Обработка речевой информации в сети стандарта GSM

4.3 Обработка речевой информации в сети стандарта GSM

Последовательность операций при передаче и приеме речи показана на рисунке 4.7. Приведенный ниже процесс в стандарте GSM идентичен для разного вида данных пользователя и данных сигнализации.

На передающей стороне происходят перечисленные ниже операции.

·  Аналого – цифровое преобразование (АЦП).

Аналоговый речевой сигнал в диапазоне частот 0,3 – 3,4 кГц преобразуется в цифровой поток со скоростью передачи данных 64 кбит/с в соответствии с рекомендациями ITU – T G. 711.

·  Кодирование «источника сигнала».

Используемый в стандарте GSM кодер с регулярным импульсным возбуждением долговременным предсказанием и линейным кодированием с предсказанием (RPE/LTP-LPC кодер от английского Regular Pulse Excitation/Long Term Prediction – Linear Predictive Coding) представляет собой последовательное соединение каскадов, осуществляющих линейное кодирование с предсказанием и долговременное кодирование (рис. 4.8). Применение данной структуры кодера позволяет снизить необходимую скорость передачи с 64 кбит/с (8 бит * 8 кГц) до 13 кбит/с (сегменту речи длительностью 20 мс соответствует передача 260 бит).

Кроме того, схема RPE/LTP-LPC кодера содержит детектор речевой активно­сти (Voice Activity Detector – VAD) для прерывистой передачи речи (Discontinuous Transmission – DTX), обеспечивающий надежное обнаружение интервалов передачи речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи. При этом передатчик MS выключается в паузах между сло­вами. Причиной этого стал анализ телефонных переговоров, показавший, что актив­ная часть разговора составляет лишь около 40% его длительности, а 60% – это паузы.

• Канальное кодирование.

Помехоустойчивое канальное кодирование - это кодирование, которое позволяет обнаруживать и в значительной степени исправлять ошибки, возникающие при распространении сигнала от передатчика к приемнику. Данная операция необходима для защиты передаваемого сообщения от воздействия помех. При канальном кодировании в поток данных вводится избыточная (контрольная) информация. В результате добавления  этой информации, вычисленной из исходных данных, увеличивается разрядность. Результатом кодирования канала является поток кодовых слов. В случае передачи речи эти кодовые слова имеют длину 456 бит (соответствуют сегменту речи длительностью 20 мс). Данная величина образуется путем добавления избыточности к 260 битам, полученным при кодировании «источника сигнала». Массив данных объёмом 456 бит передается со скоростью 22,8 кбит/с (456 бит/20 мс). Следовательно, скорость передачи речи с 13 кбит/с увеличивается до 22,8 кбит/с.

Канальное кодирование разделяется на два этапа:

•  блочное кодирование – для обнаружения групповых ошибок на приеме;

•  сверточное кодирование - для исправления одиночных ошибок.

Информационная последовательность в 260 бит, поступающая со скоростью 13 кбит/с на схему канального кодирования, по степени важности разбивается на 3 блока (по 50, 132 и 78 бит). Первые два блока, содержащие наиболее важную информацию об амплитуде сигнала, параметрах фильтрации и долгосрочного предсказания, в целях обнаружения ошибок защищаются с помощью блочного кода: к блоку в 50 бит добавляется 3 проверочных бита, а к блоку в 132 бита - 4 проверочных бита (рис.4.9). Если при приеме в рассматриваемых блоках будут обнаружены ошибки, то вся информационная последовательность в 260 бит игнорируется. В этом случае потерянный кадр воспроизводится с помощью экстраполяции на основе информации о предыдущем кадре. Опытным путем было установлено, что при таком решении качество передачи оказывается выше, чем при воспроизведении ошибоч­ных разрядов первых двух блоков информационной последовательности.

Полученные в результате блочного кодирования 189 бит (50+3+132+4) кодиру­ются сверточным кодом (рис. 4.9 и 4.10). Применяемый код характеризуется параметрами r = 1/2 и K =5. Коэффициент r = 1/2 свидетельствует о том, что на каждый входной разряд приходится два выходных (т.е. используется код с двойной избыточностью), а К = 5 обозначает длину связи, на которую распространяется объединение разрядов. В результате имеется 378 бит закодированной и 78 бит незакодированной информации.

Таким образом, общий объём массива данных, характеризующего сегмент речевого сигнала в 20 мс, составляет 378+78 = 456 бит при скорости передачи 456/20 мс = 22,8 кбит/с.

Сверточное кодирование, применяемое совместно с алгоритмом декодирования Витерби, стало в настоящее время одним из наиболее широко используемых методов исправления ошибок, вносимых радиоканалом в передаваемую информацию. Алгоритм Витерби, обеспечивающий при декодировании сверточных кодов нахождение с минимальными вычислительными затратами максимально правдоподобной оценки, предусматривает обработку, которая наилучшим образом согласуется с передаваемой кодовой последовательностью, т.е. минимизирует вероятность ошибки последовательности. Хотя такой подход не гарантирует минимизации вероятности ошибки символа, но, для большинства кодов малая вероятность ошибки последовательности соответствует малой вероят­ности ошибки символа.

• Шифрование.

 Этот процесс предполагает преобразование сообщения с помощью специального ключа в вид, исключающий несанкционированное раскрытие смысла передаваемой информации. В качестве примера рассмотрим алгоритм шифрования с открытым ключом (RSA), названного в честь авторов R. Rivest, A. Shamir, L. Adleman. Структурная схема системы передачи сообщений, зашифрованных с применением алгоритма RSA, приведена на рис. 4.11.

Алгоритм RSA базируется на двух функциях D и Е, связанных соотношением: E(D(M))=D(E(M))=M,

где М - передаваемое сообщение.

Одна из функций используется для шифрования сообщения, другая –  для расшифровки. Реализация алгоритма заключается в следующем:

–  выбираются два очень  больших простых числа р и  q,  таких,  чтобы N=p*q находилось за пределами 10⁷;

–  выбирается большое случайное число D, которое должно быть взаимно простым с результатом умножения (p-l)*(q-l);

–  определяется число Е, для которого должно выполняться соотношение