Wykład 12: Kodowanie mowy w GSM.Modulacja GMSK. Efektywne

wykorzystanie zasobów radiowych.

PG – Katedra Systemów Mikroelektronicznych

ZASTOSOWANIE PROCESORÓW SYGNAŁOWYCH

Marek Wroński

Zasady obróbki sygnału

Sygnał mowy

13-bit. DAC (1), próbkuje z szybk. 8 kHz (13 bit.x 8kcykli/s = 104kb/s ciągu danych) syg. analog. Strumień dzielony jest (2) na segmenty co 20 ms,tj.2080b/20 ms. W (3) próbki są kompresowane i kodowane (skrócenie strumienia do 13 kb/s).W (4) strumień dzielony jest na 2 klasy,różnej wagi.Pierwsze 182 bity (z 260) traktowane są najważniejsze.Do 2 klasy zaliczono pozostałe 78 bitów. Następnie w bloku (5), bity 1-klasy są obrabiane. Do pierwszych 50 bitów tego ciągu są dodawane trzy bity parzystości w kodzie cyklicznym a następnie dodawane są cztery bity marginesu. Otrzymany 189-bit.blok poddawany jest kodowaniu splotowemu, które wydłuża ciąg do 378 bitów. Wraz z 78 bit. 2-grupy uzyskujemy blok o długości 456 bitów (co 20 ms),czyli strumień 22,8 kb/s.Tak zabezpieczony ciąg danych zostaje zaszyfrowany i podzielony na ramki i uzupełn.sekwencjamitestującymi. Blok (6) zawiera modulator fazowy GMSK – szybkiej modulacji Gaussa. W bloku (7) następuje przeniesienie i synteza zmodulowanego sygnału do kanału nadajnika radiow. Blok (8) jest wzmacniaczem (nadajnikiem) mocy.

Cyfrowe kodowanie sygnału mowy (hybrydowe)

Przetwarzanie wstępne (preprocessing) ogranicza pasmo (4kHz) i po spróbk.w filt.preemfazy uwydatnia w.cz.Predykcja liniowa krótkoterminowa (LPC) dla 160 pr. obl.par.f.predykcyjn.: 8 wsp.odbicia zakodow.na 36 bitSygnał mowy przechodzi przez f. inwersyjny LPC, czyli na wyjściu pojawia się 160 próbek błędu predykcji. Dodalszej analizy sygnał jest dzielony na 4 ramki po 40 próbek (5ms).Predykcja długoterminowa (LTP) dla każdej ramki 5 ms znajdowany jest w przeszłości (w odl. 40-120 próbek)Odcinek syg. Najbardziej skorelowany z daną ramką.Wart.opóżnienia (lag) zapisana na 7bit.a skala-wzmocn.2b.Przewidziany syg.jest odjęty od danej ramki, a do dalszej analizy idzie syg. różnicowy,o małej energii (jak szum)Analiza syg. pobudzającego (RPE) po f.DP syg.jest subsamplikowany tj.pobierana jest co 3 próbka, poczynającod 0,1,2,3. Z tych 4 syg. (13 pr.) wybieramy o max. energii i próbki kodujemy adaptacyjnie (każda na 3 bit.) –dodatkowo: wzmocnienie (6 bit.) i faza pobierana co trzeciej próbki (2 bity)

Tworzenie strumienia cyfrowego i dekodowanie mowyTak powstałe „szczątkowe”próbki syg. z param.są multipleksowane w strumień cyfr. o przepływności 13 kb/s.Przy dekodow. najpierw 13 próbek jest wymnażanych przez wzmocnienie, „rozstawianych” równomiernie (RPE- Regular Pulse Excitation – regularne pobudzenie impulsowe) zgodnie z przesyłaną informacją o faziei uzupełnianych próbkami zerowymi. Moduł LTP znajduje w zadanej odległości w przestrzeni odcinek sygnału,przemnaża go przez skalę podobieństwai dodaje do bieżącej ramki.Po zgromadzeniu 4 ramek 40-próbk. w jedną 160-próbk., podawana jest ona na f. LPC o przesłanych parametr.Po deemfazie (procesie odwrotnym do preemfazy) sygnał podawany jest do wzmacniacza i słuchawki.

Predykcja liniowa LPC i długoterminowa LTP

Predykcja rzędu k to przewidywanie kolejnej próbki w chwili n sygnału (mowy) x na podstawie k poprzednich próbek:

Bieżąca próbka jest liniową kombinacją k próbek poprzednich:Współczynniki predykcji wyznacza się dla całego bloku sygnału, dlatego też przewidywane wartości obarczone są błędem:który minimalizujemy,np. stosując met. autokorelacyjną,tj. licząc k+1 próbek ciągu autokorelacji (dł.N)a następnie wyznaczając współczynniki predykcji z równania macierzowego:

Do dalszej części systemu, oprócz błędupredykcji, przesyłane są współczynnikipredykcji explicite lub wyliczane są współcz.odbicia (to stosunek sygnału odbitego do wejśc.- coś w rodzaju odbić na przejściach między pierścieniami reprezentującymi trakt głosowy na skutek niedopasowania falowego i interferencji z falą nadchodzącą.

Na podstawie analizy większego fragmentu sygnału możemy dojść do wniosku,że bieżący odcineksygnału jest zbliżony do pewnego odcinka w przeszłości.Znając odległość w czasie od tego odcinka i skalę podobieństwa k, możemy więc bieżący segment o długości N „przewidzieć” w postaci:Jest to met. predykcji długoterminowej.

Alg. Schur’a i filtr kratowy (Schur recursion & lattice filter)

Γj = coefficiente di riflessione finale p0(τ) e k0(τ)= ricavati in funzione di rx(τ) Γ*

j = coefficiente di riflessione modificato rx(τ)= risultato dell’autocorrelazione

pj(ô) pj+1

(ô)

z-1

Γj

Γ*j

z-1

k j (ô)

kj+1

(ô)

Zaletą filtrów kratowych jest mniejsza wrażliwość na kwantowanie wsp. odbić (deformacja char-ki)oraz swoistego rodzaju „ortogonalność” (optymalny rząd filtra który może się zmieniać w czasie)

Następnie transformacja wsp.odbić do wartości LAR(Logarithmic-Area-Ratios):

Kodowanie kanałowe sygnału mowy• zabezpieczenie transmitowanych informacji przed zakłóceniami wprowadzanymi przez kanał transmisyjny,• koder kanałowy dodaje bity do przesyłan.strumienia,• dodatkowe bity służą do wykryw. i usuwania błędów.

Wykorzystano koder blokowy (50,53)i kod splotowy o sprawności 1/2 i dł.5.Koder mowy generuje w 50 ramek/sek,każda o dł.260 b. Przepływność strumieniaBitowego: 50*456=22.8 kbit/s

Przeplot

• przeciwdziała „paczkom błędów”,• bitowy (kolumn) na ramce 456 bitowej• przeplot bitowy: „przemieszanie” bitów w paczki 57 bitowe,• przeplot blokowy: w 8 pakietach,• wprowadza duże opóźnienie (33 ms).

Stopa błędów <12.5% (średnio <6%)

Modulacja GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Wstep

Przebiegi fazy modulacji: FSK, CPFSK, MSK i GMSK

MSK: f=1/(4T) Hz, żeby ortogonalne przyrosty fazy +-/2; „wygładzanie” dla BT=0.3 w oparciu o symbole: (i-1),i,(i+1)

Modulator GMSK z ciągłą fazą

Wpływ parametru BT na własności widmowe

Małe BT – słabe własności widmoweDuże BT – skomplikowany odbiornik,

pogorszenie odporności nazakłócenia i zniekształcenia

Efektywne gospodarowanie zasobami widmowymi

Skakanie po częstotliwościach (frequency hoping)

• nośna zmienia się w sposób pseudolosowy,• sygnał zmodulow. ma charakter pseudoszumowy,• sygnał odporny na zakłócenia,• poprawia jakość transmisji,• ogranicza wpływ zakłóceń wspólnokanałowych,• opcjonalny dla komórek,• MS musi posiadać możliwość realizacji FH,• BSC przydziela grupę częstotliwości,alg.zmian i nr,• aspekty planowania: C↑, D↓,częste powtarzanie cz.

Bez skakania

Sterowanie mocą• MS: najmniejszy poziom umożliw. łączność o wymaganej jakości,• zmniejsza interferencje wspólno- i sąsiednio-kanałowe,• wydłużenie czasu pracy,• regulacja krokowa: co 2 dB,• wymaga pomiarów jakości transmisji: BTS od MS, MS od BTS, decyduje BSC,• pierwsze zgłoszenie MS – wstępny poz. mocy.

Nadawanie z wyprzedzeniem

• przeciwdziała nakładaniu się szczelin czasowych,• dla komórek o promieniu 35 km – wyprzedzenie = 0-233 µs.

Transmisja przerywana

• aktywność abonenta: 40-50% czasu trwania połącz.choć łącza są zarezerwowane na całe połącz.,• podczas braku aktywności przesyła się zredukowaną ilość pakietów (Discont.Transmissin DTX),• algorytm rozróżniający stan aktywny (Voice Activity Detection VAD + comfort noise).

GPRS (General Packet Radio Services) = GSM + sieć pakietowa

HSCSD(High-Speed Circuit-Switched Data Service)- szybka transmisja danych z komutacją kanałów

Równoczesne zastosowanie kilku kanałów o pełnej szybkości do realizacji pojedyńczego łącza•Kanały rozmówne z maks. 8 szczelin czasowych •Teoretycznie (maks.) – 8 x 9,6 = 76,8 kbit/s•Praktycznie – 4 x 9,6 = 38,4 kbit/s

RA zamiana danych wej.na szybk.3.6,6.,12.kbit/s

FEC zamiana danych z RA na szybk.łącza radiow.

Rozdzielanie iłączenie kanałów:

EDGE

EDGE oferuje dostęp w trybie komutacji pakietów, z maksymalną szybkością 384 kb/s. Prędkość tę udało się uzyskać przez zastosowanie innej niż w przypadku HSCSD i GPRS modulacji. Zamiast GMSK zastosowano modulację 8 PSK - zwiększyło to trzykrotnie efektywność kodowania, a to z kolei stopień wykorzystania zasobów radiowych. Powstaje jednak pewien problem: ponieważ modulacja 8 PSK ma znacznie gorszą obwiednię niż GMSK, wzrosły przesłuchy międzykanałowe pomiędzy sąsiednimi częstotliwościami. Na szczęście problem ten nie jest zbyt istotny, gdyż zwykle nie przydziela się tych samych częstotliwości jednej stacji bazowej. W przypadku EDGE możemy już mówić o usługach multimedialnych. Oferowana prędkość jest wystarczająca do realizacji np. wideokonferencji i to zupełnie dobrej jakości. O ile dwie poprzednie techniki gwarantują jakość połączeń porównywalną z oferowaną abonentom korzystającym ze stałego łącza telefonicznego lub ISDN (64 lub 128 kb/s), o tyle EDGE pozostawia w tyle zwykłego abonenta stacjonarnego. Losy EDGE mogą jednak zależeć od sieci trzeciej generacji - UMTS i od tego, kto dostanie koncesję. Operatorzy, którzy dostaną koncesję mogą stwierdzić, że bardziej im się opłaca budowa nowej sieci trzeciej generacji, niż modernizowanie starej sieci GSM, która i tak będzie zapewniać dosyć dobrą prędkość transmisji, wykorzystując GPRS i HSCSD. Z kolei operatorzy, którzy nie dostaną koncesji na UMTS, chcąc pozostać konkurencyjnymi, będą promować EDGE. Ponieważ EDGE może rywalizować z sieciami trzeciej generacji w szybkiej transmisji danych, może być powodem ewentualnego upadku UMTS. Może się okazać, że poważnym problemem dla operatorów UMTS będą z jednej strony gigantyczne opłaty za koncesje, z drugiej strony EDGE z prędkością wystarczającą dla większości klientów. Taki czarny scenariusz mógłby się sprawdzić, gdyby koncesje na UMTS dostawały głównie inne firmy niż obecni operatorzy. UMTS mógłby przez EDGE podzielić los Irydium, jako kolejna technologia która nie uwzględniła w swoich planach olbrzymiego wzrostu GSM, tym razem technologicznego.

WCDMA

Obecnie zaledwie na horyzoncie widać WCDMA - transmisję danych w sieciach trzeciej generacji UMTS. Technika ta będzie opierać się na dostępie z podziałem kodowym. Szybkość transmisji osiągnie zawrotną prędkość 2 Mbit/s. Dostęp z podziałem kodowym ma tę zaletę, że jest niewrażliwy na zakłócenia wąskopasmowe. W procesie korelacji sygnału odebranego szerokopasmowy sygnał użytkowy staje się znów wąskopasmowym, natomiast wszystkie zakłócenia wąskopasmowe zostają rozproszone. Dzięki temu kanał transmisyjny staje się kanałem o znacznie lepszej jakości, niewrażliwym na takie zakłócenia, jak np. uderzenie pioruna, iskrzenie przewodów przy przejeździe tramwaju. Niemniej na WCDMA i UMTS trzeba jeszcze poczekać, o ile kiedykolwiek stanie się on dostępny.

Porównanie cech HSCSD, GPRS i EDGE

  HSCSD GPRS EDGE

Typ komutacji kanałów pakietów pakietów

Modulacja GMSK GMSK 8 PSK

Maks. przepływność 57,6 (115 z kompresją) kb/s 170 kb/s 384 kb/s

Faza "życia" działająca wdrażana projektowana

Schemat blokowy stacji ruchomej (komórki) GSM

Praktyczna realizacja telefonu komórkowego przez AD

Budowa stacji bazowej