Ротенштейн И. В. Сети. Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 090303. 65 Информационная безопасность автоматизированных систем
 Скачать 6.03 Mb.
|
|
Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС ГЛОНАСС предназначена для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей. Система ГЛОНАСС состоит из трех подсистем: • подсистемы космических аппаратов (ПКА); • подсистемы контроля и управления (ПКУ); • навигационной аппаратуры потребителей / аппаратуры спутниковой навигации НАП (АСН). Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС состоит из 24-х НКА, находящихся на круговых орбитах высотой 19100 км, наклонением 64,8° и периодом обращения 11 часов 15 минут в трех орбитальных плоскостях. (GPS – 20180 км., Galileo – 23222 км.) Орбитальные плоскости разнесены по долготе на 120°. В каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 НКА с равномерным сдвигом по аргументу широты 45°. Кроме этого, в разных плоскостях положения НКА из разных плоскостей сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15°. Такая конфигурация подсистемы КА позволяет обеспечить непрерывное и глобальное покрытие земной поверхности и околоземного пространства навигационным полем. Подсистема контроля и управления состоит из Центра управления системой ГЛОНАСС и сети станций измерения, управления и контроля, рассредоточенных по всей территории России. В задачи ПКУ входит контроль правильности функционирования ПКА, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на НКА временных программ, команд управления и навигационной информации. НАП (АСН) состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов НКА «Глонасс» и вычисления собственных координат, скорости и времени. Абонентские системы ГЛОНАСС выполняют беззапросные измерения псевдодальности и радиальной псевдоскорости не менее четырех (трех) НКА «Глонасс», а также прием и обработку навигационных сообщений, содержащихся в составе спутниковых навигационных радиосигналов. В навигационном сообщении описывается положение НКА в пространстве и времени. В результате обработки полученных измерений и принятых навигационных сообщений определяются три (две) координаты потребителя, три (две) составляющие вектора скорости его движения, а также осуществляется синхронизация шкалы времени потребителя со шкалой Гос-эталона Координированного Всемирного времени UTC(SU). Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС 2 Данные, обеспечивающие планирование сеансов навигационных определений, выбор рабочего "созвездия" навигационных космических аппаратов и обнаружение передаваемых ими радиосигналов, передаются в составе навигационного сообщения. СиСПИ ЛК-10 КРвЦСП 1 КОДИРОВАНИЕ РЕЧИ В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ Речь представляет собой колебания сложной формы, зависящей от произносимых слов, тембра голоса, интонации, пола и возраста говорящего. Спектр речи весьма широк (примерно от 50 до 10000 Гц), но для передачи речи в аналоговой телефонии когда-то отказались от составляющих, лежащих вне полосы 0,3÷3,4 кГц, что ухудшило восприятие ряда звуков (например, шипящих, существенная часть энергии которых сосредоточена в верхней части речевого спектра), но мало затронуло разборчивость. Ограничение частоты снизу (до 300 Гц) также ухудшает восприятие из-за потерь низкочастотных гармоник основного тона. А в цифровой телефонии к влиянию ограничения спектра добавляются еще шумы дискретизации, квантования и обработки, дополнительно зашумляющие речь. Для совместимости по полосе с распространенными аналоговыми сетями в цифровой телефонии отсчеты аналоговой речи приходится брать согласно теореме Котельникова с частотой 8 кГц - не меньше двух отсчетов на 1 Гц полосы. Правда, в цифровой телефонии существует принципиальная возможность использовать спектр речи за пределами полосы 0,3÷3,4 кГц и тем самым повысить качество, но эти методы не реализуются, так как они вычислительно пока еще очень сложны. Впрочем, кое-что появляется: уже разработаны универсальные кодеки для компьютерной телефонии и мультимедиа, способные пристойно передавать не только речь, но и музыку. При полосе исходного сигнала до 6 кГц и тактовой частоте отсчетов около 16 кГц сжатый цифровой сигнал требует для передачи канал в 12 кбит/с. При этом оценка качества по критерию усреднѐнной экспертной оценки (УЭО) может быть выше 4,5 балла. Озвученная речь образуется с помощью звуковых связок человека. Скорость их периодических колебаний задает так называемую частоту основного тона (ОТ) - периодическую подпитку энергией голосового тракта человека, который представляет собой объемный резонатор. Голосовой тракт формирует спектральную окраску речи, или, другими словами, ее формантную структуру. Условно, речевой сигнал можно разделить на две составляющие, отвечающие за Основной Тон (возбуждение фильтра) и голосовой тракт (формантная структура сигнала). Соответственно, большинство на сегодня используемых алгоритмов решают один вопрос – как наиболее эффективно выделить и сокращенно описать обе составляющие. Классическое формирование цифрового сигнала из аналогового (по Котельникову) предусматривает последовательное выполнение трех основных операций: дискретизация аналогового сигнала по времени, в результате чего формируется импульсный амплитудно-модулированный сигнал (АИМ); квантование АИМ-сигнала по уровню; кодирование квантованных отсчетов АИМ-сигнала. Рис. 1. Преобразование аналогового сигнала в цифровой ИКМ-сигнал СиСПИ ЛК-10 КРвЦСП 2 В цифровых системах передачи (ЦСП) формируется групповой цифровой сигнал, иначе называемый сигналом импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). При формировании группового ИКМ-сигнала добавляется еще одна операция: перед квантованием по уровню производится объединение индивидуальных АИМ-сигналов (Рис.1). Обратное преобразование ИКМ-сигнала в аналоговый предусматривает последовательное выполнение следующих основных операций: декодирование (преобразование ИКМ-сигнала в АИМ); восстановление аналогового сигнала (выделение из спектра АИМ-сигнала исходного сигнала). В ЦСП соответствующие операции обработки производятся отдельными устройствами. Операции квантования и кодирования в ЦСП обычно объединяют в одном устройстве. Дискретизация сигнала во времени В процессе формирования АИМ сигнала осуществляется дискретизация непрерывного (аналогового) сигнала во времени в соответствии с теоремой дискретизации (теоремой В.А.Котельникова): любой непрерывный сигнал, ограниченный по спектру верхней частотой F В полностью определяется последовательностью своих дискретных отсчетов, взятых через промежуток времени T д =1/2 F В , называемый периодом дискретизации. В соответствии с ним частота дискретизации, т.е. следования дискретных отсчетов, выбирается из условия F Д 2F В Поскольку все реально существующие непрерывные сигналы связи представляют собой случайные процессы с бесконечно широким спектром, причем основная энергия сосредоточена в относительно узкой полосе частот, перед дискретизацией необходимо с помощью фильтра нижних частот ограничить спектр сигнала некоторой частотой F В . Для телефонных сигналов необходимо использовать ФНЧ с частотой среза F В =3,4 кГц. Поэтому частота дискретизации для телефонных сигналов выбрана 8 кГц. Квантование мгновенных значений сигнала В процессе квантования по уровню значение каждого АИМ-отсчета заменяется ближайшим разрешенным значением. Характеристиками квантующего устройства являются следующие: число уровней квантования N КВ ; шаг квантования - разность между двумя соседними разрешенными уровнями; напряжение ограничения U ОГР - максимальное значение амплитуды отсчета, подвергаемого квантованию. Если =const, то квантование называют равномерным. СиСПИ ЛК-10 КРвЦСП 3 Ошибка квантования ε – разность между истинным значением отсчета и его квантованным значением. При равномерном квантовании величина ошибки квантования не превышает половины шага квантования. При квантовании возникает так называемый шум квантования, мощность которого определяется выражением Р ш.кв = 2 /12. Защищенность от шумов квантования определяется как: А з.кв =10 lg(P С / Р ш.кв ). Если входное напряжение выше порогового, на выходе квантователя формируются отсчеты с амплитудой U ОГР - такой режим работы квантователя называется перегрузкой. При этом возникают шумы ограничения, мощность которых значительно превышает мощность шумов квантования. Необходимо применять специальные меры, предотвращающие перегрузку квантователя. Недостатком равномерного квантования является меньшая защищенность от шумов квантования малых уровней сигнала. Для обеспечения А з.кв не менее 30 дБ во всем динамическом диапазоне речевого сигнала требуется 2 12 =4096 уровней квантования. Большое число разрядов в коде (m=12) при равномерном квантовании приводит к усложнению аппаратуры и неоправданному увеличению тактовой частоты. Устранить указанный существенный недостаток можно, осуществляя неравномерное квантование, которое используется в современных ЦСП. Сущность неравномерного квантования заключается в следующем. Для малых значений сигналов шаг квантования выбирается минимальным, и постепенно увеличивается, достигая максимального для больших значений сигналов. При этом для слабых сигналов Р ш.кв уменьшается, а для сильных – возрастает, что приводит к увеличению А з.кв для слабых сигналов и снижению А з.кв – для сильных. В результате удается снизить разрядность кода до m = 8 (N КВ = 256), обеспечив при этом выполнение требований к защищенности от шумов квантования в широком динамическом диапазоне сигнала, составляющем около 40 дБ. Таким образом происходит выравнивание А з.кв в широком диапазоне изменения уровней сигнала. Рис. 2. Передаточная характеристика компрессора СиСПИ ЛК-10 КРвЦСП 4 Эффект неравномерного квантования может быть получен с помощью сжатия динамического диапазона сигнала с последующим равномерным квантованием. Сжатие динамического диапазона сигнала осуществляется с помощью компрессора, обладающего нелинейной амплитудной характеристикой. Чем большей нелинейностью обладает компрессор, тем больший выигрыш может быть получен для слабых сигналов. Для восстановления исходного динамического диапазона сигнала на приеме необходимо установить экспандер (расширитель), амплитудная характеристика которого должна быть обратной амплитудной характеристике компрессора. Таким образом, результирующая (суммарная) амплитудная характеристика цепи компрессор-экспандер (компандер), должна быть линейной во избежание нелинейных искажений передаваемых сигналов. В современных ЦСП находят применение две логарифмические характеристики компандирования (типов А и ), которые удобно изображать и описывать в нормированном виде у=f(х), где у = U ВЫХ /U ОГР , x = U ВХ /U ОГР : 1 1 ; ln 1 ln 1 1 0 ; ln 1 x A A x A A x A x A y 1 0 ; 1 ln 1 ln x x y где А = 87,6 и = 255 - параметры компрессии. Характеристика компандирования типа А используется в ЦСП, соответствующих европейской ПЦИ, а типа - в ЦСП, соответствующих североамериканской ПЦИ. Логарифмическая ИКМ никак не использует взаимную корреляцию между соседними отсчетами речи, поэтому первым примером сжимающей обработки стоит считать дифференциальную ИКМ (ДИКМ), при которой осуществляется предсказание речи первого порядка (нулевая интерполяция). Предыдущий отсчет берется с определенным весом, формируя прогноз. Разница между предсказанным и реальным отсчетом речи подвергается квантованию. Позднее появилась более продвинутая технология - адаптивная дифференциальная ИКМ (АДИКМ). При АДИКМ размеры шага квантования подстраивают в соответствии с энергией речи так, чтобы слабые сигналы квантовались малыми ступенями квантования, а сильные сигналы - большими. Благодаря непрерывной подстройке шага квантования к текущей мощности речи, разрядность шкалы квантования при АДИКМ удалось снизить до четырех бит и получить кодек со скоростью передачи 32 кбит/с и качеством, близким к ИКМ. Алгоритм управления адаптацией шкалы вносит запаздывание, ухудшающее качество речи. В 1987 году во вкладе СССР в Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии был описан алгоритм АДИКМ G.721-bis с ускоренной адаптацией шага. Затем рекомендация G.721 еще несколько раз улучшалась, и в 1984 году был принят стандарт ITU-T G.726 на АДИКМ (32 кбит/с), но с лучшим качеством, используемый по настоящее время на спутниковых и других линиях связи. СиСПИ ЛК-10 КРвЦСП 5 Кодирование сигналов Все кодеки (кодер/декодер) по принципу обработки можно условно разделить на две группы: кодеки формы сигнала и кодеки речи (вокодеры). В настоящее время широко применяются гибридные кодеки – сочетающие в себе оба варианта кодирования. Кодеки формы сигнала используются сегодня в системах традиционной телефонии. В большинстве случаев, представляют собой сочетание АЦП/ЦАП. Применяются кодеки с Импульсно Кодовой Модуляцией (ИКМ), Адаптивной Дифференциальной Импульсно Кодовой Модуляцией (АДИКМ) и Адаптивной Дельта-Модуляцией (АДМ) Кодеки с вокодерным преобразованием речевого сигнала возникли в системах мобильной связи для снижения требований к пропускной способности радиотракта. Вокодеры осуществляют параметрическое кодирование речевых сигналов (РС), при котором на передающей стороне с помощью анализатора из РС выделяют характерные, медленно изменяющиеся параметры, которые передаются в кодированном виде по каналу связи. На приемной стороне синтезатор по этим параметрам формирует речевое сообщение. При построении ВК используют следующие специфические особенности спектра РС: 1. Спектр звонких звуков (гласных и звонких согласных) дискретный, причем все компоненты спектра являются кратными гармониками частоты основного тона F ОТ . 2. Спектр глухих звуков является практически сплошным. 3. Для всех звуков характерно неравномерное распределение энергии ком- понентов спектра с концентрацией их в отдельных областях, которые называ- ются формантами. Число таких формантных областей для каждого звука — 3÷5. Основными параметрами 1-й формантной области (i=1, 2, 3, ... — номер форманты) являются центральная частота и максимальная энергия, которые меняются от звука к звуку. СиСПИ ЛК-10 КРвЦСП 6 4. Огибающая мгновенных спектров различных звуков одного абонента имеет максимум в области 200÷400 Гц со спадом интенсивности для верхних частот примерно 9÷12 дБ/октаву. 5. Частота следования отдельных звуков или слогов не превышает 10 Гц, при этом длительность самых коротких согласных звуков — не менее 0,03 с, а самых длинных гласных — не более 0,35 с. В зависимости от того, какие из перечисленных особенностей выбраны ос- новными при анализе и синтезе РС, вокодеры разделяют на полосные (ПВК), формантные (ФВК), гармонические (ГВК) и т.д. В каждом из них может ис- пользоваться аналоговая, аналого-цифровая или полностью цифровая обработка сигналов. Комбинированные (гибридные) кодеки сочетают в себе технологию вокодерного преобразования/синтеза речи, но оперируют уже с цифровым сигналом посредством специализированных сигнальных процессоров. Кодеки этого типа содержат в себе ИКМ или АДИКМ кодек и реализованный цифровым способом вокодер. алгоритм скорость передачи кбит/с название стандарта субъек- тивное качество задержка при обработке область применения ИКМ 64 ITU-T G.711 4,1 0,75 мс телефонные сети АДИКМ 32 ITU-T G.726 3,8 1 мс телефонные сети IMBE 6,4 INMAR-SAT-M 3,1 35 мс спутниковая телефония LD-CELP 16 ITU-T G.728 3,6 от 3 до 5 мс телефонные сети RPE-LTP 13 ETSI GSM 3,3 30 мс сотовая телефония (Европа) MP-MLQ 6,3 ITU-T G.723.1 3,9 30 мс телефонные сети ACELP 5,3 ITU-T G.723.1 3,7 30 мс телефонные сети ACELP 4,8 ETSI TETRA 3,4 30 мс сотовая телефония (Европа) CS-ACELP 8 ITU-T G.729 3,9 10 мс телефонные сети MELP 2,4 США (проект) 3,5 50 мс мин. обороны США Вокодер GSM (схема кодера) Для того чтобы иметь высокое качество передачи речи более низких требованиях к скорости передачи информации, в GSM используется способ кодирования, объединяющий вокодеры и дифференциальную ИКМ, который получил название дифференциального кодирования. Вокодерное преобразование основано на использовании особенностей речевых органов человека. По сути дела голосовые связки человека генерируют частоту, которая далее модулируется горлом и ртом, как фильтром. Зная в каждый момент времени частоту и параметры ―фильтра‖, можно восстановить исходный сигнал. Учитывая инертность голосовых органов человека, можно считать, что за СиСПИ ЛК-10 КРвЦСП 7 небольшой промежуток времени (10÷30мс) они не изменяют своего состояния, т.е. остаются постоянными частота и параметры ―фильтра‖. Следовательно, если брать отрезки речевого сигнала по 20 мс, определять частоту основного тона и параметры ―фильтра‖ речеобразующего тракта, то по ним легко можно восстановить исходный сигнал. Так при кодировании с линейным предсказанием определяется и передается следующая информация: параметры модели речеобразующего тракта; характер возбуждения (гласный или звонкий согласный звук в сопоставлении с глухими звуками); период основного тона; коэффициент усиления. Структурная схема кодера GSM. Естественно в фиксированные промежутки времени голосовые органы человека не остаются в фиксированном положении, и возбуждения носят более комплексный характер, чем передаваемый характер возбуждения и период основного тона. Это приводит к заметному ухудшению качества восстановленной речи. Таким образом, дифференциальное кодирование подразумевает деление речевого сигнала на отрезки в 20 мс с последующим их кодированием. Вначале формируется сегменты речевого сигнала в 20мс. Далее определяются сигнал основного тона и параметры линейного предсказания. Учитывая корреляцию периодов сигнала основного тона, формируется разностный сигнал как разность поступившего и предшествующего периодов. После выделения спектра основного сигнала с помощью фильтра низких частот (ФНЧ) производится его кодирование. В результате кодирования получаем 260 бит, характеризующих сегмент речевого сигнала в 20мс. Следовательно, требуемая скорость передачи информации составит 13кбит/с. Данный кодер получил название кодера с регулярным импульсным возбуждением /долговременным предсказанием и линейным кодированием с предсказанием (RPE/LTP-LPC – кодер). |