Рис 2 32. Использование ячеек меньших размеров в районах с интенсивным трафиком (в центре города)

ис.2.33. 7-злементный кластер С-трехсекторными антеннами

В качестве третьего пути повышения емкости отметим возможность использования адаптивного назначения каналов [Adaptive Channel Allocation - АСА) в методах FDMA и TDMA. До сих пор мы молчаливо предполагали, что имеющийся частотный ресурс, т.е. все частотные каналы в пределах выделенной полосы частот, заранее определенным образом распределяются между ячейками кластера - равномерно или в соответствии с априорной информацией об интенсивности трафика. Возможен, однако, и иной подход: частотные каналы, все или частично, находятся в оперативном распоряжении центра коммутации, который выделяет их для пользования отдельным ячейкам (базовым станциям) по мере поступления заявок (вызовов), т.е. в соответствии с реальной интенсивностью трафика, но при соблюдении необходимого территориально-частотного разноса. Такой адаптивный алгоритм, конечно, сложнее, но он может обеспечить определенное повышение емкости за счет гибкого отслеживания флуктуации трафика.

Алгоритмы адаптивного назначения каналов используются в беспроводном телефоне, но в сотовой связи, насколько нам известно, более или менее широкого распространения они пока не получили. Адаптивным по существу является назначение физических каналов в методе CDMA, что позволяет в некоторых пределах перераспределять нагрузку между разными ячейками.

Наконец, четвертый путь - это тривиальное расширение выделяемой полосы частот. Разумеется, этот путь насколько очевиден, настолько же и мало полезен, и мы упоминаем о нем не в качестве рекомендации к непосредственному применению, а в виде примера преимуществ, например, GSM 1800 (или GSM 1900) по сравнению с GSM 900, которые имеют рабочие (аппаратурные) полосы 75 МГц (или 60 МГц) и 25 МГц соответственно.

2.4.4. Цифровая обработка сигналов

2.4.4.1, Роль и построение цифровой обработки. Характеристики речевых сигналов

Цифровая обработка сигналов - важный элемент в аппаратурной реализации принципов сотовой связи. Именно цифровая обработка обеспечила возможность перехода от первого поколения сотовой связи ко второму с соответствующим совершенствованием методов множественного доступа, повышением емкости системы, улучшением качества связи. Только в цифровой форме оказывается возможным применение экономичного (с устранением избыточности) кодирования речи, эффективного канального кодирования с высокой степенью защиты от ошибок, совершенных методов борьбы с многолучевым распространением. Цифровая обработка сигналов в сотовой связи, как и в связи вообще, и даже ши-Ре - при обработке, хранении и передаче информации самого различного вида, например при обработке изображений, в цифровом

7е;1евидении, в мультимедиа, - это целая эпоха, связанная как с развитием методов обработки информации, так и с появлением соответствующей массовой элементной базы (больших и сверхбольших интегральных микросхем), обеспечившей возможность практической реализации этих методов.

При рассмотрении цифровой обработки сигналов будем опираться на блок-схему рис. 2.6, отражающую все основные этапы обработки и их последовательность. В соответствии с этой схемой мы рассмотрим:

- аналого-цифровое преобразование сигналов;

- кодирование речи;

- канальное кодирование;

- модуляцию.

Каждому из этапов обработки в передающем тракте соответствует этап обработки в приемном, так что в идеализированной; ситуации - при отсутствии шумов, помех и искажений при обработке и распространении сигналов - форма сигнала в соответст вующих точках передающего и приемного трактов, например н~ выходе кодера речи и на входе декодера речи, на выходе АЦП и н входе ЦАП, тождественно одинакова. Реально этой тождественно сти не получается, но обработка сигналов должна быть построен; таким образом, чтобы искажения не превышали допустимых пре делов. Того, как оцениваются и контролируются эти искажения, м коснемся в разд. 2.4.4.3 и 2.4.4.4. При рассмотрении этапов циф ровой обработки мы ограничимся изложением их принципов, бе детализации схемотехнических решений, поэтому фактически на ше изложение в значительной мере будет относиться сразу к обо им соответствующим друг другу блокам, один из которых находит ся в передающем тракте, а другой - в приемном: к модулятору и демодулятору, к кодеру и декодеру, к АЦП и ЦАП. Особняком ос тается блок эквалайзера, которому нет пары в передающем трак те; работу эквалайзера мы рассмотрим в разд. 2.4.5.4.

Используемые в сотовой связи методы цифровой обработки сигналов, характеристики и параметры реализующих их устройств, в частности АЦП и кодера, теснейшим образом связаны с характеристиками передаваемых речевых сигналов. Поэтому мы коротко остановимся на последних. Спектр мощности сигнала речи имеет максимум вблизи частоты 400 Гц и спадает на более высоких частотах со скоростью около 9 дБ на октаву. В соответствии с рекомендациями Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ), при аналого-цифровом преобразовании и цифровой обработке сигнала речи ограничиваются интервалом частот 300...3400 Гц. Длительность звуков речевого сигнала составляет от нескольких десятков до нескольких сотен миллисекунд при среднем значении 130 мс, причем среднее значение для гласных звуков 210 мс, а для согласных 95 мс. В задачах кодиро вания сигнал речи часто рассматривают как квазистационарный гауссовский процесс, спектрально-корреляционные характеристики которого постоянны на интервале 20...30 мс. При телесЬонном

разговоре мгновенный уровень речевого сигнала изменяется в диапазоне 35...40 дБ. При этом уровень согласных в среднем на 20 дБ ниже уровня гласных.

Слуховое ощущение громкости примерно пропорционально логарифму интенсивности воздействия. Пороговое для слуха изменение уровня звука не превышает ±1 дБ. Слух слабо чувствителен к точности передачи фазовых соотношений составляющих сигнала. Постоянная времени слуха в среднем составляет: при нарастании сигнала 20...30 мс, при спаде 100...200 мс.

Закончив этим вводную часть, перейдем к последовательному рассмотрению этапов цифровой обработки.

2.4.4.2. Аналого-цифровое преобразование

Аналоге-цифровое преобразование является первым этапом цифровой обработки сигналов в передающем тракте (рис.2.6). Как подсказывает само название, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) является связующим элементом между аналоговым и цифровым участками тракта, преобразующим непрерывный аналоговый сигнал с выхода микрофона в цифровую форму, так что вся последующая обработка производится с сигналом, представленным в цифровом виде. Соответственно цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - последний элемент в цифровом приемном тракте, и задача его прямо противоположна: он преобразует цифровой сигнал в аналоговый, а последний поступает на динамик, преобразующий его в акустический сигнал, воспринимаемый ухом.

Работа АЦП складывается из двух этапов, которые в реальном устройстве часто не могут быть четко отделены один от другого; дискретизации входного непрерывного сигнала во времени -обычно с постоянным шагом, т.е. через равные интервалы времени, и квантования величины сигнала по уровню для этих дискретных моментов времени. В результате на выходе АЦП с фиксированным темпом, определяемым периодом дискретизации, появляются двоичные числа, т.е. наборы единиц и нулей, соответствующие уровням сигнала в моменты дискретизации. Этот процесс схематически иллюстрируется рис. 2.34, на котором моменты дискретизации показаны штрихами на оси времени и для трех моментов дискретизации указаны уровни сигнала - в десятичном и двоичном представлении.

В соответствии с теоремой Котельникова, частота дискретизации должна быть по крайней мере вдвое выше наибольшей частоты в спектре обрабатываемого сигнала. Поскольку, как указывалось в предыдущем разделе, при цифровой передаче сигналов речи по телефонным каналам связи ограничиваются полосой частот от 300 до 3400 Гц, общепринятой является частота дискретизации = 8 кГц.

-127

> 63->0111111

> 92-> 1011100 -> 107-* 1101011

1101011

1011100

0111111

Рис.2.34. АЦП осуществляет дискретизацию непрерывного сигнала во времени и квантование по уровню, преобразуя непрерывный аналоговый сигнал в последовательность импульсов (двоичных единиц - бит), несущих информацию об уровне сигнала в момент дискретизации

Число двоичных разрядов АЦП обычно выбирается равным 8, включая знаковый разряд, так что диапазон чисел на выходе АЦП составляет от -127 до +127, поскольку 27 2-.

В результате на выходе АЦП получается поток 8-битовых чисел, следующих с частотой 8 кГц, т.е. поток информации на выходе АЦП составляет 64 кбит/с. Практические схемы АЦП чаще всего строятся на основе сравнения выборок мгновенных значений аналогового сигнала с набором эталонов, каждый из которых содержит определенное число уровней квантования.

В схемах ЦАП, как правило, используется формирование аналоговых величин (токов), пропорциональных весовым коэффициентам разрядов входного двоичного кода, с последующим суммированием в разрядах кода, содержащих единицы. АЦП и ЦАП выпускаются промышленностью серийно в виде микросхем, характеризуемых определенными значениями разрядности и быстродействия.

Примеры схем АЦП и ЦАП можно найти, например, в учебном пособии Гольденберга с соавторами [24], а более подробные сведения об АЦП и ЦАП - в изданиях типа монографии Бахтиарова с соавторами [11].

2.4.4.3. Кодирование речи

Кодер речи является первым элементом собственно цифрового участка передающего тракта, следующим после АЦП (рис.2.6). Основная задача кодера (английский термин encoder) -предельно возможное сжатие сигнала речи, представленного в цифровой форме, т.е. предельно возможное устранение избыточности речевого сигнала, но при сохранении приемлемого качества передачи речи. Компромисс между степенью сжатия и сохранением качества отыскивается экспериментально, а проблема получения высокой степени сжатия без чрезмерного снижения качества составляет основную трудность при разработке кодера. В приемном тракте перед ЦАП размещен декодер речи; задача декодера (английский термин decoder) - восстановление обычного цифрового сигнала речи, с присущей ему естественной избыточностью, по принятому кодированному сигналу. Сочетание кодера и декодера называют кодеком (английский термин - codec).

Прежде чем перейти к рассмотрению кодеров речи, используемых в сотовой связи, приведем некоторые общие сведения об основных методах кодирования.

Исторически сложилось два направления кодирования речи: кодирование формы сигнала (waveform coding) и кодирование источника сигнала (source coding). Первый метод основан на использовании статистических характеристик сигнала и практически не зависит от механизма формирования сигнала. Кодеры этого типа с самого начала обеспечивали высокое качество передачи речи (хорошую разборчивость и натуральность речи), но отличались меньшей по сравнению со вторым методом экономичностью. В методе кодирования формы сигнала используются три основных способа кодирования: импульсно-кодовая модуляция, ИКМ (английское наименование Pulse Code Modulation - PCM), дифференциальная ИКМ - ДИКМ (Differential PCM - DPCM) и дельта-модуляция - ДМ (Delta Modulation - DM). ИКМ соответствует цифровой сигнал непосредственно с выхода АЦП, в нем сохраняется вся избыточность аналогового речевого сигнала. При ДИКМ эта избыточность несколько уменьшается за счет того, что квантованию с последующим кодированием и передачей по линии связи подвергается разность между исходным речевым сигналом и его предсказанным Значением, а при приеме разностный сигнал складывается с предсказанным значением, полученным по тому же алгоритму предсказания. Шкала квантования может быть равномерной, неравномерной или адаптивно изменяемой; предсказание сигнала может быть не зависящим от формы последнего или же зависеть от формы сигнала, т.е. быть адаптивным. Если при кодировании сигнала используются элементы адаптации, то соответствующую разновидность ДИКМ называют адаптивной ДИКМ - АДИКМ (Adaptive DPCM - ADPCM). ДМ - это ДИКМ с однобитовым квантованием, она так-е может быть адаптивной (АДМ). АДИКМ находит применение, например, в беспроводном телефоне с коэффициентом сжатия