• Многоканальный доступ с кодовым разделением (CDMA) — основан на технологии распределенного спектра — увеличение числа пользователей приводит к незначительному увеличению числа ошибок за единицу времени
• В технологиях TDMA и CDMA широко используются цифровые сигнальные процессоры для кодирования речи и канальном кодировании при приеме и передаче
Рис. 9.13
Система GSM
На рис. 9.14 приведена упрощенная блок-схема цифровой сотовой телефонной системы GSM. Голосовой кодер/декодер и дискретная передаточная функция будут описаны более подробно. Передающая и приемная части системы включают в себя цифровой модем, подобный описанным выше. Отличия только в том, что схожие функции, например, эквализация, сверточное кодирование, Viterbi-декодирование, модуляция и демодуляция, реализуются в цифровой форме.
Стандарт кодирования голоса был впервые использован в цифровой передающей системе T-Carrier. В этой системе речь подвергается 8-разрядному логарифмическому кодированию с частотой выборки 8 kSPS. 8-разрядное логарифмическое кодирование и декодирование эквивалентны линейному кодированию и декодированию с 13-разрядным разрешением. Результирующий битрейт равен 104 Кбайт/с. Используемые в большинстве телефонов 16-разрядные сигма-дельта АЦП обеспечивают эффективный битрейт 128 Кбайт/с. Речевой кодер, входящий в состав GSM-систем, сжимает сигнал речи до битрейта 13 Кбайт/с, а на приемной стороне декодер восстанавливает исходный сигнал. Речевой кодер основан на усовершенствованном алгоритме линейного прогнозирующего кодирования (LPC). LPC-алгоритм использует модель человеческого голосового тракта, которая представляет 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 пропускают через полости-цилиндры, генерируя выходной сигнал. В человеческом организме сигнал возбуждения генерируется с помощью воздушных колебаний голосовых связок или сокращений голосового тракта. В цифровой системе сигнал возбуждения представляет собой ряд импульсов, моделирующих колебания связок, и шум, моделирующий сокращения. Этот сигнал поступает на решетчатый цифровой фильтр. Каждый коэффициент фильтра отображает размер цилиндра.
LPC-система характеризуется числом цилиндров, которые использованы в модели. В системе GSM используются восемь цилиндров и, соответственно, должны генерироваться восемь моделирующих коэффициентов.
Использовавшиеся ранее LPC-системы обеспечивали качество, достаточное лишь для того, чтобы разобрать кодируемую речь без распознавания голоса говорящего. Качество зачастую было слишком низким. В LPC-системе стандарта GSM используются два усовершенствованных метода, которые улучшают качество кодируемой речи. Это методы регулярного импульсного возбуждения (RPE) и долговременного предсказания (LTP). Их применение позволяет получить результирующее качество кодируемой речи, почти эквивалентное результатам логарифмической импульсно-кодовой модуляции (сжатая ИКМ, как в системе T-Carrier).
На вход речевого кодера поступает серия 16-разрядных отсчетов голосовых данных в виде равномерной ИКМ с тактовой частотой 8 кГц. Речевой кодер оперирует с блоками по 20 мс (160 отсчетов) и трансформирует их в 76 коэффициентов (в сумме 260 бит), за счет чего битрейт уменьшается до 13 Кбайт/с.
Режим прерывистой передачи (DTX) позволяет отключать передачу во время пауз между словами. Такой подход позволяет уменьшить мощность, потребляемую передатчиком, и увеличить полную емкость GSM-системы.
Низкая потребляемая мощность продлевает жизнь батарей в телефоне и является важной особенностью для переносных портативных телефонов. Она способствует увеличению максимально возможного количества вызовов за счет снижения межканальной интерференции, позволяя более эффективно использовать выделенный частотный спектр. В обычном разговоре каждый абонент говорит менее 40 % времени, и приблизительные оценки показали, что использование DTX может удвоить максимальное количество вызовов системы мобильной связи.
В передатчике размещается голосовой датчик (VAD). Его задача состоит в выделении речи из шумового фона и в игнорировании шума без речи. Входным массивом для голосового датчика является набор параметров, вычисленных речевым кодером. VAD использует эту информацию для принятия решения: содержит или не содержит речь каждый блок по 20 мс, поступающий на кодер.