мови;

- канальне кодування;

- модуляція.

Під час аналого-цифрового перетворення аналоговий мовний сигнал, обмежений смугою частот від 300 до 3400 Гц, за рахунок дискретизації (частота дискретизації дорівнює 8 кГц) перетворюється в амплітудно-імпульсно-модульований сигнал (АІМ). Далі кожна з дискет АІМ-сигнала кодується 8-розрядним двійковим кодом, тобто АІМ-сигнал перетворюється в ІКМ-сигнал. Внаслідок на виході аналого-цифрового перетворювача (АЦП) формується потік, швидкість якого дорівнює 64 кбіт/с.

З виходу АЦП оцифрований мовний сигнал надходить на кодер мови. Кодування мови у стандарті GSM здійснюється в рамках системи переривчастої передачі мови (DTX), що забезпечує підключення та роботу передавача тільки на час розмови і відключає його в паузах і наприкінці розмови. Одним з основних завдань кодування мови є стискання мовного сигналу з метою зниження швидкості передачі. Застосування при кодуванні в стандарті GSM вокодерних методів на основі методу лінійного передбачення (ЛП) дозволяє знизити швидкість передачі з 64 до 13 кбіт/с. Кодуванню піддаються відрізки мовного сигналу по 20 мс. За цей інтервал часу такі параметри мовного сигналу, як період основного тону, характер збудження (голосний або дзвінкий приголосний звук у співставленні із глухими звуками), коефіцієнт підсилення залишаються постійними. У стандарті GSM кодування здійснюється за методом RPE-LTP (лінійне передбачення зі збудженням регулярною послідовністю імпульсів і довгостроковим передбаченням). Сутність методу полягає в тому, що для передбачення поточної вибірки використовуються дані з попередніх виборок (диференціальна ІКМ). Кожна вибірка при кодуванні подається лінійною комбінацією попередніх вибірок і описується у вигляді коефіцієнтів цієї лінійної комбінації та закодованої різниці передбаченої і дійсної вибірок. Внаслідок такого кодування в інтервалі 20 мс формується 260 біт, за рахунок чого швидкість передачі знижується до кбіт/с. Отже, кодер мови забезпечує стискання мовного сигналу майже у 5 разів (64/13=4,92).

До складу вхідної інформації кодера мовного сигналу, обсягом 260 біт, входять:

- параметри фільтра короткочасного передбачення (36 біт);

- параметри фільтра довгострокового передбачення (36 біт);

- параметри сигналу збудження (188 біт).

Канальне кодування забезпечує захист від помилок переданої інформації. У стандарті GSM 260 біт інформації в інтервалі 20 мс-сегмента мови поділяється на 2 класи: клас 1 і клас 2. Клас 1 в свою чергу поділяється на два підкласи: підклас 1а – 50 біт найбільш чутливих, і підклас 1b – 132 біта, помірно чутливих до помилок. До класу 2 віднесені 78 біт, найменш чутливих до помилок. Структурна схема канального кодування наведена на рис. 3.5.

Інформація підкласу 1а кодується циклічним кодом (53, 50). При виявленні помилки вся вибірка відкидається і замінюється попередньою. Закодовані 53 біта, підкласу 1а 132 біта підкласу 1b і 4 додаткових нульових біти (усього 189 біт) подаються на згортковий кодер (2, 1, 5), швидкість кодування якого і довжина кодового обмеження. Формуючі поліноми згорткового кодера,. Після згоркового кодування 378 біт разом з 78 бітами класу 2 становлять 456 біт, внаслідок чого швидкість передачі стає рівноюкбіт/с.

Після згорткового кодування 456 біт піддаються блочно-діагональному перемеженню, що зменшує вплив групових помилок (вони перетворюються в помилки малої кратності, які виправляються при декодуванні).

Після перемеження початкова послідовність із 456 біт поділяється на вісім 57-бітових блоків, тому що в кожному слоті розміщується два 57-бітових блоки (114 біт). Довжина слоту каналу трафіка з урахуванням додавання допоміжної і службової інформації становить 156,25 біт. Оскільки інформація одного 20-мілісекундного сегменту мови займає по одному слоту в чотирьох послідовних кадрах, то швидкість потоку цифрової інформації становить (4х156,25)/20х10^-3= 625/20х10^-3= 31,25 кбіт/с.

Рисунок 3.5 – Структурна схема канального кодування у стандарті GSM

Ця інформація (а саме 4x156,25 = 625 біт) стискається в часі у 8 разів, так що протягом одного кадру тривалістю 4,615 мс в одному частотному каналі передається інформація восьми часових слотов, внаслідок чого швидкість передачі цифрової послідовності зростає до (8x31,25) = 250 кбіт/с.

На кожні 12 кадрів каналу трафіка, що переносять мовну інформацію (у мультикадрі каналу трафіка інформаційними мовними кадрами є 1-12 і 14-25, у 13-му кадрі передається канал управління SACCH, а кадр 26-й – порожній, резервний) додається по одному кадру з інформацією управління каналу SACCH, який має швидкість 20,833 кбіт/с. Отже, швидкість інформаційної бітової послідовності (мовного сигналу) на виході кодера каналу становить: 250 + 20,833 = 270,833 кбіт/с.

Слід зазначити, що вище була розглянута процедура роботи кодера каналу тільки за завадостійким кодуванням мовного сигналу. Інформація ж каналів управління піддається блоковому і згортковому кодуванню у повному обсязі.

Так, для кодування інформації каналів: повільного сполученого каналу управління SACCH; швидкого сполученого каналу управління FACCH; каналу виклику РСН; каналу дозволу доступу AGCH; виділених закріплених каналів управління SDCCH використовуються блоковий кодер (n, k) (224, 184), згортковий кодер (n, k, K) (2, 1, 5), а також схема перемеження, аналогічна схемі перемеження за мовним каналом.

У каналах синхронізації SCH і випадкового доступу RACH використовуються інші схеми блокового кодування, а також згорткові кодери (2, 1, 5), що відрізняються від згорткових кодерів вищевказаних каналів управління.

При передачі комп'ютерних даних використовуються більш складні схеми згорткового кодування і перемеження, що забезпечують відповідно і більш високу якість передачі інформації.

Вихідні сигнали канального кодера надходять на модулятор, завданням якого є перенесення цифрового сигналу на несучу частоту, тобто модуляція радіосигналу цифровим відеосигналом.

У стандарті GSM використовується гауссова модуляція з мінімальним частотним зсувом (GMSK). При MSK-маніпуляції несуча частота дискретно, через інтервали часу, кратні тривалості інформаційного біта (T_C), приймає одне з двох значень (постійних протягом біту) – або, де– несуча частота радіоканалу,– частота (швидкість передачі) інформаційної бітової послідовності. Рознесення частот – мінімально можливе, при якому забезпечується ортогональність коливань із частотами і на інтервалі тривалістю, яка дорівнює одному біту (). При цьому, за час Тс між коливаннями частот і набігає різниця фаз, що дорівнює . Інакше кажучи, формування MSK радіосигналу здійснюється так, що на інтервалі одного інформаційного біта фаза несучої змінюється на. Безперервна зміна фази синусоїдального сигналу дає внаслідок цього частотну модуляцію з дискретною зміною частоти.

Найменування «гауссова» маніпуляція пояснюється тим, що послідовність інформаційних бітів на модулятор надходить через фільтр нижніх частот (ФНЧ) з гауссовою амплітудно-частотною характеристикою. Застосування гауссового фільтра дозволяє зменшити смугу частот випромінюваного радіосигналу. Для GMSK модуляції добуток смуги фільтра (F) на тривалість інформаційного біта () становить величину.

Метод MSK логічно розглядати як метод квадратурної фазової маніпуляції (двократної відносної фазової маніпуляції (QPSK)), у якій прямокутні імпульси, що модулюють, тривалістю замінені напівхвильовими відрізками синусоїд або косинусоід. На рис. 3.6 наведена схема модулятора, часові діаграми, що ілюструють процес формування GMSK сигналу.

На діаграмі 1 подана вхідна бітова послідовність (а) модулятора.

На діаграмах 2 і 3 наведені послідовності непарних і парнихбіт вхідної послідовності відповідно, причому, тривалість кожного біта збільшена вдвічі, тобто кожен біт «розтягнутий» у часі до 2-бітового символу. Для зручності наступних пояснень прийнято, що послідовностііприймають значення +1 і -1 (значення -1 відповідає значенню 0 вхідної послідовності а). Внаслідок для кожного бітового інтервалу тривалістюрозташовані один над одним значенняідають саме ту пару парного і непарного біт, які є аргументами закону модуляції.

Рисунок 3.6 – Структурна схема GSMK модулятора і часові діаграми його роботи

На рис. 3.6 4) і 5) показані форми сигналів, що модулюють, двох квадратурних каналів і, які отримують як добуток функційівідповідно на квадратурні низькочастотні сигналиі.

Вихідний модульований сигнал виходить як результат перемножування модулюючих сигналів квадратурних каналів із відповідними несучимиіі підсумовування отриманих добутків.

На діаграмі рис. 3.6 6) надана початкова фаза модульованого сигналу.