ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИИ И КОДИРОВАНИЯ. Воронежский институт мвд россии кафедра высшей математики
 Скачать 1.43 Mb.
|
|
Каждая сота характеризуется фиксированным присвоением определенного количества пар частот. Если обозначить FI (п) - номер несущей частоты в полосе 890-915 МГц, Fu (n) - номер несущей частоты в полосе 935-960 МГц, то частоты каналов определяются по следующим формулам: FI (n) = 890,2 + 0,2 (n-1), МГц; Fu (n) = FI (n) + 45, МГц; 1<п<124. Этим каналам присваиваются номера (n) от 0 до 123. Тогда частоты восходящего (FR) и нисходящего (FF) направлений каждого из каналов можно вычислить по формулам: FR(n) = 890+0.2n (МГц), FF(n) = FR(n) + 45 (МГц). Аналогичное разделение организуется и для GSM-1800. Для передатчиков сотового телефона выделяются частоты 1710-1785 MHz, а для передатчиков базовых станций: 1805-1880 MHz. Тогда при ширине в 200 KHz в каждом направлении выделяется 374 канала с разносом частоты в 95 MHz. GSM 1800 BS 1805MHz ⇐ 75MHz ⇒ 1880MHz ⇑ 375 × 200 ⇑ 95MHz 95MHz ⇓ ⇓ MS 1710MHz 200KHz 200KHz 200KHz 200KHz 1785MHz № канала 1 373 374 Одна базовая станция стандарта GSM обычно способна поддерживать до 12 передатчиков, а каждый передатчик способен одновременно поддерживать связь с 8-ю общающимися абонентами (8 каналов). Один из каналов выделяется как управляющий канал или канал вызова. Все БС системы соединены с АТС по выделенным проводным (оптическими) или радиорелейным каналам связи. Работа MS Каждый мобильный телефон имеет кнопку положение трубки, которая может быть в состоянии трубка поднята и трубка положена. Когда «трубка положена», телефон постоянно сканирует либо все каналы системы, либо только управляющие. Во время набора номера радиотелефон занимает тот свободный канал, уровень сигнала в котором особенно велик. По мере удаления абонента от данной базовой станции и 76 Глава 2. Каналы связи перемещения его в зону действия другой БС, уровень сигнала падает и качество разговора ухудшается. Специальная процедура, называемая передачей управления вызовом или «эстафетной передачей» (в иностранной технической литературе - han- dover или handoff), позволяет переключить разговор на свободный канал другой БС, в зоне действия которой оказался абонент. Для осуществления «эстафетной передачи» БС снабжена специальным приемником, периодически измеряющим уровень сигнала сотового телефона и сравнивающего его с допустимым пределом. Если сигнал слишком мал, информация об этом автоматически передается на коммутатор. ЦКП выдает команду об измерении уровня сигнала на ближайшие к нему базовые станции. После чего разговор переключается на ту из них, где величина измеренного сигнала оказалась наибольшей. Все занимает доли секунды. В зависимости от загруженности каналов телефон так же может выбирать между сетью 900 и 1800 МГц, причем переключение возможно даже во время разговора абсолютно незаметно для говорящего. Вызов подвижного абонента. Для поиска мобильного абонента всеми базовыми станциями системы по управляющим каналам передается «широковещательный» сигнал вызова. Сотовый телефон, который постоянно сканирует каналы (обычно управляющие), отвечает на одном из них. Базовые станции, принявшие ответный сигнал, передают информацию на коммутатор, который, в свою очередь, переключает разговор на ту БС. Где после измерения уровень сигнала оказался наибольшим. Базовая станция Рассмотрим подробнее принципы работы базовых станций. Антенна Базовая станция осуществляет связь с абонентами при помощи приемо-передатчиков (TRX - transmitter/receiver). 1 базовая станция может обслуживать до 24 приемо- передатчиков (антенн). Антенны бывают: 360 ◦ , 120 ◦ , 60 ◦ , поэтому можно создавать соты с 1 антенной, и теоретически построить сеть из 24 сот на 1 БС. Ширины диаграммы направленности антенн в вертикальной плоскости, составляющей обычно менее 10 ◦ . Часто антенны, размещенные на мачте, имеют незначительный угол наклона, то есть они слегка опущены вниз таким образом, чтобы специально ограничить радиус действия станций. Это позволяет, в связи с выше сказанным, неоднократно использовать одни и те же каналы на других базовых станциях, расположенных на относительно небольшом расстоянии. В распоряжение каждой базовой станции может быть предоставлено от одной до 16 частот По статистическим оценкам количество звонящих составляет 16 чел. на 1000 абонентов. Поэтому на 500 чел. хватит 1 антенны (8 каналов). Приемо-передатчик Мощность излучения приемо-передатчика непостоянна во времени и зависит от количества абонентов, обслуживаемых БС в данный момент. Максимальная, мощность 2.4. Стандарт сотовой связи GSM 77 на выходе передатчика может составлять около 30 Вт при работе на частоте 1800 МГц и 300 Вт – на частоте 900 МГц, но реально на практике не превышает 5-10 Вт на несущую. Классификация мощности GSM900 на 1998 г. Класс мощности Максимальный уровень мощности передатчика Базовая станция 1 20 Вт 320W 2 8 Вт 160W 3 5 Вт 80W 4 2 Вт 40W 5 0.8 Вт 20W 6 10W 7 5W 8 2.5W В качестве сравнения заметим, что СВЧ печь имеет частоту 2450MHz и при 500W без труда разогревает 50 граммовую сосиску. 2450MHz - это одна из резонансных частот колебаний молекул воды. Мощность 650nm ИК лазера DVD - 0.1W. Спутниковые передающие антенны, находящиеся на геостационарных орбитах в космосе на расстоянии 35 тыс. км от Земли, питаются от солнечных батарей, поэтому мощность передающего сигнала очень невелика - как правило, 150 ватт - и рассеивается она по огромной площади. Современные наземные ТВ-передатчики в городах имеют мощность от 100 ватт (в районах) до 25 кВт (в областных центрах). Мощность излучения сотового телефона меняется от 0.5W до 2W в зависимости от расстояния до базовой станции. Согласно стандарта максимальная излучаемая мощность MS GSM900 - 2Вт., а GSM1800 - 1 Вт. Однако, далее мы увидим, что средняя мощность телефона в 8 раз меньше установленной, поскольку 7/8 передача не ведется и антена не излучает. Кодирование речи С микрофона речевой сигнал поступает в речевой кодек 1 . Там он на первом этапе сегментируется (разбивается на сегменты длительностью 20 мс), а затем преобразуется в цифровой поток со скоростью 13 кбит/с (один сегмент составляет кодовую последовательность из 260 бит). Поскольку частотный спектр передаваемого сигнала ограничен узкой полосой пропускания радиотракта, речь кодируют по специальному алгоритму LCP- LTP-RPE-кодирования. Следует отметить, что GSM-кодирование оптимизировано исключительно для передачи речи с максимальным качеством. 1 Частотный диапазон человеческого голоса: Бас 75-330Hz; Тенор 120-500Hz; Меццо-сопрано 170- 700Hz; Сопрано 230-1100. 78 Глава 2. Каналы связи Ранее мы рассматривали теорему Найквиста, согласно которой частота "оцифровки"звука должна как минимум в 2 раза превышать максимальную частоту, входящую в состав спектра сигнала. Речевой кодек передает каждые 260 бит информационной последовательности со скоростью 13 кбит/с на схему канального кодирования. Первые 182 бита этого кадра, называемые в стандарте GSM битами 1 класса, защищаются с помощью слабого блочного кода для обнаружения ошибок в приемнике. Кодирование осуществляется следующим образом: биты класса 1 разделяются дополнительно на проверки на четность. Блочный код представляет собой укороченный систематический 50 бит класса 1а и 132 бита класса 1б. Биты класса 1а дополняются тремя битами циклический код (53, 50). В соответствии с принятым правилом формирования систематического кода, ключ Sw закрыт на время первых пяти-десяти тактовых импульсов, а информационные биты, поступающие на вход кодирующего устройства, одновременно поступают на блок переупорядочения и формирования бит проверки на четность. После пятидесяти тактовых импульсов переключатель Sw срабатывает и биты проверки на четность поступают из кодирующего устройства. На этой стадии проводится первый шаг перемежения. Биты с четными индексами собираются в первой части информационного слова, за которыми следуют три бита проверки на четность. Затем биты с нечетными индексами запоминаются в буферной памяти и переставляются. Далее следуют четыре нулевых бита, которые необходимы для работы кодера, формирующего код, исправляющий случайные ошибки в канале. После чего 189 бит класса 1 кодируются сверточным кодом (2,1,5) со скоростью г=1/2. После сверточного кодирования общая длина кадра составляет 2х189+78=456 бит. После этого кадр из 456 бит делится на восемь 57 битовых подблоков, которые подвергаются диагональному и внутрикадровому перемежению. Более точно подблоки В0 и В4 формируются в пакеты по 114 бит, которые являются результатом блочно- диагонального перемежения (DI/B). Биты В0 и В4 подблоков попарно перемежаются, образуя процесс внутрикадрового битового перемежения (IBI/B). В результирующий пакет включены два опережающих флага h1, h0, которые используются для классификации различных пакетов передачи Структура связи MS-BS При каждом соединении сигнал преобразуется в цифровой поток информации, то есть оцифровывается, и далее 456bt. блоки разбивается на небольшие пакеты по 148bt. На передачу каждого пакета отводится интервал длительностью 0,577 мс, каждые 4,616 мс (то есть точно 8 х 0,577). Следовательно, мобильный телефон в режиме соединения выдает пачку очень коротких импульсов каждые 4,616 мс, что соответствует скорости 32.116kbs и частоте 217Hz. Именно непосредственным детектированием этих импульсных сигналов и объясняется характерное низкочастотное гудение в трубке телефона, которое слышно, когда мобильный телефон используется слишком близко от различной аудиоаппаратуры, имеющей недостаточно хорошее экранирование. Заметим, что скорость передачи данных с одного телефона в этом 2.4. Стандарт сотовой связи GSM 79 случае составляет 148bt × 217Hz = 32.116kbs. В тоже время при полной загрузке 8 каналов скорость приема-передачи трансивера составит 32.116kbs × 8 = 257kbs. Когда абонент получает канал, ему выделяется не только частотный канал, но и один из конкретных канальных интервалов, и он должен вести передачу в строго отведенном временном интервале, не выходя за его пределы - иначе будут создаваться помехи в других каналах. Система с разделением частот (FDMA) позволяет получить 8 каналов по 25кГц (200 = 8×25), которые, в свою очередь, разделяются по принципу системы с разделением времени (TDMA) еще на 8 каналов. В GSM используется GMSK-модуляция, а несущая частота изменяется 217 раз в секунду для того, чтобы компенсировать возможное ухудшение качества. В каждом частотном канале данные передаются в 8 канальных интервалах (КИ), т.е. используется временное разделение каналов. Длительность КИ - 576.56 mks. В начале и в конце КИ отводится по 28 mks на затухание переходных процессов, в ходе которых мощность излучения передатчика меняется на 70dB (вверх или вниз) и 30.44mks защитного времени (Shield Time), в течение которого передатчик "молчит". Полезная продолжительность КИ - 546.12mks служит для передачи 148bt. Полезная длительность КИ 546.12 mks, 148bt Защитное время 30.44mks Переходные процессы 28mks 3bt(флаг)+57bt+1bt+ +26bt(синхронизация)+ 1bt+57bt++3bt Переходные процессы 28mks Базовая станция (BS) всегда передает на три канальных интервала раньше подвижного аппарата (HS). Передача сигнала на АТС Транскодер обычно располагается вместе с MSC, тогда передача цифровых сообщений в направлении к контроллеру базовых станций - BSC ведется с добавлением к потоку со скоростью передачи 13 кбит/с, дополнительных битов (стафинг) до скорости передачи данных 16 кбит/с. Затем осуществляется уплотнение с кратностью 4 в стандартный канал 64 кбит/с. Так формируется определенная Рекомендациями GSM 30-канальная ИКМ линия, обеспечивающая передачу 120 речевых каналов. Шестнадцатый канал (64 кбит/с), "канальный интервал", выделяется отдельно для передачи информации сигнализации и часто содержит трафик SS N7 или LAPD. В другом канале (64 кбит/с) могут передаваться также пакеты данных, согласующиеся с протоколом Х.25 МСЭ-Т. Таким образом, результирующая скорость передачи по указанному интерфейсу составляет 30х64 кбит/с + 64 кбит/с + 64 кбит/с = 2048 кбит/с. Сеть связывается с мобильным телефоном только в течение интервалов времени длительностью 0,577 мс. При скорости 300 000 км/с радиоволнам потребуется 0,233 мс, чтобы преодолеть путь в 70 км (туда и обратно) между базовой станцией и 80 Глава 2. Каналы связи мобильным телефоном. За пределами радиуса действия 35 км пакеты битов, передаваемые сотовым телефоном, достигают базовой станции в тот момент, когда она уже прекратила их ожидание и перешла на прием сигнала от другого сотового телефона. Когда мобильный аппарат находит базовую станцию и происходит синхронизация, контроллер базовой станции формирует полнодуплексный канал на мобильный коммутирующий центр через фиксированную сеть. Центр передает информацию о мобильном терминале в четыре регистра: посетительский регистр подвижных абонентов или "гостей"(VLR - Visitor Layer Register), "домашний"регистр местных подвижных абонентов (HRL - Home Register Layer), регистр подписчика или аутентификации (AUC - AUthentiCa- tor) и регистр идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Register). Эта информация уникальна и находится в пластиковой абонентской микроэлектронной телекарточке или модуле (SIM - Subscriber Identity Module), по которому производятся проверка правомочности абонента и тарификация. 2.5 Стандарты зписи CD и DVD Audio CD (Музыкальный компакт-диск) Формат, являющийся родоначальником всех появившихся в последующем форматов компакт-дисков. Год его рождения — 1980 год. Родителями стали компании Philips и Sony. Стандарт CD-DA описывает те диски, которые предназначены для записи цифрового звука. В стандарте были определены физические параметры и оптические характеристики дисков, системы модуляции сигнала, коррекции ошибок, а также порядок размещения на диске информации и управляющих данных. Этим стандартом был введен самый распространенный сейчас формат оцифровки звука: 16-разрядное квантование с частотой дискретизации 44.1 кГц. Очевидно,что чем больше частота дискретизации, тем точнее цифровой сигнал воспроизводит аналоговый. Откуда же взялась цифра 44.1 кГц? На самом деле тут все просто. По теореме Найквиста непрерывный сигнал можно точно восстановить по его отсчетам, если частота дискретизации вдвое больше максимальной звуковой частоты в сигнале. Так как человек может слышать звук частотой до 20 кГц, частота дискретизации должна быть как минимум в два раза больше, то есть не менее 40 кГц. На сегодня распространены частоты 44.1 кГц и 48 кГц. Оцифровка звука выполняется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Но этим процессом дело не заканчивается. Звук подвергается дальнейшему преобразованию. Сначала оформляются микрокадры, содержащие по шесть отсчетов с двух каналов (стерео), размером 6x2x16=192 бита или 24 байта. 98 микрокадров составляют блок (сектор) размером 2352 байта. Размер одинаков для всех стандартов, основанных на CD-DA. В формате Audio CD все байты задействованы под звук, а в некоторых других форматах (CD-ROM) часть сектора отводится под служебные данные. На следующем этапе блок кодируется для защиты от ошибок чтения (CIRC). При этом каждому микрокадру добавляется 8 контрольных байтов. В начало микрокадра вставляются 24 бита синхронизации и один символ (8 бит) субкода, а также биты слияния — 2.5. Стандарты зписи CD и DVD 81 по три между байтами. Затем микрокадр подвергается канальному кодированию — модуляции 8/14 (EFM). В результате каждый байт превращается в слово из 14 бит, называемых канальными битами. В итоге микрокадр, содержащий 24 байта данных, занимает 24 (синхронизация) + 3 (биты слияния) + 14 (байт субкода) + 3 (биты слияния) + (14 + 3) х 32 (байты данных с битами слияния) = 588 битов. Это и есть физический кадр стандарта CD-DA. Скорость воспроизведения музыкального диска с 16-разрядным стереозвуком и частотой 44.1 кГц равна 2x16x44100/8=176400 байт/с. Отсюда можно получить скорость чтения 176400/2352=75 секторов в секунду. Сектора объединяются в дорожки. Регламентировано минимальное количество блоков в одной дорожке. Их не должно быть меньше 300. Есть ограничения и на количество дорожек. Их не должно быть больше 99. Хотя число созданных дорожек обычно больше чем одна, на самом деле на компакт-диске находится одна большая дорожка (примерно 5000 м) в виде спирали, начинающаяся изнури диска и заканчивающаяся на внешнем крае. Адрес сектора задается во временном формате минута:секунда:сектор (1/75 секунды), что досталось в наследство от грампластинок. Чтобы при разной скорости чтения не получилось расхождение, расчет времени производится исходя из одноразовой скорости. Каждая композиция обычно содержит собственную дорожку. При необходимости пауз между дорожками вставляются зазоры (150 блоков=2 секунды). Теперь разберемся, куда на диске записываются данные стандарта CD-DA (рис. 1.4). Эта часть диска называется информационной. Она состоит из трех зон. Подробно рассмотрим каждую из них: • Зона lead-in. Находится на внутреннем краю информационной области. Представляет собой одну дорожку, состоящую из нулей и заканчивающуюся двухсекундным интервалом пустых блоков. Эта зона отвечает за синхронизацию читающей головки перед чтением данных. В субканале Q находится таблица оглавления диска (ТОС), адреса фрагментов, формат дорожек, обозначение временных меток, сведения о производителе, время выпуска альбома (данные соответствуют стандарту ISRC, международному стандартному коду записи), а также с помощью него можно разделить дорожку до 99 фрагментов. • Зона lead-out. Находится на внешнем краю диска и отделена от зоны данных двух-трехсекундным интервалом единиц. Содержит в себе нули и единицы, чередующиеся между собой с частотой 2 Гц и служит для обозначения конца записанной области. Не содержащие зоны lead-out диски могут быть не прочитаны на некоторых проигрывателях.• Зона данных (Program Area). Содержит сами данные, состоящие из одной или нескольких дорожек. Номера треков состоят из десятичных цифр и хранятся в формате XX. Поэтому максимально возможное число получается |