Принципы построения систем сотовой связи, страница 7

использовалсвоего рода модель голосового тракта и приводил к системам типа анализ-синтез,получившим название вокодерных систем или вокодеров. Вокодерные методы на основелинейного предсказания и применяются в сотовой связи, причем зависимость этих методов от данных о механизмах речеобразования отступает на второй или даже третийплан, а оценка передаваемых по линии связи параметров производится на основестатистических характеристик сигнала по жестко определенному алгоритму, как и прикодировании формы сигнала.Суть кодирования речи на основе метода линейного предсказания заключается в том,что по линии связи передаются не параметры речевого сигнала, как такового, а параметрынекоторого фильтра, в известном смысле эквивалентного голосовому тракту, и параметрысигнала возбуждения этого фильтра.

В качестве такого фильтра используется фильтрлинейного предсказания. Задача кодирования на передающем конце линии связизаключается в оценке параметров фильтра и параметров сигнала возбуждения, а задачадекодирования на приемном конце - в пропускании сигнала возбуждения через фильтр, навыходе которого получается восстановленный сигнал речи. Различные вариантыалгоритмов кодирования отличаются один от другого набором передаваемых параметровфильтра, методом формирования сигнала возбуждения и тому подобными деталями.Метод линейного предсказания заключается в том, что очередная выборка речевогосигнала Sn с некоторой степенью точности предсказывается линейной комбинацией М24предшествующих выборок:где ai – коэффициенты линейного предсказания, М – порядок предсказания.

Разностьмежду истинным и предсказанным значениями выборки определяет ошибку предсказания(остаток предсказания):В результате z-преобразования этого разностного уравнения получаемгде функция A(z)интерпретируется как передаточная характеристика некоторого фильтра (инверсногофильтра или фильтра-анализатора), частотная характеристика которого обратна поотношению к частотной характеристике голосового тракта. При подаче речевого сигнала навход инверсного фильтра на выходе фильтра получается сигнал возбуждения, подобный (сточностью до ошибок, определяемых конечностью порядка предсказания М ипогрешностью оценки коэффициентов предсказания) сигналу возбуждения на входе фильтра голосового тракта.Полученное выражение для A(z) соответствует структуре трансверсального фильтра(рис.

4.2). Порядок предсказания выбирается из условия компромисса между качествомпередачи речи и пропускной способностью линии связи; практически М берется порядка10.Рис. 4.2. Анализирующий трансверсальный фильтр при порядке предсказания М=3Значения коэффициентов предсказания, постоянные на интервале кодируемогосегмента речи (на практике длительность сегмента составляет 20 мс), находятся из условияминимизации среднеквадратического значения остатка предсказания на интервалесегмента.Для этого частные производные ∂/∂аi приравниваются к нулю, что приводит ксистеме М линейных уравнений с М неизвестными коэффициентами а,. Матрица системы иметод ее решения оказываются несколько различными в зависимости от того, какимисвойствами наделяется речевой сигнал на интервале преобразуемого сегмента речи.Если речевой сигнал на этом интервале считается стационарным случайным процессом25(автокорреляционный метод оценки коэффициентов предсказания), то матрица системытеплицева, система решается с помощью итерационной процедуры алгоритма Дарбина, ифильтр-синтезатор получается заведомо устойчивым.

Если речевой сигнал считаетсянестационарным процессом (ковариационный метод оценки коэффициентовпредсказания), то матрица системы симметрична, но не теплицева, система решается сиспользованием разложения Холецкого, а для обеспечения устойчивости фильтрасинтезатораковариационныйметодприходитсясоответствующимобразоммодифицировать.В обоих случаях (как в автокорреляционном методе, так и в ковариационном) вкачестве побочного результата решения получаются значения так называемыхкоэффициентов отражения, или коэффициентов частичной корреляции ki, i=1,...M, числокоторых равно числу коэффициентов линейного предсказания аi и которые связаны скоэффициентами аi взаимно однозначными нелинейными функциональнымисоотношениями.

Коэффициенты отражения непосредственно связаны с другой формойфильтра линейного предсказания – так называемым решетчатым, или лестничным,фильтром (рис. 4.3). Коэффициенты отражения k, более удобны, чем коэффициентылинейного предсказания аi, для передачи по линии связи, так как в силу своихстатистических характеристик в меньшей степени могут приводить к потере устойчивостифильтра при квантовании. Иначе говоря, они требуют меньшего числа разрядов приквантовании, т.е. приводят к более экономичному использованию линии связи.

Иногдаиспользуются также функции от коэффициентов отражения – логарифмические отношенияплощадей:название которых связано с моделью голосового тракта в виде набора акустическихтруб различных сечений.Рис. 4.3. Анализирующий решетчатый фильтр при порядке предсказания М=3 (e+ и e- - остаткипредсказания вперед и назад)Вернемся к выражению для A(z), определяющему передаточную характеристикуфильтра-анализатора. Передаточная характеристика фильтра-синтезатора H(z) обратна ей сточностью до скалярного коэффициента усиления G:H(z) = G / A(z) .Синтезирующий фильтр имеет ту же структуру, что и анализирующий (инверсный), иопределяется тем же набором параметров (коэффициентов предсказания аi , иликоэффициентов отражения ki или логарифмических отношений площадей ri), но входы ивыходы в анализирующем и синтезирующем фильтрах меняются местами. Если на вход26синтезирующего фильтра подать сигнал возбуждения, то на его выходе будет полученречевой сигнал с тем качеством, которое обеспечивается фильтром при принятом порядкепредсказания, используемом числе дискретов для квантования параметров фильтра ипрочих ограничениях и погрешностях того же характера.Рис.4.4.

Работа кодека речи в методе линейного предсказанияТаким образом, процедура кодирования речи в методе линейного предсказаниясводится к следующему (рис.4.4):- оцифрованный сигнал речи нарезается на сегменты длительностью 20 мс (160выборок по 8 бит в каждом сегменте);- для каждого сегмента оцениваются параметры фильтра линейного предсказания ипараметры сигнала возбуждения; в качестве сигнала возбуждения в простейшем (по идее)случае может выступать остаток предсказания, получаемый при пропускании сегментаречи через фильтр линейного предсказания с параметрами, полученными из оценки дляданного сегмента;- параметры фильтра и параметры сигнала возбуждения кодируются поопределенному закону и передаются в канал связи.Процедура декодирования речи заключается в пропускании принятого сигналавозбуждения через синтезирующий фильтр известной структуры, параметры которогопереданы одновременно с сигналом возбуждения.

Подчеркнем, что как анализирующий,так и синтезирующий фильтры являются цифровыми и процедуры кодирования идекодирования речи реализуются в соответствующих вычислителях (процессорах). Сигнална вход анализирующего фильтра поступает непосредственно с выхода АЦП, а выходнойсигнал синтезирующего фильтра попадает на вход ЦАП (рис. 1.4).274.4 Модуляция.Модулятор является последним элементом передающего тракта (рис. 1.4) и, строгоговоря, не выполняет никаких операций собственно цифровой обработки сигналов.

Егозадача состоит в переносе информации цифрового сигнала с выхода кодера канала нанесущую частоту, т.е. в модуляции сверхвысокочастотной (СВЧ) несущей низкочастотным(НЧ) цифровым видеосигналом. Модулированный СВЧ сигнал с выхода модулятора черезантенный коммутатор поступает на антенну и излучается в эфир, чтобы быть затемпринятым антенной станции-получателя информации. Соответственно демодулятор —первый элемент приемного тракта, и его задача заключается в выделении из принятогомодулированного радиосигнала информационного видеосигнала, который подвергаетсяцифровой обработке в последующей части приемного тракта.Как известно, существуют три основных вида модуляции: это амплитудная модуляция –AM, частотная модуляция – ЧМ и фазовая модуляция – ФМ.

Между тем в цифровой сотовойсвязи фигурируют такие названия, как квадратурная фазовая манипуляция, минимальнаяманипуляция и т.п. На самом деле это не что иное, как разновидности фазовой иличастотной модуляции, предназначенные для передачи дискретных (цифровых) сигналов.Дискретная модуляция (модуляция дискретными сигналами) имеет свою специфику и вомногом обличается от более привычной для многих радиоинженеров модуляциинепрерывными сигналами. В применении к цифровой сотовой связи в качествеобязательных требований для используемых методов модуляции обычно указываютвысокую спектральную эффективность, низкий уровень помех по смежным частотнымканалам, низкую частоту битовой ошибки, экономичность (эффективность использованияэнергии источника питания, что особенно актуально для подвижной станции), простотуреализации.В стандарте D-AMPS используется дифференциальная квадратурная фазоваяманипуляция со сдвигом π/4 (π/4 ДКФМ).

По сути это — дискретная фазовая модуляция, сосновным дискретом коммутации фазы π/2 (как при обычной квадратурной фазовойманипуляции), но с дополнительным сдвигом по фазе на π/4 при переходе от символа ксимволувходноймодулирующейпоследовательностиимпульсов.Словодифференциальная в названии метода означает, что очередное изменение фазыотсчитывается не по отношению к фазе некоторого опорного сигнала, а по отношению кфазе предыдущего дискрета.В этом методе все импульсы входной информационной последовательности bkмодулятора разбиваются на пары – на 2-битовые символы, и при переходе от символа ксимволу начальная фаза СВЧ сигнала изменяется на величину Δφ, которая определяетсябитами символа в соответствии с алгоритмом, приведенным в табл.4.1.28Таблица 4.1.