Оценка качества принимаемой речи в цифровых системах радиосвязи стандарта TETRA на железнодорожном транспорте

Введение

В настоящее время для решения задач по совершенствованию систем информатизации и связи на железнодорожном транспорте, в т.ч. проблем, связанных с необходимостью предоставления новых видов услуг по передаче речи, увеличению общего числа пользователей во всех подразделениях железнодорожного транспорта, внедрения систем автоматизированного управления движением поездов, Министерством путей сообщения России принято решение об организации систем цифровой технологической радиосвязи. В связи с этим необходим всесторонний анализ различных радиотехнологий и цифровых систем подвижной радиосвязи, получивших распространение в мире.

Так как в цифровых системах радиосвязи используются особые виды модуляции и кодирования речевого сигнала, способы оценки качества принимаемой речи отличаются от традиционно используемых в аналоговых системах. Кроме того, в цифровых системах радиосвязи широкое распространение получили различные методы интерполяции принимаемого сигнала, что в некоторых случаях позволяет вести восстановление цифрового речевого сигнала в неблагоприятных условиях приема.

Постановка задачи

В современных цифровых системах мобильной радиосвязи стандартов GSM, TETRA, АРСО 25 и других важное место занимают проблемы цифрового кодирования и оценки качества передачи речи. Наиболее важным показателем в таких системах связи, описывающим качество передачи информации по радиоканалу, является помехоустойчивость, характеризуемая величиной вероятности ошибки на бит BER. Учитывая, что характеристики помехоустойчивости в основном определяются видом модуляции и кодирования сигналов, важно рассмотреть влияние именно этих факторов на качество связи на примере современной цифровой транкинговой системы связи стандарта TETRA.

Существует возможность формализованного определения характеристики BER для различных видов модуляции. Подробное изучение принципов помехоустойчивого кодирования, используемого в конкретной системе радиосвязи, позволяет провести более точную оценку ее реальных характеристик. Для систем подвижной связи характерной особенностью являются многолучевые замирания, необходимость учета которых существенно усложняет подобный анализ. Для борьбы с эффектами, вызванными замираниями, применяются различные способы, в том числе перемежение блоков информации, интерполяция и т.д. Аналитические выражения, описывающие процессы замираний, содержат множество вероятностных параметров, поэтому на практике для оценки характеристик помехоустойчивости передаваемых сигналов применяется компьютерная имитация.

В работе выполняется расчет вероятности ошибки на бит для используемой в системе TETRA модуляции и сравнение полученных результатов с расчетами для простейшего вида цифровой модуляции ФМ-2. Затем для учета используемого в системе TETRA способа канального кодирования выполняется повторный расчет вероятности ошибки на бит. Однако помимо характеристик модуляции и кодирования при оценке качества речи в системах подвижной связи в условиях замираний необходимо рассмотреть различные способы детектирования и интерполяции речи.

Результаты исследования

где

Стандартом TETRA предусмотрено использование модуляции π/4 DQPSK — дифференциальной квадратурной фазовой модуляции со сдвигом π/4. Оценим вероятность ошибки на один бит для этого типа модуляции, воспользовавшись формулой:

— функция Бесселя γ-го порядка;

Кривая 1 на рис. 1 показывает зависимость вероятности ошибки на один бит от отношения Еb/N0, рассчитанную по приведенным выражениям. Здесь P0 — вероятность ошибки на один бит, Еb — энергия элементарного символа, N0 — двусторонняя спектральная плотность мощности шума в канале связи, который считается белым гауссовским с равномерной спектральной плотностью.

Зависимость вероятности ошибки на один бит

Рис.1. Зависимость вероятности ошибки на один бит от соотношения Еb/ N0:

1 — для сигналов с модуляцией π/4 DQPSK;

2 — для сигналов с модуляцией ФМ-2

Для сравнения в тех же осях построен график зависимости вероятности ошибки на один бит от отношения Еb/ N0 для модуляции ФМ-2 (кривая 2). Эта кривая была построена при вычислениях, выполненных с использованием формулы, описывающей вероятность ошибки на один бит при приеме сигналов ФМ-2 в условиях белого гауссовского шума:

где — дополнение к интегралу вероятности.

Сравнительный анализ полученных кривых показывает, что при одинаковых условиях приема (при одинаковом отношении Еb/N0) сигнал с ФМ-2 обеспечивает лучшую помехоустойчивость.

Для улучшения качественных показателей передачи информации по радиоканалу используются многоступенчатые алгоритмы кодирования и декодирования. Так, системы TETRA используют многоступенчатую схему кодирования. Применяется блочное кодирование, сверточное кодирование, перемежение, последовательное декодирование по Витерби и т.д. Применение блочного циклического кода призвано решить задачу обнаружения ошибок. На приемной стороне для декодированной последовательности вычисляются проверочные биты. Если результаты вычисления не совпали с соответствующими битами декодированной принятой последовательности, то принимается решение о произошедшей ошибке, и для данного фрейма выставляется флаг ошибочного фрейма.

График зависимости вероятности ошибки на бит от соотношения Еb/N0 для используемого в TETRA блочного кода (длина блока n=67, скорость кода R=60/67) иллюстрирует кривая 2 на рис.2. Здесь же приведены зависимости вероятности ошибки на один бит от отношения Еb/N0 для модуляции π/4 DQPSK (кривая 1) и ФМ-2 (кривая 3) для сигналов без кодирования. Поскольку рассматриваемый блочный код не является в полном смысле корректирующим, кривые 1 и 2 практически одинаковы. Задача повышения помехоустойчивости сигналов с модуляцией π/4 DQPSK до уровня ФМ-2 и выше решается применением сверточного кодирования. Используемый в системе TETRA сверточ-ный кодер и декодирование по Витерби на приемной стороне позволяет исправлять 5 ошибок из блока информации.

Для системы ТЕТРА проведенные испытания речепреобразующего устройства в канале показали, что приемлемое качество сохраняется до значений P0=0,04. Теоретически заданному уровню ошибки соответствует отношение сигнал/шум 6 дБ, что можно наблюдать по приведенным кривым. С учетом возможности внесения дополнительных потерь при аппаратной реализации 2-4 дБ допустимое соотношение сигнал/шум будет составлять 10 дБ.

Зависимость вероятности ошибки на один бит

Рис.2. Зависимость вероятности ошибки на один бит от соотношения Еb/N0 при блочном кодировании:

1 — при модуляции π/4 DQPSK без кодирования;

2 — при блочном кодировании кодом (67,60) при модуляции π/4 DQPSK; 3 — при модуляции ФМ-2 без кодирования

 

Вместе с тем даже описанные сложные алгоритмы обработки сигнала не решают полностью проблему достижения удовлетворительного качества передачи речевого сообщения. Многолучевые замирания могут вызвать ложные изменения принимаемого сигнала. Сверточный кодер, используемый для защиты переданной информации, наиболее эффективен против одиночных, случайных ошибок, и малоэффективен при группирующихся ошибках. Ошибки же, получающиеся при многолучевых замираниях, сходны с групповыми ошибками.

Для борьбы с пакетированием ошибок в рассматриваемых системах связи применяется перемежение бит в каждом пакете. После выполнения перемежения биты внутри пакета дополнительно переупорядочиваются (так называемое блочное перемежение). Защищенные каналы трафика могут иметь несколько различных схем перемежения. (В системе TETRA для некоторых каналов передачи данных используется перемежение по 8,4 и 1 блокам). Заметим, что перемежение по N блокам требует дополнительно N-1 пакетов для переноса информации. Это добавляет задержку передачи длиной N-1 фрейм. Поэтому для каналов трафика перемежение используется не всегда. Минимальное число передаваемых пакетов, даже для самых коротких сообщений, N. Поэтому из-за задержки перемежение никогда не используется в каналах сигнализации.

Хотя декодирование с мягким решением по максимуму правдоподобия приводит к наименьшей вероятности ошибки декодирования, оно все еще может привести к неправильной работе декодера, когда каналы испытывают сильные замирания. В системах мобильной радиосвязи более предпочтительно иметь канальный детектор, определяющий наличие ошибок, т.е. показывающий, что декодер работает неверно. Это лучше, чем пытаться исправить ошибку и (в большинстве случаев) сделать это неправильно. Выделенная ошибка может быть замаскирована как путем интерполяции/экстраполяции, так и подавлением. В голосовой связи неустраненные ошибки декодирования часто приводят к щелчкам, писку и другим нежелательным для восприятия эффектам. Эти раздражающие эффекты особенно сильны во время длительных замираний. Это показывает, что интерполяция особенно необходима во время таких замираний. Причем чем дольше продолжается замирание, тем больше должна использоваться интерполяция. Так как таблица перемежения, используемая для голосовой связи, обычно не очень велика (так что задержка на перемежение может быть допустимой), длительное замирание может продолжаться на протяжении множества таблиц перемежения.

Для заданного вида модуляции (например, в случае системы TETRA-π/4-DQPSK) может быть формализована процедура выделения ошибок для декодирования с мягким решением по максимуму правдоподобия с последующим алгоритмом интерполяции для уничтожения выделенных ошибок.

Интерполяция речи — популярная технология в кодировании речи, даже когда при передаче не наблюдаются ошибки. При кодировании речи с адаптивным предсказанием в качестве основы для предсказания параметров речи, как правило, используется долговременная периодичность (или основной тон) речевых сигналов. Предсказание основного тона — это фактически форма интерполяции. В схеме кодера речи ACELP, применяемого в TETRA, речевое колебание разделяется на сегменты (фреймы) и кодер выделяет набор параметров из каждого сегмента речевого колебания для представления фрейма речи. Для получения существенного сжатия в конструкцию кодека обычно вводятся характеристики корреляции речевого сигнала. Например, параметры долговременной периодичности речи не нужно полностью определять для каждого фрейма, так как эти параметры могут быть интерполированы по соседним фреймам с несущественными искажениями.

Хотя характеристики корреляции речевых сигналов используются для сжатия речи, нередко случается, что на выходе кодера еще есть значительная остаточная избыточность. Избыточность позволяет интерполировать те речевые параметры, которые были нарушены из-за ошибок при записи или передаче. Параметры, подлежащие интерполяции, не ограничены только параметрами, соответствующими долговременной периодичности. Интерполяции также будут подвергаться и другие параметры, которые еще содержат избыточность.

В подвижной наземной радиосвязи глубокие замирания могут охватывать много системных фреймов, поэтому ошибки декодирования могут вообще не быть случайными, а иметь тенденцию концентрироваться в периоды замираний.

Можно получить аналитические выражения для оценки помехоустойчивости цифровых сигналов в условиях замираний. Однако их непосредственное использование наталкивается на существенные сложности, связанные со значительной априорной неопределенностью входящих в них параметров. Поэтому на практике больше пользуются результатами экспериментальных исследований или имитационного моделирования.

С помощью компьютерной имитации была проведена оценка характеристик нескольких моделей каналов для различных условий распространения при разных скоростях движения объекта. Стандартом TETRA предусмотрено формирование нескольких типов логических каналов с различной скоростью передачи. Рассмотрим результаты имитации для связевых каналов, предназначенных для передачи речи и данных по радиоинтерфейсу с малой и постоянной задержкой. Исследованию были подвергнуты различные каналы передачи трафика (ТСН), в том числе канал ТСН 7,2, созданный для передачи кодированной речи.

На рис.3 в качестве примера представлен один из полученных при имитации различных условий распространения графиков зависимости вероятности ошибки на бит P0 от соотношения Еb/N0.

Исследования кодеров TETRA в динамике (движении) показывают, что требуемому заданному уровню ошибки P0=0,04 соответствует отношение сигнал/шум 17 дБ. С учетом дополнительных потерь при аппаратной реализации допустимое соотношение будет составлять 19 дБ.

логический канал

Рис.3. P0 как функция Еb/N0 для логического канала ТСН 7,2 при идеальной синхронизации в следующих условиях распространения:

1 — сельская местность, скорость движения мобильной радиостанции 200 км/ч; 2 — стандартные условия в городской застройке, скорость движения мобильной радиостанции 50 км/ч; 3 — сложная городская застройка, скорость движения мобильной радиостанции 50 км/ч; 4 — гористая местность, скорость движения мобильной радиостанции 200 км/ч

Заключение

Для модуляции π/4 DQPSK, используемой в системе цифровой тран-кинговой радиосвязи TETRA, оценена вероятность ошибки на один бит с учетом применяемого способа помехоустойчивого канального кодирования и определена важная роль техники интерполяции. Поскольку основным фактором, приводящим к появлению ошибок в принимаемом сигнале, являются многолучевые замирания, автор считает, что ошибки декодирования могут носить пакетный характер, в связи с чем аналитические выражения, описывающие вероятность ошибки на бит еще более усложняются. Аналитические расчеты, выполненные без учета наличия замираний при перемещении подвижного объекта в различных условиях, показали, что необходимое соотношение сигнал/шум будет составлять около 10 дБ. Проведенные с помощью компьютерной имитации исследования показывают, что требуемому заданному уровню ошибки 0,04 соответствует отношение сигнал/шум 19 дБ.










Системы передачи данных

 


Комплексные проектные решения

 


Управление распределенными системами

 


Автоматизированные рабочие места

 


Системы и средства обеспечения безопасности движения

 


Цифровые сети технологической связи

 


Информационные системы управления движением

 


Автоматизированное управление разработками проектов

 




Женская одежда

 



Copyright (c) 2008, Infotest, Inc.