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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Codage de la parole dans les systèmes de communication cellulaire numérique. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Les communications mobiles L'article rappelle les principes généraux du codage numérique de la parole en télécommunications. L'auteur couvre en détail les processus de codage très complexes utilisés dans les systèmes de communication cellulaire numérique. Des recherches théoriques et des solutions d'ingénierie originales ont permis de créer un radiotéléphone d'abonné élégant et de petite taille. Le lecteur découvrira dans cet article les processus complexes qui s'y déroulent, dont les utilisateurs et même de nombreux spécialistes des télécommunications ne sont même pas conscients. Les mystères des signaux vocaux ont attiré l’attention des chercheurs bien avant l’avènement des communications électriques. Au XVIIIe siècle, l'un des plus grands mathématiciens, l'académicien de Saint-Pétersbourg Leonhard Euler (1707-1783), écrivait dans une lettre à une princesse allemande datée du 16 juin 1761 : « La construction d'une machine qui serait capable de produire les voix de nos discours avec tous les changements serait, sans aucun doute, l'invention la plus importante... La construction d'une telle machine ne me semble pas impossible. L’idée d’inventer une machine parlante a enthousiasmé l’esprit de nombreux créateurs, qui cherchaient non seulement à la créer sous la forme imaginée par Euler, mais aussi comme moyen de transmission de la parole à distance. Par exemple, l’inventeur du téléphone, A. G. Bell (1847-1922), a participé à la construction d’une telle machine. Cependant, il s’est finalement avéré que la transmission de la parole à distance pouvait être réalisée sans une telle machine. Cela a été réalisé tout simplement. À l'aide d'un microphone, les vibrations de l'air transportant la parole ont été converties en vibrations de courant électrique, qui ont été transmises par des fils, et à l'extrémité réceptrice, à l'aide d'un téléphone, elles ont été à nouveau converties en vibrations de l'air. Cette méthode de transmission est dite analogique en raison de l'analogie évidente entre les vibrations de l'air qui transportent le son et les vibrations électriques qui transmettent ce son. Des études sur la transmission analogique de la parole avec modulation d'amplitude ont montré que pour une qualité de reproduction vocale normale, une bande de fréquences de 300 à 3400 XNUMX Hz est suffisante. Cette bande a été adoptée comme norme internationale et le réseau téléphonique mondial a été construit sur cette base. Le principe de fonctionnement de ce réseau est aujourd'hui connu non seulement de tous les opérateurs télécoms, mais aussi du grand public. Transmission numérique de la parole dans les réseaux de communication filaires Des changements fondamentaux dans les approches d'organisation des communications téléphoniques sont survenus avec le transfert des communications vers la technologie numérique. Les avantages des méthodes de transmission numérique sont largement connus. Rappelons seulement le plus important d'entre eux : le numérique permet d'assurer toute qualité de communication prédéterminée. Pour la transmission numérique de la parole, il est nécessaire d'effectuer une conversion analogique-numérique du signal vocal : soumettre le signal analogique à un échantillonnage, une quantification et un codage. La combinaison de ces opérations est appelée modulation par impulsions codées (PCM). Pour décrire avec précision la forme d'un signal vocal, selon le théorème de Kotelnikov, il doit être échantillonné avec une fréquence de 8 kHz (c'est-à-dire prendre des échantillons toutes les 125 μs) et pour obtenir une qualité de reproduction vocale normale, chaque échantillon doit être quantifié sur un échelle divisée en 8192 niveaux (lors du choix d'une échelle de quantification uniforme). Pour coder chaque valeur d'échantillon à l'aide d'un nombre binaire, 13 bits sont requis. De ce fait, pour transmettre une conversation téléphonique à l'aide d'une séquence d'impulsions binaires, il faut un débit de 8x13 = 104 kbit/s (ce qui correspond à une bande de fréquence de 52 kHz pour un codage optimal). En comparant ce chiffre avec la bande passante de 3100 XNUMX Hz requise pour la transmission analogique, on ne peut s'empêcher d'être frappé par l'énorme augmentation de la bande passante requise au détriment des avantages de la transmission numérique. Il est naturel d'essayer de réduire la vitesse de transmission lors de la mise en œuvre d'un système de transmission numérique. Le premier pas dans cette direction est tout à fait évident. Une quantification à 213 niveaux est nécessaire car les niveaux des signaux vocaux analogiques peuvent varier sur une plage de 60 dB. Dans ce cas, les signaux de haut niveau avec une échelle de quantification uniforme sont quantifiés avec le même pas que les signaux de bas niveau. Mais comme la perception des signaux par les organes auditifs humains est proportionnelle au logarithme du niveau du signal, il serait naturel de quantifier les signaux de haut niveau plus grossièrement et les signaux de bas niveau avec plus de précision. En utilisant la quantification non linéaire utilisant la loi logarithmique, vous pouvez vous contenter de huit bits par échantillon tout en conservant presque la même qualité de transmission. Le débit sera donc de 64 kbit/s. C'est cette vitesse qui est la plus utilisée, elle est consignée dans la recommandation CCITT C.711, et les équipements PCM y fonctionnent dans de nombreux pays. La vitesse peut-elle encore être réduite ? Le signal analogique a beaucoup de redondance. Cela vous permet de prédire l'échantillon suivant et de transmettre uniquement la différence entre la valeur réelle et prédite de chaque échantillon. Si vous appliquez un bon schéma de prédiction, la modification de l'amplitude de l'incrément du signal sera inférieure à la modification de l'amplitude du signal lui-même, ce qui entraînera une diminution de la quantité d'informations transmises. Ce principe est utilisé pour construire un PCM différentiel (DICM) et un PCM différentiel adaptatif (ADCM), qui permettent de réduire le débit de transmission de la parole à 32 kbit/s et moins en raison d'une complication supplémentaire de l'équipement émetteur-récepteur. En continuant à compliquer l'équipement, il est possible d'augmenter la vitesse de transmission de la parole jusqu'à 100-300 bps. Vous pouvez imaginer, par exemple, un convertisseur parole-texte du côté émetteur et une machine de lecture du côté réception. Il existe des moyens connus pour réduire davantage la vitesse de transmission de la parole, mais nous ne nous y attarderons pas. Le fait est que l'équipement pour la transmission numérique de la parole à une vitesse de 64 kbit/s a satisfait tout le monde car il s'est avéré fonctionnel lors de l'utilisation des câbles symétriques les plus simples à paires torsadées. L'équipement ICM-30 a commencé sa marche triomphale avec le compactage des lignes de connexion entre les centraux téléphoniques de la ville. Là où auparavant il était possible d'organiser une ligne de connexion sur une paire de câbles pour transmettre une seule conversation, l'équipement PCM-30 a permis d'organiser la transmission de 30 conversations sur la même paire. Il ne saurait être question d'une meilleure utilisation d'une telle paire en utilisant des équipements de communication analogiques multicanaux. Plus tard, des équipements PCM-120 et d'autres systèmes hautes performances fonctionnant sur des câbles coaxiaux et des fibres optiques sont apparus, et l'urgence de la réduction de la vitesse de transmission des signaux vocaux en dessous de 64 kbit/s dans les réseaux de communication filaires a été pratiquement supprimée. Même de nombreux développements d'équipements de transmission numérique avec une vitesse de 32 kbit/s, mis en œuvre dans de nombreux pays sur la base du principe MICDA (y compris le développement réalisé dans notre pays sous la direction de M. U. Polyak), n'ont pas reçu une application suffisamment large. La balance entre l'augmentation de la capacité des équipements de formation de canaux et la complexité des équipements terminaux dans les communications filaires ne penche pas encore en faveur de la première solution. Codage de la parole dans les systèmes radio cellulaires numériques Des perspectives complètement différentes se sont ouvertes à la fin des années 1980 et au début des années 1990, lorsque les systèmes de communication radiotéléphonique numérique cellulaire ont commencé à se développer. Contrairement aux réseaux filaires, où l'expansion de la capacité est possible grâce à la pose de nouvelles lignes, c'est-à-dire au renouvellement des ressources de capacité, dans les réseaux radio, il existe une loi stricte d'encombrement à l'antenne, et il faut composer avec une ressource non renouvelable. de fréquences radio. Certes, l'idée de la communication cellulaire est précisément de renouveler la ressource des fréquences radio en répétant la fréquence de transmission dans une zone qui n'est pas atteinte par un signal de même fréquence provenant d'une station radio interférente. Mais les possibilités d'un tel renouvellement des ressources sont également limitées ici, ce qui justifie une complexité supplémentaire de l'équipement afin de réduire la vitesse de transmission. Par exemple, dans le système de communication numérique cellulaire GSM adopté dans la plupart des pays européens, les débits de transmission vocale standard sont de 13 et 6,5 kbit/s. Pour mettre en œuvre un tel système de transmission, il a fallu se tourner vers l'ancienne idée de la machine d'Euler et une pénétration plus profonde dans le mécanisme de production de la parole. Comme on le sait, l'un des résultats les plus importants de la théorie moderne de la transmission de l'information est la recommandation de séparer les problèmes de codage source et de codage canal. La tâche de codage de la source d'information comprend la description du message transmis sous la forme la plus économique, c'est-à-dire la suppression des redondances dans le message. Le message compressé résultant devient plus vulnérable aux interférences et peut être corrompu pendant la transmission. Par conséquent, après avoir codé la source, un codage de canal est utilisé, dont la tâche est de protéger le message transmis des interférences. Le codage canal nécessite d'introduire une certaine redondance dans le message transmis, mais pas aléatoire, qui était présente dans le message d'origine, mais strictement justifiée théoriquement et qui garantit la qualité de transmission spécifiée. Jusqu’à présent, nous n’avons considéré que les problèmes de codage source, que nous allons maintenant aborder d’un point de vue plus général. Il existe donc une version numérique d'un signal vocal analogique, c'est-à-dire une fonction qui décrit, par exemple, la loi de variation du courant dans le temps. Vous devriez essayer de supprimer la redondance d'un tel signal. Ce problème peut être résolu de plusieurs manières. L’une d’elles consiste à tenter de trouver la redondance à travers une analyse purement mathématique de la fonction en question. Une autre façon de résoudre le problème consiste à analyser les caractéristiques acoustiques de cette fonction (du point de vue de sa perception par les organes auditifs). Enfin, on peut rechercher la redondance en modélisant le processus de production de la parole lui-même. C'est la dernière de ces méthodes qui a trouvé une application dans les systèmes de radiocommunication numériques modernes. Le mécanisme de formation du son de la parole est que le son riche en harmoniques des cordes vocales, modifiant sa force et sa fréquence fondamentale, est ensuite traité dans la cavité buccale. Ce dernier fonctionne d'abord comme un résonateur qui, une fois réaccordé, met en évidence certaines fréquences - des formants qui déterminent les différences entre les voyelles. Deuxièmement, les mouvements de la langue, des dents et des lèvres modulent le son, produisant différentes consonnes. Dans les années 1930, une machine basée sur l'idée d'Euler a été construite aux Bell Telephone Laboratories (États-Unis), dont les principes de fonctionnement reposaient sur des tentatives de simulation du fonctionnement des organes de la parole humaine. Afin de synthétiser la parole à la réception d'un système de communication, vous avez besoin d'un générateur de fréquence audio avec un spectre riche, d'un générateur de bruit blanc, d'un ensemble de filtres formants (leur nombre est petit, car il y a peu de voyelles, et chacun l'un d'eux est assez bien défini par deux formants) et des circuits modulants. Disposant d'un tel ensemble d'équipements à l'extrémité de réception, il est possible de transmettre non pas un signal vocal sur le canal de communication, mais uniquement des commandes qui contrôlent le processus de synthèse vocale. Ainsi, la tâche pratique consiste à trouver un moyen de générer les commandes nécessaires. C’est précisément le problème que résolvent les concepteurs de téléphones portables. Dans le système GSM des premières versions, le flux numérique original du signal vocal avec un débit de transmission de 104 kbit/s est divisé en blocs séparés de 160 échantillons, qui sont enregistrés. Chacun de ces blocs prend une durée de 20 ms (en d'autres termes, des séquences de 160x13 = 2080 bits sont stockées). Les séquences enregistrées sont analysées, ce qui permet de trouver pour chacune d'elles huit coefficients de filtrage qui déterminent les résonances correspondantes et le signal d'excitation. C'est cette information qui est transmise au récepteur, qui en reproduit le signal vocal original, de la même manière que cela se produit dans les organes de la parole humaine (cet organe est pour ainsi dire ajusté à l'aide de huit paramètres, puis lorsqu'il est excité , le son est obtenu). Cependant, l’analyse mentionnée couvre des périodes de temps relativement courtes et ne peut pas détecter les voyelles longues qui s’étendent sur des blocs adjacents. Par conséquent, la prédiction à longue portée est utilisée pour éliminer la redondance dans la prononciation des voyelles longues. A cet effet, l'émetteur stocke des séquences transmises d'une durée de 15 ms, avec lesquelles les séquences actuelles sont comparées. Parmi celles déjà transmises, la séquence qui présente la plus grande corrélation avec la séquence actuelle (c'est-à-dire la plus similaire à la séquence actuelle) est sélectionnée, et seule la différence entre la séquence actuelle et la séquence sélectionnée est transmise. Puisque les séquences enregistrées dans l'émetteur sont connues du récepteur, il suffit de transmettre un pointeur à laquelle des séquences enregistrées a été comparée. De cette manière, on obtient une réduction supplémentaire du volume d'informations transmises. Le résultat du traitement décrit est un bloc de signal vocal numérique d'une durée de 20 ms, contenant 260 bits et ayant un débit de transmission de seulement 13 kbit/s (c'est-à-dire huit fois inférieur à l'original). La procédure décrite est appelée excitation par impulsions régulières avec prédiction à long terme (abréviation anglaise PRE-LTR, qui signifie Regular Pulse Excitation - Long Term Prediction). A l'étape suivante, entre en jeu le codage de canal, dont la tâche est de protéger contre les interférences dans le canal de communication. Les techniques de codage modernes sont basées sur des idées profondes issues de l’algèbre et de la théorie des probabilités. Sur la base de ces idées, diverses méthodes de codage très efficaces ont été développées pour résoudre des problèmes spécifiques dans chaque cas spécifique. Nous nous limiterons ici à un bref examen de quelques idées utilisées dans le système GSM. La protection par code peut servir soit uniquement à détecter le fait qu'une erreur s'est produite, soit à corriger les erreurs survenues. La première option est beaucoup plus simple à mettre en œuvre, mais elle est également moins utile, puisqu'il faut dans ce cas demander une retransmission du bloc de message dans lequel l'erreur a été détectée, ou au contraire prendre en compte la présence de l'erreur. Etant donné que les bits individuels du signal vocal numérique produit par les procédures de codage source décrites ci-dessus n'ont pas la même importance, ils sont divisés en trois sous-classes et soumis à des méthodes de protection différentes pendant le codage de canal. Parmi les 260 bits du bloc résultant, les plus importants sont les bits qui transportent des informations sur les paramètres de filtrage, l'amplitude du signal du bloc et les paramètres de prédiction à long terme. Ces chiffres appartiennent à ce qu'on appelle la sous-classe Ia (50 chiffres). Il existe ensuite la sous-classe Ib (132 bits contenant des pointeurs et des informations sur les impulsions d'excitation régulières, ainsi que certains paramètres de prédiction à long terme). Les 78 chiffres restants sont classés dans la classe II.
Pour protéger le bloc décrit, deux méthodes de codage sont utilisées. Premièrement, le code de bloc est utilisé pour détecter les erreurs qui ne sont pas corrigées. Ce code appartient à la classe des codes cycliques, dans lesquels chaque combinaison de codes est obtenue par permutation cyclique d'éléments. Lorsqu'ils sont codés avec ce code, trois bits de contrôle supplémentaires sont ajoutés aux bits de la sous-classe Ia, grâce auxquels le décodeur peut détecter si cette sous-classe contient des erreurs non corrigées. Si le décodeur détecte des erreurs de transmission dans les bits de la sous-classe Ia, la totalité de la trame de conversation de 260 bits est rejetée. Dans ce cas, la trame perdue est reproduite à l'aide d'une interpolation basée sur les informations sur la trame précédente. Il a été constaté qu'avec cette solution, la qualité de transmission est meilleure que dans le cas de reproduction de bits erronés de la sous-classe Ia. Deuxièmement, un code convolutif de correction d’erreurs est appliqué. Ce nom du code s'explique par l'opération mathématique de convolution, appliquée aux fonctions qui décrivent le traitement de la séquence de bits codée. Contrairement à un code de bloc, un code convolutif est continu dans le sens où lorsqu'il est utilisé, les processus de codage et de décodage sont effectués non pas sur des blocs fixes, mais sur une séquence de symboles exécutée en continu. Le code convolutionnel s'applique à la fois aux bits de la sous-classe Ia ainsi qu'aux bits de contrôle, et aux bits de la sous-classe Ib. Ces deux séquences sont combinées et augmentées de quatre bits (voir ci-dessous sur la figure 2), prenant des valeurs nulles. Ces derniers servent à ramener le codeur à son état d'origine une fois le codage terminé. Le code utilisé est caractérisé par les paramètres r=1/2 et K=5. Le coefficient r = 1/2 indique que pour chaque chiffre arrivant à l'entrée du codeur, exactement deux chiffres sont obtenus dans la séquence codée, et K = 5 indique la longueur de la connexion sur laquelle l'opération de convolution s'applique. Ces caractéristiques peuvent être comprises à partir du schéma de codage convolutif présenté sur la figure. 1, qui montre également un circuit d'addition modulo 2 (opération logique "OU exclusif"). Ainsi, à la suite du codage, 189 bits sont obtenus à partir des 378 bits entrants et des bits de classe II non protégés leur sont ajoutés, ce qui donne une longueur totale de bloc de 456 bits (Fig. 2). Cela représente exactement huit sous-blocs de 57 bits. À partir de ces sous-blocs, des rafales de transmission radio temporelle sont formées.
Cet article est consacré aux questions de codage des signaux vocaux et, comme on peut le comprendre d'après ce qui a été décrit, le processeur situé dans un petit combiné représente une quantité assez importante de traitement numérique. Cependant, les tâches du processeur sont loin d'être terminées. Comme vous le savez, au lieu de transmettre la parole, le système de communication cellulaire vous permet d'organiser un canal de transmission de données, codé selon des règles complètement différentes. Mais, en plus des canaux logiques pour transmettre des informations utiles (payantes), un téléphone portable organise un grand nombre de canaux logiques pour transmettre des signaux de commande. Chacun de ces canaux logiques est soumis à des exigences spécifiques de codage des informations et, par conséquent, chacun de ces canaux contribue pour sa part à la charge du processeur. Une idée générale des schémas de codage, ainsi que de la formation de flashs pour la transmission de tous les canaux logiques dans un système de communication radiotéléphonique, est donnée sur la Fig. 3.
Ici, au niveau supérieur, dix canaux logiques différents sont affichés, indiquant la taille des blocs de messages dans ces canaux (sous la forme de chiffres ou de désignations de lettres spécifiques - P0, N0, etc. - où ces nombres peuvent changer). Le niveau suivant montre la première étape de codage pour différents canaux logiques, indiquant le nombre de bits de la séquence originale et la séquence obtenue après codage. Alors qu'un code de détection d'erreurs cyclique est utilisé pour le canal vocal, divers codes de correction d'erreurs cycliques sont utilisés pour les canaux restants, y compris le code cyclique de Fire, qui corrige une série d'erreurs. Lors de la deuxième étape du codage, le code convolutionnel déjà mentionné est appliqué. Ensuite (étape 3), pour répartir les 456 bits résultants sur des flashs individuels (portant chacun deux blocs de 57 bits), on utilise les opérations de mélange de bits et de réarrangement des blocs (transposition directe ou diagonale). La quantité totale de traitement du signal dans un téléphone portable s'élève à des millions d'opérations par seconde. Ainsi, contrairement à un téléphone ordinaire, un téléphone portable est un ordinateur miniature mais très productif. D'une part, il analyse « son » signal vocal, en développant des commandes de contrôle pour la synthèse vocale dans l'appareil de l'interlocuteur, et d'autre part, cet ordinateur met en œuvre l'idée d'Euler, synthétisant la parole de l'interlocuteur à l'aide de commandes de contrôle provenant du canal de communication. Auteur : V. Neumann, prof., docteur en technologie. Sciences, Moscou
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