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第三讲 GSM关键技术
| 3.6 基站与移动台间的时间调整 由于在空中接口采用了TDMA技术，那么某一移动台必须在指配给它的时隙内 发送，而在其余时间又必须保持寂静，否则它会干扰使用同样载频上不同时隙的 另一些移动客户。 从图3－24可见，收发之间是间隔3个时隙。假如某移动台占用了时隙2（TS2），可它在呼叫期间向远离基站方向移动，因此从基站发出的信息，将会越来越迟地到达移动台。与此同时移动台的应答信息，也会越来越迟地到达基站。如果不采取措施，该时延长至使该移动台在TS2发送的信息与基站在TS3接受到的另一个呼叫信息重迭起来。所以，在呼叫进行期间，必须监视呼叫到达基站的时间，并由系统向移动台发送指令，随着移动台离开基站的距离，逐步指示移动台提前发送的时间，这就是时间的调整。 图3-24 TCH上下行偏移 时间调整的提前是0～63个比特之间的任意值。如0个比特就表示不必调整，表明MS和BTS在一起。63个比特是调整的最大量，也就是BTS与BS之间最长距离。所以我们说，GSM系统最大覆盖范围是： 3.7 m s ´ 63 ´ 3 ´ 108m／s = 70km 3.7 ms：每个比特的时长。 63：时间调整的最大比特数。 3 108m／s ：电波速度。 其覆盖半径是35km。 当一个特定连接建立时，BTS不断测量自己脉冲时隙与收到的MS时隙之间的时间偏移量。基于这个测量，它可以向MS提供要求的时间提前量，并在SACCH上以每秒2次的频度通知MS。 3.7 话音编码 由于GSM系统是一种全数字系统，话音或其它信号都要进行数字化处理，因而第一步要把话音模拟信号转换成数字信号（即1和0的组合）。 我们对PCM编码比较熟悉，它是采用A律波形编码，分为3步： --- 采样。在某瞬间测量模拟信号的值。采样速率8kHz/s。 --- 量化。对每个样值用8个比特的量化值来表示对应的模拟信号瞬间值，即为样值指配256（28）个不同电平值中的一个。 --- 编码。每个量化值用8个比特的二进制代码表示，组成一串具有离散特性的数字信号流。 用这种编码方式，数字链路上的数字信号比特速率为64kbit／s （8kbit／s 8）。如果GSM系统也采用此种方式进行话音编码，那么每个话音信道是64kbit／s，8个话音信道就是512kbit／s。考虑实际可使用的带宽，GSM规范中规定载频间隔是200kHz。因此要把它们保持在规定的频带内，必需大大地降低每个话音信道的编码的比特率，这就要靠改变话音编码的方式来实现。 声码器编码可以是很低的速率（可以低于5kbit／s，虽然不影响话音的可懂性，但话音的失真性很大，很难分辨是谁在讲话。波形编码器话音质量较高，但要求的比特速率相应的较高。因此GSM系统话音编码器2是采用声码器和波形编码器的混合物--- 混合编码器，全称为线性预测编码-长期预测编码-规则脉冲激励编码器（LPC-LTP-RPE编码器），见图3-25所示。LPC+LTP为声码器，RPE为波形编码器，再通过复用器混合完成模拟话音信号的数字编码，每话音信道的编码速率为13kbit／s。 图3－25 GSM话音编码器框图 声码器的原理是模仿人类发音器官喉、嘴、舌的组合，将该组合看作一个滤波器，人发出的声音使声带振动就成为激励脉冲。当然“滤波器” 脉冲 m频率是在不断地变换，但在很短的时间（10ms～30ms）内观察它，则发音器官是没有变换的，因此声码器要做的事是将话音信号分成20ms的段，然后分析这一时间段内所相应的滤波器的参数，并提取此时的脉冲串频率，输出其激励脉冲序列。相继的话音段是十分相似的，LTP将当前段与前一段进行比较，相应的差值被低通滤波后进行一种波形编码。 LPC十LTP参数：3.6 kbit/s。 RPE参数：9.4kbit/s。 因此，话音编码器的输出比特速率是13kbit。 3.8 信道编码 采用数字传输时，所传信号的质量常常用接收比特中有多少是正确的”来表示，并由此引出比特差错率(BER)概念。BER表明总比特率中有多少比特被检测出错误，差错比特数目或所占的比特要尽可能小。然而，要把它减小到0，那是不可能的，因为路径是在不断变化的。这就是说必须允许存在一定数量的差错，但还必须能恢复出原信息，或至少能检测出差错，这对于数据传输来说特别重要，对话音来说只是质量降低。 为了有所补益，可使用信道编码。信道编码，能够检出和校正接收比特流中的差错。这是因为加入一些冗余比特，把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特，但有效地减少差错。 为了便于理解，我们举一简单例子加以说明。 假定要传输的信息是一个“0”或是一个“l”，为了提高保护能力，各添加3个比特： 信息 添加比特 发送比特 O 000 0000 1 111 1111 对于每一比特(0或1)，只有一个有效的编码组(0000或l111)。如果收到的不是0000或1111，就说明传输期间出现了差错。比例关系是1：4，必须发送是必要比特4倍的比特。保护作用如何? 接收编码组可能为： 0000 0010 0110 0111 1111 判决结果： 0 0 X 1 1 如果4个比特中有1个是错的，就可以校正它。例如发送的是0000，而收到的却是0010，则判决所发送的是0。如果编码组中有两个比特是错的，则能检出它，如0ll0表明它是错的，但不能校正。最后如果其中有3个或4个比特是错的，则既不能校正它，也不能检出它来。所以说这一编码能校正1个差错和检出2个差错。 图3-26表示了数字信号传输的这一过程，其中信源可以是话音、数据或图像的电信号“s”，经信源编码构成一个具有确定长度的数字信号序列“m”，人为地在按一定规则加进非信息数字序列，以构成一个一个码子“c(信道编码)，然后再经调制器变换为适合信道传输的信号。经信道传输后，在接收端经解调器判决输出的数字序列称为接收序列“R”，再经信道译码器译码后输出信息序列“m”，而信源译码器则将“m”变换成客户需要的信息形式“s”。 图3-26 数字信息传输方框图 移动通信的传输信道属变参信道，它不仅会引起随机错误，而更主要的是造成突发错误。随机错误的特点是码元间的错误互相独立，即每个码元的错误概率与它前后码元的错误与否是无关的。突发错误则不然，一个码元的错误往往影响前后码元的错误概率。或者说，一个码元产生错误，则后面几个码元都可能发生错误。因此，在数字通信中，要利用信道编码对整个通信系统进行差错控制。差错控制编码可以分为分组编码和卷积编码两类。 分组编码的原理框图见图3-27。分组编码是把信息序列以k个码元分组，通过编码器将每组的k元信息按一定规律产生r个多余码元(称为检验元或监督元)，输出长n＝k十r的一个码组。因此，每个码组的r个检验元仅与本组的信息元有关而与别组无关。分组码用(n，k)表示，n表示码长，k表示信息位数目，R＝k／n称为分组编码的效率，也称编码率或码率。 图3-27 分组编码 卷积编码的原理框图见图3-28。卷积编码就是将信息序列以ko个码元分段，通过编码器输出长为no的一段码段。但是该码的no - ko个检验码不仅与本段的信息元有关，而且也与其前m段的信息元有关，故卷积码用(no，ko，m)表示，称No＝(2n十1)no为卷积编码的编码约束长度。与分组编码一样，卷积编码的编码效率也定义为R＝ko／no，对于具有良好纠、检错性能并能合理而又简单实现的大多数卷积码，总是ko＝l或是(no - ko)＝l，也就是说它的编码效率通常只有l／5，1／4，1／3，1／2，2／3，3／4，4／5……。 图3-28 卷积编码 在GSM系统中，上述两种编码方法均在使用。首先对一些信息比特进行分组编码，构成一个“信息分组十奇偶(检验)比特”的形式，然后对全部比特做卷积编码，从而形成编码比特。这两次编码适用于话音和数据二者，但它们的编码方案略有差异。采用“两次”编码的好处是：在有差错时，能校正的校正(利用卷积编码特性)，能检测的检测(利用分组编码特性)。 GSM系统首先是把话音分成20ms的音段,这20ms的音段通过话音编码器被数字化和话音编码，产生260个比特流，并被分成： ·50个最重要比特 ·132个重要比特 ·78个不重要比特 如图3-29，对上述50个比特添加上3个奇偶检验比特(分组编码)，这53个比特同132个重要比特与4个尾比特一起卷积编码，比率1：2，因而得378个比特，另外78个比特不予保护。 图3-29 GSM数字话音的信道编码 |
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