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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Codificación de voz en sistemas de comunicación celular digitales. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / La telefonía móvil El artículo recuerda los principios generales de la codificación digital del habla en telecomunicaciones. El autor cubre con cierto detalle los muy complejos procesos de codificación utilizados en los sistemas de comunicación celular digitales. La investigación teórica y las soluciones de ingeniería originales hicieron posible la creación de un radioteléfono de abonado elegante y de pequeño tamaño. En este artículo el lector aprenderá sobre los complejos procesos que ocurren en él, de los que los usuarios e incluso muchos especialistas en telecomunicaciones ni siquiera son conscientes. Los misterios de las señales del habla atrajeron la atención de los investigadores mucho antes de la aparición de la comunicación eléctrica. En el siglo XVIII, uno de los más grandes matemáticos, el académico de San Petersburgo Leonhard Euler (1707-1783), en una carta a una princesa alemana fechada el 16 de junio de 1761, escribió: “La construcción de una máquina que fuera capaz de producir las voces de nuestros discursos con todos los cambios sería, sin duda, su invento más importante... La construcción de una máquina así no me parece imposible”. La idea de inventar una máquina parlante excitó las mentes de muchos creadores, que no solo buscaron crearla en la forma que Euler había imaginado, sino también como un medio para transmitir el habla a distancia. Por ejemplo, el inventor del teléfono, A. G. Bell (1847-1922), participó en la construcción de dicha máquina. Sin embargo, finalmente resultó que la transmisión de voz a distancia se podía lograr sin una máquina de este tipo. Esto se logró de manera muy simple. Con la ayuda de un micrófono, las vibraciones del aire que transportaban el habla se convertían en vibraciones de corriente eléctrica, que se transmitían a través de cables, y en el extremo receptor, con la ayuda de un teléfono, se convertían nuevamente en vibraciones del aire. Este método de transmisión se llama analógico debido a la obvia analogía entre las vibraciones del aire que transportan el sonido y las vibraciones eléctricas que transmiten este sonido. Los estudios de transmisión de voz analógica con modulación de amplitud han demostrado que para una calidad de reproducción de voz normal, una banda de frecuencia de 300 a 3400 Hz es suficiente. Esta banda se adoptó como estándar internacional y sobre esta base se construyó la red telefónica mundial. El principio de funcionamiento de esta red hoy en día es familiar no sólo para todos los operadores de telecomunicaciones, sino también para el público en general. Transmisión de voz digital en redes de comunicación por cable Con la transferencia de las comunicaciones a la tecnología digital surgieron cambios fundamentales en los enfoques para organizar las comunicaciones telefónicas. Las ventajas de los métodos de transmisión digital son ampliamente conocidas. Recordemos sólo los más importantes: la tecnología digital nos permite garantizar cualquier calidad de comunicación predeterminada. Para la transmisión de voz digital, es necesario realizar una conversión de señal de voz de analógico a digital: someter la señal analógica a muestreo, cuantificación y codificación. La combinación de estas operaciones se denomina modulación de código de pulso (PCM). Para describir con precisión la forma de una señal de voz, según el teorema de Kotelnikov, se debe muestrear con una frecuencia de 8 kHz (es decir, tomar muestras cada 125 μs) y para obtener una calidad de reproducción de voz normal, cada muestra debe cuantificarse en un Escala dividida en 8192 niveles (al elegir una escala de cuantificación uniforme). Para codificar cada valor de muestra utilizando un número binario, se requieren 13 bits. Como resultado, para transmitir una conversación telefónica utilizando una secuencia de pulsos binarios, se requiere una velocidad de 8x13 = 104 kbit/s (que corresponde a una banda de frecuencia de 52 kHz para una codificación óptima). Comparando esta cifra con el ancho de banda de 3100 Hz requerido para la transmisión analógica, uno no puede dejar de sorprenderse por el enorme aumento del ancho de banda requerido a costa de los beneficios de la transmisión digital. Es natural intentar reducir la velocidad de transmisión al implementar un sistema de transmisión digital. El primer paso en esta dirección es bastante obvio. La cuantificación a 213 niveles es necesaria porque los niveles de las señales de voz analógicas pueden variar en un rango de 60 dB. En este caso, las señales de alto nivel con una escala de cuantificación uniforme se cuantifican con el mismo paso que las señales de bajo nivel. Pero dado que la percepción de las señales por parte de los órganos auditivos humanos es proporcional al logaritmo del nivel de la señal, sería natural cuantificar las señales de alto nivel de manera más aproximada y las de bajo nivel con mayor precisión. Al utilizar la cuantificación no lineal utilizando la ley logarítmica, puede arreglárselas con ocho bits por muestra manteniendo casi la misma calidad de transmisión. Como resultado, la velocidad de bits será de 64 kbit/s. Es esta velocidad la más utilizada, está registrada en la recomendación C.711 del CCITT y los equipos PCM funcionan con ella en muchos países. ¿Se puede reducir más la velocidad? La señal analógica tiene mucha redundancia. Esto le permite predecir la siguiente muestra y transmitir solo la diferencia entre el valor real y el previsto de cada muestra. Si aplica un buen esquema de predicción, el cambio en la amplitud del incremento de la señal será menor que el cambio en la amplitud de la señal misma, lo que conducirá a una disminución en la cantidad de información transmitida. Este principio se utiliza para construir PCM diferencial (DICM) y PCM diferencial adaptativo (ADCM), lo que permite reducir la velocidad de transmisión de voz a 32 kbit/s y menos debido a una mayor complicación del equipo transceptor. Si continúa complicando el equipo, es posible aumentar la velocidad de transmisión de voz a 100-300 bps. Podemos imaginar, por ejemplo, un convertidor de voz a texto en el lado transmisor y una máquina lectora en el lado receptor. Existen formas conocidas de reducir aún más la velocidad de transmisión del habla, pero no nos detendremos en esto. El hecho es que el equipo para la transmisión digital de voz a una velocidad de 64 kbit/s satisfizo a todos porque resultó funcional cuando se utilizan los cables simétricos más simples con pares trenzados. El equipo ICM-30 inició su marcha triunfal con la compactación de las líneas de conexión entre las centrales telefónicas de la ciudad. Mientras que antes era posible organizar una línea de conexión a través de un par de cables para transmitir solo una conversación, el equipo PCM-30 permitió organizar la transmisión de 30 conversaciones a través del mismo par. No se puede hablar de un mejor uso de dicho par utilizando equipos de comunicación analógicos multicanal. Más tarde aparecieron los equipos PCM-120 y otros sistemas de alto rendimiento que funcionan a través de cables coaxiales y fibras ópticas, y prácticamente se eliminó la urgencia de la cuestión de reducir la velocidad de transmisión de señales de voz por debajo de 64 kbit/s en las redes de comunicación por cable. Incluso numerosos desarrollos de equipos de transmisión digital con una velocidad de 32 kbit/s, implementados en muchos países según el principio ADPCM (incluido el desarrollo realizado en nuestro país bajo la dirección de M. U. Polyak), no han recibido una aplicación suficientemente amplia. El equilibrio entre el aumento de la capacidad de los equipos de formación de canales y la complejidad de los equipos terminales en las comunicaciones por cable aún no se ha inclinado a favor de la primera solución. Codificación de voz en sistemas de radio celular digital Se abrieron perspectivas completamente diferentes a finales de los años 1980 y principios de los 1990, cuando comenzaron a desarrollarse los sistemas de comunicación por radioteléfono digital celular. A diferencia de las redes cableadas, donde la expansión de la capacidad es posible mediante el tendido de nuevas líneas, es decir, la renovación de los recursos de capacidad, en las redes de radio existe una estricta ley de hacinamiento en el aire y hay que lidiar con un recurso no renovable. de radiofrecuencias. Es cierto que la idea de la comunicación celular es precisamente renovar el recurso de radiofrecuencia repitiendo la frecuencia de transmisión en un área a la que no llega una señal de la misma frecuencia de una estación de radio perturbadora. Pero las posibilidades de tal renovación de recursos también aquí son limitadas, por lo que se justifica una mayor complejidad del equipamiento para reducir la velocidad de transmisión. Por ejemplo, en el sistema de comunicación digital celular GSM adoptado en la mayoría de los países europeos, las velocidades de transmisión de voz estándar son 13 y 6,5 kbit/s. Para implementar un sistema de transmisión de este tipo, fue necesario recurrir a la antigua idea de la máquina de Euler y una penetración más profunda en el mecanismo de producción del habla. Como se sabe, uno de los resultados más importantes de la teoría moderna de la transmisión de información es la recomendación de separar los problemas de codificación de fuente y codificación de canal. La tarea de codificar la fuente de información incluye describir el mensaje transmitido de la forma más económica, es decir, eliminar la redundancia en el mensaje. El mensaje comprimido resultante se vuelve más vulnerable a las interferencias y puede dañarse durante la transmisión. Por lo tanto, después de codificar la fuente, se utiliza la codificación de canal, cuya tarea es proteger el mensaje transmitido de interferencias. La codificación de canales requiere introducir en el mensaje transmitido cierta redundancia, pero no aleatoria, que estaba presente en el mensaje original, pero que está estrictamente justificada teóricamente y que garantiza la calidad de transmisión especificada. Hasta ahora, sólo hemos considerado problemas de codificación fuente, que ahora abordaremos desde una posición más general. Así, existe una versión digital de una señal de voz analógica, es decir, una función que describe, por ejemplo, la ley del cambio de la corriente a lo largo del tiempo. Debería intentar eliminar la redundancia de dicha señal. Este problema se puede solucionar de varias formas. Una de ellas es intentar encontrar la redundancia mediante un análisis puramente matemático de la función en cuestión. Otra forma de solucionar el problema es analizar las características acústicas de esta función (desde el punto de vista de su percepción por los órganos auditivos). Finalmente, se puede buscar redundancia modelando el propio proceso de producción del habla. Es el último de estos métodos el que ha encontrado aplicación en los modernos sistemas de comunicación por radio digitales. El mecanismo de formación del sonido del habla consiste en que el sonido rico en armónicos de las cuerdas vocales, cambiando su fuerza y frecuencia fundamental, se procesa posteriormente en la cavidad bucal. Este último funciona, en primer lugar, como un resonador que, cuando se vuelve a sintonizar, resalta ciertas frecuencias, formantes que determinan las diferencias entre los sonidos de las vocales. En segundo lugar, los movimientos de la lengua, los dientes y los labios modulan el sonido produciendo diferentes consonantes. En la década de 1930, se construyó en los Laboratorios Bell Telephone (EE. UU.) una máquina basada en la idea de Euler, cuyos principios de funcionamiento se basaban en intentos de simular el funcionamiento de los órganos del habla humanos. Para sintetizar el habla en el extremo receptor de un sistema de comunicación, necesita un generador de audiofrecuencia con un espectro rico, un generador de ruido blanco, un conjunto de filtros de formantes (su número es pequeño, ya que hay pocos sonidos vocales y cada uno de ellos está bastante bien definido por dos formantes) y circuitos moduladores. Al tener un conjunto de equipos de este tipo en el extremo receptor, es posible transmitir no una señal de voz a través del canal de comunicación, sino solo comandos que controlan el proceso de síntesis de voz. Por tanto, la tarea práctica se reduce a encontrar una manera de generar los comandos necesarios. Este es precisamente el problema que están resolviendo los diseñadores de teléfonos móviles. En el sistema GSM de las primeras versiones, el flujo digital original de la señal de voz con una velocidad de transmisión de 104 kbit/s se divide en bloques separados de 160 muestras, que se graban. Cada uno de estos bloques tarda un periodo de tiempo de 20 ms (es decir, se almacenan secuencias de 160x13 = 2080 bits). Se analizan las secuencias grabadas, como resultado de lo cual para cada una de ellas se encuentran ocho coeficientes de filtrado que determinan las resonancias correspondientes y la señal de excitación. Es esta información la que se transmite al receptor, que reproduce la señal de voz original de él, de manera similar a como ocurre en los órganos del habla humano (este órgano se ajusta, por así decirlo, mediante ocho parámetros, y luego, cuando se excita , se obtiene sonido). Sin embargo, el análisis mencionado cubre períodos de tiempo relativamente cortos y no puede detectar sonidos de vocales largas que abarquen bloques adyacentes. Por lo tanto, la predicción de largo alcance se utiliza para eliminar la redundancia en la pronunciación de vocales largas. Para ello, el transmisor almacena secuencias transmitidas con una duración de 15 ms, con las que se comparan las secuencias actuales. De las ya transmitidas, se selecciona la secuencia que tiene la mayor correlación con la actual (es decir, que es más similar a la actual), y solo se transmite la diferencia entre las secuencias actual y seleccionada. Dado que el receptor conoce las secuencias grabadas en el transmisor, sólo es necesario transmitir un puntero con cuál de las secuencias grabadas se comparó. De esta manera se consigue una reducción adicional del volumen de información transmitida. El resultado del procesamiento descrito es un bloque de señal de voz digital con una duración de 20 ms, que contiene 260 bits y que tiene una velocidad de transmisión de sólo 13 kbit/s (es decir, ocho veces menor que la original). El procedimiento descrito se denomina excitación de pulso regular con predicción a largo plazo (la abreviatura en inglés PRE-LTR, que significa excitación de pulso regular - predicción a largo plazo). En la siguiente etapa, entra en juego la codificación de canales, cuya tarea es proteger contra interferencias en el canal de comunicación. Las técnicas de codificación modernas se basan en ideas profundas del álgebra y la teoría de la probabilidad. A partir de estas ideas se han desarrollado diversos y muy eficaces métodos de codificación que solucionan problemas concretos en cada caso concreto. Nos limitaremos aquí a un breve examen de algunas de las ideas utilizadas en el sistema GSM. La protección de código puede servir sólo para detectar el hecho de que se ha producido un error o para corregir los errores que se han producido. La primera opción es mucho más fácil de implementar, pero también menos útil, ya que en este caso es necesario solicitar una retransmisión del bloque de mensajes en el que se detectó el error, o en caso contrario tener en cuenta la presencia del error. Debido a que los bits individuales en la señal de voz digital producida por los procedimientos de codificación de fuente descritos anteriormente no tienen la misma importancia, se dividen en tres subclases y están sujetos a diferentes métodos de protección durante la codificación de canal. De los 260 bits del bloque resultante, los más importantes son los bits que transportan información sobre los parámetros de filtrado, la amplitud de la señal del bloque y los parámetros de predicción a largo plazo. Estos dígitos pertenecen a la denominada subclase Ia (50 dígitos). Luego está la subclase Ib (132 bits que contienen punteros e información sobre pulsos de excitación regulares, así como algunos parámetros de predicción a largo plazo). Los 78 dígitos restantes se clasifican como Clase II.
Para proteger el bloque descrito, se utilizan dos métodos de codificación. En primer lugar, el código de bloque se utiliza para detectar errores que permanecen sin corregir. Este código pertenece a la clase de los cíclicos, en los que cada combinación de códigos se obtiene mediante permutación cíclica de elementos. Cuando se codifica con este código, se añaden tres bits de verificación más a los bits de la subclase Ia, mediante los cuales el decodificador puede detectar si esta subclase contiene errores no corregidos. Si el decodificador detecta errores de transmisión en bits de subclase Ia, se descarta toda la trama de conversación de 260 bits. En este caso, el fotograma perdido se reproduce mediante interpolación basada en información sobre el fotograma anterior. Se ha comprobado que con esta solución la calidad de transmisión es mejor que en el caso de reproducir bits erróneos de la subclase Ia. En segundo lugar, se aplica un código convolucional de corrección de errores. Este nombre del código se explica por la operación matemática de convolución, aplicada a funciones que describen el procesamiento de la secuencia codificada de bits. A diferencia de un código de bloque, un código convolucional es continuo en el sentido de que cuando se utiliza, los procesos de codificación y decodificación no se realizan en bloques fijos, sino en una secuencia de símbolos que se ejecuta continuamente. El código convolucional se aplica tanto a los bits de la subclase Ia junto con los bits de control como a los bits de la subclase Ib. Estas dos secuencias se combinan y aumentan en cuatro bits (ver más abajo en la Fig. 2), tomando valores cero. Estos últimos sirven para devolver el codificador a su estado original una vez completada la codificación. El código utilizado se caracteriza por los parámetros r=1/2 y K=5. El coeficiente r = 1/2 indica que por cada dígito que llega a la entrada del codificador, se obtienen exactamente dos dígitos en la secuencia codificada, y K = 5 indica la longitud de la conexión sobre la cual se aplica la operación de convolución. Estas características pueden entenderse a partir del esquema de codificación convolucional mostrado en la Fig. 1, que también muestra un circuito de suma módulo 2 (operación lógica "O exclusivo"). Por lo tanto, como resultado de la codificación, se obtienen 189 bits de los 378 bits entrantes y se les agregan bits de clase II desprotegidos, lo que da como resultado una longitud total de bloque de 456 bits (Fig. 2). Esto equivale exactamente a ocho subbloques de 57 bits. A partir de tales subbloques se forman ráfagas de transmisión de radio por división de tiempo.
Este artículo está dedicado a las cuestiones de la codificación de señales de voz y, como se desprende de lo descrito, el procesador ubicado en un teléfono pequeño representa una cantidad bastante grande de procesamiento digital. Sin embargo, esto está lejos de ser el final de las tareas del procesador. Como usted sabe, en lugar de transmitir voz, el sistema de comunicación celular le permite organizar un canal de transmisión de datos, que está codificado de acuerdo con reglas completamente diferentes. Pero, además de los canales lógicos para transmitir información útil (paga), un teléfono celular organiza una gran cantidad de canales lógicos para transmitir señales de control. Cada uno de estos canales lógicos está sujeto a requisitos de codificación de información específicos y, en consecuencia, cada uno de dichos canales contribuye con su parte a la carga del procesador. En la figura se da una idea general de los esquemas de codificación, así como de la formación de destellos para la transmisión de todos los canales lógicos en un sistema de comunicación radiotelefónica. 3.
Aquí, en el nivel superior, se muestran diez canales lógicos diferentes, indicando los tamaños de los bloques de mensajes en estos canales (en forma de números específicos o designaciones de letras (P0, N0, etc.) donde estos números pueden cambiar). El siguiente nivel muestra la primera etapa de codificación para diferentes canales lógicos, indicando el número de bits de la secuencia original y la secuencia obtenida después de la codificación. Si bien se utiliza un código cíclico de detección de errores para el canal de voz, se utilizan varios códigos cíclicos de corrección de errores para los canales restantes, incluido el código cíclico de Fire, que corrige una serie de errores. En la segunda etapa de codificación, se aplica el código convolucional ya mencionado. A continuación (etapa 3), para distribuir los 456 bits resultantes en flashes individuales (cada uno con dos bloques de 57 bits), se utilizan las operaciones de mezcla de bits y reorganización de bloques (transposición directa o diagonal). La cantidad total de procesamiento de señales en un teléfono móvil asciende a millones de operaciones por segundo. Así, a diferencia de un teléfono normal, un teléfono móvil es un ordenador en miniatura pero muy productivo. Por un lado, analiza "su" señal de voz, desarrollando comandos de control para la síntesis del habla en el aparato del interlocutor, y por otro lado, esta computadora implementa la idea de Euler, sintetizando el habla del interlocutor utilizando comandos de control provenientes del canal de comunicación. Autor: V. Neumann, prof., doctor en tecnología. Ciencias, Moscú
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