ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ КОДИРОВАНИЯ РЕЧЕВЫХ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ КОДИРОВАНИЯ РЕЧЕВЫХ

СИГНАЛОВ В СТАНДАРТЕ ТЕТRА ТРАНКИНГОВЫХ СЕТЕЙ

Цель работы

Изучить структуру кодера ТЕТRА и канальное кодирование.

Задание

1. Ознакомиться с общим описанием алгоритма кодирования речевого сигнала.

2. Изучить блок-схему декодера речевого сигнала в стандарте ТЕТRА.

3. Ознакомиться с канальным кодированием.

4. Изучить особенности канального кодирования для различных логических каналов.

5. Составить отчет.

Краткая теория

Под термином "транкинг" понимается многостанционный доступ или полнодоступное подключение большого количества абонентов к ограниченному числу каналов связи. Термин происходит от английского Тгunk (пучок), т.е. "транкинг" - это процесс "пучкования", создания пучков. Термин "Тгunking Systems" является не совсем корректным. Более точным следует считать "Тгunking Systems", который переводится как "транковые системы" и обозначает специальную систему радиосвязи предназначенную для предоставления услуг радиосвязи подвижным абонентам на основе реализации динамического многостанционного доступа с ограниченным выходом или без выхода на телефонную сеть общего пользования.

В соответствии с "Концепцией использования в России транкинговых систем связи" (Вестник связи № 9, 1995г.) транкинговая сеть может считаться сетью связи общего пользования ТСС ОП, если она отвечает ряду требований.

Данные требования соответствуют рекомендациям МСЭ Q 11001, в которых указано, что сети радиотелефонной связи общего пользования и абоненты таких сетей должны являться продолжением телефонной сети общего пользования или иметь ее нумерацию.

Несмотря на разнообразие транкинговых систем, все они построены по одним и тем же принципам. Транкинговая система может быть многозоновой и однозоновой. В каждой зоне устанавливается БС (ретрансляторы), через которую обеспечивается радиосвязь с абонентами системы. В качестве абонентских устройств в транкинговых системах используют автомобильные или портативные радиостанции, работающие в симплексном, дуплексном или полудуплексном режиме.

В транкинговых системах, как и в сотовых, обеспечивается роуминг - возможность переключения абонента на свободный канал, доступный в данный момент в новой зоне связи, с автоматической сменой частоты. Однако смена частоты иногда сопровождается потерей связи, что приводит к необходимости повторного вызова.

Одним из главных признаков транкинговой системы является возможность группирования абонентов, объединенных общими интересами, По этой причине трафик в основном замыкается внутри транкинговых сетей (до 90%) и выход большинства абонентов на ТФ ОП предполагается в исключительных, случаях. Предоставление разного набора услуг пользователям находится в зависимости от приоритетов, установленных внутри системы.

Особенностью транкинговых систем является то, что в них предусмотрена возможность обеспечения связи между абонентами системы без выхода на ретрансляторы, что в системах, ориентированных на организацию сетей связи общего пользования, отсутствует.

Стандарт ТЕТRА является первым и единственным утвержденным стандартом на цифровой транкинг в Европе. Поэтому в настоящее время ТЕТRА расшифровывается как Наземное Транкинговое Радио (TErrestrial Trunked RAdio). Стандарт установлен ЕТSI (Европейским Институтом телекоммуникационных стандартов), который координирует деятельность производителей оборудования, операторов сетей, национальных администраций и пользователей. Стандарт прошел через тщательную процедуру утверждения,что гарантирует ТЕТRА высокое качество.

Рис. 7.1. Структурная схема передающей и приемной частей CELP-кодера

По существу, в алгоритме CELP производится векторное квантование последовательности х(п), т.е. позиции импульсов и их амплитуды в сигнале многоимпульсного возбуждения оптими­зируются одновременно. При этом отрезок (сегмент) сигнала возбуждения выбирается из предва­рительно сформированной постоянной совокупности - кодовой книги, содержащей достаточно большое количество реализаций, например, некоррелированного гауссовского шума. Выбранная реализация усиливается и подается на вход цепочки фильтров (5) и (4).

Поиск оптимальных значений g_p и Т синтезатора основного тона, коэффициента усиления и номера элемента кодовой книги осуществляется посредством анализа через синтез. В целом, в канал связи передаются номер (индекс) элемента кодовой книги с соответствующим коэффици­ентом усиления, параметры синтезатора основного тона, а также коэффициенты линейного пред­сказания, характеризующие состояние голосового тракта.

Структура кодера TETRA

В стандарте TETRA используется CELP-кодер со скоростью преобразования 4,8 Кбит/с. На рис. 2 показана упрощенная блок-схема декодера (синтезатора), используемого в CELP-кодере TETRA.

Основными узлами схемы декодера являются 2 синтезирующих фильтра с большой и малой постоянной времени и алгебраическая кодовая книга.

Фильтр с большой постоянной времени выполняет функцию долговременного предиктора (Long Term Preductor), моделирует квазипериодичность (долговременные корреляции) речевого сигнала и имеет характеристику (5). Он выполнен на основе адаптивной кодовой книги, содер­жащей сигналы возбуждения и реализующей генерацию квазипериодических колебаний голосо­вого тракта.

Фильтр с малой постоянной времени выполняет функцию кратковременного предиктора (Short Term Preductor), моделирует кратковременные корреляции, т.е. корреляции между отсчетами речевого сигнала, и имеет характеристику (4) с порядком предсказывающего устройства, соответствующим М=10. В синтезаторе TETRA используется весовая функция (3) со значением коэффициента =0,85.

Алгебраическая (постоянная) кодовая книга содержит совокупность векторов возбуждения, представляющих собой последовательности с белым гауссовским распределением с нулевым средним значением и единичной дисперсией. Она служит для реализации первого этапа генера­ции возбуждающего сигнала. На втором этапе производится коррекция возбуждающего сигнала путем добавления к нему данных из адаптивной кодовой книги. Сформированная в итоге возбуж­дающая последовательность поступает на вход синтезирующего фильтра A^-1(z), где вычисляются значения выходного речевого сигнала в соответствии с выражением (1).

Рис. 2. Блок-схема декодера речевого сигнала в стандарте TETRA

В кодере TETRA производится оценка М=10 коэффициентов линейного предсказания и анализ возможных значений параметра синтезатора (индекса k_c и коэффициента усиления g_c алгебраиче­ской кодовой книги и индекса k_p и коэффициента усиления g_p адаптивной кодовой книги), целью которого является минимизация взвешенной ошибки рассогласования между входным и синтезиро­ванным речевыми сигналами. Полученные при этом оптимальные параметры синтезатора кванту­ются и передаются в канал связи. Обработка сигналов в кодере и декодере производится по блокам. Длительность основного блока составляет 30 мс, что соответствует 240 отсчетам при частоте дис­кретизации 8 кГц. Для каждого такого блока формируется кадр передаваемой в канал связи инфор­мации объемом 137 бит, что обеспечивает скорость передачи информации 4567 бит/с. Оценка коэффициентов линейного предсказания выполняется один раз на всем блоке, а оптимизация осталь­ных параметров синтезатора выполняется на сегментах длительностью 60 отсчетов, т.е. 4 раза на блок. Поразрядное распределение информации в передаваемом кадре приведено в табл. 1.

Таблица1.

КАНАЛЬНОЕ КОДИРОВАНИЕ

Блочное кодирование

Блочный кодер обозначается (К2, К1), где К1 - число символов в блоке входной последовательности, а К2 - число символов в блоке выходной последовательности. Отношение R=K1/K2 носит наименование скорости кодирования (coding rate) и характеризует меру избыточности, вносимую кодером.

При блочном кодировании в стандарте TETRA используется двоичный систематический кодер, т.е. кодер, у которого каждый символ входной и выходной последовательности соответствует одному биту, а в состав блока выходной информации полностью включается блок входной информации, который дополняется р-битовым кодом циклического контроля избыточности (CRC - Cyclic Redundancy Check). Таким образом, К1 битов типа 1 преобразуются в К2 бит типа 2, где К2 = К1 + р.

Сверточное кодирование

Сверточное кодирование обеспечивает преобразование К2 входных бит типа 2, полученных в результате блочного кодирования, в КЗ бит выходной последовательности, причем КЗ > К2. Каж­дый бит выходной последовательности получается как результат суммирования по модулю 2 нескольких следующих друг за другом битов входной последовательности.

Сверточные кодеры обычно обозначаются как (n, k, K), где п - количество бит в одном символе выходной последовательности, которые формируютсяза один такт работы кодера (соответствует числу сумматоров по модулю 2 в схеме кодера); k - количество бит в одном символе входной последовательности, поступающих на вход кодера за один такт; К - длина ограничения (constraint length), т.е. числовое значение, соответствующее длине сдвигового регистра, который участвует в формировании одного выходного символа. (Символы могут состоять из одного или нескольких бит.) При этом отношение R = k/n, как и в блочном кодере, называется скоростью кодирования.

Однако, поскольку в стандарте TETRA непосредственно сверточное кодирование дополняется процедурой прореживания полученной информации, изменяющей количество бит выходной последовательности, под скоростью кодирования будем понимать отношение суммарного количества бит входной последовательности к суммарному количеству бит выходной последовательности (К2/КЗ).

В связи с тем, что объемы блоков, а также требования по помехоустойчивости и скорости пе­редачи информации в разных логических каналах отличны друг от друга, сверточные коды для этих логических каналов также различаются. Сверточное кодирование в стандарте TETRA состо­ит из двух процедур:

Þ кодирования «материнским» кодом с фиксированной скоростью (для канала речевых сооб­щений TCH/S она соответствует 1/3, для всех остальных каналов - 1/4);

Þ перфорирования (прореживания, выкалывания) полученной последовательности, т.е. про­пуска некоторых кодированных символов с целью приведения структуры размещения бите соответствие со структурой кадра. Изменение алгоритмов перфорирования позволяет обес­печить различную скорость сверточного кодирования для разных логических каналов.

Перемежение

При перемежении обеспечивается преобразование КЗ бит входной последовательности, получен­ной в результате сверточного кодирования, в К4 бит выходной последовательности, причем КЗ = К4, т.е. перемежение не вносит в сигнал избыточность, а только производит перестановку битов в информационном блоке.

Перемежение используется для преобразования групповых ошибок, возникающих в канале связи из-за наличия глубоких замираний сигнала в условиях многолучевого распространения, в одиночные, с которыми легче бороться с помощью блочного и сверточного кодирования.

В стандарте ТЕТRА применяется 2 вида перемежения: блочное и перемежение по N блокам.

Блочное перемежение

Блочный перемежитель обозначается (K, J), где К означает количество бит во входном информа­ционном блоке, a J - количество бит, на которое разносятся соседние для входного блока биты. При блочном перемежении биты выходного блока соответствуют битам входной последователь­ности, т.е.

b₄(k) == b₃(i) (i = 1, 2,…, К-1)

производится по следующему правилу:

k = 1 + ((J*i)mod К).

Работу схемы блочного перемежителя можно представить как проведение последовательной построчной записи входной информационной последовательности в матрицу, в которой длина строки соответствует J (число столбцов (К div J + 1)), а затем считывания записанной информации по столбцам.

Блочное перемежение с различными параметрами преобразования используется в каналах, SCH/HD, SCH/HU, SCH/F, BNCH, STCH, BSCH и TCH/S.

Скремблирование

Скремблирование обеспечивает преобразование К4 битов входного информационного блока, поступающего от перемежителя, в К5 бит выходного блока путем побитового сложения по модулю 2 с шифровальной последовательностью.

Порождающий полином шифровальной последовательности имеет вид

C(X)=1+X+X²+X⁴+X⁵+X⁷+X⁸+X¹⁰+X¹¹+X¹²+X¹⁶+X²²+X²³+X²⁶+X³², где сложение производится по модулю 2.

Инициализация 32-разрядного сдвигового регистра с обратными связями, используемого для формирования шифровальной последовательности, производится с помощью расширенной обучающей последовательности с1,с2,..,с30 и двух дополнительных бит, равных 1.

Рис. 5. Структура канального кодирования логических

каналов AACH; BSCH; ТСН 4,8; ТСН 2,4

Временной кадр, как правило, включает в себя 2 речевых кадра, каждый из которых на выходе речевого кодека имеет размерность 137 бит. После канального кодирования ин­формация с выхода речевого кодека (2*137 бит) преобразуется в информационный кадр длиной 432 бита.

1-й класс включает 51 из каждогоречевого кадра (2*51), 2-й класс - 56 бит (2*56), 3-й класс - 30 бит (2*56). К наи­более чувствительному 3-му классуот­носятся:

Þ 12 бит, содержащие 4 старших раз­ряда 3-х 8-разрядных коэффициен­тов линейного предсказания;

Þ 6 бит, содержащие 6 старших раз­рядов 8-разрядного значения пе­риода основного тона первого (из 4-х) сегмента речевого кадра;

Þ 12 бит, содержащие 3 старших раз­ряда 4-х 6-разрядных коэффициен­тов усиления для каждого из сег­ментов речевого кадра.

Кодирование производится раздель­но для каждого из классов:

Þ -биты 1-го класса подвергаются только перемежению и скремблированию;

Þ над битами 2-го класса произво­дится сверточное кодирование,перемежение и скремблирование;

Þ -биты 3-го класса подвергаются всем видам канального кодирования: блочному и сверточному кодированию, перемежению и скремблированию.

Следует отметить, что перемежение и скремблирование производятся над полным блоком из 432 бит, в который включаются биты всех классов чувствительности.

Структура кодирования для канала речевого трафика представлена на рис. 6.

Рис. 6. Структура канального кодирования речевого трафика

4. Контрольные вопросы

1. Дайте общую характеристику транкинговых систем.

2. Какой метод кодирования речевых сигналов используется в стандарте ТЕТRА?

3. Поясните принцип многоимпульсного возбуждения от кода.

4. Поясните структурную схему передающей и приемной частей СЕLР-кодера.

5. Поясните блок-схему декодера речевого сигнала в стандарте ТЕТRА.

6. Поясните структуру канального кодирования в стандарте ТЕТRА.

7. В чем заключается процедура блочного кодирования, сверточного кодирования?

8. Дайте понятие процедуры перемежения, скремблирования.

9. Поясните структуру канального кодирования логических каналов TCH 7,2; SCH/HD; SCH/HU; SHC/F; BNCH; STCH.

10. Поясните структуру канального кодирования логических каналов AACH; BSCH; TCH 4,8; TCH 2,4.

11. Поясните структуру канального кодирования речевого графика.

Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Зарисовать блок-схему декодера речевого сигнала в стандарте ТЕТRА.

Литература

1. Бабков В.Ю., Вознюк М.А., Дмитриев В.И. Системы мобильной связи. СПб.: ВУС, 1999.

2. Бабков В.Ю., Воробьев О.В., Певцов Н.В., Петров Д.А., Сиверс М.А. Транкинговые системы связи. СПб.: Судостроение, 2000.

3. Овчинников А.М., Воробьев С.В., Сергеев С.И. Открытые стандарты цифровой транкинговой радиосвязи. Серия изданий «Связь и бизнес», 2000.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ КОДИРОВАНИЯ РЕЧЕВЫХ