- •Задачи проектирования св радиоканалов для построения корпоративных систем связи с мобильными базовыми станциями
- •Глава 1. Исследование условий реализации максималь-ной дальности связи при работе поверхностной волной в диапазоне средних радиоволн
- •1.1 Анализ путей увеличения размеров зоны обслуживания современных мобильных систем связи
- •1.2 Расчет напряженности поля сигнала в точке приема
- •1.3 Методика расчета максимальной дальности связи (радиуса зоны покрытия) поверхностной волной
- •1.4 Оценка максимальных размеров зоны обслуживания транкинговой системы связи св-кв диапазонов частот
- •1.5. Мешающее влияние ионосферной радиоволны при работе системы связи поверхностной волной
- •Глава 2. Передача речи в св радиоканалах с временным разделением каналов приема и передачи
- •2.1 Анализ вариантов реализации дуплексной связи
- •2.2 Реализация режима дуплексной радиотелефонной связи с временным разделением каналов приема и передачи в св радиоканале
- •2.3 Способ дуплексной телефонной связи
- •2.4 Особенности применения способа дуплексной связи в транкинговой системе связи св диапазона
2.2 Реализация режима дуплексной радиотелефонной связи с временным разделением каналов приема и передачи в св радиоканале
Критериями сравнения алгоритмов 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 |
64 |
4,1-4,2 |
ITU-T G.711 |
ИКМ (PCM) |
Телефонные сети |
32 |
3,9-4,1 |
ITU-T G.726 |
АДИКМ |
Телефонные сети |
16 |
3,61 |
ITU-T G.728 |
LD-CELP |
Телефонные сети |
14 |
4,1 |
Skype |
AMR-WB |
Интернет |
8 |
3,7 |
ITU-T G.729a |
CS-ACELP |
|
8 |
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.
Таблица 2.2
Тип канала |
Название стандарта, модема |
Информационная скорость обмена данными, бит/с |
||||
1200 |
2400 |
4800 |
8000 |
9600 |
||
*АБГШ канал
|
MIL-STD-188-110 B |
6,0 |
10 |
13 |
19 |
21 |
Модем Harris |
4,7 |
9,6 |
- |
- |
- |
|
Модем «Южный ветер» |
2 |
5 |
- |
- |
- |
|
Модем МДМ-9,6 KВ |
1 |
4 |
10 |
- |
18 |
|
** «Плохой» канал по ITU-R |
MIL-STD-188-110 B |
11 |
18 |
20 |
28 |
33 |
Модем Harris |
10 |
14,5 |
- |
- |
- |
|
Модем «Южный ветер» |
6 |
12 |
- |
- |
- |
|
Модем МДМ-9,6 KВ |
8 |
11 |
18 |
- |
24 |
|
*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 τз ≤ 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 Ккод = 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 (Рпрд = 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 kош = 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 Кдуп = 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 Ккод и Кдуп , 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 kош = 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.
Д
(2.1)
где Vmax – 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.