Аппаратные средства абонентского устройства мобильной связи

Рассмотрим абонентское устройство сотовой связи стандарта GSM.

Это устройство на программно-аппаратном уровне осуществляет аналогово-цифровое и цифро-аналоговое преобразование речи, цифровое сжатие или декомпрессию, генерацию комфортного шума, прием и передачу кодированной речи в сеть подвижной (сотовой) радиотелефонной связи.

При наличии соответствующих микросхем с поддержкой беспроводных ЛВС, данное устройство способно передавать голосовую информацию по локальной вычислительной сети.

Аппаратные средства сотового телефона GSM

Рис. 10.3 - Аппаратные средства сотового телефона GSM

В системе на рис. 10.3 речь человека подвергается аналогово-цифровому преобразованию и далее 8-разрядному кодированию на передаче или декодированию на приеме. Далее стандартизированный речевой кодер, входящий в состав GSM, сжимает сигнал речи до 13 Кбит/с на передаче, а на приемной стороне декодер восстанавливает исходный сигнал.

Речевой кодер GSM основан на усовершенствованном алгоритме линейного прогнозирующего кодирования (LPC). Этот LPC-алгоритм использует модель человеческого голосового тракта, которая моделирует гортань в виде ряда концентрических полостей-цилиндров различного диаметра и с различной резонансной частотой. Эта модель может быть математически представлена в виде систем уравнений, описывающих свойства каждой полости-цилиндра.

Сигнал возбуждения проходит через полости-цилиндры и генерируется выходной сигнал. В цифровой системе GSM сигнал возбуждения представляет собой ряд импульсов, моделирующих колебания голосовых связок, и шум, моделирующий сокращения гортани/смыкание голосовых связок. Далее смоделированный сигнал обрабатывается цифровым фильтром, где каждый коэффициент фильтра отображает размер цилиндра. В системе GSM используются восемь цилиндров и, соответственно, должны генерироваться восемь моделирующих коэффициентов.

Далее применяются дополнительные методы для повышения качество кодируемой речи (метод регулярного импульсного возбуждения, RPE и метод долговременного предсказания, LTP). Их применение позволяет получить результирующее качество кодируемой речи, почти эквивалентное результатам работы АЦП.

Следует отметить, что речевой кодер оперирует не с единичными отсчетами, а фрагментами речи (блоками) продолжительностью 20 мс (160 отсчетов). Эти блоки на выходе представлены 76 коэффициентами модели речи (в сумме 260 бит), за счет чего скорость передачи в канал GSM уменьшается до 13 Кбит/с.

Используемый кодером режим прерывистой передачи позволяет отключать передачу во время пауз между словами. Такой подход позволяет уменьшить мощность, потребляемую передатчиком, и увеличить полную емкость GSM-системы.

Детектор голоса позволяет выделять речь из шумового фона и в игнорировании шума без речи. Входным массивом для детектора голоса является набор параметров, вычисленных речевым кодером. Детектор голоса использует эту информацию для принятия решения: содержит или не содержит речь каждый блок по 20 мс, поступающий на кодер.

Генератор «комфортного» шума встраивается в тракт приема, но с учетом характеристик передачи. «Комфортный» шум вырабатывается во время паузы, когда детектор речи выключает передатчик; этот шум подобен по амплитуде и спектру фоновому шуму в передатчике. Цель генерации «комфортного шума» состоит в подавлении неприятного эффекта переключения между речью на фоне шума и тишиной.

Когда задействован генератор комфортного шума, каждый передаваемый голосовой блок перед отключением передатчика сопровождается блоком данных, описывающих параметры шумового фона. Этот блок данных служит маркером окончания передачи речи для приемной стороны. Он содержит характерные параметры фонового шума в передатчике, например, информацию о спектре, полученную с помощью линейного прогнозирующего кодирования.

Для обнаружения и коррекции ошибок в приемнике, управляющий процессор абонентского устройства (на схеме не показан) добавляет в поток данных служебные биты, за счет чего выходная скорость увеличивается до 22,8 Кбит/с.

Биты в пределах одного блока равномерно перемешиваются со служебными битами псевдослучайным образом, повышая тем самым помехоустойчивость системы. После формирования последовательности бит для передачи осуществляется преобразование частоты несущей, модуляция в приемо-передающем контуре, усиление и передача сигнала в радиоэфир на требуемой частоте. При приеме последовательность действий осуществляется в обратно порядке.

Основные выводы по главе

  • 10
  • 1. Принципы построения и схемотехника технических средств абонентских устройств основаны на программно-управляемой обработке, кодировании видео-, аудиоинформации пользователей и передаче данных (SMS, текстовый чат, ICQ). Эта обработка и кодирование в большинстве случаев происходит с помощью специализированных аппаратных средств.
  • 2. Практически все современные абонентские средства ин- фокоммуникационных технологий поддерживают стек протоколов TCP/IP для передачи пакетов по вычислительным сетям и сетям связи.
  • 3. Абонентские средства связи (смартфоны, планшетные компьютеры, радиотелефоны) аппаратно и(или) программно поддерживают семейство существующих протоколов сетей доступа, ориентированных на высокоскоростную передачу информации с обычных металлических кабелей связи и/или с помощью радиотехнологий.
  • 10.5 Вопросы для самоконтроля по главе 10
  • 1. Для каких целей применяются абонентские устройства?
  • 2. В чем особенность микропроцессорных комплектов абонентских устройств?
  • 3. Для решения каких задач применяется микропроцессор в цифровом телефонном аппарате?
  • 4. В чём особенность конструкции «систем-на-кри- сталле», SoC?
  • 5. Для чего используется генератор «комфортного шума»?
  • 6. Для чего в составе телефона GSM используется генератор DTMF?
  • 7. С какой целью в схеме телефона GSM применятся детектор голоса VAD?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >