Codifica vocale nei sistemi di comunicazione cellulare digitale. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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L'articolo richiama i principi generali della codifica vocale digitale nelle telecomunicazioni. L'autore copre in modo sufficientemente dettagliato i processi di codifica molto complessi utilizzati nei sistemi di comunicazione cellulare digitale. La ricerca teorica e le soluzioni ingegneristiche originali hanno permesso di creare un elegante radiotelefono per abbonati di piccole dimensioni. I complessi processi che si svolgono in esso, di cui gli utenti e persino molti specialisti delle telecomunicazioni non sono nemmeno a conoscenza, il lettore imparerà da questo articolo.

I misteri dei segnali vocali hanno attirato l'attenzione dei ricercatori molto prima dell'avvento della comunicazione elettrica. Nel XVIII secolo, uno dei più grandi matematici, l'accademico di San Pietroburgo Leonard Euler (1707-1783), scrisse in una lettera a una principessa tedesca datata 16 giugno 1761: , l'invenzione più importante ... L'aggiunta di una macchina del genere non mi sembra impossibile.

L'idea di inventare una macchina parlante ha eccitato le menti di molti creatori, che non solo hanno cercato di crearla nella forma immaginata da Eulero, ma anche come mezzo per trasmettere la parola a distanza. Ad esempio, l'inventore del telefono, A. G. Bell (1847-1922), era impegnato nella progettazione di una macchina del genere. Tuttavia, alla fine si è scoperto che la trasmissione vocale a distanza può essere effettuata senza una macchina del genere. Ciò è stato ottenuto in modo abbastanza semplice. Usando un microfono, le vibrazioni dell'aria che trasportavano la parola venivano convertite in vibrazioni di corrente elettrica, che venivano trasmesse attraverso i fili, e all'estremità ricevente, usando un telefono, venivano nuovamente convertite in vibrazioni dell'aria.

Questo metodo di trasmissione è chiamato analogico a causa dell'ovvia analogia tra le vibrazioni dell'aria che trasportano il suono e le vibrazioni elettriche che trasmettono il suono. Studi sulla trasmissione analogica del parlato con modulazione di ampiezza hanno dimostrato che una banda di frequenza da 300 a 3400 Hz è sufficiente per una normale qualità di riproduzione del parlato. Tale banda è stata adottata come standard internazionale e sulla sua base è stata costruita la rete telefonica mondiale. Il principio di funzionamento di questa rete oggi è familiare non solo a tutti i segnalatori, ma anche al grande pubblico.

Trasmissione vocale digitale in reti di comunicazione cablate

Cambiamenti fondamentali negli approcci all'organizzazione delle comunicazioni telefoniche sono emersi quando i mezzi di comunicazione sono stati trasferiti alla tecnologia digitale. I vantaggi dei metodi di trasmissione digitale sono ampiamente noti. Ricordiamo solo il più importante di essi: la tecnologia digitale consente di fornire qualsiasi qualità di comunicazione predeterminata. Per la trasmissione vocale digitale, è necessario eseguire una conversione analogico-digitale del segnale vocale: sottoporre il segnale analogico a campionamento, quantizzazione e codifica. La combinazione di queste operazioni è chiamata modulazione del codice di impulso (PCM). Per descrivere con precisione la forma di un segnale vocale, secondo il teorema di Kotelnikov, deve essere campionato a una frequenza di 8 kHz (cioè prelevare campioni ogni 125 μs) e per ottenere una normale qualità di riproduzione del parlato, ogni campione deve essere quantizzato su una scala suddivisa in 8192 livelli (quando si sceglie una scala di quantizzazione uniforme). Occorrono 13 bit per codificare ogni valore campione come numero binario.

Di conseguenza, per trasmettere una conversazione telefonica utilizzando una sequenza di impulsi binari, è necessaria una velocità di 8x13 = 104 kbps (che corrisponde a una banda di frequenza di 52 kHz con codifica ottimale). Confrontando questo numero con la larghezza di banda di 3100 Hz richiesta per la trasmissione analogica, non si può fare a meno di rimanere colpiti dall'enorme aumento della larghezza di banda richiesta che va a discapito dei vantaggi della trasmissione digitale. È naturale cercare di ridurre la velocità di trasmissione quando si implementa un sistema di trasmissione digitale.

Il primo passo in questa direzione è abbastanza ovvio. La quantizzazione in 213 livelli è necessaria perché i livelli dei segnali vocali analogici possono variare nell'intervallo di 60 dB. In questo caso, i segnali di alto livello con una scala di quantizzazione uniforme vengono quantizzati con lo stesso passo dei segnali di basso livello. Ma poiché la percezione dei segnali da parte degli organi uditivi umani è proporzionale al logaritmo del livello del segnale, sarebbe naturale quantizzare i segnali di alto livello in modo più approssimativo e i segnali di basso livello in modo più accurato. Applicando la quantizzazione non lineare utilizzando una legge logaritmica, è possibile eliminare otto bit per campione, mantenendo quasi la stessa qualità di trasmissione. Di conseguenza, il bit rate sarà di 64 kbps. È questa velocità che è diventata la più utilizzata, è fissata nella raccomandazione CCITT C.711 e le apparecchiature PCM operano su di essa in molti paesi.

È possibile ridurre ulteriormente la velocità?

Il segnale analogico ha molta ridondanza. Ciò consente di prevedere il campione successivo e di trasmettere solo la differenza tra il valore effettivo e quello previsto di ciascun campione. Se viene applicato un buon schema di previsione, la variazione dell'ampiezza dell'incremento del segnale sarà inferiore alla variazione dell'ampiezza del segnale stesso, il che porterà a una diminuzione della quantità di informazioni trasmesse. Questo principio viene utilizzato per costruire PCM differenziale (DPCM) e PCM differenziale adattivo (ADPCM), che consente di ridurre la velocità del parlato a 32 kbit/s e inferiore a causa dell'ulteriore complicazione dell'apparecchiatura del ricetrasmettitore. Continuando a complicare l'attrezzatura, è possibile aumentare la velocità del parlato a 100-300 bps. Si può immaginare, ad esempio, un convertitore da parlato a testo sul lato trasmittente e una macchina di lettura sul lato ricevente.

Esistono modi noti per ridurre ulteriormente la velocità di trasmissione vocale, ma non ci soffermeremo su questo. Il fatto è che l'attrezzatura per la trasmissione vocale digitale alla velocità di 64 kbit / s ha soddisfatto tutti perché si è rivelata efficiente quando si utilizzano i cavi simmetrici più semplici con un paio di colpi di scena. L'apparecchiatura IKM-30 ha iniziato la sua processione trionfale con la compattazione delle linee di collegamento tra le centrali telefoniche cittadine. Laddove prima era possibile organizzare una linea di collegamento su una coppia di cavi per trasmettere una sola conversazione, l'apparecchiatura IKM-30 ha permesso di organizzare la trasmissione di 30 conversazioni sulla stessa coppia. Il miglior utilizzo di una tale coppia con l'ausilio di apparecchiature analogiche per la comunicazione multicanale era fuori discussione.

Successivamente sono apparse le apparecchiature IKM-120 e altri sistemi ad alte prestazioni operanti su cavi coassiali e fibre ottiche e l'acutezza del problema di ridurre la velocità di trasmissione dei segnali vocali al di sotto di 64 kbps nelle reti di comunicazione cablate è stata praticamente rimossa. Anche i numerosi sviluppi delle apparecchiature di trasmissione digitale con una velocità di 32 kbps, implementati in molti paesi sulla base del principio ADPCM (compreso lo sviluppo effettuato nel nostro paese sotto la guida di M. U. Polyak), non sono stati ampiamente utilizzati. L'equilibrio tra l'aumento della larghezza di banda dell'apparecchiatura di formazione del canale e la complessità dell'apparecchiatura terminale nelle comunicazioni cablate non si è ancora inclinato a favore della prima soluzione.

Codifica vocale nei sistemi radio cellulari digitali

Prospettive completamente diverse si aprirono alla fine degli anni '1980 e all'inizio degli anni '1990, quando iniziarono a svilupparsi i sistemi di radiotelefonia digitale cellulare. A differenza delle reti cablate, dove l'espansione della larghezza di banda è possibile posando nuove linee, ovvero rinnovando le risorse di larghezza di banda, le reti radio hanno una rigida legge di tenuta all'aria e devi fare i conti con una risorsa di radiofrequenza non rinnovabile. È vero, l'idea delle comunicazioni cellulari è proprio quella di rinnovare la risorsa di radiofrequenza ripetendo la frequenza di trasmissione nel territorio a cui non arriva il segnale della stessa frequenza dalla stazione radio interferente. Ma anche qui le possibilità di un tale rinnovo della risorsa sono limitate, quindi un'ulteriore complicazione dell'attrezzatura per ridurre la velocità di trasmissione risulta giustificata.

Ad esempio, nel sistema di comunicazione cellulare digitale GSM adottato nella maggior parte dei paesi europei, le velocità vocali standard sono 13 e 6,5 kbps. Per implementare un tale sistema di trasmissione, è stato necessario ricorrere alla vecchia idea della macchina di Eulero e una più profonda penetrazione nel meccanismo di produzione del parlato.

Come è noto, uno dei risultati più importanti della moderna teoria della trasmissione dell'informazione è la raccomandazione di separare i compiti della codifica della sorgente e della codifica del canale. Il compito di codificare la fonte delle informazioni include la descrizione del messaggio trasmesso nella forma più economica, cioè la rimozione della ridondanza nel messaggio. Il messaggio compresso così ricevuto diventa più vulnerabile alle interferenze e può essere danneggiato durante la trasmissione. Pertanto, dopo la codifica della sorgente, viene applicata la codifica del canale, il cui compito è proteggere il messaggio trasmesso dalle interferenze. La codifica del canale richiede l'introduzione di una certa ridondanza nel messaggio trasmesso, ma non casuale, che era presente nel messaggio originale, ma strettamente giustificata teoricamente e che garantisce la qualità di trasmissione specificata.

Finora abbiamo considerato solo problemi di codifica della sorgente, che ora affronteremo da posizioni più generali.

Quindi, esiste una versione digitale di un segnale vocale analogico, ad es. una funzione che descrive, ad esempio, la legge del cambiamento attuale nel tempo. È necessario provare a rimuovere la ridondanza da tale segnale. Questo problema può essere risolto in diversi modi. Uno di questi è cercare di trovare la ridondanza mediante un'analisi puramente matematica della funzione in questione. Un altro modo per risolvere il problema è analizzare le caratteristiche acustiche di questa funzione (dal punto di vista della sua percezione da parte degli organi dell'udito). Infine, si può cercare la ridondanza modellando il processo stesso di produzione del parlato. È l'ultimo di questi metodi che ha trovato applicazione nei moderni sistemi di comunicazione radio digitale.

Il meccanismo per la formazione dei suoni del parlato è che il suono ricco di armoniche delle corde vocali, che cambia la sua forza e frequenza fondamentale, viene ulteriormente elaborato nella cavità orale. Quest'ultimo funziona, in primo luogo, come un risonatore che, una volta ricostruito, evidenzia alcune frequenze - formanti che determinano le differenze tra i suoni vocalici. In secondo luogo, i movimenti della lingua, dei denti e delle labbra modulano il suono, producendo diverse consonanti. Negli anni '1930, i Bell Telephone Laboratories (USA) costruirono una macchina basata sull'idea di Eulero, i cui principi si basavano sui tentativi di simulare il funzionamento degli organi del linguaggio umano.

Per sintetizzare il parlato all'estremità ricevente di un sistema di comunicazione, abbiamo bisogno di un generatore di frequenze audio ad ampio spettro, un generatore di rumore bianco, una serie di filtri formanti (il loro numero è piccolo, poiché ci sono poche vocali, e ognuna di esse è abbastanza ben definito da due formanti), e circuiti modulanti. Con un tale insieme di apparecchiature all'estremità ricevente, è possibile trasmettere sul canale di comunicazione non un segnale vocale, ma solo comandi che controllano il processo di sintesi vocale. Pertanto, il compito pratico è trovare un modo per generare i comandi necessari. È questo problema che viene risolto dai progettisti di telefoni cellulari.

Nel sistema GSM delle prime versioni, il flusso digitale originale di un segnale vocale con una velocità di trasmissione di 104 kbps è suddiviso in blocchi separati di 160 campioni, che vengono registrati. Ciascuno di questi blocchi occupa un intervallo di tempo di 20 ms (ovvero vengono memorizzate sequenze di 160x13=2080 bit). Vengono analizzate le sequenze registrate, a seguito delle quali per ognuna di esse si trovano otto coefficienti di filtraggio che determinano le corrispondenti risonanze, ed un segnale di eccitazione. Sono queste informazioni che vengono trasmesse al ricevitore, che da esso riproduce il segnale vocale originale, simile a come accade negli organi del linguaggio umano (questo organo, per così dire, viene regolato utilizzando otto parametri, quindi il suono si ottiene quando è eccitato).

Tuttavia, l'analisi menzionata copre periodi di tempo relativamente brevi e non è in grado di rilevare suoni vocalici lunghi che coinvolgono blocchi vicini. Pertanto, la previsione a lungo termine viene utilizzata per eliminare la ridondanza quando si pronunciano vocali lunghe. A tal fine il trasmettitore memorizza le sequenze trasmesse con una durata di 15 ms, con le quali vengono confrontate le sequenze correnti. Tra quelle già trasmesse, viene selezionata la sequenza che ha la più alta correlazione con quella attuale (cioè più simile a quella attuale) e viene trasmessa solo la differenza tra la sequenza attuale e quella selezionata. Poiché le sequenze registrate nel trasmettitore sono note al ricevitore, è sufficiente trasmettere un'indicazione di quale delle sequenze registrate è stata effettuata con il confronto. Pertanto, si ottiene un'ulteriore riduzione della quantità di informazioni trasmesse. Come risultato dell'elaborazione descritta, si ottiene un blocco di segnale vocale digitale di 20 ms, contenente 260 bit e con una velocità di trasmissione di soli 13 kbps (cioè otto volte inferiore a quella originale). La procedura descritta è chiamata eccitazione a impulsi regolari con previsione a lungo termine (abbreviazione inglese PRE-LTR, che sta per Regular Pulse Excitation - Long Term Prediction).

Nella fase successiva entra in gioco la codifica del canale, il cui compito è proteggere dalle interferenze nel canale di comunicazione. La moderna tecnica di codifica si basa su idee profonde di algebra e teoria della probabilità. Sulla base di queste idee, sono stati sviluppati vari metodi di codifica molto efficaci che risolvono determinati problemi in ogni caso specifico. Ci limitiamo qui ad una breve rassegna di alcune delle idee utilizzate nel sistema GSM.

La protezione del codice può servire solo per rilevare il fatto di un errore o per correggere gli errori che si sono verificati. La prima opzione è molto più semplice da implementare, ma meno utile, perché in questo caso è necessario richiedere una ritrasmissione del blocco di messaggio in cui è stato rilevato un errore, oppure tener conto della presenza di un errore in qualche altro modo. Poiché i singoli bit del segnale vocale digitale ottenuto nel corso delle procedure di codifica della sorgente sopra descritte non hanno uguale importanza, essi vengono suddivisi in tre sottoclassi e sottoposti a diversi metodi di protezione durante la codifica del canale. Dei 260 bit del blocco ricevuto, i più importanti sono i bit che portano informazioni sui parametri di filtraggio, l'ampiezza del segnale di blocco ei parametri della previsione a lungo termine. Questi bit appartengono alla cosiddetta sottoclasse Ia (50 bit). Poi arriva la sottoclasse Ib (132 bit contenenti puntatori e informazioni sugli impulsi di eccitazione regolari, nonché alcuni parametri di previsione a lungo termine). I restanti 78 bit sono di classe II.

Per proteggere il blocco descritto, vengono utilizzati due metodi di codifica. Innanzitutto, viene utilizzato un codice a blocchi per rilevare gli errori che rimangono non corretti. Questo codice appartiene alla classe di quelli ciclici, in cui ogni combinazione di codice è ottenuta da una permutazione ciclica di elementi. Quando codificato con questo codice, vengono aggiunti altri tre bit di controllo ai bit della sottoclasse Ia, mediante i quali il decodificatore può determinare se questa sottoclasse contiene errori non corretti. Se il decodificatore rileva errori di trasmissione nei bit della sottoclasse Ia, l'intero frame di conversazione a 260 bit viene scartato. In questo caso, il fotogramma perso viene riprodotto per interpolazione sulla base delle informazioni sul fotogramma precedente. Si è riscontrato che con questa soluzione la qualità di trasmissione è migliore rispetto al caso di riproduzione di bit errati di sottoclasse Ia. In secondo luogo, viene applicato un codice convoluzionale per correggere gli errori. Questo nome del codice è spiegato dall'operazione matematica di convoluzione applicata alle funzioni che descrivono l'elaborazione della sequenza di bit codificata. A differenza di un codice a blocchi, un codice convoluzionale è continuo nel senso che quando viene applicato, i processi di codifica e decodifica vengono eseguiti non su blocchi fissi, ma su una sequenza continua di simboli.

Il codice convoluzionale viene applicato sia ai bit della sottoclasse Ia, insieme ai bit di controllo, sia ai bit della sottoclasse Ib. Queste due sequenze vengono combinate e incrementate di quattro bit (vedi sotto in Fig. 2), che assumono valori zero. Questi ultimi servono a riportare il codificatore al suo stato originale dopo la codifica. Il codice applicato è caratterizzato dai parametri r=1/2 e K=5. Il coefficiente r=1/2 indica che per ogni bit che entra nell'ingresso dell'encoder si ottengono esattamente due bit nella sequenza codificata, e K=5 indica la lunghezza della connessione, che viene coperta dall'operazione di convoluzione. Queste caratteristiche possono essere comprese dallo schema di codifica convoluzionale mostrato in Fig. 1, che mostra anche lo schema di addizione modulo 2 (operazione logica "OR esclusivo"). Pertanto, come risultato della codifica, si ottengono 189 bit dai 378 bit in ingresso e ad essi vengono aggiunti bit di classe II non protetti, per cui la lunghezza totale del blocco è pari a 456 bit (Fig. 2). Si tratta esattamente di otto sottoblocchi di 57 bit. Da tali sottoblocchi si formano raffiche di trasmissione radio con divisione del tempo.

Questo articolo è dedicato ai problemi della codifica dei segnali vocali e, come si può capire da quanto descritto, la quota del processore collocata in un telefono di piccole dimensioni rappresenta una quantità piuttosto elevata della loro elaborazione digitale. Tuttavia, i compiti del processore sono tutt'altro che esauriti. Come sapete, al posto della trasmissione vocale, un sistema di comunicazione cellulare consente di organizzare un canale di trasmissione dati, codificato secondo regole completamente diverse. Ma, oltre ai canali logici per la trasmissione di informazioni utili (a pagamento), in un telefono cellulare è organizzato un gran numero di canali logici per la trasmissione di segnali di controllo. Ciascuno di questi canali logici è soggetto a requisiti specifici per la codifica delle informazioni e, di conseguenza, ciascuno di tali canali contribuisce con la propria quota al carico del processore.

Un'idea generale degli schemi di codifica, nonché della formazione di flash per la trasmissione di tutti i canali logici nel sistema di comunicazione radiotelefonica, è data in Fig. 3.

Qui, dieci diversi canali logici sono mostrati al livello superiore, indicando le dimensioni dei blocchi di messaggio in questi canali (sotto forma di numeri o lettere specifici - P0, N0, ecc. - dove questi numeri possono cambiare). Il livello successivo mostra la prima fase di codifica per diversi canali logici, indicando il numero di bit della sequenza originale e la sequenza ottenuta dopo la codifica. Se viene utilizzato un codice ciclico di rilevamento degli errori per il canale vocale, vengono utilizzati vari codici ciclici di correzione degli errori per i canali rimanenti, incluso il codice ciclico Fire che corregge una serie di errori. Nella seconda fase della codifica viene applicato il già citato codice convoluzionale. Inoltre (fase 3), per distribuire i 456 bit ricevuti tra i singoli burst (ciascuno recante due blocchi di 57 bit), vengono applicate le operazioni di bit mixing e block permutation (trasposizione diretta o diagonale).

Il volume totale di elaborazione del segnale in un telefono cellulare è stimato in milioni di operazioni al secondo. Pertanto, a differenza di un telefono convenzionale, un telefono cellulare è un computer in miniatura, ma molto produttivo. Da un lato, analizza il "proprio" segnale vocale, sviluppando comandi di controllo per la sintesi vocale nell'apparato dell'interlocutore, e dall'altro, questo computer implementa l'idea di Eulero, sintetizzando il discorso dell'interlocutore secondo i comandi di controllo provenienti dal canale di comunicazione .

Autore: V. Neumann, prof., dottore in tecnologia. Scienze, Mosca

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