Sprachkodierung in digitalen zellularen Kommunikationssystemen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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Der Artikel erinnert an die allgemeinen Prinzipien der digitalen Sprachcodierung in der Telekommunikation. Der Autor geht ausführlich auf die sehr komplexen Kodierungsprozesse ein, die in digitalen zellularen Kommunikationssystemen verwendet werden. Theoretische Forschung und originelle technische Lösungen ermöglichten die Entwicklung eines eleganten, kleinen Teilnehmerfunktelefons. Der Leser erfährt in diesem Artikel, welche komplexen Prozesse dabei ablaufen, die den Anwendern und selbst vielen Telekommunikationsspezialisten gar nicht bewusst sind.

Die Geheimnisse der Sprachsignale erregten die Aufmerksamkeit der Forscher lange vor dem Aufkommen der elektrischen Kommunikation. Bereits im 1707. Jahrhundert schrieb einer der größten Mathematiker, der St. Petersburger Akademiker Leonhard Euler (1783-16), in einem Brief an eine deutsche Prinzessin vom 1761. Juni XNUMX: „Der Bau einer Maschine, die dazu fähig wäre.“ Die Stimmen unserer Reden mit allen Veränderungen zu erzeugen, wäre ohne Zweifel die wichtigste Erfindung ... Der Bau einer solchen Maschine erscheint mir nicht unmöglich.“

Die Idee, eine sprechende Maschine zu erfinden, begeisterte viele Schöpfer, die nicht nur versuchten, sie in der von Euler vorgestellten Form zu schaffen, sondern auch als Mittel zur Übertragung von Sprache über eine Entfernung. Beispielsweise war der Erfinder des Telefons, A. G. Bell (1847-1922), am Bau einer solchen Maschine beteiligt. Letztendlich stellte sich jedoch heraus, dass die Sprachübertragung über eine Distanz auch ohne eine solche Maschine möglich war. Dies wurde ganz einfach erreicht. Mit Hilfe eines Mikrofons wurden sprachtragende Luftschwingungen in Schwingungen elektrischen Stroms umgewandelt, die über Drähte übertragen wurden, und am Empfangsende mit Hilfe eines Telefons wieder in Luftschwingungen umgewandelt.

Diese Übertragungsmethode wird aufgrund der offensichtlichen Analogie zwischen Luftschwingungen, die Schall übertragen, und elektrischen Schwingungen, die diesen Schall übertragen, als analog bezeichnet. Untersuchungen zur analogen Sprachübertragung mit Amplitudenmodulation haben gezeigt, dass für eine normale Sprachwiedergabequalität ein Frequenzband von 300 bis 3400 Hz ausreichend ist. Dieses Band wurde als internationaler Standard übernommen und das weltweite Telefonnetz auf seiner Grundlage aufgebaut. Das Funktionsprinzip dieses Netzes ist heute nicht nur jedem Telekommunikationsbetreiber, sondern auch der breiten Öffentlichkeit bekannt.

Digitale Sprachübertragung in drahtgebundenen Kommunikationsnetzen

Mit der Übertragung der Kommunikation auf digitale Technologien kam es zu grundlegenden Veränderungen in der Organisation der Telefonkommunikation. Die Vorteile digitaler Übertragungsverfahren sind allgemein bekannt. Erinnern wir uns nur an die wichtigsten davon: Die digitale Technologie ermöglicht es uns, jede vorgegebene Kommunikationsqualität sicherzustellen. Für die digitale Sprachübertragung ist eine Analog-Digital-Wandlung des Sprachsignals erforderlich: Das analoge Signal wird einer Abtastung, Quantisierung und Kodierung unterzogen. Die Kombination dieser Vorgänge wird als Pulse-Code-Modulation (PCM) bezeichnet. Um die Form eines Sprachsignals genau zu beschreiben, muss es nach dem Satz von Kotelnikov mit einer Frequenz von 8 kHz abgetastet werden (d. h. alle 125 μs werden Abtastwerte genommen), und um eine normale Sprachwiedergabequalität zu erhalten, muss jeder Abtastwert auf a quantisiert werden Die Skala ist in 8192 Stufen unterteilt (bei Auswahl einer einheitlichen Quantisierungsskala). Um jeden Abtastwert mit einer Binärzahl zu kodieren, sind 13 Bit erforderlich.

Um ein Telefongespräch mit einer Folge binärer Impulse zu übertragen, ist daher eine Geschwindigkeit von 8x13 = 104 kbit/s erforderlich (was für eine optimale Codierung einem Frequenzband von 52 kHz entspricht). Vergleicht man diese Zahl mit der 3100-Hz-Bandbreite, die für die analoge Übertragung erforderlich ist, wird man erstaunt über die enorme Erhöhung der erforderlichen Bandbreite auf Kosten der Vorteile der digitalen Übertragung. Bei der Implementierung eines digitalen Übertragungssystems versucht man natürlich, die Übertragungsgeschwindigkeit zu reduzieren.

Der erste Schritt in diese Richtung liegt auf der Hand. Eine Quantisierung auf 213 Stufen ist notwendig, da die Pegel analoger Sprachsignale über einen Bereich von 60 dB schwanken können. In diesem Fall werden High-Level-Signale mit einer einheitlichen Quantisierungsskala mit der gleichen Schrittweite quantisiert wie Low-Level-Signale. Da die Wahrnehmung von Signalen durch die menschlichen Hörorgane jedoch proportional zum Logarithmus des Signalpegels ist, wäre es naheliegend, Signale mit hohem Pegel grober und Signale mit niedrigem Pegel genauer zu quantisieren. Durch die nichtlineare Quantisierung nach dem logarithmischen Gesetz kommt man bei annähernd gleicher Übertragungsqualität mit acht Bits pro Abtastung aus. Dadurch beträgt die Bitrate 64 kbit/s. Diese Geschwindigkeit wird am häufigsten verwendet, sie ist in der CCITT-Empfehlung C.711 festgehalten und PCM-Geräte werden in vielen Ländern damit betrieben.

Kann die Geschwindigkeit weiter reduziert werden?

Das analoge Signal weist eine große Redundanz auf. Dadurch können Sie die nächste Stichprobe vorhersagen und nur die Differenz zwischen dem tatsächlichen und dem vorhergesagten Wert jeder Stichprobe übertragen. Wenn Sie ein gutes Vorhersageschema anwenden, ist die Änderung der Amplitude des Signalinkrements geringer als die Änderung der Amplitude des Signals selbst, was zu einer Verringerung der übertragenen Informationsmenge führt. Dieses Prinzip wird zum Aufbau von Differential-PCM (DICM) und adaptivem Differential-PCM (ADCM) verwendet, was es ermöglicht, die Sprachübertragungsrate aufgrund einer weiteren Komplikation der Transceiver-Ausrüstung auf 32 kbit/s und weniger zu reduzieren. Durch die weitere Komplizierung der Ausrüstung ist es möglich, die Sprachübertragungsgeschwindigkeit auf 100-300 bps zu erhöhen. Stellen Sie sich zum Beispiel einen Sprach-Text-Konverter auf der Sendeseite und ein Lesegerät auf der Empfangsseite vor.

Es gibt bekannte Möglichkeiten, die Sprachübertragungsgeschwindigkeit weiter zu reduzieren, wir gehen jedoch nicht näher darauf ein. Tatsache ist, dass die Ausrüstung für die digitale Sprachübertragung mit einer Geschwindigkeit von 64 kbit/s alle zufriedenstellte, da sie sich bei Verwendung einfachster symmetrischer Kabel mit verdrillten Paaren als funktionsfähig erwies. Die ICM-30-Ausrüstung begann ihren Siegeszug mit der Verdichtung der Verbindungsleitungen zwischen städtischen Telefonzentralen. Während es früher möglich war, eine Verbindungsleitung über ein Kabelpaar zu organisieren, um nur ein Gespräch zu übertragen, ermöglichte die PCM-30-Ausrüstung die Organisation der Übertragung von 30 Gesprächen über dasselbe Paar. Von einer besseren Nutzung eines solchen Paares mit analogen Mehrkanal-Kommunikationsgeräten kann keine Rede sein.

Später erschienen PCM-120-Geräte und andere Hochleistungssysteme, die über Koaxialkabel und Glasfasern betrieben wurden, und die Dringlichkeit der Frage, die Übertragungsgeschwindigkeit von Sprachsignalen in drahtgebundenen Kommunikationsnetzen auf unter 64 kbit/s zu reduzieren, wurde praktisch beseitigt. Selbst zahlreiche Entwicklungen digitaler Übertragungsgeräte mit einer Geschwindigkeit von 32 kbit/s, die in vielen Ländern auf der Grundlage des ADPCM-Prinzips umgesetzt werden (einschließlich der in unserem Land unter der Leitung von M. U. Polyak durchgeführten Entwicklung), haben keine ausreichend breite Anwendung gefunden. Das Gleichgewicht zwischen der Erhöhung der Kapazität kanalbildender Geräte und der Komplexität der Endgeräte in der drahtgebundenen Kommunikation hat sich noch nicht zugunsten der ersten Lösung gewendet.

Sprachcodierung in digitalen zellularen Funksystemen

Ganz andere Perspektiven eröffneten sich Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jahre, als die Entwicklung zellularer digitaler Funktelefon-Kommunikationssysteme begann. Im Gegensatz zu kabelgebundenen Netzen, bei denen eine Kapazitätserweiterung durch die Verlegung neuer Leitungen, d von Radiofrequenzen. Die Idee der Mobilfunkkommunikation besteht zwar genau darin, die Ressource der Funkfrequenzen zu erneuern, indem die Übertragungsfrequenz in einem Bereich wiederholt wird, der von einem Signal derselben Frequenz von einem störenden Radiosender nicht erreicht wird. Aber auch hier sind die Möglichkeiten einer solchen Ressourcenerneuerung begrenzt, so dass eine weitere Komplexität der Ausrüstung zur Reduzierung der Übertragungsgeschwindigkeit gerechtfertigt ist.

Im zellularen digitalen Kommunikationssystem GSM, das in den meisten europäischen Ländern zum Einsatz kommt, liegen die Standard-Sprachübertragungsraten beispielsweise bei 13 und 6,5 kbit/s. Um ein solches Übertragungssystem zu implementieren, war es notwendig, auf die alte Idee der Euler-Maschine zurückzugreifen und tiefer in den Mechanismus der Sprachproduktion einzudringen.

Bekanntlich ist eines der wichtigsten Ergebnisse der modernen Theorie der Informationsübertragung die Empfehlung, die Probleme der Quellkodierung und der Kanalkodierung zu trennen. Die Aufgabe der Kodierung der Informationsquelle besteht darin, die übertragene Nachricht in der wirtschaftlichsten Form zu beschreiben, d. h. Redundanz in der Nachricht zu beseitigen. Die resultierende komprimierte Nachricht wird anfälliger für Störungen und kann während der Übertragung beschädigt werden. Daher wird nach der Kodierung der Quelle eine Kanalkodierung verwendet, deren Aufgabe es ist, die übertragene Nachricht vor Störungen zu schützen. Die Kanalcodierung erfordert die Einführung einer gewissen Redundanz in die übertragene Nachricht, jedoch nicht zufällig, was in der ursprünglichen Nachricht vorhanden war, sondern streng theoretisch gerechtfertigt ist und die angegebene Übertragungsqualität garantiert.

Bisher haben wir nur Quellkodierungsprobleme betrachtet, die wir nun von einer allgemeineren Position aus betrachten.

Es gibt also eine digitale Version eines analogen Sprachsignals, also eine Funktion, die beispielsweise das Gesetz der Stromänderung über die Zeit beschreibt. Sie sollten versuchen, die Redundanz aus einem solchen Signal zu entfernen. Dieses Problem kann auf verschiedene Arten gelöst werden. Eine davon besteht darin, zu versuchen, die Redundanz durch eine rein mathematische Analyse der betreffenden Funktion zu finden. Eine andere Möglichkeit, das Problem zu lösen, besteht darin, die akustischen Eigenschaften dieser Funktion (im Hinblick auf ihre Wahrnehmung durch die Hörorgane) zu analysieren. Schließlich kann man nach Redundanz suchen, indem man den Sprachproduktionsprozess selbst modelliert. Es ist die letzte dieser Methoden, die in modernen digitalen Funkkommunikationssystemen Anwendung gefunden hat.

Der Mechanismus der Sprachlautbildung besteht darin, dass der obertonreiche Klang der Stimmbänder unter Veränderung seiner Stärke und Grundfrequenz in der Mundhöhle weiterverarbeitet wird. Letzterer fungiert zum einen als Resonator, der bei Umstimmung bestimmte Frequenzen hervorhebt – Formanten, die die Unterschiede zwischen Vokallauten bestimmen. Zweitens modulieren die Bewegungen der Zunge, der Zähne und der Lippen den Klang und erzeugen unterschiedliche Konsonanten. In den 1930er Jahren wurde in den Bell Telephone Laboratories (USA) eine auf Eulers Idee basierende Maschine gebaut, deren Funktionsprinzip auf Versuchen basierte, die Funktionsweise der menschlichen Sprachorgane zu simulieren.

Um Sprache am Empfangsende eines Kommunikationssystems zu synthetisieren, benötigen Sie einen Audiofrequenzgenerator mit einem reichen Spektrum, einen Generator für weißes Rauschen, einen Satz Formantfilter (ihre Anzahl ist gering, da es nur wenige Vokale gibt) und jeden (von ihnen ist durch zwei Formanten ziemlich gut definiert) und Modulationsschaltungen. Mit einem solchen Gerätesatz auf der Empfangsseite ist es möglich, über den Kommunikationskanal kein Sprachsignal, sondern nur Befehle zu übertragen, die den Sprachsyntheseprozess steuern. Die praktische Aufgabe besteht also darin, einen Weg zu finden, die erforderlichen Befehle zu generieren. Genau dieses Problem lösen die Handy-Designer.

Im GSM-System der ersten Versionen wird der ursprüngliche digitale Strom des Sprachsignals mit einer Übertragungsrate von 104 kbit/s in separate Blöcke zu je 160 Samples aufgeteilt, die aufgezeichnet werden. Jeder dieser Blöcke benötigt eine Zeitspanne von 20 ms (d. h. es werden Sequenzen von 160x13 = 2080 Bits gespeichert). Die aufgezeichneten Sequenzen werden analysiert, wodurch für jede von ihnen acht Filterkoeffizienten gefunden werden, die die entsprechenden Resonanzen und das Anregungssignal bestimmen. Es sind diese Informationen, die an den Empfänger übertragen werden, der daraus das ursprüngliche Sprachsignal reproduziert, ähnlich wie es in den menschlichen Sprachorganen geschieht (dieses Organ wird sozusagen über acht Parameter eingestellt und dann, wenn es angeregt wird). , Ton wird erhalten).

Allerdings deckt die genannte Analyse relativ kurze Zeiträume ab und kann keine langen Vokale erkennen, die sich über benachbarte Blöcke erstrecken. Daher wird die Vorhersage über große Entfernungen verwendet, um Redundanz bei der Aussprache langer Vokale zu beseitigen. Zu diesem Zweck speichert der Sender gesendete Sequenzen von 15 ms Dauer, mit denen die aktuellen Sequenzen verglichen werden. Von den bereits übertragenen Sequenzen wird die Sequenz ausgewählt, die die größte Korrelation mit der aktuellen hat (d. h. der aktuellen am ähnlichsten ist), und nur die Differenz zwischen der aktuellen und der ausgewählten Sequenz wird übertragen. Da die im Sender aufgezeichneten Sequenzen dem Empfänger bekannt sind, muss lediglich ein Hinweis darauf übermittelt werden, welche der aufgezeichneten Sequenzen verglichen wurden. Dadurch wird eine weitere Reduzierung des übertragenen Informationsvolumens erreicht. Das Ergebnis der beschriebenen Verarbeitung ist ein Block eines digitalen Sprachsignals mit einer Dauer von 20 ms, der 260 Bit enthält und eine Übertragungsrate von nur 13 kbit/s aufweist (d. h. achtmal niedriger als das Original). Das beschriebene Verfahren wird als reguläre Pulsanregung mit Langzeitvorhersage bezeichnet (die englische Abkürzung PRE-LTR, die für Regular Pulse Excitation – Long Term Prediction steht).

Im nächsten Schritt kommt die Kanalkodierung ins Spiel, deren Aufgabe es ist, den Kommunikationskanal vor Störungen zu schützen. Moderne Codierungstechniken basieren auf tiefgreifenden Ideen aus der Algebra und der Wahrscheinlichkeitstheorie. Basierend auf diesen Ideen wurden verschiedene und sehr effektive Codierungsmethoden entwickelt, die jeweils spezifische Probleme lösen. Wir beschränken uns hier auf eine kurze Untersuchung einiger der im GSM-System verwendeten Ideen.

Der Codeschutz kann entweder nur dazu dienen, die Tatsache zu erkennen, dass ein Fehler aufgetreten ist, oder auch dazu dienen, aufgetretene Fehler zu korrigieren. Die erste Option ist viel einfacher zu implementieren, aber auch weniger nützlich, da Sie in diesem Fall eine erneute Übertragung des Nachrichtenblocks anfordern müssen, in dem der Fehler erkannt wurde, oder auf andere Weise das Vorhandensein des Fehlers berücksichtigen müssen. Da die einzelnen Bits im durch die oben beschriebenen Quellenkodierungsverfahren erzeugten digitalen Sprachsignal nicht von gleicher Bedeutung sind, werden sie in drei Unterklassen eingeteilt und unterliegen bei der Kanalkodierung unterschiedlichen Schutzmethoden. Von den 260 Bits des resultierenden Blocks sind die Bits am wichtigsten, die Informationen über die Filterparameter, die Amplitude des Blocksignals und die Parameter der Langzeitvorhersage enthalten. Diese Ziffern gehören zur sogenannten Unterklasse Ia (50 Ziffern). Dann gibt es noch die Unterklasse Ib (132 Bit mit Zeigern und Informationen über reguläre Anregungsimpulse sowie einige Langzeitvorhersageparameter). Die restlichen 78 Ziffern werden der Klasse II zugeordnet.

Zum Schutz des beschriebenen Blocks werden zwei Codierungsmethoden verwendet. Zunächst wird Blockcode verwendet, um Fehler zu erkennen, die unkorrigiert bleiben. Dieser Code gehört zur Klasse der zyklischen Codes, bei denen jede Codekombination durch zyklische Permutation von Elementen erhalten wird. Bei der Codierung mit diesem Code werden den Bits der Unterklasse Ia drei weitere Prüfbits hinzugefügt, anhand derer der Decoder erkennen kann, ob diese Unterklasse unkorrigierte Fehler enthält. Wenn der Decoder Übertragungsfehler in Bits der Unterklasse Ia erkennt, wird der gesamte 260-Bit-Konversationsrahmen verworfen. In diesem Fall wird der verlorene Frame mithilfe einer Interpolation basierend auf Informationen über den vorherigen Frame reproduziert. Es wurde festgestellt, dass mit dieser Lösung die Übertragungsqualität besser ist als bei der Wiedergabe fehlerhafter Bits der Unterklasse Ia. Zweitens wird ein Faltungsfehlerkorrekturcode angewendet. Dieser Name des Codes erklärt sich aus der mathematischen Operation der Faltung, die auf Funktionen angewendet wird, die die Verarbeitung der codierten Bitfolge beschreiben. Im Gegensatz zu einem Blockcode ist ein Faltungscode in dem Sinne kontinuierlich, dass bei seiner Verwendung die Kodierungs- und Dekodierungsvorgänge nicht an festen Blöcken, sondern an einer kontinuierlich laufenden Folge von Symbolen durchgeführt werden.

Der Faltungscode wird sowohl auf die Bits der Unterklasse Ia zusammen mit den Prüfbits als auch auf die Bits der Unterklasse Ib angewendet. Diese beiden Sequenzen werden kombiniert und um vier Bits erhöht (siehe unten in Abb. 2), wobei sie Nullwerte annehmen. Letztere dienen dazu, den Encoder nach Abschluss der Codierung wieder in seinen ursprünglichen Zustand zu versetzen. Der verwendete Code ist durch die Parameter r=1/2 und K=5 gekennzeichnet. Der Koeffizient r = 1/2 gibt an, dass für jede am Encodereingang ankommende Ziffer genau zwei Ziffern in der codierten Sequenz erhalten werden, und K = 5 gibt die Länge der Verbindung an, über die die Faltungsoperation angewendet wird. Diese Eigenschaften können aus dem in Abb. gezeigten Faltungscodierungsschema verstanden werden. 1, die ebenfalls eine Additions-Modulo-2-Schaltung zeigt (logische Verknüpfung „Exklusiv-ODER“). Somit werden durch die Kodierung aus den eingehenden 189 Bits 378 Bits gewonnen und ungeschützte Klasse-II-Bits hinzugefügt, was zu einer Gesamtblocklänge von 456 Bits führt (Abb. 2). Dies entspricht genau acht Unterblöcken zu je 57 Bit. Aus solchen Unterblöcken werden Bursts der Zeitmultiplex-Funkübertragung gebildet.

Dieser Artikel widmet sich den Fragen der Kodierung von Sprachsignalen, und wie aus dem Beschriebenen hervorgeht, ist der Prozessor in einem kleinen Mobiltelefon für einen ziemlich großen Teil der digitalen Verarbeitung verantwortlich. Damit sind die Aufgaben des Prozessors aber noch lange nicht erledigt. Wie Sie wissen, können Sie mit dem zellularen Kommunikationssystem anstelle der Übertragung von Sprache einen Datenübertragungskanal organisieren, der nach völlig anderen Regeln codiert ist. Aber zusätzlich zu den logischen Kanälen zur Übertragung nützlicher (kostenpflichtiger) Informationen organisiert ein Mobiltelefon eine große Anzahl logischer Kanäle zur Übertragung von Steuersignalen. Jeder dieser logischen Kanäle unterliegt spezifischen Anforderungen an die Informationskodierung und dementsprechend trägt jeder dieser Kanäle seinen Anteil zur Prozessorlast bei.

Eine allgemeine Vorstellung von den Kodierungsschemata sowie der Bildung von Blitzen für die Übertragung aller logischen Kanäle in einem Funktelefon-Kommunikationssystem ist in Abb. gegeben. 3.

Hier werden auf der obersten Ebene zehn verschiedene logische Kanäle angezeigt, die die Größe der Nachrichtenblöcke in diesen Kanälen angeben (in Form spezifischer Zahlen oder Buchstabenbezeichnungen – P0, N0 usw. – wobei sich diese Zahlen ändern können). Die nächste Ebene zeigt die erste Stufe der Codierung für verschiedene logische Kanäle und gibt die Anzahl der Bits der Originalsequenz und der nach der Codierung erhaltenen Sequenz an. Während für den Sprachkanal ein zyklischer Fehlererkennungscode verwendet wird, werden für die übrigen Kanäle verschiedene zyklische Fehlerkorrekturcodes verwendet, einschließlich des zyklischen Codes von Fire, der eine Reihe von Fehlern korrigiert. In der zweiten Codierungsstufe kommt der bereits erwähnte Faltungscode zum Einsatz. Als nächstes (Stufe 3) werden zur Verteilung der resultierenden 456 Bits auf einzelne Flashs (jeder trägt zwei Blöcke mit 57 Bits) die Operationen des Mischens von Bits und des Neuanordnens von Blöcken (direkte oder diagonale Transposition) verwendet.

Die gesamte Signalverarbeitung in einem Mobiltelefon beläuft sich auf Millionen von Operationen pro Sekunde. Im Gegensatz zu einem normalen Telefon ist ein Mobiltelefon also ein kleiner, aber sehr produktiver Computer. Einerseits analysiert er „sein“ Sprachsignal und entwickelt Steuerbefehle für die Sprachsynthese im Apparat des Gesprächspartners, andererseits setzt dieser Computer Eulers Idee um und synthetisiert die Sprache des Gesprächspartners mithilfe von Steuerbefehlen, die vom Kommunikationskanal kommen.

Autor: V. Neumann, Prof., Dr.-Ing. Wissenschaften, Moskau

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