Кодирование и передача речи в цифровых системах подвижной радиосвязи

С.Г. РИХТЕР

КОДИРОВАНИЕ И ПЕРЕДАЧА РЕЧИ
В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ

ПОДВИЖНОЙ РАДИОСВЯЗИ

Учебное пособие

Рекомендовано УМО по образованию в области
телекоммуникаций в качестве учебного пособия

Горячая линия — Телеком
2009

УДК
ББК
P12

Рецензент:
доктор технических наук, профессор Ю.А. Ковалгин
(Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций
им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, заведующий кафедрой)

Рихтер С.Г. Кодирование и передача речи в цифровых системах
подвижной радиосвязи. Учебное пособие для вузов. — М.: Горячая линия — Телеком, 2009. — 302 с.
Автор пособия — составитель Примерной программы дисциплины
«Устройства преобразования и обработки информации в системах подвижной радиосвязи», рекомендованной в 2000 г. Минобразованием России для направления подготовки дипломированных специалистов 654400
«Телекоммуникации» по специальности 201200 (210402) «Средства связи с подвижными объектами», подготовил и читает вышеназванный курс
на факультете радио и телевидения Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ). Учебное пособие предназначено
для углубленного изучения этого курса. Изучаются процедуры преобразования и обработки информации, осуществляемые в основном в абонентском терминале — ключевом элементе любой системы связи с подвижными объектами. Последовательно рассматриваются вопросы формирования и преобразования речевого сигнала на пути от микрофона на
передающей стороне до телефона (громкоговорителя) — на приемной,
причем основное внимание сосредоточено на вопросах кодирования речи, изучение которых в необходимом объеме предусмотрено учебным
планом специальности именно в этом курсе.
Учебное пособие может быть полезно студентам старших курсов по
специальностям 201100 и 201200, соискателям магистерской степени по
системам телекоммуникаций и аудиовизуальной технике.

Адрес издательства в Интернет www.techbook.ru

Рихтер Сергей Георгиевич

Редактор Ю. Н. Чернышов
Компьютерная верстка Ю. Н. Чернышова
Обложка художника В. Г. Ситникова

Подписано в печать 22.08.2008. Печать офсетная. Формат 60×90/16.
Уч. изд. л. 10. Тираж 500 экз.
ООО «Научно-техническое издательство “Горячая линия–Телеком”»

ISBN 978-5-9912-0066-0
c⃝ С. Г. Рихтер, 2009
c⃝ Оформление издательства
«Горячая линия–Телеком», 2009

Предисловие

Появление и чрезвычайно широкое распространение по всем странам и континентам систем связи с подвижными объектами — результат
достижений в области новейших технологий. В России сотовая связь начала внедряться с 1990 г. Освоение теории и практики систем подвижной
радиосвязи предполагает необходимость получения широкого спектра
знаний. Материал настоящего пособия — крупица этих знаний — посвящен изучению вопросов преобразования и обработки информации в
системах связи с подвижными объектами, причем основное внимание уделяется преобразованию и обработке речевых сигналов. Под
обработкой понимают определенные преднамеренные преобразования (в
частности, речевых) сигналов, которые производят для достижения целей, определяемых конкретным назначением сигналов. При этом цифровая обработка сигналов является важнейшим элементом 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.
В рамках модели открытых систем (OSI) перечень изучаемых в пособии вопросов в основном ограничен первым, физическим, уровнем
систем подвижной радиосвязи второго (2G) поколения. Наиболее полно процедуры преобразования и обработки информации представлены в
работе абонентского терминала — обязательного элемента любой системы связи. Вопросы изучения могут показаться частными, ограниченными, однако, учитывая сложность обработки, именно совершенство абонентского устройства в решающей степени характеризует качество услуг
подвижной связи. Именно в абонентском терминале нашли отражение
новейшие достижения в области преобразования и обработки информации. Трудность освоения указанных вопросов связана, как правило, с не
всегда высоким методическим уровнем издаваемой научно-технической
и учебной литературы по многим вопросам подвижной связи и в первую
очередь — по преобразованию и обработке речевой информации. Лишь
разобравшись в этих вопросах, можно рассчитывать на адекватное восприятие информации по системам более высокого уровня иерархии.
Учебное пособие состоит из введения, семи глав и семи приложений;
каждая глава содержит ряд параграфов, посвященных изучению конкретных вопросов программы, и вопросы для контроля знаний; в прило

жениях приведены некоторые методические материалы для проведения
практических занятий и описание лабораторной работы «Субъективная
оценка качества речевых сигналов при их обработке и кодировании».
Учебное пособие предназначено для студентов вузов связи или факультетов политехнических вузов, осуществляющих подготовку специалистов по специальности 201200 (210402) «Средства связи с подвижными объектами» направления подготовки дипломированных специалистов 654400 — «Телекоммуникации».
Автор признателен кандидату технических наук С.А. Литвину за полезные советы по содержанию книги, а Дмитрию Смирнову, прослушавшему курс и прочитавшему рукопись, — за помощь в подготовке рисунков.

Введение

По мнению классика, нет радости выше, чем радость человеческого общения. Очевидно, что имеется ввиду непосредственное общение
людей. Однако в силу объективных причин человеку часто приходится
прибегать к «суррогату» общения — телефонной связи, которая имеет ограниченную информативность по сравнению с непосредственным
общением. Исследования американских ученых показали, что при телефонной связи передается только 45 % информации, которая могла бы
быть воспринята при непосредственном общении, из них лишь 7 % может быть извлечено из текста, а 38 % — из тембра и интонаций. Таким
образом, за счет передачи тембра и интонации при телефонной связи
получается 84 % информации, содержащейся в телефонном сообщении.
Около 50 % информации при непосредственном общении передается
жестами и мимикой, т.е. через зрительное восприятие. Можно утверждать, что движущей силой, вызывающей появление и развитие новых
видов электросвязи, является стремление максимально приблизить количество информации, передаваемой с их помощью, к получаемой при
непосредственном общении.
Человек получает информацию из окружающей среды в основном
с помощью органов зрения (80...90 %), слуха (10...20 %), а также осязания, обоняния и вкуса (1...3 %), характеристики которых весьма различаются. Информационная пропускная способность зрения равна 3 Мбит/с,
а слуха — в 75 раз меньше (около 40 кбит/с), т.е. информационные возможности органов зрения и слуха весьма велики. Однако скорость запоминания — приема информации человеком, обеспечивающая ее последующее воспроизведение, не превышает 40 бит/с. Устно человек «выдает» информацию быстрее (120...160 бит/с), чем письменно (40 бит/с),
и воспринимает ее быстрее (40 кбит/с), чем выдает устно.
Одним из наиболее динамично развивающихся видов связи является связь с подвижными объектами (ПО) — «связь в движении», значительно расширяющая рамки традиционной услуги телефонной связи.
Применение радиосвязи на абонентском участке позволяет иметь доступ к каналу связи при перемещениях в пространстве. При этом сохраняется возможность соединения с перемещающимся абонентом по его
неизменному номеру.
Радиотелефонная связь с подвижными объектами в районах с относительно высокой плотностью населения реализуется посредством наземных систем подвижной радиосвязи (СПРС). Однако в районах с низкой плотностью населения использование таких систем вне крупных городов экономически крайне малоэффективно. Поэтому в таких районах
более естественно применять системы персональной спутниковой свя

зи — различные по построению спутниковые системы с космическими
аппаратами на орбитах разного типа, работающие в различных диапазонах частот и предоставляющие пользователю различные услуги связи
с помощью персонального терминала, как правило, вне зоны действия
систем подвижной радиосвязи.
Подвижные объекты (иначе, подвижные абоненты — ПА) делятся
по виду — на морские, воздушные и сухопутные, а по принципам построения — на зоновые СПРС с большими (вплоть до зоны освещения
спутника) и сотовые СПРС с малыми (сотовыми) зонами обслуживания. Кроме того, системы подвижной радиосвязи различают по типам
используемого канала (аналоговые и цифровые) и видам передаваемой
информации (специализированные или интегральные, обеспечивающие
передачу разных видов информации).
Основной тенденцией развития систем подвижной радиосвязи в целом является использование цифровых методов передачи.
Наиболее
привлекательные стороны цифровых методов передачи состоят в том,
что они более эффективны в условиях сильных помех, обеспечивают
рациональное использование радиочастотного ресурса, и, кроме того,
цифровая техника характеризуется высокими темпами улучшения характеристик, снижения стоимости и потребляемой мощности. Успехи
технологии сверхвысокого порядка интеграции элементов сделали цифровую обработку сигналов связи и их цифровую передачу по радиоканалам более эффективной, нежели аналоговая обработка и аналоговая
передача.
К наиболее эффективным методам цифровой обработки и передачи
речевых сигналов относятся:
• преобразование и кодирование (кодирование источника), позволяющие благодаря устранению избыточности таких сигналов в несколько раз уменьшить скорость передаваемого цифрового потока по
сравнению с методами импульсно-кодовой модуляции;
• помехоустойчивое кодирование канала — кодирование с исправлением ошибок, представляющее собой метод обработки сигналов, предназначенный для увеличения надежности их передачи по цифровым
каналам за счет специально вводимой избыточности; при соответствующем выборе метода кодирования/декодирования может быть
достигнута практически полная коррекция искажений, возникающих
в тракте передачи;
• цифровая модуляция вместе с эффективной демодуляцией позволяют повысить результативность использования радиочастотного ресурса по сравнению с аналоговыми методами. В современных системах связи процедуры модуляции и демодуляции неотделимы от
соответственно кодирования и декодирования канала. Объединение
указанных процедур позволяет существенно повысить энергетическую и частотную эффективность передачи.

Основные усилия при разработке новых СПРС сосредоточены на
обеспечении высоких показателей в части помехоустойчивости∗ приема
радиотелефонных сообщений и частотной эффективности, т.е. эффективности использования выделенного спектра частот. В этом отношении
наиболее перспективными признаны сотовые системы подвижной связи
(ССПС) — системы связи с пространственно-разнесенным повторным использованием частот, когда выделенные частотные каналы многократно
используются абонентами в ячейках, разнесенных друг от друга на необходимое защитное расстояние, при котором обеспечивается заданный
уровень взаимных помех.
Сеть ССПС состоит из множества приемопередающих базовых станций (БС), которые обеспечивают все физические функции, требуемые для приема и передачи сообщений через
радиоинтерфейс. Зона действия одной БС называется сотой.
Сотовая связь предоставляет пользователю широкий спектр услуг:
передача речи и данных, в том числе с выходом на стационарные (фиксированные) телефонные сети общего пользования (ТфОП), включая
междугородные и международные; идентификация подлинности абонента; автоматическая регистрация сеанса связи и начисление оплаты; поиск ПА и установление с ним связи и многое другое. Более того, сотовая
связь продолжает бурно развиваться и имеет реальные шансы стать одним из основных элементов универсальной системы мобильной связи
глобального масштаба (UMTS).
В настоящее время внедрены три стандарта цифровых ССПС второго (2G) поколения∗∗.
Они разработаны и приняты в разных странах, отличаются своими характеристиками, но построены на единых
принципах — используют макросотовую топологию сети с радиусом сот
до 35 км, временн´ое разделение каналов (ВРК) и отвечают требованиям современных информационных технологий, к которым относятся общеевропейский стандарт GSM, американский стандарт ADC (D-AMPS)
и японский стандарт JDC (PDC). Основные характеристики указанных
стандартов приведены в табл. В.1.
Общеевропейский стандарт GSM — первый в мире стандарт на цифровые ССПС, который предусматривает их создание в диапазоне
900 МГц и является основой стандарта ССПС DCS 1800 (диапазон
1800 МГц) с микросотовой структурой, принятого в настоящее время
в Европе в рамках концепции персональной связи (PCN).
Стандарт GSM в настоящее время в мире доминирует. В рамках
этого стандарта абонент может воспользоваться более чем 60 услугами,

∗ Помехоустойчивость приема — способность системы передачи противостоять
воздействию разного рода помех.
∗∗ Поколение (Generation) — интегральная характеристика техники (технологии), системы или оборудования, отражающая определенный уровень развития.
В электросвязи обычно характеризует вид системы передачи (аналог — цифра), объем и номенклатуру услуг, массо-габаритные параметры, энергетическую и частотную
эффективность, пропускную способность и другое.

Таблица В.1
Основные характеристики цифровых ССПС 2-го поколения

Характеристика
Стандарт

GSM
D-AMPS
PDC

Метод доступа
ВРК
ВРК
ВРК

Разнос частот, кГц
200
30
25

Общая полоса частот, МГц
25
25
25

Эквивалентная полоса частот на канал, кГц
25 (12,5)
10
8,3 (4,15)

Число речевых каналов связи
1000
2500
3000

Число каналов на соту
500
357
750

Скорость преобразования речи, кбит/с
13 (6,5)
8
11,2 (5,6)

Алгоритм преобразования речи
RPE-LTP
VSELP
VSELP

Общая скорость передачи, кбит/с
270
48
42

Вид модуляции
0,3 GMSK
DQPSK
DQPSK

Радиус соты, км
0,5...35
0,5...20
0,5...20

Частотный диапазон, МГц
900
800
800...1500

среди которых наиболее востребованы: глобальный роуминг∗, определитель номера, короткие текстовые сообщения (SMS), система голосовых
сообщений, улучшенное качество речи и ряд других.
Одним из последних достижений техники подвижной радиосвязи является технология пакетной передачи данных по радиоканалу GPRS. Основные преимущества этой технологии: весьма высокая скорость передачи данных
(до 171,2 кбит/с), аппарат постоянно подключен к сети Интернет, а оплата осуществляется не за время работы в глобальной сети, а за объем
переданных данных.
Дальнейшее развитие систем сотовой подвижной связи осуществляется в рамках проекта ССПС третьего (3G) поколения (IMT-2000)
под эгидой Международного союза электросвязи (МСЭ, ITU). IMT-2000
(International Mobile Telecommunications) — стандарт международной
подвижной электросвязи, где число 2000 символически указывает используемый частотный диапазон в мегагерцах.
Новая концепция семейства мобильных систем принята в качестве основы для объединения
существующих и будущих систем 3-го поколения и, в частности, для
организации взаимодействия с системами стандарта GSM и их последующими модификациями (GPRS, EDGE). Основные задачи этих систем
можно концентрированно выразить в следующих положениях [3]:
• глобальный роуминг благодаря всеобщей стандартизации и согласованности протоколов;
• совмещение услуг передачи речи со скоростной передачей данных∗;

∗ Глобальный роуминг (global roaming) — обеспечение глобальной (общемировой) мобильности абонента, т.е. процедура предоставления услуг мобильной связи
абоненту одного оператора.
∗ Этот пункт можно трактовать шире: универсальность в предоставлении широкого ассортимента услуг — передача речи, данных и мультимедиа с возможностью
выполнения требований к качеству обслуживания для различных пользователей.

• взаимодействие со спутниковыми системами.
Реальным конкурентом GSM в борьбе за потребителя является система с кодовым разделением каналов (CDMA). Эта система построена
на принципиально новых, отличающихся от традиционных, теоретических принципах (функции Уолша, псевдослучайные последовательности).
Известны следующие преимущества этой технологии: максимальное использование частотного диапазона, экономный расход мощности батареи
терминала и, следовательно, более долгий срок службы, максимальная
для подвижных систем конфиденциальность и скрытность информации,
устойчивость к многолучевым замираниям и индустриальным помехам.
К недостаткам системы относят необходимость сложного и точного механизма регулирования мощности.
Уже на первой фазе развертывания наземные системы 3-го поколения должны предоставлять широкий ассортимент услуг, включая услуги мультимедиа со скоростью передачи информации до 2,048 Мбит/с
в микро- и пикосотах для пользователей в помещениях, до 384 кбит/с
для пешеходов и до 144 кбит/с для мобильных абонентов. В системах
подвижной спутниковой связи должно осуществляться предоставление
услуг передачи информации со скоростью от 2,4 до 64 (128) кбит/с и
возможностью интерактивного обмена данными.
В настоящее время определились три основных направления развития систем 3-го поколения: эволюция систем на базе технологии ВРК
(GSM, IS-136) и технологии IS-95 (проект cdma2000), а также проекты новых стандартов на основе технологии широкополосной W-CDMA.
Универсальная система подвижной связи 3-го поколения будет обладать
качественно новыми возможностями.
В результате для многих пользователей мобильный абонентский терминал (АТ) станет единственным
универсальным устройством доступа к услугам связи.
Портативное абонентское устройство связи является существенной
частью будущей системы, обеспечивающее сочетание «терминальной»
и «персональной» мобильности. Терминальная мобильность означает
возможность непрерывного перемещения практически в неограниченной
области пространства без утраты возможности пользоваться услугами
связи вплоть до ее непрерывного поддержания.
Персональная мобильность позволяет абоненту иметь доступ к услугам связи с помощью
любого терминала в любой сети на основе присвоенного ему уникального номера. Понятие персональной связи включает в себя и «профиль
обслуживания» для каждого абонента, т.е. изменяемый банк данных о
возможностях абонента, предоставляемых ему услугах, правилах доступа к абоненту и т.п.
Размышления по поводу будущих систем связи привели к появлению концепции универсальной персональной связи (UPT). Согласно этой
концепции несколько коммуникационных сетей — фиксированные сети,
системы наземной подвижной связи и спутниковые сети подвижной связи — будут взаимодействовать друг с другом, образуя интегрированную

систему, поддерживающую широкий спектр персональных услуг. Каждый пользователь определяется уникальным абонентским номером, не
зависящим от сети, в которой находится в текущий момент. Глобальное
информационное сообщество (ГИС) рассматривается сегодня как новая
прогрессивная общественная формация. Одна из основ ГИС — глобальная сеть систем связи, которая, в свою очередь, опирается на спутниковые и наземные подвижные системы связи.

Системы персональной спутниковой связи (СПСС) играют важную роль в концепции UPT. Эти системы нацелены на обеспечение доступа к телекоммуникационной сети из любой точки Земли, особенно
из районов, не охваченных другими системами связи, такими, как сеть
ТфОП или СПРС. По сравнению с наземными системами подвижной радиосвязи системы ПСС в своем развитии задержались. Это объясняется
тем, что энергетический баланс∗ линий спутниковой связи до последнего времени не позволял уменьшить АТ до размеров телефонной трубки.
Однако применение спутников на низких орбитах создает энергетические
преимущества перед геостационарными спутниками и дает возможность
организовать сети СПСС с персональными телефонами с ненаправленными антеннами. На вес и размеры АТ не всегда накладываются жесткие ограничения, свойственные сотовому телефону. Поэтому под СПСС
понимаются различные по построению спутниковые системы, предоставляющие пользователю различные услуги связи с помощью портативного,
мобильного или стационарного персонального терминала, взаимодействующего с космическими аппаратами (КА).
Системы персональной спутниковой связи состоят из двух основных
сегментов — космического и земного. Под космическим сегментом подразумеваются спутники-ретрансляторы — космические станции (КС), а
также средства выведения их на орбиту. В космическом сегменте используются спутники-ретрансляторы, находящиеся на различных околоземных орбитах в зависимости от назначения системы (рис. В.1): на
геостационарной круговой (GEO) — высотой около 36 тыс. км, средневысотных круговых (MEO) — высотой порядка 10 тыс. км, низких круговых (LEO) — высотой 700...1500 км и вытянутых высокоэллиптических
орбитах (HEO) — апогей около 40 000 км, перигей около 500 км.
Бортовой ретранслятор принимает сигналы земных станций, усиливает их и передает на Землю. С помощью бортовых антенн, передаваемый спутником сигнал фокусируется в один или несколько лучей, чем
обеспечивается формирование необходимой зоны обслуживания. Несколько спутников, двигаясь в заданной плоскости и последовательно
сменяя друг друга, формируют зону обслуживания.
Требуемая зона

∗ Энергетический баланс — баланс между ресурсами передачи и приема, между
источниками усиления и потерь передаваемого сигнала, это метод оценки, позволяющий определить достоверность передачи информации по каналу связи.