ОСНОВЫ ПЕРЕДАЧИ QAM11.07.2007 | Справочная информация QAM – (Quadrature Amplitude Modulation – Модуляция методом Квадратичных Амплитуд) – это технология передачи цифрового информационного потока в виде аналогового сигнала. Это достигается путем разделения несущей волны на две несущие одинаковой частоты сдвинутые относительно друг-друга на 90о, каждая из которых промодулирована по одному из двух или более дискретных уровней амплитуды. Комбинация всех уровней амплитуды на этих двух несущих представляет собой бинарную битовую картину. <!--[if !vml]-->  

I и Q компоненты – это две половины битовой картины цифрового потока передаваемые одновременно, как уровни напряжения двух идентичных частотных несущих сдвинутых на 90о. Компонента I (incident) модулирует несущую без сдвига фазы. Компонента Q (quadrature) модулирует несущую со сдвигом 90о (смотри Рисунок 1).

Рисунок 1: Канстелляционная диаграмма отображающаяI/Q вектор. Траектория вектора, описывая кривую во времени, проходит через точки 10, 01, 10, 00.QPSK – (QuadraturePhaseShiftKeying – Кодирование методом Квадратичного Фазового Сдвига) – это простейшая формаQAM (также известная как 4-QAM).QPSK использует две несущие одинаковой частоты, сдвинутые на 90о, и два возможных уровня амплитуды. Один уровень амплитуды соответствует 0, другой – 1 (смотри Рисунок 1).  Канстелляционная диаграмма (или диаграмма-созвездие) – это карта, или квадратная матрица, в которой уровни амплитуды I и Q компонент QAM сигнала отображены в виде значащих точек в квадратной системе координатI х Q.КоординатаI определяет горизонтальную позицию точки, а Q– вертикальную (смотри Рисунок 2). Канстелляционная диаграмма в этой матрице образуется из горизонтальных и вертикальных линий (будь то прорисованных или же просто воображаемых) соединяющих возможные значения компонент I и Q. Целочисленное значение каждой полученной точки определяется ячейкой матрицы в которую она попадает. Ошибка определяется как выпадение измеренной точки из ячейки. 16-QAM диаграмма – это 4х4 матрица, в которой каждая из 16 ячеек представляет одну из 16 возможных бинарных комбинаций. Вертикальное и горизонтальное положение каждой точки соответствует I и Q уровням амплитуды сигнала переданного ч течение одного цикла. 64-QAM диаграмма представлена на Рисунке 2.

 

1

Рисунок 2: 64-QAM Констелляционная диаграмма. Анализ Канстелляционной диаграммы QAMВнешний вид значащих точек в ячейках канстелляционной диаграммы может дать ключевую информацию о том что происходит при передаче сигнала. Далее приведен перечень типичных диаграмм и соответствующий им диагностика.

 Плохое отношение Сигнал/Шум – картинка пока отличная, но дальнейшая деградация сигнала приведет к полной потере картинки. Расплывчатый образ точки занимает практически всю ячейку.

Интермодуляционная картина («шумы ингрессии») – по причине когерентного шума в каждой ячейке образуются концентрические картинки.

Фазовый Сдвиг – возникает из-за остаточных радиочастотных помех, которые обычно являются проблемой головного оборудования. Точки в ячейках искажены таким образом что возникает визуальный эффект сферической симметрии относительно центра диаграммы.

Нелинейность амплитудной характеристики – вызвана нелинейностью промежуточных и высокочастотных усилителей, фильтров, конвертеров и эквалайзеров. Точки сдвинуты относительно центра ячейки по осям I и Qпропорционально расстоянию ячейки от центра диаграммы.

2

IQ нестабильность – связана с проблемами усилителей несущей частоты, фильтров и цифровых модуляторов головных станций.

Уход несущей – является следствием дисбаланса в смесителе модулятора или наличия паразитного постоянного тока в системе передачи. Вся картинка сдвинута в одном направлении. Требования к отношению Сигнал/Шум при высокой скорости передачи Достоинство высоких значений номера QAM – это повышенная скорость передачи данных, поскольку таким образом большее количество битов информации может быть передано в течении одного цикла. Однако, с другой стороны, в этом случае большее число уровней амплитуды сигнала располагаются близко друг к другу, повышая тем самым вероятность неразличимости двух уровней, и как следствие – повышая чувствительность системы к шуму. Таким образом, высокие значения номера QAM более требовательны к параметру CNR (Carrier Noise Ratio – Отношение Сигнал/Шум). На рисунке 3 представлено отношение параметра CNR к другому параметру – BER (Bit Error Rate – Отношение Бит/Ошибка)

Рисунок 3: Отношение CNR к BER.

BER,NPR, FEC, MERBER (Bit Error Rate – Отношение Бит/Ошибка) – это подсчет неправильно полученных битов информации. Если точнее – это количество ошибочно принятых битов разделенное на общее количество переданных битов. Оно может быть выражено и в дБ, но обычно выражается в формате 10-х. Например, 10-9 означает что один ошибочный бит был принят в при получении потока информации объемом в 1 миллиард битов. NPR (Noise Power Ratio – Отношение Шум/Мощность) – это технология измерения соотношения Сигнал/Шум в аналоговых устройствах, работающих в режимах QAM или QPSK. Поскольку эти режимы имеют частотный спектр в виде Гауссового шума, NPR-тест производится путем подмены сигнала эквивалентной полосой белого шума. Ближе к середине полосы эта шумовая «зарубка» (обычно 4 МГц) опускается. Когда полоса шума пускается через устройство, глубина «зарубки» определяется несколькими факторами: термическим шумом, «шумоподобными продуктами» сигнала и т.п. (смотри рисунок 4).

3

Рисунок 4: Типичный вид кривой NPR.FEC (Forward Error Correction – Упреждающая Коррекция Ошибок) – это программная технология для определения и устранения ошибок в цифровой передаче данных. Это сложная и затратоемкая (по мощности процессора), однако необходимая задача – упреждать потерю битов информации – позволяет улучшить качество картинки.MER (Modulation Error Ratio – Отношение Модуляция/Ошибка) – это величина отклонения полученной модуляции (по амплитуде и/или фазе) от переданной (смотри рисунок 5).

Рисунок 5: Определение MER.При увеличении MER до величины при которой точки попадают на границы ячейки или за них, BER резко возрастает. Далее, когда BER превысит способность FEC корректировать ошибки, произойдет сбой передачи. Практически на точке срыва, качество картинки все еще будет отличным, не предвещая близящийся сбой. Это явление известно как «эффект срыва», когда все хорошо вплоть до того . Это характерная сложность длянеожиданного момента, когда все уже плохо цифровой передачи – когда вы смотрите на картинку, невозможно знать когда произойдет срыв. 

Base Station Identity Codeидентификационный код б).азовой станции. Местный 6-битовый код, с помощью которого MS могут различать несколько соседних BTS. Состоит из NCC и BCC (у одной BTS может быть несколько BCC

NCCцветовой код сети. Часть BSIC. 3-битовый код, с помощью которого можно различать соседние PLMN.

BCC1. BSS central controllerцентральный контроллер BSS. Является мультипроцессорной системой. Содержит основной CPU, обеспечивающий вычислительную мощность для операционной системы и всех центральных задач, а также группу ведомых процессоров для выполнения периферийных задач и для связи между компонентами BCE.

MS1. Mobile Stationмобильная станция. Часть RSS, предназначенная для доступа к набору телекоммуникационных служб GSM PLMN. Такой доступ может осуществляться в то время, когда это оборудование (способное к сухопутному перемещению в пределах зоны обслуживания GSM) находится в движении или останавливается в заранее не оговоренных пунктах. MS не является неотъемлемой частью D900/D1800.2. Mobile Subscriberмобильный абонент: абонент в сети PLMN. Абонент обозначается с помощью модуля идентификации абонента (SIM), в котором хранится международный идентификационный номер мобильного абонента (IMSI).

BTSBase Transceiver Stationприемопередающая базовая станция. Радиостанция, поддерживающая радиоинтерфейс между сетью D900/D1800 и MS. BTS распределены по всей зоне обслуживания PLMN. Одна BTS может обслуживать одну или несколько радиосот. BTS управляется контроллером базовых станций (BSC) и может содержать один или несколько приемопередатчиков (TRX).2. BTS Color Codeцветовой код BTS. Часть BSIC. 3-битовый код, позволяющий различать различные РЧК, использующие одну и ту же частоту в соседних кластерах сот.

RSS

4

Radio Subsystemподсистема радиооборудования. Отвечает за выполнение функций физического уровня в BS и MS. Обеспечивает различные виды каналов передачи, а также функции многостанционного доступа, модуляции, кодирования и т. д.

BS1. base stationбазовая станция. Общий термин, используемый для описания оконечного оборудования радиоинтерфейса стационарной части сети мобильной связи.2. bearer serviceслужба канала передачи данных.Тип телекоммуникационных служб, позволяющий передавать сигналы между интерфейсами "пользователь-сеть".

PLMNPublic Land Mobile Networkсеть связи общего пользования наземных мобильных объектов. Сеть, организованная и эксплуатируемая той или иной администрацией или лицензированной(ыми) ей компанией(ями)- оператором(ами) исключительно с целью предоставления всем пользователям без ограничений услуг наземной мобильной связи. Обеспечивает мобильным пользователям возможности связи друг с другом. Для связи между мобильными и фиксированными абонентами необходимо взаимодействие с фиксированной сетью.

Base Station Systemсистема базовых станций. Часть RSS, обеспечивающая все функции передачи и управления, необходимые для покрытия зоны обслуживания. Включает BTS, распределенные по всей зоне обслуживания, и управляющие ими BSC. Оборудование BSS рассматривается MSC как объект, ответственный за осуществление связи с мобильными станциями в определенной области. Радиооборудование BSS может охватывать одну или более сот. Функциональные возможности BSS описаны в рекомендации GSM 08.02.

BCE1. Base Station Central Equipmentосновное оборудование базовой станции2. BSS Central Equipmentосновное оборудование системы базовых станций3. Bearer Capability Elementэлемент возможностей канала передачи данных

BSC1. Base Station Controllerконтроллер базовых станций. Интеллектуальная часть BSS, служащая для управления одной или несколькими BTS, управления радиоресурсами, управления радиоканалами, местного управления соединениями, а также выполняющая функции безопасности.2. Base Station Codeкод базовой станции

MSCMobile Services Switching Centerцентр коммутации мобильной связи. Функциональный элемент в сети мобильной связи, обеспечивающий коммутирование, маршрутизацию, биллинг, расчеты между компаниями-операторами, а также выполнение задач по управлению сеансами связи. MSC представляет собой интерфейс между базовыми станциями, другими MSC и фиксированными сетями, например, PSTN.

PLMNPublic Land Mobile Networkсеть связи общего пользования наземных мобильных объектов. Сеть, организованная и эксплуатируемая той или иной администрацией или лицензированной(ыми) ей компанией(ями)- оператором(ами) исключительно с целью предоставления всем пользователям без ограничений услуг наземной мобильной связи. Обеспечивает мобильным пользователям возможности связи друг с другом. Для связи между мобильными и фиксированными абонентами необходимо взаимодействие с фиксированной сетью.

Что такое децибел? Что же означают эти странные буквы dB?При измерения параметров различной радиоаппаратуры (систем телефонии в частности) трудно представить себе ситуации, в которых Вам недостаточно основных единиц мощности, силы тока и напряжения. Ватт, Ампер и Вольт должны удовлетворить всех и везде. Было бы желание. Хуже, если ситуация вынуждает Вас использовать внесистемные единицы; тогда приходится разбираться, иногда даже напрягать мозговые извилины. В свое время (давно, однако) была введена очередная единица под названием "Бел" - в честь американского ученого A.G. Bell, (1847-1922гг). Бел [Б] - единица логарифмической величины, служащая для измерения разности уровней одноименных энергетических (мощность, энергия и т.п.) или силовых (напряжение, сила тока и т.п.) величин. Из-за крупности единица "Бел" не нашла широкого применения, а вот её десятая доля (0.1 Б) прочно заняла своё место в практике измерений. Как известно, для десятой доли используется приставка Деци-, поэтому дольную единицу звали

5

ДЕЦИБЕЛ [дБ ][dB]. Далее нам потребуется знание элементарной математики. Кто помнит о логарифмах, может пропустить этот абзац. Десятичный логарифм числа N - это показатель степени X, в которую нужно возвести число 10, чтобы получить число N(10^X=N или lgN=X). Свойства логарифмов: lg(A*B) = lgA +l gB lg(A/B) = lgA - lgB lg(A^m) = m * lgA Например, дана величина разности мощности равная 1 Белл. Это значит, что:Dp = lgP2 - lgP1 =1 [Б] или lg(P2/P1) = 1 или P2/P1 = 10^1 =10т.е. мощности различаются в 10 раз. Децибел требует больше математики, чем Бел, т.к. для вычисления её как единицы необходимо логарифм умножать на 10: Dp = 10 lg (P2/P1) [дБ] или [dB] Не трудно подсчитать, что изменение мощности (P2/P1) в 1.25893... раза составит 1 [дБ]. На практике проще измерить напряжение или силу тока, тогда выражение приобретает вид(после подстановки мощности в этих величинах через закон Ома): Du = 10 lg(U2^2/U1^2) =10 lg(U2/U1)^2 = 10*2lg(U2/U1)=20lg(U2/U1) [дБ] Di = 20 lg(I2/I1) [дБ] Приращение напряжения (или силы тока) в 1.122 раза составляет также 1 [дБ]. В децибелах выражают также конкретные значения мощности, напряжения, силы тока и т.п., приняв условно за нулевой (начальный, исходный, reference) уровень какое-либо определенное значение. Чаще всего выбирают мощность P0=0.001 [Вт]=1 [мВт], рассеиваемую на сопротивлении 600 [Ом], тогда мощности 1мВт соответствует напряжение U0=0.775 [В] и ток I0=1.29 [мА]. Такую единицу называют Децибел-милливаттом и обозначают [дБм] или [дБ(мВт)],[dBm]. В этом случае единицу вычисляют по формуле: Dp0=10 lg(P/P0)=10lgP- 10lgP0=10lgP-10lg0.001=10lgP+30 [дБм]. Du0=20 lg(U/U0)=20lg(U/0.775) [дБм] Di0=20 lg(I/0.00129) [дБм] В некоторых случаях можно встретить другие спецДецибелы, которые используют нулевой уровень 6 мВт или 12.5 мВт на сопротивлении 500 Ом, а в акустике за нулевой уровень принимают пороговую величину интенсивности, обнаруживаемую человеческим ухом (I0=10E-12 [Вт/м^2]. Очевидно, что перевод децибел в другие единицы возможен только в том случае, если известно по какой формуле они вычислены. В настоящее время рекомендуется употреблять Децибел только для измерения уровня мощности, при этом для конкретности в скобках ставить нулевой (reference) уровень, например, Dp = 5 [дБ(re 1 мВт)] соответствует мощности P= 10^(5/10)/1=3.162 [мВт]. В радиотехнике, кроме того, применяют следующие типы децибелл:- dBi - изотропный децибел. Характеризует идеальную антенну, у которой дипграмма направленности выглядит в виде идеальной сферы. Как правило, если не оговорено специально, характеристики усиления реальных антенн даются именно относительно усиления изотропной антенны. То есть, когда Вам говорят, что коэффициент усиления какой-то антенны равен 12 децибелл, подразумевается 12 dBi.- dBd - дипольный децибел. Так как КУ диполя составляет 2.14 dBi, то в качестве дополнительной величины было принято:dBd = dBi - 2.14Так как реализовать идеальную изотропную антенну невозможно, то dBd на практике выглядит более предпочтительным, так как позволяет получить сравнительную характеристику с самой простой реализуемой антенной - диполем.Кроме децибелла, существует еще одна, иногда встречающаяся, логарифмическая величина, называемая неппером (Нп). Она связанна с децибеллом простыми выражениями:1 нп = 8.69 db1db = 0.115 нп

Таблица перевода dBm в ватты

6

При измерениях чего-то (например, напряжения) мы обычно думаем в прямых единицах (в вольтах). Но иногда более предпочтительно использовать относительную шкалу. В этом случае, наиболее часто используемой единицой измерений является децибел (дБ) - мощный инструмент, приводящий в замешательство начинающих. При знании происхождения этого термина и одного простого правила, затруднения могут быть исключены, а значение величины, выраженной в децибелах, может быть понято.Александр Грехэм Белл стал известен благодаря изобретению телефона. Менее известны его работы по определению порога слышимости. В 1890 году он основал Ассоциацию глухих и плохо слышащих, которая действует до сих пор. Он был первым ученым, который количественно определил чувство слуха и установил, что слуховая восприимчивость зависит не от реального уровня мощности звуковой волны, достигающей нашего уха, а от ее логарифма.Белл обнаружил, что порог слышимости ребенка составляет около 10-12 Вт/м2, а уровень, при котором возникают болевые ощущения - около 10 Вт/м2. Таким образом, диапазон громкости, нормально воспринимаемой человеком, составляет 13 порядков!Исходя из полученных значений, Белл определил шкалу звуковой мощности от 0 до 13. Единицы громкости этой шкалы называются белами (последнее "л" от его фамилии было отброшено). Уровень звука тихого шепота составляет около 3 белов, а нормальной речи - около 6 белов.Поскольку ощущение громкости базируется на логарифмической шкале уровня мощности, то преобразование между мощностью и громкостью по шкале Белла выглядит следующим образом: громкость (в белах) = log(P1/P0), где P0 - порог слышимости звука.Следовательно, уровень звука в 4 бела соответствует звуковой мощности, равной 104•P0.Бел стал фактически стандартной единицей измерения логарифма отношения двух энергетических уровней: отношение, выраженное в белах, есть log(P1/P0), т.е. увеличение на 3 бела соответствует увеличению в 1000 раз. Если новое значение убывает, то логарифм отношения становится отрицательным. Чтобы сделать обратное преобразование необходимо 10 возвести в степень, равную белам.Важнейшая особенность белов состоит в том, что они относятся только к отношению двух мощностей или двух энергий. Если же есть необходимость описания отношения двух амплитудных сигналов, например, напряжений, то возможно лишь опираться на отношение мощностей, ассоциированных с этими напряжениями. Мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока: V2 и I2.Отношение двух напряжений, выраженное в белах, связано с отношением их мощностей: log(P1/P0) = 2log(V1/V0). Следовательно, отношение напряжений равно V1/V0 = 10(белы/2).Стало достаточно общим выражать отношение в десятых долях бела или в децибелах (дБ). Отношение двух мощностей в дБ равняется 10log(P1/P0), а напряжений - 10•2log(V1/V0). Для получения отношения напряжений необходимо выполнить преобразование V1/V0 = 10(дБ/20).Порой достаточно мудрено определить, что считать амплитудной величиной, а что энергетической. Напряжение, ток, импеданс, напряженности электрического или магнитного полей и размахи любых волновых процессов считаются амплитудными величинами. Когда происходит измерение в децибелах, то вычисляется логарифм отношения квадратов этих величин. Энергия, мощность и интенсивность являются энергетическими величинами, и в отношении логарифма они используются непосредственно.Например, 5% напряжения одной цепи передается в другую цепь. Отношение напряжений в этом случае равно 0,05. Для измерения в децибелах необходимо взять логарифм отношения напряжений, умножить его на 2, чтобы получить отношение в белах, а затем умножить на 10 для получения отношения в дБ: 20log(0,05) = -26 дБ связи между сигналами.

7

dBm mW dBm mW

0 1,0 15 32

1 1,3 16 40

2 1,6 17 50

3 2,0 18 63

4 2,5 19 79

5 3,2 20 100

6 4,0 21 126

7 5,0 22 158

8 6 23 200

9 8 24 250

10 10 25 316

11 13 26 398

12 16 27 500

13 20 28 630

14 25 29 800

В таблице приведены некоторые, часто используемые значения в децибелах и отношения амплитуд и мощностей.

Отношение амплитуд Отношение мощностей Значение в дБ

0,7 0,5 -3

0,5 0,25 -6

0,3 0,1 -10

0,1 0,01 -20

0,05 0,003 -25

0,01 10-4 -40

0,001 10-6 -60

ОБ ИЗОТРОПНОМ ИЗЛУЧАТЕЛЕ.Развернувшаяся в ФИДО полемика об изотропном излучателе как всегда, показала неоднозначность толкования простых истин и заставила снова сесть за клавиатуру. Предпосылкой полемики стало заявление о десятках реально существующих конструкций изотропных излучателей. Как известно, усиление антенн часто сравнивается с усилением изотропного или идеального излучателя (и то и другое имеет один и тот же смысл.) и существует соблазн построить изотропную антенну в качестве измерительной. Однако это невозможно.Так почему невозможно построить "изотропный излучатель"?Для начала еще раз определимся с понятием "изотропный излучатель". Наиболее часто встречается простое  определение – «излучатель со сферической диаграммой направленности». Верно ли это определение?Нет, и вот почему: Антенна, имеющая абсолютно  сферическую диаграмму направленности имеет коэффициент направленного действия (КНД) равный 1.Неоспоримый факт, подтверждается законами геометрической оптики, на основе которых строятся расчеты антенн. Коэффициент направленного действия зависит только от диаграммы направленности и не учитывает электрические потери в земле, близко расположенных предметах, потери в элементах антенны и т.д. Эти потери для разных антенн будут совершенно различны. И даже одна  и та же антенна на разных высотах над землей будет иметь разные потери. Но поскольку речь при измерении (сравнении) параметров антенн идет не о КНД, а о коэффициенте усиления (КУ),  при этом утверждается, что изотропный излучатель имеет КУ равный 1 (0 дБ). Не влезая в «дебри» антенной теории, прошу поверить на слово, это так на самом деле.Вспомним зависимость КНД и КУ.              G = ηDГде:       G – коэффициент усиления антенны,             η – КПД антенны,               D – коэффициент направленного действия. Итак, коэффициент усиления равен произведению коэффициента направленного действия на коэффициент полезного действия (КПД). Чтобы коэффициент усиления антенны со сферической диаграммой направленности был равен 1, КПД тоже должен быть равен 1.Возможно ли сооружение антенны с КПД равным 1? Конечно же, нет.Таким образом, доказана невозможность построения "изотропной антенны". А все что считается изотропным излучателем, может носить определение только как "Антенна с почти сферической диаграммой направленности". В зависимости от конструкции, коэффициент ее усиления будет примерно равен коэффициенту полезного действия. "Примерно" только потому, что КНД тоже никогда не будет равен 1.Теперь найдем другое определение понятия "изотропная антенна": "Изотропной антенной  считается гипотетический излучатель, имеющий сферическую диаграмму направленности и не имеющий потерь" Именно такое понятие изотропной антенне дано Айзенбергом. "Не имеющий потерь" как раз и говорит о КПД = 1. "Гипотетический" можно заменить словом "виртуальный" т.е. "реально не существующий". Очень жаль, что определение не характеризует диапазонные свойства антенны, но сам собой напрашивается вывод, что такая антенна должна быть вседиапазонной или, по крайней мере - широкополосной. Конечно же, такое сочетание требований к антенне еще раз подтверждает невозможность ее реального воплощения в обозримом будущем.Теперь появилась проблема: Раз не существует изотропная антенна, относительно чего теперь измерять коэффициент усиления?Все в нашем мире относительно, поэтому измеряйте относительно того, что вам доступно, поскольку даже такая величина как "коэффициент усиления относительно полуволнового диполя" может применяться только тогда, когда  "диполь находится в свободном пространстве".В любом другом случае усиление диполя будет заведомо меньше и усиление сравниваемой с ним антенны будет выше, чем реальное. Чем хуже сделан диполь и чем ниже его реальный КПД, тем более высокие результаты вы получите от сравниваемой с ним антенны.

8

А вообще, не выпячивая грудь и не попадая впросак, лучше всего говорить не о реальном, а о расчетном коэффициенте усиления антенны. Или об усилении относительно той реальной антенны, какую можете построить в качестве эталона.А как же тогда измеряется усиление относительно «изотропа»?Измерить реальный коэффициент усиления можно, но для этого нужно иметь специальные измерительные антенны, калиброванные измерители напряженности поля, а это радиолюбителям почти недоступно. Да и процесс измерения не такой простой.Для расчета коэффициента усиления антенны необходимо знать: Подводимую к антенне мощность, расстояние до измерительной антенны и напряженность поля или плотность потока мощности в точке измерения. Разумеется, далеко не каждому радиолюбителю доступны приборы для измерения напряженности поля или плотности потока мощности. При расчетах сначала рассчитывается (именно рассчитывается) напряженность поля от гипотетического изотропного излучателя в точке измерений, а затем эта величина сравнивается с напряженностью поля в той же точке при работе реальной антенны с той же подводимой мощностью. Изотропный излучатель при этом строить не нужно, достаточно только сделать расчет напряженности поля, подставив в формулы КНД=1 КПД=1 и КУ=1 и реально измеренное значение подводимой мощности. Естественно, такие расчеты и измерения не каждому по плечу. Поэтому в любительских условиях проще "снять" диаграмму направленности и добиться тех параметров, которые вас интересуют, например, полоса пропускания, подавление заднего или бокового лепестков, максимума усиления антенны.Помните, что при максимальном усилении нельзя добиться максимальной широкополосности и подавления, и наоборот - при максимальном подавлении усиление будет далеко не максимальным. Так что выбирайте только один максимальный параметр или идите на компромисс. А уж чего добились, тем и гордитесь. Но не говорите никогда и никому, что усиление вашей антенны "измерено относительно изотропного излучателя" и тем более не говорите, что вы этот излучатель сами и построили.

ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНИКУ АНТЕНН2. ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН

При рассмотрении параметров антенн, как правило, не делается различия между передающими и приемными антеннами. Однако более наглядно изучать параметры на примере антенн, работающих в передающем режиме.   Поляризационные параметры антеннАнтенны характеризуются ближней и дальней зонами излучения. Все параметры антенн относятся к дальней зоне излучения, где излучаемая антенной волна считается плоской волной с поперечными ортогональными составляющими электрического поля и магнитного поля .

Под поляризацией волны понимается ориентация в пространстве вектора электрического поля . В общем случае если вектор (и, соответственно, вектор ) при распространении волны остается параллельным самому себе, то поляризация поля линейна. В частном случае если вектор расположен горизонтально (параллельно земле см. рис.2б), а вектор вертикально (перпендикулярно земле), то волна является горизонтально поляризованной. В случае если вектор расположен вертикально (перпендикулярно земле см. рис.2а), а вектор горизонтально, то волна является вертикально поляризованной.

Рис.2 Если вектора и при распространении волны движутся по окружности (см. рис.2в), то поляризация волны круговая. Различают правое и левое направление вращения. При правом направлении, вращение, например, вектора для наблюдателя, смотрящего вслед волне, происходит по часовой стрелке, при левом направлении – против часовой стрелки. Полный оборот вектор осуществляет при распространении на расстояние равное длине волны в свободном пространстве.Вид поляризации электромагнитной волны, принимаемой или излучаемой антенной, определяется расположением и формой проводников антенны. Так, например, антенна в виде вертикально расположенных линейных проводников (см. рис. 3а) излучает (принимает) вертикально поляризованные волны. Соответственно антенна с горизонтально расположенными проводниками (см. рис.3б) – горизонтально поляризованные волны.

9

а) б)Рис.3Использование антенн с различной поляризацией позволяет уменьшить взаимное влияние радиотехнических систем с близкими рабочими частотами на 10..20 дБ, что в ряде случаев может явиться единственным решением проблемы электромагнитной совместимости.

 

Диаграмма направленностиОдной из основных характеристик антенн является диаграмма направленности (ДН), характеризующая зависимость амплитуды излучаемого поля от угловых координат при неизменном расстоянии от антенны до точки наблюдения. Обычно ограничиваются построением ДН в двух взаимно перпендикулярных E и H плоскостях. Пример ДН показан на рис 4 а, б. По радиусу отложено значение амплитуды излучаемого поля нормированное к значению амплитуды в главном максимуме.

а) Е-плоскость б) Н-плоскость Рис.4 ДН характеризуется следующими параметрами: ·        Ширина главного лепестка в Е и Н плоскостях по уровню 3 дБ (в градусах); ·        Максимальный уровень боковых лепестков Абок(дБ); ·        Максимальный уровень заднего излучения Азд(дБ). Наличие задних и боковых лепестков свидетельствует о том, что антенна излучает радиоволны не только в области главного лепестка, но и в других направлениях, что может создавать помехи другим радиотехническим системам и снижает помехоустойчивость, если антенна работает на прием. Поэтому при проектировании антенн стремятся к уменьшению уровней бокового и заднего излучения.  

Коэффициент усиленияАнтенна, являясь пассивным устройством, излучает в пространство несколько меньшую мощность Ризл, чем та, что поступает на вход антенны Рвх. Это связано с омическими потерями в элементах конструкции антенны. Существуют понятия, коэффициент полезного действия антенны равный

и коэффициент направленного действия, характеризующий способность антенны концентрировать излученную мощность в определенном направлении. Коэффициент направленного действия есть отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемого антенной в данном направлении, (характеризуемом углами jо, qо сферической системы координат), к плотности потока мощности изотропной антенны. При этом считается, что излучаемые мощности равны и точка наблюдения находится на одинаковом расстоянии от антенн. Изотропная антенна - воображаемая антенна, у которой полностью отсутствуют направленные свойства, т.е. пространственная диаграмма имеет вид сферы. Из определения следует, что коэффициент направленного действия является функцией углов j, q и обозначается D(j,q), и не учитывает потерь мощности в антенне, поэтому вводится параметр G, учитывающий эти потери и называемый коэффициент усиления антенны G = D(j,q)h Коэффициент усиления есть отношение среднего (во времени) значения плотности потока мощности, излучаемого антенной в данном направлении (характеризуемом углами jо, qо сферической системы координат) к плотности потока мощности изотропной антенны. При этом считается, что подводимые к входам антенн мощности равны и точка

10

наблюдения находится на одинаковом расстоянии от антенн. При этом предполагается, что h изотропной антенны равен 1. Для практического использования коэффициент усиления обычно представляют графически в полярных координатах от углов j, q для Е и Н плоскостей. По радиусу диаграммы откладывают абсолютную величину коэффициента усиления в дБ, как показано на рис.5а,б. В этом случае диаграмма несет значительно большую информацию, чем диаграмма рис.3а,б. Окружность со значением 0 дБ представляет диаграмму направленности изотропного излучателя.

а) Е-плоскость б) Н-плоскость Рис.5 С помощью диаграммы рис.5 просто определить усиление антенны в зависимости от направления излучения.  

Согласование антенны с фидерным трактомКоличественной характеристикой согласования антенны с фидерным трактом является величина модуля коэффициента отражения по напряжению |Г|, численно равная отношению амплитуды напряжения отраженной волны Uотр к амплитуде напряжения падающей волны Uпад

|Г|-изменяется в пределах от 0 до 1. При |Г|=0 тракт идеально согласован (нет отраженной волны). Вследствие наложения падающих и отраженных волн в фидерном тракте устанавливается некоторое распределение напряжения. Характер этого распределения повторяется по длине кабеля L с периодом lк/2 (см. рис.6), lк – длина волны в кабеле.

Рис.6Отношение Uмакс/Uмин (см. рис.6) называется коэффициентом стоячей волны (КСВ) по напряжению. Именно величина КСВ, как правило, указывается в технических характеристиках антенн. КСВ и |Г| связаны между собой простым соотношением

На что влияет рассогласование антенны с фидерным трактом?а) Уменьшается мощность, излучаемая антенной Ризл в окружающее пространство. Уменьшение излучаемой мощности по отношению к мощности на входе антенны Рвх, выраженное в дБ рассчитывается по формуле

На графике рис.7 показана зависимость Ризл/Рвх от КСВ. Из графика видно, что с увеличением КСВ излучаемая мощность уменьшается и, следовательно, максимальная дальность связи также уменьшится.

11

Рис.7б) Уменьшается мощность, поступающая с выхода передающего устройства на вход антенны. Это уменьшение связано с зависимостью входного сопротивления антенно-фидерного тракта Zвх от КСВ в соответствии с выражением

,

где Z0 - волновое сопротивление кабеля, a = 2pL/lк - электрическая длина кабеля, L - физическая длина кабеля.На графике (рис.8) представлена зависимость активной Re(Zвх) и реактивной Im(Zвх) составляющих от электрической длины для волнового сопротивления Z0 =50 Ом и КСВ = 1,25; 1,5; 2,0.

Рис.8 Длина фидерного тракта, соединяющего приемопередающее устройство с антенной, выбирается из реальных условий эксплуатации и поэтому может иметь место случай, когда Re(Zвх) примет максимальное или минимальное значение (см. рис.8). В этом случае мощность, подводимая к антенне, может изменяться в КСВ2 раз, т.е. при КСВ=1,5 на 3,5 дБ, а при КСВ=2 на 6 дБ. Это может привести так же к уменьшению дальности устойчивой связи. Поэтому при проектировании антенн стремятся к уменьшению КСВ во всем рабочем диапазоне частот до уровня 1,5 и менее. Максимальная подводимая мощностьЭтот параметр относится только к приемопередающим или передающим антеннам и определяет величину максимальной мощности Рмакс, которую можно подвести к антенне не нарушая ее электрической прочности. Для систем связи Рмакс обычно не превышает 100 Вт.

Физические характеристики антенна) Ветровые нагрузки и вибрации. Антенны устанавливаются на мачтовых сооружениях, крышах домов, где ветровые нагрузки достигают максимальных значений. Поэтому конструкция антенны и ее элементы крепления должны быть рассчитаны на скорость ветра до 160 км/час. Кроме того, конструкция антенны должна выдерживать вибрационные нагрузки до 5g (g=9,81 м/сек2). б) Окружающая температура при которой антенна должна сохранять свою работоспособность должна лежать в пределах от -40°С до +50°С.в) Антенна должна быть работоспособной (при частичном ухудшении параметров) при влажности до 95% и обледенении. После прекращении действия указанных факторов паспортные характеристики антенны должны восстанавливаться. г) Габаритные размеры с учетом элементов крепления и масса могут накладывать определенные требования к местам и способам монтажа антенн.

3. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ АНТЕННВ процессе разработки и изготовления антенн контролируются в основном три параметра: диаграмма направленности (ДН), коэффициент усиления (G) и КСВ. Причем ДН и G наиболее тщательно измеряется на этапах разработки и изготовления первой партии серийных изделий. После запуска антенны в серийное производство осуществляется 100% контроль значения КСВ (как наиболее чувствительный параметр), а ДН и G контролируется выборочно.Антенные измерения весьма специфичны в силу того, что предъявляются достаточно жесткие требования к измерительному стенду в части уровня отражений сигналов от окружающих предметов, стен, потолка, пола. Наличие

12

отражений искажает истинную ДН и вносит значительную погрешность в измерение G. Для качественных измерений необходимо, чтобы величина отраженного сигнала была ослаблена более, чем на 30 дБ. Это может быть достигнуто только в специальных камерах для проведения антенных измерений, где стены пол и потолок покрыты радиопоглощающим материалом определенной структуры и конфигурации. Схема измерения ДН и G представлена на рис.9. Выбор расстояния между испытываемой и вспомогательной антеннами определяется следующими соображениями. Параметры ДН и G можно измерить с достаточной степенью точности, если испытуемая антенна облучается плоской волной, т.е. волной, у которой поверхность равных фаз представляет собой плоскость, перпендикулярную направлению распространения волны. Вспомогательная передающая антенна излучает сферическую волну, поэтому расстояние между вспомогательной и испытываемой антеннами должно быть таким, чтобы в пределах зоны с поперечными размерами не меньшими, чем максимальный размер антенны, участок фронта сферической волны был близок к плоской волне. Для антенн дециметрового диапазона расстояние А между антеннами должно быть не менее 10 м. Испытываемая антенна устанавливается на поворотное устройство, позволяющее устанавливать и регистрировать угловые перемещения в 1°. Сигнал от задающего генератора подается на вход вспомогательной антенны. Так как процесс снятия ДН может занимать достаточно длительное время, то необходимо поддерживать стабильным уровень сигнала на входе вспомогательной антенны. В качестве индикатора обычно используется измерительный приемник или анализатор спектра. Поворачивая испытываемую антенну с шагом 5°… 10°, по индикатору фиксируют уровни сигнала на выходе испытываемой антенны. По результатам измерений строят нормированную диаграмму направленности (см. рис.4).

Рис.9 Коэффициент усиления антенны определяется сравнением уровня сигнала на выходе испытуемой антенны с уровнем сигнала на выходе эталонной антенны с известным коэффициентом усиления и расположенной в том же месте, что и испытываемая антенна. Максимумы основных лепестков диаграмм направленности обеих антенн должны быть ориентированы в сторону излучающей антенны. Для уменьшения возможных ошибок, связанных с отражением внутри камеры, желательно, чтобы ДН испытываемой и эталонной антенн были близки.Существует еще один метод определения G - расчет по измеренной нормированной ДН с помощью специального программного обеспечения на персональном компьютере. Этот метод позволяет оценить достоверность проведенных измерений ДН и G. Корректно проведенные измерения дают расхождения в измеренном и расчетном значениях G в 5%…10%. Этот подход широко используется при разработке антенной продукции на фирме СиБи ГРАД.Хорошо отработанная и настроенная антенна имеет КСВ менее 1,5 во всем рабочем диапазоне частот. Измерение КСВ обычно производится с помощью панорамных измерителей в цеховых условиях. При проведении измерений необходимо, чтобы антенна была расположена не ближе 5 м от отражающих предметов.  

4. РАСПРОСТРАНЕНИЕ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ СВЯЗИПри распространении радиосигнала от точки излучения (см. рис.10) за счет расходимости волны имеет место уменьшение мощности с ростом расстояния до точки приема.

 Отношение мощности, подводимой к передающей антенне, к мощности на выходе приемной антенны в условиях распространения в свободном пространстве называют потерями передачи L и рассчитывается по формуле:

где R-расстояние между передающей и приемной антеннами, Gпрм, Gпрд - коэффициенты усиления приемной и передающей антенн, f - частота радиосигнала. На рис.11 представлены зависимости потерь передачи L для ряда значений частот связи. Эти зависимости построены для случая, когда приемная и передающая антенны - изотропные (Gпрм= Gпрд= 0 dBi).

13

Рис.11

Из выражения для L следует, что использование направленных антенн (G>1) приводит к уменьшению потерь передачи L при том же расстоянии R между антеннами.На практике часто возникает вопрос: во сколько раз увеличиться дальность связи при использовании антенн (базовой, абонентской или той и другой) с большим усилением?Если вновь устанавливаемые антенны (антенна) дают прибавку в усилении G (в dBi), то коэффициент К, показывающий во сколько раз увеличивается дальность рассчитывается по формуле

Для наглядности на рис.12 показана зависимость К от G, построенная по вышеприведенной формуле. 

Рис.12

Увеличение дальности связи на ультракоротких волнах (УКВ), где работает большинство систем связи, ограничено шарообразной поверхностью земли. Радиосигналы в УКВ диапазоне распространяются прямолинейно и дальность связи будет зависеть от высоты установки базовой h1 и абонентской антенн h2 (см. рис.11). Дальность прямой видимости с учетом атмосферной рефракции рассчитывается по формуле:

На рис.13 показана зависимость дальности прямой видимости от высоты установки базовой антенны h1 для ряда значений высот базовой антенны h2.  

Рис.13

Распространение радиоволн в условиях городской застройки или пересеченной местности имеет более сложный характер, чем распространение радиоволн в открытом пространстве. Это связано с отражением радиоволн от препятствий под разными углами и наложением отраженных волн и основной волны в пространстве. В результате получается сложная

14

картина распределения поля: максимумы напряженности поля чередуются с минимумами. Перепады напряженности могут достигать 30 дБ при изменении расстояния в пределах длины волны. Математический анализ распределения поля в пространстве возможен только для простейших случаев, поэтому в этой области широко используются эмпирические подходы, основанные на многочисленных экспериментах. Ниже приводятся некоторые обобщенные результаты распространения радиоволн на сложных трассах.а) Уровень сигнала за отдельно стоящим кирпичным зданием на 20…30 дБ ниже, чем перед ним.б) Уровень сигнала за отдельно стоящим железобетонным строением на 30…40 дБ ниже, чем перед ним. в) Уменьшение уровня сигнала внутри здания с окнами по сравнению с сигналом вне здания составляет 12…18 дБ. Большое влияние на уровень сигнала внутри здания оказывает количество и расположение окон по отношению к базовой станции.г) Потери передачи в условиях городской застройки при 10-и кратном увеличении расстояния составляют 30…50 дБ. Для сравнения потери в свободном пространстве при таком же увеличении расстояния составляют 20 дБ.д) Потери передачи внутри здания (с учетом стен и межэтажных перекрытий) на частоте 900 МГц можно рассчитать по следующей эмпирической формуле :

на частоте 2400 МГц :

где R - расстояние между базой и абонентом (база расположена внутри здания).Часто у пользователей связного оборудования возникает вопрос: нельзя ли обеспечить связь за препятствием (например, зданием) с помощью пассивного переизлучающего ретранслятора в виде двух антенн, соединенных кабелем (см. рис.14).  

Рис.14

Для наглядности и простоты представления результатов положим, что расстояния база-ретранслятор и ретранслятор-абонент одинаковы и равны R. Коэффициенты усиления антенн так же одинаковы и равны G. Потери в ретрансляторе равны 0. В этом случае потери передачи L на линии база-абонент будут являться суммой (в дБ) потерь передачи на участках база-ретранслятор и ретранслятор абонент и будет иметь вид:

Из этого выражения следует, потери передачи увеличиваются пропорционально 4-й степени расстояния. Для сравнения, без пассивного ретранслятора (в отсутствии препятствия) потери передачи увеличиваются пропорционально 2-й степени расстояния. Это объясняется тем, что поле дважды испытывает расходимость: первичное поле - на пути от базы до ретранслятора и вторичное поле - на пути от ретранслятора до абонента (и наоборот в случае распространения сигнала от абонента к базе).Проиллюстрируем сказанное конкретным примером. Сигнал частотой 900 МГц передается от базы к абоненту, R=100 м, коэффициенты усиления антенн G=10 dBi. - потери передачи с пассивным ретранслятором - 103,2 дБ;- потери передачи без ретранслятора (препятствие отсутствует) - 57,6 дБ.Разность в потерях передачи с ретранслятором и без ретранслятора 45,6 дБ, что превышает потери за железобетонным зданием.Таким образом, использование пассивного ретранслятора в виде соединенных кабелем антенн не эффективно.

Электромагнитная совместимость сотовых сетей связиТЕРРИТОРИАЛЬНОЕ ДЕЛЕНИЕ СЕТИ И HANDOVER. Как уже было сказано, сеть состоит из множества BTS - базовых станций (одна BTS - одна "сота", ячейка). Для упрощения функционирования системы и снижения служебного трафика, BTS объединяют в группы - домены, получившие название LA (Location Area - области расположения). Каждой LA соответствует свой код LAI (Location Area Identity). Один VLR может контролировать несколько LA. И именно LAI помещается в VLR для задания местоположения мобильного абонента. В случае необходимости именно в соответствующей LA (а не в отдельной соте, заметьте) будет произведен поиск абонента. При перемещении абонента из одной соты в другую в пределах одной LA перерегистрация и изменение записей в VLR/HLR не производится, но стоит ему (абоненту) попасть на территорию другой LA, как начнется взаимодействие телефона с сетью. Каждому пользователю, наверное, не раз приходилось слышать периодические помехи в музыкальной системе своего автомобиля от находящегося в режиме ожидания телефона - зачастую это является следствием проводимой перерегистрации при пересечении границ LA. При смене LA код старой области стирается из VLR и заменяется новым LAI, если же следующий LA контролируется другим VLR, то произойдет смена VLR и обновление записи в HLR.

15

Вообще говоря, разбиение сети на LA довольно непростая инженерная задача, решаемая при построении каждой сети индивидуально. Слишком мелкие LA приведут к частым перерегистрациям телефонов и, как следствие, к возрастанию трафика разного рода сервисных сигналов и более быстрой разрядке батарей мобильных телефонов. Если же сделать LA большими, то, в случае необходимости соединения с абонентом, сигнал вызова придется подавать всем сотам, входящим в LA, что также ведет к неоправданному росту передачи служебной информации и перегрузке внутренних каналов сети. Теперь рассмотрим очень красивый алгоритм так называемого handover`ра (такое название получила смена используемого канала в процессе соединения). Во время разговора по мобильному телефону вследствие ряда причин (удаление "трубки" от базовой станции, многолучевая интерференция, перемещение абонента в зону так называемой тени и т.п.) мощность (и качество) сигнала может ухудшиться. В этом случае произойдет переключение на канал (может быть, другой BTS) с лучшим качеством сигнала без прерывания текущего соединения (добавлю - ни сам абонент, ни его собеседник, как правило, не замечают произошедшего handover`а). Handover`ы принято разделять на четыре типа: · смена каналов в пределах одной базовой станции · смена канала одной базовой станции на канал другой станции, но находящейся под патронажем того же BSC. · переключение каналов между базовыми станциями, контролируемыми разными BSC, но одним MSC · переключение каналов между базовыми станциями, за которые отвечают не только разные BSC, но и MSC. В общем случае, проведение handover`а - задача MSC. Но в двух первых случаях, называемых внутренними handover`ами, чтобы снизить нагрузку на коммутатор и служебные линии связи, процесс смены каналов управляется BSC, а MSC лишь информируется о происшедшем. Во время разговора мобильный телефон постоянно контролирует уровень сигнала от соседних BTS (список каналов (до 16), за которыми необходимо вести наблюдение, задается базовой станцией). На основании этих измерений выбираются шесть лучших кандидатов, данные о которых постоянно (не реже раза в секунду) передаются BSC и MSC для организации возможного переключения. Существуют две основные схемы handover`а: · "Режим наименьших переключений" (Minimum acceptable performance). В этом случае, при ухудшении качества связи мобильный телефон повышает мощность своего передатчика до тех пор, пока это возможно. Если же, несмотря на повышение уровня сигнала, связь не улучшается (или мощность достигла максимума), то происходит handover. · "Энергосберегающий режим" (Power budget). При этом мощность передатчика мобильного телефона остается неизменной, а в случае ухудшения качества меняется канал связи (handover). Интересно, что инициировать смену каналов может не только мобильный телефон, но и MSC, например, для лучшего распределения трафика.

Маршрутизация вызовов. Поговорим теперь, каким образом происходит маршрутизация входящих вызовов мобильного телефона. Как и раньше, будем рассматривать наиболее общий случай, когда абонент находится в зоне действия гостевой сети, регистрация прошла успешно, а телефон находится в режиме ожидания. При поступлении запроса (рис.2) на соединение от проводной телефонной (или другой сотовой) системы на MSC домашней сети (вызов "находит" нужный коммутатор по набранному номеру мобильного абонента MSISDN, который содержит код страны и сети). MSC пересылает в HLR номер (MSISDN) абонента. HLR, в свою очередь, обращается с запросом к VLR гостевой сети, в которой находится абонент. VLR выделяет один из имеющихся в ее распоряжении MSRN (Mobile Station Roaming Number - номер "блуждающей" мобильной станции). Идеология назначения MSRN очень напоминает динамическое присвоение адресов IP при коммутируемом доступе в Интернет через модем. HLR домашней сети получает от VLR присвоенный абоненту MSRN и, сопроводив его IMSI пользователя, передает коммутатору домашней сети. Заключительной стадией установления соединения является направление вызова, сопровождаемого IMSI и MSRN, коммутатору гостевой сети, который формирует специальный сигнал, передаваемый по PAGCH (PAGer CHannel - канал вызова) по всей LA, где находится абонент. Маршрутизация исходящих вызовов не представляет с идеологической точки зрения ничего нового и интересного. Приведу лишь некоторые из диагностических сигналов (таблица 4), свидетельствующие о невозможности установить соединение и которые пользователь может получить в ответ на попытку установления соединения. Тип ошибки Частота Тип сигнала Номер абонента занят 425±15 Гц 500мс гудок, 500 мс пауза Перегрузка сети 425±15 Гц 200мс гудок, 200 мс пауза

Общая ошибка 950±50Гц 1400±50Гц 1800±50Гц Тройной гудок (длительность каждой части 330 мс), 1 с пауза Таблица 4. Основные диагностические сигналы об ошибке при установлении соединения.

16

ПЕРСПЕКТИВЫ GSM Конечно, в мире нет ничего идеального. Рассмотренные выше сотовые системы GSM не исключение. Ограниченное число каналов создает проблемы в деловых центрах мегаполисов (а в последнее время, ознаменованное бурным ростом абонентской базы, и на их окраинах) - чтобы позвонить, часто приходится ждать уменьшения нагрузки системы. Малая, по современным меркам, скорость передачи данных (9600 бит/с) не позволяет пересылать объемные файлы, не говоря о видеоматериалах. Да и роуминговые возможности не так уж безграничны - Америка и Япония развивают свои, несовместимые с GSM, цифровые системы беспроводной связи.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1Функция Handover - возможность перехода абонента из зоны действия одной базовой станции (BTS) в зону действия другой без потери разговора.handover эстафетная передача, хэндовер. Переключение существующего соединения между MS и BTS на другую BTS или с одного канала на другой в зоне действия той же BTS. При этом переключается тракт физического соединения между MS и BSS или между MS, BSS и SSS. Этот процесс начинается всегда, когда новая радиосота может обеспечить лучшие характеристики радиоприема (качество приема и уровень сигнала), например, при перемещении абонента в новую радиосоту в ходе сеанса связи.

HandoverПеревод: передача контроля (управления), переключение, переход Контекст: моб тлф свз Описание: Смена используемого канала в процессе соединения. Во время разговора по мобильному телефону вследствие ряда причин (удаление телефона от базовой станции, многолучевая интерференция) мощность и качество сигнала может ухудшиться. В этом случае может произойти переключение на канал др. базовой станции с лучшим качеством сигнала без прерывания текущего соединения. Ни сам абонент, ни его собеседник, как правило, не замечают произошедшего переключения.

Handover margin запас частоты для эстафетной передачи. Коэффициент гистерезиса, позволяющий свести к минимуму повторные эстафетные передачи между соседними сотами. Является средством распределения трафика между сотами.intracell handover (IH) - внутрисотовый хэндоверПроцедура смены рабочих параметров абонентской станции, обычно частоты или номера канального интервала, при связи с той же абонентской станцией.Handover - Хэндовер; автоматическое переключение. Термин используется в Европе. В сетях сотовой связи – переключение мобильной станции с одной базовой станции на другую или переход на другой частотный канал той же станции. Такое переключение происходит без разрыва соединения, т.е. без повторного набора номера. В спутниковой связи – переключение земной станции с одного спутника на другой.

MAHO (MOBILE ASSISTED HANDOVER) - полуавтоматический хэндовер. Метод автоматического переключения, при котором абонентская станция выполняет измерение уровня сигнала и высылает отчет о результатах измерения на базовую станцию.

-Ты кто? -Location Update -А ну пошел отсюда! -Тыгдым-тыгдым-тыгдым ...Вопрос: Зачем GSM-телефон делает "тыгдым-тыгдым" (звук хорошо слышен, если телефон положить рядом с колонками или радио, иногда - в самом телефоне), и как с этим бороться? Почему от этого наводки на все динамики в пределах метра? Почему при разговоре этих наводок нет?Котороткий ответЭтот звук говорит о том, что телефон выполняет location update (если "тыгдым-тыгдым" происходит, когда телефон ничем особенным не занят) или отвечает на paging и согласовывает с базовой станцией параметры "голосового" канала, который будет использоваться (если "тыгдым-тыгдым" происходит непосредственно перед тем, как телефон начинает звонить). Бороться с этим не надо, иначе ваш телефон перестанет быть мобильным :)Длинный ответРадиосеть мобильного оператора (Base station subsystem, BSS) должна хотя бы примерно представлять, где в настоящий момент находится каждый мобильный телефон (mobile station, MS), чтобы в случае необходимости не искать его по всей территории радиопокрытия. Информация о текущем местоположении предоставляется самим MS с помощью процедуры, называемой "location update". Посмотрим, какую информацию предоставляет телефон, куда она попадает и зачем используется.Что такое "местоположение" или "адрес" в терминах сети GSM? Радиосеть состоит из базовых станций (BS), которые объединяются в логические группы, называемые location area (LA). Все LA пронумерованы, у каждой есть определенный числовой код - location area code (LAC). Текущий "адрес" телефона в сети - это пара (LAC, CellID), где CellID - это числовой идентификатор "соты". Пара (LAC, CellID) - уникальна в пределах всей сети.

17

Какая же из сот будет "адресом" телефона? В любой момент времени телефон "слушает в эфире" до 16 широковещательных каналов (broadcast channel, BCH) от 16 сот. На основании услышанного он выбирает 6 "лучших" сот, с которыми (по мнению телефона) у него будет максимально устойчивая связь с минимальными затратами энергии. Из этих шести сот телефон выбирает одну "самую лучшую" на основании так называем "критериев C1 и C2" (не будем пока вдаваться в технические детали о том, что это такое). Именно эту соту телефон постарается использовать для получения или совершения звонка. Так вот, про location update.После включения телефон пытается зарегистрироваться в сети. В процессе телефон формирует список 6 соседних сот, выбирает из них лучшую, и использует "общий канал доступа" (RACH) этой соты, чтобы сообщить о том, что его текущее местоположение - тут, в это самой соте. Эта информация (пара (LAC, CellID)) попадает в контроллер базовых станций (BSC), а от него - передается коммутатору (MSC), который обслуживает эту часть сети. Коммутатор сохраняет информацию о текущем местоположении телефона в специальном "кэше", называемом VLR (visitor location register). В дальнейшем телефон периодически (обычно раз в час, но зависит от настроек сети) будет выполнять "location update". Либо же, если вы куда-то идете/едете, то телефон будет выполнять "location update" при переходе в зону покрытия соты из другого LA. Вот это и есть тот самый "тыгдым-тыгдым", который случается "сам по себе".Итак, мы разобрались, какую информацию передает телефон и куда она попадает. Разберемся, как и когда она используется.Допустим, нам кто-то звонит. Сеть должна передать вызов на наш телефон. Какую соту для этого использовать? Конечно же, ту, в которой телефон зарегистрировался, или же какую-то из других ближайших.Чтобы найти эту соту, надо использовать результат последнего location update нашего телефона. Происходит это следующим образом. По номеру телефона определяется, в каком из HLR-ов находится информация о нашей SIM-карте. Далее из этого HLR-а извлекается адрес MSC/VLR-а, в зоне ответственности которого мы последний раз делали location update. Сигнал вызова перенаправляется на этот MSC. Он извлекает из своего VLR информацию о местоположении телефона (LA и CellID), и поручает контроллеру базовых, который обслуживает эту LA, организовать получение звонка. Контроллер базовых дергает соты, входящие в LA, а они на частоте своего paging channel (PCCH) сообщают "мобильный такой-то, вам звонок". Дальше телефон и базовая договариваются о том, как именно будет принят звонок. Процесс обмена служебной информацией с базовой - это и есть "тыгдым-тыгдым", который слышно перед получением звонка. Если же вызываемый телефон не отозвался, звонящий получает "ваш абонент находится за пределами зоны покрытия".Кроме того, информацию, предоставляемую сети в ходе location update, можно использовать для определения вашего географического местоположения.Осталось разобраться, почему от location update такие большие наводки, и почему их нет в процессе разговора.Во-первых, при location update используется бОльшая (максимальная) мощность передатчика телефона, которая затем достаточно быстро понижается в ходе power control negotiation (телефон и базовая "договариваются" о минимальном уровне мощности, обеспечивающем устойчивую связь).Во-вторых, наводки при разговоре все-таки есть, но за счет использования меньшей мощности их сложнее обнаружить. Попробуйте уехать с телефоном за город, где плотность покрытия меньше - там наводки будут слышны на всем протяжении разговора.А если мощность больше, то не страдает ли головной мозг и прочие внутренние органы от location update? Официальная позиция: "еще неизвестно". Понятно, что мозг (если держать телефон у уха) нагревается СВЧ-излучением, но вот к чему приводит этот перегрев - тут мнения расходятся. Можно найти море статей о том, что это perfectly safe и такое же кол-во статей о том, что вам прийдет быстрый или медленный капец. Если же не прижимать телефон к уху, то вреда не будет: максимальная мощность передатчика GSM-телефона - всего 2 Вт. Да, в сети были статьи о том, что этой мощности якобы достаточно для того, чтобы сварить куриное яйцо, но это явно была провокация или розыгрыш.В этом смысле GSM-телефонов лично я бы не боялся. А вот NMT-аппараты могли при преме звонка приводить к тому, что включался шредер, расположеный на расстоянии метра. И при разговоре по ним ухо ощутимо нагревалось...После прочтения заметки о location update куча народу в той или иной форме задали такой вот вопрос: "почему от этого наводки на все динамики в пределах метра? Почему при разговоре этих наводок нет?"Я решил вынести ответ в отдельный пост.Во-первых, при location update используется бОльшая (максимальная) мощность передатчика телефона, которая затем достаточно быстро понижается в ходе power control negotiation (телефон и базовая "договариваются" о минимальном уровне мощности, обеспечивающем устойчивую связь).

18

Во-вторых, наводки при разговоре все-таки есть, но за счет использования меньшей мощности их сложнее обнаружить. Попробуйте уехать с телефоном за город, где плотность покрытия меньше - там наводки будут слышны на всем протяжении разговора.

aefimov спрашивает: "И не страдает ли головной мозг и прочие внутренние органы от этих тыгдымов?" Официальная позиция: "еще неизвестно". Понятно, что мозг (если держать телефон у уха) нагревается СВЧ-излучением, но вот к чему приводит этот перегрев - тут мнения расходятся. Можно найти море статей о том, что это perfectly safe и такое же кол-во статей о том, что вам прийдет быстрый или медленный капец. Если же не прижимать телефон к уху, то вреда не будет: максимальная мощность передатчика GSM-телефона - 2 Вт, а курс физики говорит нам, что мощность убывает пропорционально четвертой степени расстояния (если я не ошибаюсь). В этом смысле GSM-телефонов лично я бы не боялся. А вот NMT-аппараты могли при преме звонка приводить к тому, что включался шредер, расположеный на расстоянии метра. И при разговоре по ним ухо ощутимо нагревалось...Методы определения местоположения абонента сети GSMВопросы: Какие существуют методы определения местоположения абонента в сети GSM? IMEI телефона (серийный номер) не участвует в процессе авторизации в сети? Можно ли реально найти местоположение телефона в GSM сетях по IMEI и почему эта услуга "заблокирована" у наших операторов. Т.е. мои знакомые несколько раз натыкались на то, что у них крали телефоны и оператор не мог им предоставить информацию о местоположении не то что по IMEI -- по самой симке. Короткий ответДля начала, разделим вопрос на две больших части: как узнать, где телефон был тогда-то, и как узнать, где телефон находится сейчас, сию минуту.Начнем со второй части. 1. Сразу скажу, что утверждение, что в любой момент времени можно определить местоположение абонента любой GSM-сети в пространстве с точностью до 500 метров - как правило неправда и бред. В специально построеной сети, при условии, что абонент пользуется специальными услугами - можно, но в общем случае на это рассчитывать нельзя. 2. Как правило, чем чаще вы звоните/посылаете/принимаете SMS-ы, тем точнее можно определить ваше местоположение. Читайте длинный ответ - там написано, какие из этих утверждений бывают исключения. Теперь о первой части - можно ли узнать, где телефон был и "найти" его? Ответ: можно узнать с точностью до соты, где был телефон в момент совершения звонков, передачи и приема SMS-ов. Если телефон не использовали, то даже и такой информации не будет.Длинный ответЧасть первая, где телефон находится сейчас?С целью экономии заряда батарей, телефон большую часть времени ничего не передает, только принимает. Из этого простого факта, справедливость которого любой желающий может самостоятельно проверить на практике, есть несколько интересных следствий:1. Утверждение о том, что Страшные Спецслужбы могут удаленно включить динамик вашего телефона и вас прослушивать (и более того - они этим регулярно занимаются) - параноидальный бред. Вдобавок, никому не интересно слушать шуршание от трения вашего телефона о карман ваших штанов :) Гораздно проще подключиться к коммутатору, и прослушивать там ваши звонки (что Страшные Спецслужбы с успехом и делают).2. Определить местоположение обычного GSM-телефона в обычной GSM-сети в произвольный момент времени нельзя просто потому, что телефон молчит и "не говорит", куда его несут, и даже location update-ы при пересечении границ сот делает не всегда. Какие могут быть исключения? Если в сети оператора внедрена одна из "продвинутых" технологий позиционирования (EOTD, TOA или GPS-based), то у оператора могут быть сведения, более точные, чем LAC/CellID последнего location update. Кроме того, можно "стимулировать" телефон обновлять информацию о своем местоположении, посылая ему специальные SMS-ы (zero sms, null sms), прием которых не будет отображаться мобильником. Правда, для этого нужно иметь прямое подключение к SMSC оператора. Публикации в Internet таких оговорок, как правило, не делают, и безусловно указывают точность обнаружения в 500 метров всегда, ссылаясь на некую "триангуляцию, которую выполняют базовые станции", что есть полный и безоговорочный бред. Фокус, однако, в том, что для большого числа практических применений совершенно не требуется знать местоположение абонента в любой момент времени. Типичные location-based services вроде "где я?" и "где ближайших кабак?" получают информацию о местоположении абонента только потому, что абонент обращается к этим сервисам при помощи звонка или SMS. А если был звонок или SMS, то была работа с конкретной сотой и уточнение твоего местоположение. Т.е. ты послал SMS, и тебя "вычислили".Внимательный читатель может спросить: "все эти CellID и EOTD - это хорошо, но как из этого получить конкретный адрес, улицу Пушкина, дом Колотушкина?". Как минимум, оператор имеет базу географических координат всех базовых станций и привязки этих координат к адресам (чтобы обслуживающий персонал знал, куда ехать). Кроме того, оператор может воспользоваться услугами многочисленных "картографических" компаний, который могут продать ему карты, он-лайн сервисы про преобразованию координать в адреса/маршруты/списки кабаков and whatnot. Как правило, так и происходит - конкретные сервисы предоставляются третьими лицами, а оператор предлагает свои услуги по вычислению координат, и не более того.Да, о том, как работают "продвинутые" методы обнаружения местоположения я рассказывать не буду - сошлюсь на литературу. Часть вторая, где телефон находился раньше?Тут ответ совсем простой. Информация о том, где телефон был, должна браться из какого-то архива. Поскольку оператор обязан несколько лет хранить записи, на основании которых делается биллинг, именно этот архив напрашивается в качестве

19

очевидного источника сведений. Как правило, так и происходит - информация об истории "перемещений" телефона берется из так называемых "записей учета стоимости", которые формируются по факту совершения/получения звонка или SMS, и содержат, помимо всего прочего, информацию о IMSI, IMEI, LAC и CellID. Следовательно, местоположение телефона в прошлом можно определить (как по его серийному номеру (IMEI), так и по номеру сим-карты) с точностью до соты, но только в случае, если телефон использовался для звонков/SMS-ов. Версию о том, что оператор сохраняет всю-всю-всю сигнальную информацию, связанную с обеспечением mobility абонента (сведения о location update-ах, handoff-ах и handover-ах), мы отметаем, как фантастическую. Во-первых, слишком много данных, и из-за этого их сложно обрабатывать и коррелировать с приемлимой скоростью. Во-вторых, от этого нет никакой пользы для самого оператора. В лучшем случае, оператор сохраняет всю "сигнализацию" о звонках и SMS-а, начиная с интерфейса BSC<->MSC и выше, и использует ее для анализа/улучшения качества связи.Кто и когда может получить эту информацию? Можно ли таким образом найти украденый/утеряный телефон? Оператор не предоставляет таких сведений абонентам, зато может предоставить их, например, прокуратуре в ответ на соответствующий официальный запрос. Соответственно, при краже телефона надо писать заявление и торбить милицию - если их замотивировать, то они таки будут искать телефон (были преценденты). Без обращения со стороны милиции/прокуратуры оператор может максимум заблокировать использование в своей сети определенной SIM-карты (это возможно всегда, например - путем выноса записи о карте из AuC) и/или использование в сети телефона с определенным IMEI (это возможно только при наличии в сети оператора EIR. Как правило, многие экономят и EIR не покупают).Позиционирование абонентов в сетях GSMC появлением различным разработок в области охраны и контроля удаленных объектов, а также с появлением новых сервисов на основе определения местоположения абонентов, вопрос высокоточного позиционирования ( мобильного терминала) в сети GSM становится все более актуальным. В это статье я попробую изложить основные принципы и возможности навигации, базирующиеся на функциональности стандарта GSM. Стандартные возможности Как известно, мобильный телефон во включенном состоянии всегда «следит» за ближайшими базовыми станциями*, при этом он принимает сигналы от одной ( самой сильной станции) и постоянно отслеживает уровень сигнала от еще нескольких. При любом общении с сетью ( звонок, SMS итд) телефон устанавливает в большинстве случаев** связь с самой сильной по уровню сигнала станцией. Обычно эта же станция является самой ближней. * базовые станции- приемопередающие станции установленная на крышах домов, на вышках, башнях. С помощью таких станций, расположенных в необходимых местах, обеспечивается «покрытие» местности. ** бывают случаи, когда уровень сигнала очень сильный, но присутствует помеха, поэтому телефон выбирает другой канал для связи с меньшим уровнем сигнала, но с лучшим качеством. Расстояние от телефона до ближайшей станции может быть разным и зависит от того, насколько большое количество станции имеет оператор. В большом городе это обычно до 400 метров. В областном центре до километра. В сельской местности и по трассам до 15-20 км. MSC (коммутатор мобильной связи) при каждом общении с сетью определяет и сохраняет в журнал ( CDR) серийный номер телефона и номер соты Cell ID*** в которой терминал находится. Таким образом в стандартной GSM сети можно определить местоположение абонента с точностью до передатчика ( соты), что дает точность определения в большом городе максимум 200-400 метров. В городе областного значения погрешность 800 метров – километр. В сельской местности 15-20 км.При этом примерный вид зоны возможного нахождения абонента будет следующим ( на рисунке 1 указан синим цветом). *** базовая станция может иметь несколько передатчиков. Каждый передатчик обеспечивает связь на определенном географическом участке местности образуя «соту». Обычно базовые станции имеют три передатчика, антенны которых направлены в разные стороны.

<>

Рисунок 1Более ясно понять, как выглядят соты в сети GSM, поможет рисунок 2. На нем условно «крестиками» помечены базовые станции, а создаваемые ими соты, выделены разными цветами. Как мы видим соты, имеют разный размер и напрямую зависят от места установки базовых станций.

20

<> Рисунок 2

Некоторые производители GSM оборудования наделяют коммутаторы мобильной связи возможностью определять местоположения абонента не только по номеру соты, но и уточнять его по критерию дальности нахождения абонента от текущей базовой станции . Так, как технология GSM использует частотно- временное разделение каналов, существует возможность определять дальность нахождения абонента от базовой станции с точность 550 метров использую параметр TA ( Time Advanced).В этом случае местоположение абонента определяется полукруглой полосой шириной 550 метров ( на рисунке 3 обозначена красным цветом). Если абонент перемещается по местности, то отслеживая параметры Cell ID и TA можно достаточно точно определить направление его движения особенно на крупных дорогах и автомагистралях.

<> Рисунок 3

Дополнительные возможности Конечно же сеть GSM несет в себе гораздо больше возможностей которые могут быть реализованы за счет интеграции специального оборудования со стороны оператора мобильной связи. Данное оборудование является достаточно дорогостоящим и устанавливается оператором обычно в случае запуска новых услуг основанных на определении местоположения мобильных абонентов. Давайте попробуем разобраться, как такие системы работают и какой набор сервисов предлагают. В основе определения абонента в сети сотовой связи ( без применения систем спутниковой навигации ) лежит два основных метода: метод EOTD (метод разности времен) и TOA (метод оценки «времени получения») . Существует еще несколько методов, но они получили меньшую распространенность или являются разновидностью описанным методов. И тот и другой метод дают точность определения местоположения абонента 50-150 метров и отличаются только технологией реализации. Возможность определения положение абонента с точность до «соты» широко используется в западной Европе ( операторы ORANGE, VODAPHONE). Эти операторы предоставляют сервисы позволяющие определять расположение ближайших магазинов, точек приема платежей. Любой абонент послав SMS на специальный номер получит информацию, где он находиться, что особенно полезно для туристов. В настоящее время ни один оператор Украины, к сожалению, не предоставляют сервисов по определению местоположения абонента, но растущий рынок абонентов мобильной связи и необходимость внедрения новых услуг позволяют предположить вероятность появление описанной услуги в ближайшее время. Заключительная часть статьи вряд ли будет интересна простому обывателю, так как в ней будут описаны основные технические аспекты двух методов точного позиционирования. Методы реализации системы точного позиционирования Как говорилось ранее основных методов два: -Метод разности времен (Enhanced Observed Time Difference, EOTD).-Метод времени получения (Time of Arrival - TOA).Оба метода требуют установки на базовые станции специального модуля LMU ( модуль определения место положения). Только при интеграции системы EOTD блоков LMU необходимо в три-четыре раза меньше, что существенно снижает расходы оператора. Метод времени получения (Time of Arrival - TOA) схож с технологией спутниковой навигации GPS и базируется на измерении задержки в сдвиге фрейма при прохождении сигнала от базовой станции до телефона ( который в свою очередь является показателем определяющим расстояние до базовых станций). Чтобы определить координаты нужно, как минимум «три одновременных пеленга» ( замера расстояния) до разных базовых станций, оборудованных LMU. В

21

идеале более точные координаты можно получить при измерении времени прохождения сигнала до четырех-пяти базовых станций. Все вычисления делает оборудование, установленное у оператора ( используя алгоритмы триангуляции), при этом, так как речь идет о разнице в получении сигналов в микросекунды, остро встает вопрос синхронизации всех LMU (например используя сигналы GPS). Инициировать процесс определения местоположения может как сам пользователь, так и оператор. Конечно, такой метод неизбежно увеличивает нагрузку на служебные каналы сети в момент запроса координат. Метод разности времен (Enhanced Observed Time Difference, EOTD) разработан компанией Cambridge Positioning Systems и имеет в основе похожие принципы, что и ТОА, только измерения происходят до двух трех ближайших доступных LMU и измеряется разница во времени задержки сигналов. В дальнейшем эта разница конвертируется в расстояние от мобильного телефона до двух конкретных базовых станций.( Рисунок 4 ) В систему обработки данных водятся точные координаты базовых станций, дальнейшее вычисление не составляет труда. По некоторым оценкам точность такого метода даже превышает метод ТОА. Особенность метода EOTD заключается в необходимости интеграции в мобильный терминал модуля вычислений. Этот метод получил распространение в США ( CDMA сети) и лишь начинает внедряться производителями терминалов GSM. Сейчас рынок предлагает следующие популярные модели терминалов с поддержкой EOTD: Siemens A56, Nokia 3650, 7610, 6610, Samsung S100, Sony Ericsson T610 и многие другие.

<> Рисунок 4

Глава 4. ОБРАБОТКА РЕЧИ В СТАНДАРТЕ GSM4.1. Общее описание процессов обработки речиПроцессы обработки речи в стандарте GSM направлены на обеспечение высокого качества передаваемых сообщений, реализацию дополнительных сервисных возможностей и повышение потребительских качеств абонентских терминалов.Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи. Система прерывистой передачи речи (DTX) обеспечивает включение передатчика только тогда, когда пользователь начинает разговор и отключает его в паузах и в конце разговора. DTX управляется детектором активности речи (VAD), который обеспечивает обнаружение и выделение интервалов передачи речи с шумом и шума без речи даже в тех случаях, когда уровень шума соизмерим с уровнем речи. В состав системы прерывистой передачи речи входит также устройство формирования комфортного шума, который включается и прослушивается в паузах речи, когда передатчик отключен. Экспериментально показано, что отключение фонового шума на выходе приемника в паузах при отключении передатчика раздражает абонента и снижает разборчивость речи, поэтому применение комфортного шума в паузах считается необходимым. DTX процесс з приемнике включает также интерполяцию фрагментов речи, потерянных из-за ошибок в канале.Структурная схема процессов обработки речи в стандарте GSM показана на рис. 4.1, главным устройством в этой схеме является речевой кодек [4.1, 4.2, 4.3].

рис. 4.1

22

рис. 4.2 рис. 4.34.2. Выбор речевого кодека для стандарта GSMРабочей группой по разработке стандарта GSM были предъявлены следующие основные требования к речевому кодеку [4.3]:- высокое качество речи, не уступающее качеству передачи речи в лучших существующих аналоговых сотовых системах связи;- низкая скорость передачи речи, обеспечивающая возможность эффективного канального кодирования и результирующую скорость передачи в канале связи не выше 16 кбит/с,- малую задержку сообщения в процессе преобразования речи;- устойчивость к ошибкам в канале передачи;- возможность работы в широком динамическом диапазоне входных воздействий как сигнала, так и шума;- большой динамический диапазон выходных сигналов;- незначительное снижение качества речи при каскадном соединении кодеков:- прозрачность для сигналов данных;- прямое сопряжение со смежными устройствами терминалов;- простота реализации;- малое потребление;- низкая стоимость.Для выбора речевого кодека GSM был организован конкурс проектов. Первоначально для рассмотрения было предложено 20 различных кодеков от 9 европейских стран. После международного формального тестирования это количество было сокращено до 6 из 6 стран. На следующем этапе два из четырех подполосных (SBC) кодеков (норвежский и итальянский) были сняты с рассмотрения, к окончательному этапу конкурса осталось два SBC кодека и два кодека в предикативным кодированием [4.4].RPE-LPC - Regular-Pulse Excitation/Linear Predicative Coding (Германия, Philips) -кодек с регулярным импульсным возбуждением и линейным кодированием с предсказанием; MPE-LTP - Multi-Pulse Excitation/Long-Term Prediction (Франция, IBM) -кодек с многоимпульсным возбуждением и долговременным предсказанием:На втором этапе происходит дальнейшее снижение динамического диапазона за счет долговременного предсказания, в процессе которого каждый сегмент выравнивается до уровня следующих друг за другом сегментов речи. В принципе, LTP фильтр вычитает предыдущий период сигнала из текущего периода.Этот фильтр характеризуется параметром задержки N и коэффициентом усиления Ь. Период вычисления этих параметров равен 5 мс.Восемь коэффициентов r (i) LPC анализирующего фильтра и параметры фильтра LTP анализа кодируются и передаются со скоростью 3,6 кбит/с.Для формирования последовательности возбуждения остаточный сигнал пропускают через фильтр нижних частот с частотой среза 3-4 кГц.Окончательно периодическая последовательность фрагментов передается со скоростью 9,4 кбит/с. Общая скорость передачи составляет 3,6+9,4 = 13 кбит/с.В декодере речевой сигнал восстанавливается по откликам последовательности регулярного импульсного возбуждения (RPE) двухступенчатым синтезирующим фильтром, как показано на рис. 4.3.При этом качество речи соответствует качеству речи, передаваемой по ISDN, и превосходит качество речи в аналоговых радиотелефонных системах.Теоретически время задержки речевого сигнала в кодекс равно длительности сегмента и составляет 20 мс. Реальное время задержки, с учетом операций канального кодирования и переме-жения, а также физического выполнения рассматриваемых операций, составляет 70-80 мс.4.4. Детектор активности речиДетектор активности речи (VAD) играет решающую роль в снижении потребления энергии от аккумуляторной батареи в портативных абонентских терминалах. Он также снижает интерференционные помехи за счет переключения свободных каналов в пассивный режим. Реализация VAD зависит от типа применяемого речевого кодека. Главная задача при проектировании VAD - обеспечить надежное отличие между условиями активного и пассивного каналов. Если канал на

23

мгновение свободен, его можно заблокировать, поскольку средняя активность речи говорящего ниже 50%, то это может привести к существенной экономии энергии аккумуляторной батареи. К устройствам VAD предъявляются следующие основные требования [4.6]:- минимизация вероятности ложной тревоги при воздействии только шума с высоким уровнем;- высокая вероятность правильного обнаружения речи низкого уровня;- высокое быстродействие распознавания речи, для исключения задержек включения:

- минимальное время задержки выключения. В стандарте GSM принята схема VAD с обработкой в частотной области. Структурная схема VAD приведена на рис. 4.4. Ее работа основана на различии спектральных характеристик речи и шума. Считается, что фоновый шум является стационарным в течение относительно большого периода времени, его спектр также медленно изменяется во времени. VAD определяет спектральные отклонения входного воздействия от спектра фонового шума. Эта операция осуществляется инверсным фильтром, коэффициенты которого устанавливаются применительно к воздействию на входе только фонового шума. При наличии на входе речи и шума инверсный фильтр осуществляет подавление компонентов шума и, в целом, снижает его интенсивность. Энергия смеси сигнал+шум на выходе инверсного фильтра сравнивается с порогом, который устанавливается в период воздействия на входе только шума. Этот порог находится выше уровня энергии шумового сигнала. Превышение порогового уровня принимается за наличие на входе реализации (сигнал+шум). Коэффициенты инверсного фильтра и уровень порога изменяются во времени в зависимости от текущего значения уровня шума при воздействии на входе только шума. Поскольку эти параметры (коэффициенты и порог) используются детектором VAD для обнаружения речи, сам VAD не может на этой же основе принимать решение, когда их изменять. Это решение принимается вторичным VAD на основе сравнения огибающих спектров в последовательные моменты времени. Если они аналогичны для относительно длительного периода времени, предполагается, что имеет место шум, икоэффициенты фильтра и шумовой порог можно изменять, то есть адаптировать под текущий уровень и спектральные характеристики входного шума [4.6].

рис. 4.4VAD с обработкой в спектральной области удачно сочетается с речевым RPE/LTP-LPC коде-ком, так как в процессе LPC анализа уже определяется огибающая спектра входного воздействия, необходимая для работы вторичного VAD.4.5. Формирование комфортного шумаФормирование комфортного шума осуществляется в паузах активной речи и управляется речевым декодером. Когда детектор активности речи (VAD) в передатчике обнаружит, что говорящий прекращает разговор, передатчик остается еще включенным в течение следующих пяти речевых кадров. Во время первых четырех из них характеристики фонового шума оцениваются путем усреднения коэффициента усиления и коэффициентов фильтра LPC анализа. Эти усредненные значения передаются в следующем пятом кадре, в котором содержат информацию о комфортном шуме (SID кадр).В речевом декодере комфортный шум генерируется на основе LPC анализа SID кадра. Чтобы исключить раздражающее влияние модуляции шума, комфортный шум должен соответствовать по амплитуде и спектру реальному фоновому шуму в месте передачи. В условиях подвижной связи фоновый шум может постоянно изменяться. Это значит, что характеристики шума должны передаваться с передающей стороны на приемную сторону не только в конце каждого речевого всплеска, но и в речевых паузах так, чтобы между комфортным и реальным шумом не было бы резких рассогласований в следующих речевых кадрах. По этой причине SID кадры посылаются каждые 480 мс в течение речевых пауз.Динамическое изменение характеристик комфортного шума обеспечивает натуральность воспроизведения речевого сообщения при использовании системы прерывистой передачи речи.4.6. Экстраполяция потерянного речевого кадраВ условиях замираний сигналов в подвижной связи речевые фрагменты могут подвергаться значительным искажениям. При этом для исключения раздражающего эффекта при воспроизведении необходимо осуществлять экстраполяцию речевого кадра.Было установлено, что потеря одного речевого кадра может быть значительно компенсирована путем повторения предыдущего фрагмента. При значительных по продолжительности перерывах в связи предыдущий фрагмент больше не повторяется, и сигнал на выходе речевого декодера постепенно заглушается, чтобы указать пользователю на разрушение канала.То же самое происходит и с SID кадром. Если SID кадр потерян во время речевой паузы, то формируется комфортный шум с параметрами предыдущего SID кадра. Если потерян еще один SID кадр, то комфортный шум постепенно заглушается.Применение экстраполяции речи при цифровой передаче, формирование плавных акустических переходов при замираниях сигнала в каналах в совокупности с полным DTX процессом значительно улучшает потребительские качества связи с GSM PLMN по сравнению с существующими аналоговыми сотовыми системами связи.Литература к Главе 4

GSM является цифровой системой связи, в которой входной речевой сигнал абонента  с помощью устройства в самом телефонном аппарате переводится в цифровую форму. Речь абонента разбивается на порции, длительностью в 0.02 сек. Для каждой порции с помощью специального алгоритма определяются  основные параметры сигнала (параметры

24

модели речевого тракта диктора), которые кодируются и в сжатом виде передаются  в канал связи корреспонденту. Алгоритм кодирования речи описан в рекомендациях стандарта GSM  (RPE-LPC/LTP- кодирование с регулярным импульсным возбуждением,  линейным предиктивным кодированием и долговременным предсказанием). (См.  ETSI-GSM М. Mouly, М-В. Pautet. The GSM System for Mobile Communications. 1992. - p. 701. A. Mehrotra. Cellular Radio Performance Engineering. Artech House. Boston-London. 1994. - p. 536. P. Vary. GSM Speech Codec. Conference Proceedings DCRC, 12-14 October. 1988.). Речевой сигнал на приемном конце вычисляется (как принято говорить, «синтезируется») по переданным параметрам. При этом структура восстановленного сигнала сильно упрощена по отношению к исходном звуковому сигналу (объем данных о речевом сигнале  сокращен примерно в 5 –10 раз). Общее качество речевого сигнала в телефонном канале стандарта GSM и узнаваемость диктора по отношению к стандартному телефонному каналу ухудшаются. Это может заметить любой пользователь такой телефонной связи. Это доказывают и объективные измерения.

Указанный алгоритм сжатия имеет в своем составе детектор "тон-шум". Все известные на сегодняшний день детекторы тона имеют выраженный дефект: ложное детектирование тона в интенсивных шумовых сигналах. Вследствие этого шипящие звуки устной речи и многие акустические сигналы шумового характера "озвончаются". В алгоритме используется так называемая «постфильтрация» - заглаживание специальным фильтром всех дефектов восстановленного (синтезируемого) речевого сигнал на выходном конце. Как видно из вышесказанного, идентификация диктора по физическим признакам речи, диагностика акустического окружения и лингвистический анализ фонетических признаков речи в таком сигнале значительно затруднены. Основная проблема  имеет принципиальный методологический характер и заключается в том, что исследованию подлежит синтезированный речевой сигнал, из которого алгоритмом кодирования исключены многие существенные идентифицирующие диктора, обстановку и канал связи особенности. Без решения вопросов достоверности воспроизводимого сигнала и границ допустимости его искажений специально для сигнала переговоров в GSM канале экспертное исследование не может быть полным.

Для увеличения числа свободных каналов связи согласно стандарту GSM используется так называемая Прерываемая передача  речевого сигнала (Discontinuous transmission). Прерываемая  передача представляет собой метод, основанный на факте, что за все время разговора человек говорит менее  40% времени.  В телефонах стандарта GSM во время любого разговора в каждом телефонном аппарате работает специальный блок: Детектор Активности Голоса (Voice Activity Detector). В паузах между репликами этот блок выключает передачу  данных от аппарата абонента, а  для того, чтобы пустые паузы не создавали у абонентов слухового дискомфорта, эти паузы заполняются так называемым «комфортным шумом» которые генерирует специальный генератор этого «комфортного шума». Паузы заполняются шумом, спектральный состав которого близок к белому, а аудиторное восприятие отдаленно напоминает шум льющейся воды, или же наводки аналогового сигнала тональной телефонии. Таким образом, каждая фонограмма в GSM канале является «смонтированной» из реплик абонентов, между которыми производится вставка искусственного сигнала  «комфортного шума».  Весь смонтированный сигнал,  то есть, и места стыков – монтажных переходов между передаваемым речевым сигналом и синтезируемым шумом сглаживаются специальным, так называемым  «постфильтром». 

Таким образом, речевой сигнал на выходе процедуры кодирования/декодирования по алгоритму GSM всегда имеет участки разрыва непрерывности передачи речевого сигнала в паузах между репликами абонентов и заполнение этих участков прекращения передачи полезного сигнала однородным искусственным сигналом «комфортного шума». Данная специфика речевого сигнала переговоров c использованием сети GSM  вводит новые проблемы при  обнаружении следов монтажа фонограмм.  Если кто-либо выполняет монтаж новой фонограммы на основе одной или нескольких фонограмм переговоров абонентов, ведущих разговоры по сотовой телефонной сети GSM, то при размещении монтажных переходов в  паузах между репликами разговора обнаружение таких точек монтажного перехода является сложной экспертной задачей, требующей особых методов исследования. (Тимко Е.В., Усков К.Ю.  Проблемы криминалистического исследования цифровых фонограмм, Труды Киевского НИИ судебных экспертиз, 2001 г.,  текст статьи доступен в сети Интернет: http://www.expert.com.ua) Причем выполнить такой монтаж несложно, как с помощью компьютерных комплексов цифрового монтажа фонограмм, так и с помощью современных высококачественных аналоговых магнитофонов, применяя режим временной остановки записи. Еще более эта задача может осложниться, если смонтированная фонограмма была вторично пропущена через  телефонную сеть, что может добавить в нее естественный непрерывный шум телефонного канала.Дело в том, что на участках речевых пауз  по самой природе цифрового кодирования по алгоритму GSM имеется не реальный звуковой сигнал, а  искусственный сигнал «комфортного шума». В случае использования для монтажа фонограмм, в которых переговоры велись  абонентами в одной и той же  относительно тихой окружающей  звуковой обстановке  с одних и тех телефонных аппаратов обнаружить на участках монтажных переходов «простые» признаки монтажа обычно не представляется возможным.  Дело в том, что между репликами стандартной фонограммы вместе в GSM канале  имеются участки вставки искусственного комфортного» шума. Отличить участки, вставленные самим алгоритмом кодирования GSM при передаче от искусственно вставленных в процессе монтажа фонограммы участков шума с последующими репликами довольно трудно. Во всяком случае, в местах таких монтажных переходов отсутствуют щелчки, скачки уровня и частотного диапазона шумов, импульсы включения/выключения аппаратуры записи, обрывки слов или фраз, нарушения логического единства разговора. Процитируем мнение известных специалистов в области монтажа фонограмм из Киевского НИИ судебных экспертиз (Тимко Е.В., Усков К.Ю.  Проблемы криминалистического исследования цифровых фонограмм, Труды Киевского НИИ судебных экспертиз, 2001 г.,   текст статьи доступен в сети Интернет: http://www.expert.com.ua): «Традиционные методики исследования на предмет монтажа фонограмм малоприменимы к указанной технике. В первую очередь это связано с тем, что при восстановлении фонограммы с целью сглаживания производится пост-фильтрация восстановленного сигнала. По этой причине, а также вследствие неадекватности передачи импульсных сигналов вмешательство в файлы фонограмм проявляет себя только на контекстно-зависимом (лингвистическом –С.К.) уровне».

25