Принципы построения систем сотовой связи, страница 6

Пределом наэтом пути являются достижимые характеристики CDMA – это коэффициент порядка 20 (почислу физических каналов) при переходе от FDMA к CDMA.Второй путь - дробление ячеек, т.е. переход к меньшим ячейкам в районах синтенсивным трафиком при том же коэффициенте повторного использования частот(рис.3.3); число базовых станций при этом соответственно увеличивается, а мощность излучения – как для базовых, так и для подвижных станций – снижается. Фактически тот жеэффект достигается и при использовании на базовых станциях секторных антенн, напримерс разделением ячейки на три сектора (при 120-градусных секторах) и использованием вкаждом из секторов своей полосы частот (рис.

3.4). Практически ячейки с радиусом менее300...500 м неудобны, так как чрезмерно возрастает поток передач обслуживания. Выходпросматривается в использовании многоуровневых (иерархических) схем построениясотовой сети с обслуживанием в крупных ячейках (макросотах) быстро перемещающихсяабонентов (автомобилистов), а в более мелких (микросоты, пикосоты) - малоподвижныхабонентов, например покупателей в пределах торгового центра.20Рис.

3.3. Использования ячеек меньшихразмеров в районах с интенсивным трафикомРис. 3.4. 7-элементный кластер стрехсекторными антеннамиЗаметим, что в некоторых случаях может оказаться необходимым не дробить, анаоборот - укрупнять ячейки, если трафик столь мал, что не обеспечивает достаточнойзагрузки базовой станции. Если при этом радиус ячейки превышает номинальнуюдальность действия передатчика базовой и/или подвижной станции, для обеспечениясвязи в удаленных частях ячейки приходится использовать повторители, выполняющиефактически роль ретрансляторов.В качестве третьего пути повышения емкости отметим возможность использованияадаптивного назначения каналов в методах FDMA и TDMA.

До сих пор мы предполагали,что имеющийся частотный ресурс, т.е. все частотные каналы в пределах выделеннойполосы частот, заранее определенным образом распределяются между ячейками кластера– равномерно или в соответствии с априорной информацией об интенсивности трафика.Возможен, однако, и иной подход, частотные каналы, все или частично, находятся воперативном распоряжении центра коммутации, который выделяет их для пользованияотдельным ячейкам (базовым станциям) по мере поступления заявок (вызовов), т.е. всоответствии с реальной интенсивностью трафика, но при соблюдении необходимого территориально-частотного разноса. Такой адаптивный алгоритм, конечно, сложнее, но онможет обеспечить определенное повышение емкости за счет гибкого отслеживанияфлуктуаций трафика.Алгоритмы адаптивного назначения каналов используются в беспроводном телефоне,но в сотовой связи более или менее широкого распространения они пока не получили.Адаптивным по существу является назначение физических каналов в методе CDMA, чтопозволяет в некоторых пределах перераспределять нагрузку между разными ячейками.Наконец, четвертый путь — это тривиальное расширение выделяемой полосы частот.Разумеется, этот путь насколько очевиден, настолько же и мало полезен, и мы упоминаемо нем не в качестве рекомендации к непосредственному применению, а в виде примерапреимуществ, например, GSM 1800 (или GSM 1900) по сравнению с GSM 900, которыеимеют рабочие (аппаратурные) полосы 75 МГц (или 60 МГц) и 25 МГц соответственно.214.

Цифровая обработка сигналов.4.1 Роль и построение цифровой обработки. Характеристика речевыхсигналов.Цифровая обработка сигналов - важный элемент в аппаратурной реализациипринципов сотовой связи. Именно цифровая обработка обеспечила возможность переходаот первого поколения сотовой связи ко второму с соответствующим совершенствованиемметодов множественного доступа, повышением емкости системы, улучшением качествасвязи.

Только в цифровой форме оказывается возможным применение экономичного (сустранением избыточности) кодирования речи, эффективного канального кодирования свысокой степенью защиты от ошибок, совершенных методов борьбы с многолучевымраспространением.При рассмотрении цифровой обработки сигналов будем опираться на блок-схему рис.1.4, отражающую все основные этапы обработки и их последовательность. При этом мыограничимся принципами цифровой обработки без детализации схемотехническихрешений, поэтому наше изложение в значительной мере будет относится сразу к обоимсоответствующим друг другу блокам, один из которых находится в передающем тракте, адругой – в приемном: к модулятору и демодулятору, к кодеру и декодеру, к АЦП и ЦАП.Используемые в сотовой связи методы цифровой обработки сигналов, характеристикии параметры реализующих их устройств, в частности АЦП и кодера, теснейшим образомсвязаны с характеристиками передаваемых речевых сигналов. Поэтому мы короткоостановимся на последних.

Спектр мощности сигнала речи имеет максимум вблизи частоты400 Гц и спадает на более высоких частотах со скоростью около 9 дБ на октаву. Прианалого-цифровом преобразовании и цифровой обработке сигнала речи ограничиваютсяинтервалом частот 300...3400 Гц. Длительность звуков речевого сигнала составляет отнескольких десятков до нескольких сотен миллисекунд при среднем значении 130 мс,причем среднее значение для гласных звуков 210 мс, а для согласных 95 мс. В задачахкодирования сигнал речи часто рассматривают как квазистационарный гауссовскийпроцесс, спектрально-корреляционные характеристики которого постоянны на интервале20...30 мс.

При телефонном разговоре мгновенный уровень речевого сигнала изменяется вдиапазоне 35...40 дБ. При этом уровень согласных в среднем на 20 дБ ниже уровнягласных.4.2 Аналого-цифровое преобразование.Аналого-цифровое преобразование является первым этапом цифровой обработкисигналов в передающем тракте (рис.1.4). Как подсказывает само название, аналогоцифровой преобразователь (АЦП) является связующим элементом между аналоговым ицифровым участками тракта, преобразующим непрерывный аналоговый сигнал с выходамикрофона в цифровую форму, так что вся последующая обработка производится ссигналом, представленным в цифровом виде.

Соответственно цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – последний элемент в цифровом приемном тракте, и задача его прямопротивоположна: он преобразует цифровой сигнал в аналоговый, а последний поступает надинамик, преобразующий его в акустический сигнал, воспринимаемый ухом.22Работа АЦП складывается из двух этапов, которые в реальном устройстве часто немогут быть четко отделены один от другого: дискретизации входного непрерывногосигнала во времени -обычно с постоянным шагом, т.е.

через равные интервалы времени, иквантования величины сигнала по уровню для этих дискретных моментов времени. Врезультате на выходе АЦП с фиксированным темпом, определяемым периодомдискретизации, появляются двоичные числа, т.е. наборы единиц и нулей, соответствующиеуровням сигнала в моменты дискретизации. Этот процесс схематически иллюстрируетсярис. 4.1, на котором моменты дискретизации показаны штрихами на оси времени и длятрех моментов дискретизации указаны уровни сигнала – в десятичном и двоичномпредставлении.Рис. 4.1.

Дискретизация непрерывного сигнала во времени и квантование по уровню в АЦПВ соответствии с теоремой Котельникова, частота дискретизации должна быть покрайней мере вдвое выше наибольшей частоты в спектре обрабатываемого сигнала.Поскольку, как указывалось в предыдущем разделе, при цифровой передаче сигналов речипо телефонным каналам связи ограничиваются полосой частот от 300 до 3400 Гц,общепринятой является частота дискретизации Fд = 8 кГц.Число двоичных разрядов АЦП обычно выбирается равным 8, включая знаковыйразряд, так что диапазон чисел на выходе АЦП составляет от -127 до +127, поскольку 127 =27-1.

В результате на выходе АЦП получается поток 8-битовых чисел, следующих с частотой8 кГц, т.е. поток информации на выходе АЦП составляет 64 кбит/с.4.3 Кодирование речи.Кодер речи является первым элементом собственно цифрового участка передающеготракта, следующим после АЦП (рис.1.4). Основная задача кодера – предельно возможноесжатие сигнала речи, представленного в цифровой форме, т.е. предельно возможноеустранение избыточности речевого сигнала, но при сохранении приемлемого качествапередачи речи. Компромисс между степенью сжатия и сохранением качества отыскиваетсяэкспериментально, а проблема получения высокой степени сжатия без чрезмерногоснижения качества составляет основную трудность при разработке кодера. В приемномтракте перед ЦАП размещен декодер речи; задача декодера – восстановление обычногоцифрового сигнала речи, с присущей ему естественной избыточностью, по принятому23кодированному сигналу.

Сочетание кодера и декодера называют кодеком.Исторически сложилось два направления кодирования речи: кодирование формысигнала и кодирование источника сигнала. Первый метод основан на использованиистатистических характеристик сигнала и практически не зависит от механизмаформирования сигнала. Кодеры этого типа с самого начала обеспечивали высокое качествопередачи речи (хорошую разборчивость и натуральность речи), но отличались меньшей посравнению со вторым методом экономичностью. В методе кодирования формы сигналаиспользуются три основных способа кодирования: импульсно-кодовая модуляция (ИКМ),дифференциальная ИКМ – ДИКМ и дельта-модуляция – ДМ.

ИКМ соответствует цифровойсигнал непосредственно с выхода АЦП, в нем сохраняется вся избыточность аналоговогоречевого сигнала. При ДИКМ эта избыточность несколько уменьшается за счет того, чтоквантованию с последующим кодированием и передачей по линии связи подвергается разность между исходным речевым сигналом и его предсказанным значением, а при приемеразностный сигнал складывается с предсказанным значением, полученным по тому жеалгоритму предсказания. Шкала квантования может быть равномерной, неравномернойили адаптивно изменяемой; предсказание сигнала может быть не зависящим от формыпоследнего или же зависеть от формы сигнала, т.е.

быть адаптивным. Если прикодировании сигнала используются элементы адаптации, то соответствующую разновидность ДИКМ называют адаптивной ДИКМ – АДИКМ. ДМ – это ДИКМ с однобитовымквантованием, она также может быть адаптивной (АДМ). АДИКМ находит применение,например, в беспроводном телефоне с коэффициентом сжатия сигнала около 2.В сотовойсвязи используется исключительно второй метод кодирования, как более экономичный, коэффициент сжатия порядка 5...8 с увеличением его в перспективе еще вдвое.Второй метод – кодирование источника сигнала, или кодирование параметров сигнала,– первоначально основывался на данных о механизмах речеобразования, т.е.