1. Obecné schéma radiokomunikač ního systému, popis jednotlivých bloků, základní vztahy. Obecné schéma radiokomunikačního systému

1. Obecné schéma radiokomunikač ního systému, popis jednotlivých bloků, základní vztahy Obecné schéma radiokomunikačního systému Popis jednotlivých bloků Vysílač: kodér zdroje: je snížena (resp. odstráněna) redundance ( nadbytečnost ) a irelevance ( zbytečnost ) vstupního signálu, což se projeví ve snížení jeho přenosové rychlosti. V případě, že výstupní signál ze zdroje signálu je analogový, bývá součástí kodéru zdroje i A/D převodník. kodér kanálu: v něm je signál zabezpečen proti chybám při přenosu (záměrným zvýšením redundance, což má za následek nepatrné zvýšení přenosové rychlosti). modulátor: signál z kodéru zdroje je vhodnou digitální modulací namodulován na nosnou (nejčastěji se používá fázové a frekvenční klíčování: PSK, FSK). Pozn.: vícestavové modulace vyšší přenosová rychlost signálu, za cenu složitějšího demodulátoru. Modulovaný signál je veden do vf výkonového stupně a vysílací anténou je vyzářen do volného prostoru. Přijímač: Signál přicházející z přijímací antény je zesílen ve vf zesilovači a dále veden do demodulátoru, dekodéru kanálu a dekodéru zdroje inverzními postupy se získá signál původní, který je přiváděn do koncového stupně. Základní vztahy: S Přenosová kapacita systému (Shannonův Hartleyův vztah): C = B log 1 + N. 2 [ bit / s] C. je maximální dosažitelná rychlost bezchybného přenosu informace idealizovaným radiokomunikačním systémem při použití optimálního kódování a modulace B.. je šířka pásma radiokomunikačního kanálu S.. je střední hodnota výkonu signálu na výstupu kanálu, tj. na vstupu přijímače N. je střední hodnota výkonu šumu na výstupu kanálu, tj. na vstupu přijímače 1

S C = B. log 2 1 + N = B.N 0 0 N S = B.N 0 S N B. N = B. N S.. střední hodnota výkonu signálu N. střední hodnoty výkonu šumu N 0 spektrální výkonová hustota šumu S B 0 šířka pásma radiokomunikačního kanálu, při které je = 1 N Normovaný tvar Shannonova Hartleyova vztahu: C B B =. log + = x 1 2 1.log 2 1 + B B B x 0 0 0 C... normovaná přenosová kapacita B 0 0 0 0 1 0 = B B = B B 0 x = B B 0 normovaná (poměrná) šířka pásma Radiokomunikační rovnice: 2 λ Gr Pr PG t t Lϕ L p = 4. π. d k. T N 0 0 umožňuje ze zadaných parametrů výpočet ostatních parametrů P t. celkový střední výkon vysílače (měřený v napájecím bodě antény) G t zisk vysílací antény λ.. délka vlny d.. vzdálenost mezi přijímací a vysílací anténou L ztráty nepřesným zaměřením antény ϕ L p polarizační ztráty G r zisk přijímací antény T 0 celková šumová teplota přijímacího systému P r střední výkon na výstupu přijímací antény N 0 = k.t 0. spektrální hustota šumu na vstupu přijímače Efektivní izotropický vyzařovaný výkon EIRP: Jakostní číslo přijímače: G r G = T0 T P. G t t Systémový zisk: G [ db] = P [ dbm] P [ dbm] nebo [ ] s yst _ db t r min G = P r min je určitý minimální výkon nutný pro správnou činnost navrhovaného systému (musí platit: P < P r min r ) Systémový zisk syst db syst Pt P r min G _ musí být vždy větší (minimálně rovný) než součet všech ztrát zmenšený o zisky přijímací a vysílací antény. 2

2. Zdrojové kódování tvaru vlny, hybridní zdrojové kódování Zdrojové kódování: Úkolem zdrojového kodéru je redukce redundance a irelevance na co nejmenší míru. Používá se hlavně při zpracování hovorových, zvukových a obrazových signálů. Výsledkem je snížení přenosové rychlosti signálu (tj. sníží se potřebná šířka přenosového kanálu). Kompresní poměr (Compress Ratio): kde R vst a R výst [ s] R vst CR = [ ] R výst bit / jsou přenosové rychlosti na vstupu a na výstupu kodéru. Pozn.: redundance (nadbytečnost): větší množství dat, než je množství nezbytně nutné pro přenos dané informace vzhledem ke ztrátám v komunikačním kanálu; redukce redundance je vratný proces. irelevance (zbytečnost): nepodstatná složka informace, příjemcem na přijímací straně nemůže být vnímána; redukce irelevance je nevratný proces, představující ztrátu informace. Zdrojové kódování hovorových (řečových) signálů (f mez = 4 khz): zdrojové kódování tvaru vlny (Waveform Coders): cílem je, aby se časový průběh analogového signálu na výstupu dekodéru co nejvíce shodoval s časovým průběhem na vstupu kodéru parametrické zdrojové kódování (Vocoders, Voice Coders): není přenášen původní signál, ale pouze jeho charakteristické parametry syntetická řeč hybridní zdrojové kódování Zdrojové kódování tvaru vlny: impulzová kódová modulace PCM (Pulse Code Modulation): převod A/D ve třech krocích vzorkování, kvantování, kódování; vzorkovací kmitočet 8000 Hz (uvažujeme signály od 300 do 3400 Hz), 256 kvantovacích hladin = 8000.8 = 64000 bit/s = 64 kbit/s. diferenční impulzová kodová modulace DPCM (Differential Pulse Code Modulation): přenáší se informace pouze o rozdílu kvantovaného vzorku a jeho predikované (předpokládané) hodnoty, odvozené obvykle z jednoho, případně několika předchozích vzorků. Rozdílový signál je ve srovnání s predikovanou hodnotou vzorku daleko menší; predikovaná hodnota vzorku představuje redundantní formu signálu a nepřenáší se. 3

modulace delta DM (Delta Modulation): rozdíl kvantovaného vzorku a vzorku předchozího je kvantován pouze do dvou kvantovacích úrovní, které jsou kvantovány jediným bitem; nevýhody: zkreslení přetížením strmosti (rekonstruovaný signál nesleduje prudké změny velikosti vstupního signálu) a granulační šum ( skákání u signálu s konstantní úrovní); LDM = lineární delta modulace (kvantizační krok je konstantní). Modulace delta DM adaptivní modulace delta ADM: kvantizační krok se mění podle velikosti signálu. adaptivní diferenciální impulzová kódová modulace ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation): používá adaptivní kvantování AQ i adaptivní predikci AP; adaptivní algoritmy jsou jednoduché neboť změny parametrů hovorových signálů jsou pomalé; kodeky (kodér + dekodér) jsou standardizované a používají se hlavně u systémů CT2 a DECT; přenosová rychlost = 32 kbit/s (kvalita srovnatelná s PCM). Hybridní zdrojové kódování: Spojuje přednosti zdrojového kódování tvaru vlny a parametrického zdrojového kódování. Součástí kodéru je i dekodér (stejný jako na přijímací straně), který již na vysílací straně vytváří syntetizovaný signál jež se odečítá od signálu vstupního. Vzniklá chyba se minimalizuje na základě smyslového (percerptuálního) vnímání. Podle způsobu buzení (minimalizace chyby) se rozlišují systémy: Multiimpulzní buzení MPE (Multi Pulse Excitation): vzájemná poloha i velikost budících impulsů se určují po jednom (8 až 16 kbit/s). Regulární buzení RPE (Regular Pulse Excitation): vzájemná poloha impulsů je přesně stanovena, určuje se tedy pouze poloha prvního impulzu a velikost všech impulsů (8 až 16 kbit/s). Kódové buzení CELP (Code Excited Linear Prediction): jednotlivé posloupnosti budících impulsů jsou uloženy v paměti (kódové knize), na přijímací stranu se přenáší pouze adresa příslušné posloupnosti (4 kbit/s a menší). Pozn.: kodéry s plnou rychlostí FR (Full Rate) 8 kbit/s kodéry s poloviční rychlostí HR (Half Rate) 4 kbit/s 4

3. Parametrické zdrojové kódování Využívá poznatků o lidském hlasu a hlasovém traktu. Lidská řeč se skládá ze znělých hlásek ( kvazipriodický charakter signálu) a neznělých hlásek ( pseudonáhodný charakter signálu) a mezer. Základním parametrem lidského hlasu je perioda základního tónu T 0 1 ( T 0 = kmitočet základního tónu (pitch)). Elektrický model pro syntézu řeči je základem vokodérů s lineárním prediktivním kódováním LPC (Linear Predictive Coding): zpracování signálů v časové oblasti. Vysílač: Hovorový analogový signál je v A/D převodníku převeden na digitální signál. Následuje segmentování signálu (jeho rozdělení na časové úseky o délce 10 až 13 ms po tuto dobu lze považovat vlastnosti hlasového traktu za konstantní). Dalším krokem je stanovení znělosti resp. neznělosti hlásky Z-N, periody základního tónu hlasu T 0, velikosti úrovně signálu G a určení několika parametrů filtru PF. Komunikačním kanálem se nepřenáší hovorový signál, ale pouze nejdůležitější parametry získané jeho analýzou. Přijímač: Skládá se ze šumového generátoru ( neznělé hlásky) a impulzového generátoru ( znělé hlásky; na jeho výstupu je impulzový signál s opakovací periodou T 0, která je typická pro mluvící osobu), filtru, zesilovače a reproduktoru. Výsledkem zdrojového kódování je výrazné snížení přenosové rychlosti hovorového signálu (méně než 4 kbit/s); reprodukovaná řeč ovšem není přirozená a má syntetický charakter. 5

4. Zdrojové kódování akustických signálů Využívá maskovacího jevu lidského sluchu, při kterým je užitečným signálem maskován kvantizační šum. Člověk vnímá zvuky pouze v kmitočtové oblasti od cca. 16 Hz do cca. 16 khz. Práh slyšitelnosti = kmitočtová závislost akustického tlaku P, při níž lidský sluch přestává vnímat sinusový akustický signál. Práh bolesti = nevnímáme zvuk, ale jen bolest. P Úroveň (hladina) tlaku: L = 20.log [ db ], P Pa P = 0 20µ 0 Při současném (simultánním) vnímání několika různých zvukových signálů delších než 200 ms může jeden signál potlačovat slyšitelnost jiného signálu, i když jejich kmitočty jsou různé (při určité určité úrovni akustického tlaku jej maskuje). maskování v kmitočtové oblasti ( simultánní maskování): Maskované signály není třeba přenášet na přijímací straně stejně by nebyly vnímány. Průběhy křivek maskovacích prahů byly získány na základě výsledků testů prováděných na velkém počtu posluchačů. maskování v časové oblasti ( nesimultánní maskování): 1. případ: když maskovaný signál určité hladiny přichází až po ukončení maskujícího signálu vyšší hladiny, v době do 10 ms. 2. případ: následuje-li maskující signál po maskovaném signálu do 5 ms. 6

Protože průběhy maskovacích prahů jsou závislé na kmitočtu, je výhodné zpracovávat akustický signál odděleně v dílčích kmitočtových pásmech neboli subpásmech subpásmové kódování SBC (SubBand Coding), obvykle stejné šířky pásma. Podle nejsilnějších složek zvukového signálu a jím odpovídajícím průběhům maskovacích prahů lze stanovit pro každé subpásmo maximální úroveň kvantizačního šumu, který bude užitečným signálem maskován a z ní určit počet bitů potřebných pro kvantování signálu. MPEG 1 úroveň 1 Nejjednodušší zdrojové kódování. Analogový akustický signál se nejdříve pomocí PCM převádí na signál digitální. Výsledná přenosová rychlost pro monofonní signál: f vz = 48 khz, 2 16 kvantovacích hladin = 48000.2 16 = 768 kbit/s. V kodéru je signál rozdělen do skupin po 384 vzorcích, tedy po 384.16 = 6122 bitech, každá skupina má dobu trvání 384.(1/48000) = = 8 ms a nazývá se rámec dat. Každý rámec je transformován z časové do kmitočtové oblasti a vzniklé spektrum je rozdělen do 32 stejně širokých úseků subpásem. Šířka každého subpásma je 750 Hz. Kmitočtové spektrum se vzorkuje s kmitočtem 48000/32 = 1,5 khz ( podvzorkování spektra). Ve 32 subpásmech je celkem 12.32 = 384 vzorků. Po dobu 8 ms je tedy v každém subpásmu 12 kmitočtových vzorků různé velikosti, z nichž se vybere jeden, který má největší velikost a podle něj kodér určí tzv. měřítko (scale factor) blok výběr měřítka. Psychoakustický model: pomocí něj je modelováno lidské sluchové vnímání porovnávají se činitelé měřítka s hodnotami stanovenými statisticky a stanoví se v něm hladina ještě maskovaného kvantizačního šumu. Podle přípustné hladiny kvantizačního šumu je každému subpásmu přidělen určitý počet bitů pro kvantování (od 2 do 15 bitů). Přenosová rychlost: od 448 kbit/s do 32 kbit/s. 7

8

5. Zdrojové kódování obrazových signálů Snímání barevných obrazů ve kvalitě dopovídající běžnému televiznímu vysílání se vytváří: analogový jasový signál 0 6MHz (vzorkovací kmitočet 13,5 MHz) a dvě chrominanční signály 0 1,6MHz (vzorkovací kmitočet 6,75 MHz). Po digitalizaci pomocí PCM vznikne datový tok (počet kvantovacích hladin je 2 8 ): (13,5.10 6 +6,75.10 6 +6,75.10 6 ).8 = Redukce bitového toku při statických obrazů: transformační kódování Kódování statických obrazů: 216 Mbit / s. při pohyblivých obrazů: navíc se využívá i vektory pohybu a predikce snímků nebo půlsnímků Před transformací jsou jednotlivé matice obrazových bodů pro jasový a dva chrominanční signály (u systému JPEG má jasová matice 720 sloupců a 576 řádků, obě chrominanční matice mají počet řádků i sloupců poloviční) rozděleny do bloky 8 8 (celkem 64 pixelů). Rozměry bloků jsou stanoveny jako kompromis mezi kvalitou rekonstruovaného obrazu a složitostí resp. dobou výpočtu. Bloky jasového i chrominančního signálu se zpracovávají stejným způsobem, avšak odděleně. Jednotlivé vzorky bloku jsou reprezentovány koeficienty (hodnota jasu nebo chrominance) v časové oblasti, které jsou transformovány (přepočítány) na jiné koeficienty v kmitočtové oblasti. Původní vzájemnost jednotlivých koeficientů (v důsledku korelace parametrů obrazových bodů) je transformací odstraněna, přičemž počet nových koeficientů (nenulových) je menší než počet koeficientů původních. Nejčastěji se používá diskrétní kosinová transformace DCT (Discrete Cosine Transform): Frekvenční koeficient v pozici (0,0) představuje ss složku (střední hodnotu) transformovaného signálu. Velikost koeficientů se po transformaci upravuje kvantováním, tj. dělí se čísly v tzv. kvantizační matici (ta je na základě statistických výsledků pozorování experimentálně zvolena tak, aby koeficienty vyšších kmitočtů byly více zmenšeny než koeficienty nižších kmiotčtů); výsledek se zaokrouhluje na celé číslo, malé koeficienty se zanedbávají. Tato úprava signálu je ztrátová. Kvantizační tabulky pro jasový a chrominanční signál jsou různé a jejich obsahem lze měnit kvalitu rekonstruovaného obrazu, resp. komprimační poměr. Pozn.: Huffmanovo kódování (entropické kódování, kódování s proměnnou délkou slova VLC Variable Lenght Coding). 9

Pro přenos signálu lze použít dva způsoby: 1. sekvenční mód: všechny koeficienty jednoho bloku se snímají postupně za sebou 2. mód progresivního kódování: používá se při prohlížení obrazů, kdy pro hrubou orientaci je výhodné zobrazit obraz bez podrobností (nejprve se přenášejí ze všech bloků stejnosměrné koeficienty, poté první střídavé koeficienty zase ze všech bloků, potom druhé sřídavé koeficienty atd. obraz se postupně obohacuje o podrobnosti). Využití tohoto módu: např. Internet. Kódování pohyblivých obrazů: U standardu MPEG se jasový signál sestavuje do makrobloků ( 16 16 vzorků), každý makroblok obsahuje čtyři jasové složky a je doplněn jedním blokem každého chrominančního signálu. K dekodéru je přenášena pouze rozdílový signál (DPCM = DIFFERENTIAL Pulse Code Modulation). Plynulý sled snímků je na vstupu kodéru rozdělen na skupiny snímků GOP (Group of Pictures), které se opakují po 12 snímcích (cca. 0,5 s). Na začátku každé skupiny je přenášena referenční snímek I (Intra Frame). Ostatní snímky skupiny mohou být snímky P (Predict Frame) jednosměrná predikce ( předpověd snímku podle předcházejícího I nebo P), nebo snímky B (Bidirectional Frame) obousměrná predikce ( předpověd snímku podle předcházejícího I nebo P a následujícího snímku I nebo P přenos rozdílových signálů v jiném sledu než odpovídá sekvenci původních snímků). Kódování pohyblivých obrazů využitím DPCM s podporou vektorů pohybu: Myšlenka: sousední snímky jsou si značně podobné a obsahují prakticky stejné objekty, ale posunuté do jiných poloh. Zkoumá se, zda se bloky svým obsahem shodují. Pokud ano, je určen vektor pohybu a jeho souřadnice x,y jsou přenášeny v záhlaví makrobloku. Statický obraz: vektory pohybu jsou nulové. V případě, že není nalezen přesně stejný makroblok, je povolena určitá nepřesnost a přenáší se pouze souřadnice vektoru pohybu. Je-li tato nepřesnost překročena, vytváří se rozdílový makroblok, který se bežně zpracuje (FDCT, atd.). 10

6. Kanálové kódování (detekč ní kódy, konvoluční kódy) Kanálové kódování: Cílem kanálového kódování je zabezpečit signál proti chybám vznikajícím při přenosu v komunikačním kanálu. Chyby signálu mohou být způsobeny: šumem, různými druhy rušení, únikem signálu, odrazy, přepnutím signálu při handoveru, atd. Mohou být ojedninělé nebo se mohou vyskytovat ve skupinách. Podstatou zabezpečení signálu je mírné, úmyslné a kontrolované zvýšení jeho redundance (např. přidáním kontrolníh bitů). To má za následek nepatrné zvýšení přenosové rychlosti (a tím i šířky kmitočtového pásma kanálu) při výrazném snížení chybovosti signálu BER (Bit Error Rate). K tomuto účelu slouží zabezpečovací neboli bezpečnostní kódy umožňující chybu nejen detekovat, ale i opravit. Pozn.: maximální přípustné hodnoty BER: přenos hovorového signálu BER = 10-3 přenos televizního obrazového signálu s velkou rozlišovací schopností HDTV (High Definiton TeleVision) BER = 10-10 přenos dat mezi počítači: ještě přísnější požadavky Detekční (zjišťovací kódy): zpětný kanál, ve kterém se přenáší automaticky žádost o opakování přenosu ARQ (Automatic Request Repetition). Korekční (opravné) kódy (neboli samoopravné kódy): nepotřebují zpětný kanál dopředná korekce chyb FEC (Forward Error Correction): konvoluční kódy blokové kódy Zisk kódování (Coding Gain)[ db ]: udává, kolikrát je možné při použitém kódování zmenšit poměr S/N oproti stavu bez kódování při zachování chybovosti BER. Detekční kódy s paritními bity: Doplnění jednotlivých kódových skupin jedním paritním (kontrolním) bitem na začátku nebo na konci kódové skupiny. Sudá parita sudý počet jedniček; lichá parita lichý počet jedniček. Příklad: máme kódovou skupinu 1010101, zabezpečujeme je sudou paritou, potom na konec nebo na začátek skupiny připíšeme nulu, tedy např.: 10101010 máme kódovou skupinu 1010101, zabezpečujeme je lichou paritou, potom na konec nebo na začátek skupiny připíšeme jedničku, tedy např.: 10101011 11

Kontrola sudé nebo liché parity se na přijímací straně provádí nejčastěji sčítáním modulo 2 (0+0=1; 0+1=1; 1+1=0), tj. sudá parita výsledek je 0, lichá parita výsledek je 1. Správný výsledek však dostaneme i při sudém počtu chyb. Konvoluční kódy: Přídavná redundance se vkládá tím, že se nad původním a zpožděným bitovým tokem provádí podle známých pravidel jisté matematické operace. Důsledkem je zvýšení přenosové rychlosti signálu, aniž by k původnímu signálu byly přidány nějaké kontrolní bity. Konvoluční kódy lze považovat za konvoluci impulzní odezvy kodéru a vstupního signálu. Konvoluční kodéry se označují symbolem K(n,m), kde n je rámec výstupních bitů a m je rámec vstupních bitů, přičemž platí m< n. Vstupní signál je rozdělen do m cest a přiváděn do posuvného registru. Po provedení matematických operací (součtové členy vykonávají sčítání modulo 2) jsou signály na n výstupech sestavěny opět do jednoho bitového toku. Poměr rámce vstupních bitů m a rámce výstupních bitů n (m/n) udává kódový poměr R (kódovací rychlost). Je-li původní hodnota přensové rychlosti R p, potom po konvolučním kódování se zvýší na hodnotu R p /R. Délka působení kódu K = (S+1).m; S počet posuvných registrů v kodéru. Pro konkrétní příklad platí: rámec vstupních bitů... m = 1 rámec výstupních bitů n = 2 m 1 kódový poměr.. R = = = 0, 5 n 2 délka registru.. S = 4 kapacita paměti S.m = 4.1 = 4 bity délka působení. K = (S+1).m = (4+1).1 = 5 Dekódování konvolučních kódů: Viterbiho algoritmus nebo algoritmus sekvenčního dekódování. 12

7. Kanálové kódování (blokové kódy), prokládání Blokové kódy Vstupní bitový tok se rozděluje do m-bitových bloků a ke každému bloku je přidán (obvykle na konec) podle jistých pravidel určitý počet paritních bitů reprezentující přídavnou redundanci. Označíme-li počet bitů výsledného bloku n, potom počet paritních bitů je n-m. Přidáním paritních bitů se opět zvýší původní přenosová rychlost R p na hodnotu R p /R, kde R = m/n je kódový poměr. Kódová vzdálenost d (Code Distance): počet bitů v nichž se líší dvě požívané kódové skupiny (v případě binárních čísel se označuje jako Hammingova vzdálenost). Příklad: jedna kódová skupina: 11001010 druhá kódová skupina: 10001000 Hammingova vzdálenost je 2. Váha kódu w (Code Weight): počet nenulových prvků v kódové skupině. Počet chyb, který může být v kódové skupině opraven: = d min t 1 2 Pozn.: lineární blokový kód (je-li výsledek součtu dvou kódových skupin opět kódovou skupinou příslušného kódu) nelineární blokový kód (opačný případ) Nejužívanější blokové kódy: Fireho kódy: informační bity se doplňují určitým počtem bitů, získaných podle určitých pravidel. Používá se v systémech pagingu a pro zabezpečení signalizace v systému GSM. Cyklické kódy: generují se pomocí upraveného posuvného registru se zpětnou vazbou. Pro cyklický kód (n,m) je registr tvořen n-m klopnými obvody, mezi nimiž jsou zapojeny sčítací členy modulo 2. Používá se v systému GSM. Reedovy Solomonovy kódy RS Patří mezi nebinární cyklické kódy. Používají se předev-ším k opravám skupinových chyb. Kódování se neprovádí nad jednotlivými bity, ale nad byty (symboly). Tyto kódy se označují RS(N,M), kde N je počet bytů výstupního slova, M je počet bytů vstupního (zdrojového) slova a N-M = K je počet kontrolních bytů. RS kódy jsou schopny opravit T = (N-M)/2 = K/2 bytů a přitom jsou schopny opravit skupinovou chybu délky až B = J.(N-M)/2 = J.K/2 bitů (nezáleží na tom, kolik chybných bitů obsahuje jeden byte, ale pouze na tom, zda je byte chybný či nikoliv), kde J je počet bitů jednoho bytu přičemž platí N = 2 J 1. RS kódy jsou neefektivní pro opravu nezávilsých, ojedinělých chyb (pokud je v každém opraveném bytu pouze jeden chybný bit, opravý RS kód pouze tolik chybných bitů, kolik opravil chybných bytů) řešením je zřetězené kódování: dva kodéry zapojené v kaskádě: v prvním (vnějším) je bitový tok nejdříve kódován RS kódem a zabezpečen tak proti skupinovým chybám, v druhém (vnitřním) je bitový tok zabezpečen proti ojedinělým chybám. 13

Příklad: Je používán RS (255, 223). Jak velkou skupinovou chybu je schopen opravit? Kolik opraví nezávislých chyb? Řešení: N = 255 (proto J = 8) M = 223 K = N M = 255 223 = 32 Kód může opravit T = K/2 = 32/2 = 16 bytů, tedy B = J.K/2 = 8.32/2 = 128 bitů. Odpověď: Pomocí kódu RS (255, 223) je možné opravit skupinovou chybu délky až 128 bitů. V případě ojedinělých chyb (uvažujme v každém bytu jednu chybu) opraví maximálně 16 bitů. Postup kódování a dekódování signálu RS kódem: Prokládání Ochrana proti skupinovým chybám (shluku chyb): shlukovou chybu rozprostříme na bitové chyby a ty už opravíme příslušnými algoritmy. hloubka prokládání: čím je větší hloubka prokládání, tím větší skupinovou chybu dokáže prokládací stupeň rozprostřít rámec vnějšího kódu: počet bitů, po kterých se budou opakovat vzniklé ojedinelé chyby 14

Řetězové kódování: 15

8.1. Základní parametry digitálních modulací Digitální modulace Definice modulace: Modulace je proces, při kterém dochází k ovlivňování některého parametru nosného signálu v závislosti na okamžité hodnotě modulačního signálu. U radiokomunikačních systémů je nosným signálem harmonický signál se třemi parametry: amplitudou, kmitočtem a počáteční fází. U digitálních radiokomunikačních systémů je modulačním signálem digitální signál, který může nabývat hodnot pouze logická 0 nebo 1. Proto se podle okamžité hodnoty modulačního signálu mění parametry nosné vlny skokem (digitální modulace). Tři základní typy digitálních modulací: ASK (Amplitude Shift Keying) FSK (Frequency Shift Keying) PSK (Phase Shift Keying) Dvoustavové modulace každému bitu modulačního signálu je přirazen jeden stav nosné vlny. Vícestavové modulace M stavů nosné vyjadřuje n bitů (kombinaci jedniček a nul) dle vztahu M = 2 n (např.: chceme, aby n=3, potom potřebujeme osmistavovou modulaci M=2 3 ). 16

Konstelační (stavový) diagram grafické znázornění digitálních modulací (I-Q diagram). Lepší využití konstelačního diagramu modulace QAM (Quadrature Amplitude Modulation) modulační signál klíčuje nejen fázi, ale také amplitudu nosné. Výhoda vícestavových modulací: při stejné přenosové rychlosti se snižuje symbolová rychlost vůči základním dvojstavovým modulacím. Nevýhoda: zvyšujícím se počtem stavů se snižují vzájemné rozdíly mezi stavy modulované nosné vlny, tj. klesá odolnost vůči rušení v přenosovém kanále. Základní parametry digitálních modulací přenosová (bitová) rychlostmodulačního signálu: f b (kolik bitů za sekundu?) doba trvání jednoho bitu : T b = 1/f b u M stavové modulace reprezentuje každý stav nosné skupinu o počtu bitů: n = log 2 M doba trvání jednoho stavu nosné (symbolu): T s = n.t b Symbolovou rychlost (jak rychle změní vektor svou polohu viz konstelační diagramy) uvažované M stavové modulace: f 1 T 1 = n. T f fb = log 2 M b s = = [ baud ]. s b n Bitová chybovost BER (Bit Error Rate): poměr průměrného počtu chybných bitů ku celkovému počtu bitů, přenesených za určitou dobu. Symbolová chybovost SER (Symbol Error Rate): poměr průměrného počtu chybných symbolů ku celkovému počtu symbolů, přenesených za určitou dobu. Pro danou modulaci je chybovost závilsá především na poměru signál šum C/N (Carrier to Noise), vztaženému ke vstupu demodulátoru přijímače (zde je C/N v celém komunikačním řetězci nejmenší). Pozn.: Chceme-li dosáhnout stejnou chybovost ve více zašuměném komunikačním kanálu, musíme použít míňstavovou (případně dvoustavovou) modulaci. Energetická účinnost (Energetic Efficiency) je definována pro určitou chybovost BER (referenční hodnota se volí obvykle BER = 10-5 ): e = E b η [ ] N 0 E b nebo = edb 10.log N 0 η [ db ] kde E b střední energie modulovaného signálu na 1 bit: E b = C.T b = C/f b N 0 šumová výkonová spektrální hustota: N 0 = N/B š (B š šumová šířka pásma). 17

Spektrální účinnost (Spectral Efficiency): f bit 1 b η s = B vf s Hz kde B vf šířka pásma rádiového kanálu. 18

8.2. Modulace π /4 DQPSK (Differential QPSK) U demodulací QPSK a O-QPSK byly informace o dibitech vyjádřeny fázovými úhly mezi vektory nosné a kladným směrem osy I. U modulaci π/4 DQPSK jsou jednotlivým dibitům přirazeny fázové změny vektoru nosné. Na přijímací straně lze provést demodulaci signálu π/4 DQPSK buď složitější koherentní demodulací (musí být obnoven nosný signál) nebo může být využita mnohem jednodušší nekoherentní demodulace, při které se zjišťuje fázový rozdíl modulovaných signálů odpovídající dvěma po sobě následujícím stavům. Vektorový diagram modulace π/4 DQPSK: z libovolného stavu je možné se dostatpouze do některého ze čtyř stavů (změnou fáze nosné vlny o ± 45 nebo ±135 ). Parazitní AM u modulace π/4 DQPSK je menší než u QPSK, ale větší než u O-QPSK. Vstupní signál je rozdělen ve splitteru (sériově paralelním převodníku) do dvou kanálů I a Q. Na vstupy kodéru přichází signály s poloviční bitovou rychlostí. Na výstupu kodéru jsou signály I* a Q*, které mají stejnou přenosovou rychlost jako signály I a Q, avšak jejich úroveň může nabývat jedné z pěti hodnot -1; -0,707; 0; 0,707; 1. Dvojici signálů vytváří kodér na základě předchozího stavu nosné a fázové změny odpovídající dibitu, který je právě na jeho vstupu. 19

9. Modulace (a demodulace) QPSK a O-QPSK QPSK Modulace QPSK: Vstupní digitální signál s přenosovou rychlostí f b přichází do obvodu splitter. V tomto obvodu dochází k rozdělení jednotlivých bitů (liché a sudé bity) do dvou větví I (In-phase) a Q (Quadrature) viz další obrázek. Výsledné bitové toky lichých a sudých bitů, každý s poloviční přenosovou rychlostí f b /2, jsou vedeny přes DP na součinové modulátory DSB SC. Nosné vlny obou modulátorů mají stejný kmitočet, jsou však vzájemně posunuty o 90. Po sečtení signálů a pásmové filtraci dostáváme signál QPSK. Demodulace QPSK pomocí koherentního demodulátoru: 20

Problémy s QPSK: Vektorový diagram Při změnách stavů, kdy se v dibitu mění současně oba bity (např.: 01 10 nebo 00 11, atd.), posune se fáze signálu o 180 ; při změnách stavů, kdy se v dibitu mění pouze jediný bit (např.: 11 01 nebo 10 00, atd.), posune se fáze signálu o 90. Doba přechodu je velice krátká (řádově ns), přesto vzniká v obou případech v modulovaném signálu parazitní amplitudová modulace. Průchodem signálu QPSK přes nelineární obvod (např. koncový stupeň vysílače pracující v třídě C), dochází k obohacení spektra signálu. Modulace O-QPSK (Offset - QPSK): Od QPSK se líší tím, že nemůže dojít v dibitu ke současně změně obou bitů (např.: 01 10 nebo 00 11, atd.): dosáhne se toho zařazením zpožďovacího členu s dobou zpoždění T b do kanálu Q. Při změně stavu mění nosná svoji fázi vždy pouze o 90, parazitní AM proto může mít u O-QPSK hloubku modulace nejvýše cca. 30% (při změně fáze o 180 by dosáhla hloubka parazitní amplitudové modulace 100% - jak to je u modulace QPSK) v nelineárních obvodech vzniká míň nežádoucích spektrálních produktů ve srovnání s QPSK. Nevýhoda O-QPSK vůči QPSK: větší šířka kmitočtového pásma pro přenos. 21

22

10. Modulace MSK a GMSK Modulace MSK Dvojstavová modulace FSK (Frequency Shift Keying): v závislosti na vstupním digitálním signálu mění skokově kmitočet nosné (signalizační kmitočty f 1 a f 2 ). Důsledkem těchto skokových změn fáze se výrazně rozšiřuje spektrum modulovaného signálu. Modulace, u kterých je při změnách signalizačních kmitočtů zajištěna plynulá změna fáze signálu, se nazývají modulace FSK se spojitou fází a označují se CPFSK (Continuous Phase FSK). Pro signalizační kmitočty u FSK platí vztahy: f1 = f c f a f 2 = f c + f (12.1a,b) kde f c je kmitočet nosné a f je kmitočtový zdvih (kmitočtová deviace). Index modulace (normovaný kmitočtový zdvih, deviační poměr): f f 2 f1 h = = (12.2) f / 2 b f b kde f b je bitová rychlost digitálního signálu. Šířka kmitočtového pásma, potřebná pro přenos modulovaných signálů FSK (přibližný vztah): pro 2-stavovou FSK modulaci: pro M-stavovou FSK modulaci: fb B2 FSK 2. + f (12.3a) 2 vícestavová modulace menší B2FSK BMFSK = šířka pásma (12.3b) log M Dvojstavové kmitočtové klíčování s minimálním zdvihem MSK (Minimum Shift Keying) patří do kategorie digitálních modulací CPFSK. Bitová perioda modulačního digitálního signálu je T b je přesně rovna celistvému násobku polovin period T 1 a T 2 obou signalizačních signálů: 2 T 1 T b = n 2 f b f 1 = n (12.4a) 2 T 2 T b = ( n + 1) 2 f b f 2 = ( n + 1) (12.4b) 2 Dosazením (12.4a) a (12.4b) do (12.2) lze odvodit: h = 0,5 a f b f = (12.5a,b) 4 Dosazením (12.5a,b) do (12.1a,b) lze napsát: f 1 f b = f c a 4 f b f 2 = f c + (12.6a,b) 4 Rozdíl posuvů fáze signalizačních signálů za dobu t = T b lze pomocí (12.1a,b) a (12.5a,b) vyjádřit jako: 23

2π 2π f 2 f1 f b ϕ 21 = ϕ 2 ϕ1 = Tb Tb = = f = = 2πTb ( f 2 f1) = π (12.7) T T 2 4 2 1 Stejným způsobem se určí pomocí (12.1a,b) a (12.6a,b) fázový posuv každého z obou signalizačních signálů vůči nosné za dobu t = T b : (12.8a,b) Časový průběh modulovaného signálu MSK lze vyjádřit vztahem: kde s k = 1 pro bit 1, s k = -1 pro bit 0 (12.9) modulátor MSK lze realizovat jako modulátor s oscilátorem VCO, který je skokově přelaďován z jednoho signalizačního kmitočtu na druhý (nevýhoda: malá stabilita a přesnost signalizačních kmitočtů protože nemůžeme použít krystalem řízený oscilátor: ten by se nedalo rozlaďovat v takové míře, abychom dostali potřebný kmitočtový zdvih). Pomocí goniometrického vztahu cos( α + β ) = cosα.cos β sinα. sin β lze pro časový průběh modulovaného signálu MSK také napsát: (12.10) další způsob realizace modulátoru MSK: signál MSK se vytváří jako součet dvou modulovaných signálů jejichž fáze nosné se liší o 90 (tzv. kvadraturní modulátory neboli modulátory IQ). (12.11) tyto dva signály jsou fixní pro jejich vytvoření už můžeme použít krystalem řízený oscilátor; změníme parametry I(t) a Q(t) 24

kde I ( t) s k = ± 1 platí pro liché bity s dobou trvání 2.T b a Q ( t) s k = ± 1 pro sudé bity s dobou trvání 2.T b (přičemž S c = 1). Modulace GMSK (Gaussian-filtered MSK) Je variantou modulace MSK. Před modulátor MSK je zařazena Gaussovská dolní propust, která kmitočtově omezí spektrum vstupního digitálního signálu (nepoužijeme klasický filtr, protože ten by se nestíhal rychle přelaďovat cca. až 1500-krát za sekundu: frequency hopping (abychom předišli interferenci signálů při telefonování)). Modulátor GMSK se tedy skládá z Gaussovské DP, zajišťující speciální předmodulační filtraci signálu, a z modulátoru MSK. Základním parametrem modulace GMSK je poměrná šířka pásma: b = B. T b (12.12) kde B je šířka pásma Gaussova filtru pro pokles o 3 db a T b je bitová perioda modulačního signálu. Volba parametru b je kompromisem mezi dostatečně potlačenými postranními laloky spektra a přijatelnými mezisymbolovými interferencemi ISI (b je velká málo potlačené postranní laloky a nízká ISI; b je malá více potlačené postranní laloky, ale značná ISI). 25

11. Modulace OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Odražené signály (terénní p ekážky, budovy, apod.) mají r zná asová zpožd ní, amplitudy, fáze Interference p ímého a odraženého signálu (ISI Inter Symbol Interference BER Bit Error Rate) Prodloužení T B - odražené signály s velkou amplitudou a malou dobou zpožd ní neovlivní sousední bity Velký po et paralelních cest (2k, 8k) mapování do symbol vhodných pro následné modulace QPSK, QAM 8 Blokové schéma modulátoru OFDM Spektrum signálu u klasického systému Spektrum signálu u ortogonálního systému 9 26

Jednotlivé subnosné jsou od sebe vzdáleny o celo íselný násobek p evrácené hodnoty délky symbolu T S - podmínka ortogonality. V praxi se modulace OFDM realizuje pomocí IFFT a FFT v signálovém procesoru 10 27

12. Kmitoč tový multiplex FDM Systémy s mnohonásobným přístupem a metody multiplexování Metody mnohonásobného přístupu umožňují sdílení rádiového prostředí mnoha účastníkům. Čtyři základní metody mnohonásobného přístupu do systému: FDMA (Frequency Division Multiple Acces) TDMA (Time Division Multiple Acces) CDMA (Code Division Multiple Acces) ALOHA stochastický (náhodný přístup) protokol s opakovaným náhodným přístupem protokol s náhodným přístupem s rezervací U systémů s jednorozměrnou topologií a terminálovým řízením se používají metody multiplexování: FDM (Frequency Division Multiplex) TDM (Time Division Multiplex) CDM (Code Division Multiplex) Kmitočtový multiplex FDM Každý účastnický kanál je definován svým číslem, středním kmitočtem a šířkou kmitočtového pásma. Jeden z kanálů může být vyhrazen pro řídící účely a přenáší se v něm například informace o volných kanálech, aj. Vstupní signály jsou nejprve kmitočtově omezeny, potom jsou modulovány na pomocné nosné vlny (subnosné) tak, aby se jednotlivé kanály kmitočtově nepřekrývaly; SCPC (Single Channel Per Carrier) jeden kanál na jednu nosnou: každý signál má svoji samostatnou nosnou vlnu MCPC (Multi Channel Per Carrier) více kanálů na jednu nosnou: vytvořený multiplexní signál je ještě namodulován na hlavní nosnou vlnu a teprve přenášen. 28

29

13. Časový multiplex TDM Systémy s TDM se převážně používají pro přenos digitálních sigálů (při přenosu analogových signálů se ty nejprve musí převést na diskrétní vzorky). Jednotlivé signály se přenáší v určitých časových intervalech (time slot) opakujících pro daný signál po určitém čase (tzv. rámec TDMA): Časové sdružování (multiplexování) se může provádět až na čtyřech úrovních, lišících se bitovou rychlostí (telefonní signál: f vz = 8 khz, 2 8 kvantovacích úrovní (8 - bitové slovo) 64 kbit/s): 30

14. Kódový multiplex (CDMA) systémy s rozprostřeným spektrem SS (Spread Spectrum) jsou funkčně i obvodově složité (náročná synchronizace a časování) Bitová rychlost PNP (čipová rychlost chip rate) je úmyslně volena o několik řádů vyšší než bitová rychlost modulačního signálu dochází k rozprostření spektra. PNP je pseudonáhodný binární signál o délce 10 7 až 10 33 taktů (čipů). Ideální PNP musí mít impulzní autokorelační funkci R X (τ) (předpokládám to znamená, že signál nemá v čase konstantní charakter) a nulovou vzájemnou korelační funkci R XY (τ) (a to zase, že dvě posloupnosti PNP se vůbec nepodobají). Používají se především Walshovy kódy. Poznámka: Uvažujme dva účastníky systému CDMA, označené A a B. 31

32

Způsoby rozšíření spektra: 1. s přímou modulací kódovou posloupností DS (Direct Sequence): nosná je přímo modulovaná digitálním signálem, který má bitovou rychlost větší než informační signál. 2. s kmitočtovým skákáním FH (Frequency Hopping): kmitočet nosné se mění skokem podle PNP 3. hybridní DS-FH Systémy s CDMA jsou velice odolné proti rušení úzkopásmového i širokopásmového charakteru (na korelátoru se rušivý signál rozprostří). Díky nízké výkonové hustotě je možné činnost systému v uvažovaném kmitočtovém pásmu utajit a použitím PNP, specifické pro každého uživatele, je zajištěno utajení i přenášené informace. Existují i kombinované systémy, např.: FDMA-TDMA nebo FDMA-CDMA. 33

15. Způsoby př enosu a buňková struktura systémů Způsoby přenosu Podle směru komunikace mezi dvěma účastníky A, B: simplexní přenos, simplex (komunikace pouze v jednom směru; např.: televizní a rozhlasové vysílání, radiový paging). poloduplexní přenos, poloduplex (pro komunikaci je využit jeden kanál oběma směry, které ne nutné přepínat; např.: policie, taxislužba) plněduplexní přenos, duplex (komunikace probíhá mezi účastníky současně oběma směry; např.: radiotelefonní systémy). Podle oddělení směru přenosu: a) kmitočtový duplex FDD (Frequency Division Duplex) duplexní pár, vysílač + přijímač (transceiver), společná anténa (ta je připojena ke vstupu přijímače a vysílače přes filtr nazvaný duplexer kmitočtově odděluje směry přenosu) uplink = směr přenosu od MS k BTS downlink = směr přenosu od BTS k MS b) časový duplex TDD (Time Division Duplex) časový úsek (time slot), přenos má pulsní charakter: menší příkon, životnost zdrojů, menší hmotnost celé účastnícké stanice; nevýhoda: dopravní zpoždění Buňková struktura systémů Typy radiových spojení: spojení bod-bod PP (Point to Point) spojení bod-několik bodů PM (Point to Multipoint) buňková (celulární) struktura: Požadované území je rozděleno na velký počet malých území, buněk. Uprostřed každé buňky je základnová stanice BTS (Base Transceiver Station), která zajišťuje spojení mobilních účastníků v dané buňce se systémem. Typy buněk: pikobuňka (poloměr do 50 m) mikrobuňka (poloměr do 1 km) makrobuňky buňky deštníkového typu (umbrella cells) vykrývají nepokryté části území mezi menšími pikobuňkami nebo mikrobuňkami Svazek buňek řídí základnová řídící jednotka BSC (Base Station Controller). Jednotlivé BSC jsou koordinovaně řízeny z jednoho nebo několika málo center, radiotelefonních ústředen MSC (Mobile Switching Centre), které zajišťují spojení s jinými radiokomunikačními sítěmi. roaming = funkce umožňující najít mobilní stanici v síti handover = přepínání spojení mezi jednotlivými BTS 34

16. Možnosti využití kmitoč tového pásma systému (s buňkovou strukturou) - efektivní hospodaření s kmitočtovým spektrem (mnohonásobné opakování jednoho a téhož kmitočtu v obsluhované oblasti takhle lze pokrýt s omezeným kmitočtovým pásmem nekonečně rozlehlé území) - pevné přidělování kanálů FCA (Fixed Channel Allocation) - zvýšení kapacity sítě: sektorizace buněk (každá buňka se rozdělí na 3 nebo 6 sektorů zvýší se počet kanálů jedné buňky na trojnásobek resp. šestinásobek) překrývání buněk (do přetížené buňky je přidána další BTS využívající kanály sousedních buněk výkon vysílače této BTS-ky je omezen, takže svým signálem pokrývá pouze část území původní buňky a nedochází k interferencím se signály sousedních buněk). - nevýhoda pevného přidělování kanálů je nevyužití radiových kanálů s maximální efektivitou (může se nastat případ, kdy v jedné buňce bude nedostatek volných kanálů a v druhé buňce bude využit pouze nepatrný počet radiových kanálů): tento problém řeší dynamické přidělování kanálů DCA, DCS (Dynamic Channel Allocation, Selection) každá BTS má přístup ke všem kanálům svazku. 35

17. Typy handoverů a typy spojování Typy handoverů handover = přepnutí spojení MS a BTS během komunikace z jednoho kanálu na jiný kanál. Dochází k němu v případě, kdy systém vyhodnotí nový kanál jako kvalitnější. Typy handoveru podle průběhu přepínacího procesu: tvrdý handover systém nejdřívě odpojí MS z původního kanálu a teprve potom ji připojí na nový kanál (krátké přerušení spoje cca. do 100 ms; synchronizace základnových stanic (BTS-ek)) bezešvý (seamless) handover nejdřívě se vytvoří spojení v novém kanále a teprve potom je původní kanál odpojen (tj. po určitou krátkou dobu existuje paralelní spojení na dvou kanálech) měkký handover MS je spojena se všechny dostupné základnové stanice (minimálně 2) a spojení se uskutečňuje paralelně po všech kanálech (- větší nároky na kapacitu sítě); použití např. v systémech UMTS Rozdělení handoverů podle toho, která část systému provádí měření kvality spojení, rozhoduje o handoveru a řídí jej: sítí řízený handover NCHO (Network Controlled Handover) měrení kvality spojení, rozhodnutí o handoveru a přepojení provádí BTS; použití: v analogových systémech handover řízený mobilní stanicí MCHO (Mobile Controlled Handover) měření kvality kanálů (všech) provádí MS i BTS. Rozhodnutí o přepnutí provádí MS, předá je do systému a ten zajistí provedení přepnutí; použití: DECT sítí řízený handover s asistencí mobilní stanice MAHO (Mobile Assisted Handover) MS neustále měří velikost signálu sousedných BTS a výsledky předává základnové stanici, ke které je právě připojena. Současně MS i BTS provádí měření kvality probíhajícího spojení a podle naměřených údajů se systém rozhoduje o přepnutí a uskutečňuí je. Typy spojování komutované spojování: spojení s přepínáním okruhů. Při využití pro přenos digitálních signálů se používá tzv. synchronní přenosový mód STM (Synchronous Transfer Mode), při kterém je přenosová rychlost signálu konstantní. paketové spojování (tok dat je rozdělen do menších částí): služba bez spojení (datagramová služba) vhodná pro přenos kratších zpráv služba se spojením první (vyhledávací) paket vyznačí tzv. virtuální okruh a rezervuje v každém přepojovacím uzlu dostatečnou paměť pro celou zprávu. Tento způsob spojování je vhodný pro přenos velkého objemu dat. Paketový způsob přenosu umožňuje velice efektivní využití přenosové kapacity sítě. Nevýhodou jsou určité problémy vznikající při vzájemné komunikaci v reálném čase. Výrazné zvyšování rychlosti paketového přenosu umožnilo zavedení asynchronního přenosového módu ATM (Asynchronous Transfer Mode). 36

18. Diverzitní př íjem únik (fading) = kolísání úrovně signálu v ístě příjmu (způsobeno terénními překážkami, postupnými změnami ionosféry, mnohocestným šířením signálu dojde v každém bodě terénu k vektorovému sčítání přímé a odražených vln: vytvářejí se lokální maxima a minima signálu). diverzitní (výběrový) příjem: slouží pro omezení, případně potlačení uvedených jevů. Podstata diverzitního příjmu je vytvoření několika nezávislých přenosových kanálů mezi vysílačem a přijímačem, ve kterých je přenášen stejný informační signál. (Pozn.: důležitou podmínkou je minimální vzájemná korelace úniků v jednotlivých kanálech tj., aby úniky měli odlišný charakter.) makroskopické diverzitný systémy: používají se k omezení vlivu pomalých úniků, způsobených zastíněním MS relativně velkým objektem nebo překážkou (realizace MS si vybere BTS, kterou bude mít nejlepší spojení) mikroskopické diverzitní systémy: pro omezení rychlých (Rayleighových) úniků, způsobených mnohocestným šířením signálu i pohybem mobilní stanice - kmitočtové skákání nosné (Frequency Hopping) Způsoby vytváření nezávislých radiových kanálů: diverzitní systém s prostorovým výběrem: na přijímací straně je určitý počet samostatných antén, vzájemně vzdálených o několik vlnových délek diverzitní systém s úhlovým výběrem: používají se směrové antény, které jsou nastaveny do různých směrů diverzitní systém s polarizačním výběrem: vyžaduje úpravu vysílače dvě různé antény s horizontální a vertikální polarizací diverzitní systém s kmitočtovým výběrem: odstup jednotlivých kmitočtů by měl být 2-4 % kmitočtu nosné vlny. Tyto systémy mohou používat jednu vysílací a jednu přijímací anténu, avšak počet vysílačů a přijímačů je dán počtem použitých kmitočtů diverzitní systémy s časovým výběrem: prakticky systémy s TDM 37

5 Radiotelefonní systémy jeden multirámec. Dalším spojením 51 multirámc vznikne jeden superrámec a kone n spojením 2048 superrámc vznikne jeden hyperrámec s dobou periody 3 hodiny, 28 minut, 53 sekund a 760 ms. V p ípad, že v TDMA rámcích jsou p enášeny signaliza ní signály (kanály), potom jeden multirámec vznikne spojením 51 TDMA rámc. Spojením 26 t chto multirámc vznikne jeden superrámec. Hierarchie rámc v systému GSM je p ehledn znázorn na na obr. 5.20. Uvedená struktura všech rámc spolu s použitou ekvalizací, dovolují používat mobilní stanice až do rychlosti 250 km/hod. Po této úprav signálu následuje modulace GMSK ( BT b 0,3 ). 19. Architektura systému GSM Systém GSM je navržen tak, aby nebyl autonomní a uzav ený, ale aby umož oval p ístup i do jiných sítí. Lze jej rozd lit na t i základní subsystémy, jak je nazna eno na obr. 5.21. Subsystém základnových stanic BSS (Base Station Sub-System) neboli rádiový subsystém, se kterým prost ednictvím rádiového rozhraní U m p ímo komunikují mobilní stanice MS (Mobile Stations). Sí ový a spínací (p epojovací) subsystém NSS (Network and Switching Subsystem) ozna ovaný n kdy jako radiotelefonní úst edna s rozší enými úkoly a funkcemi. Opera ní subsystém OSS (Operation Support Subsystem) zajiš uje servis a koordinuje funkce celého systému (provoz, údržba, opravy poruch, atd.). Obr. 5.21. Architektura systému GSM BTS BSC MSC HLR VLR AuC EIR IMEI OMC NMC ADC (Base Transceiver Station) základnová rádiová stanice (Base Station Controller) základnová ídící jednotka (Mobile Switching Centre) mobilní radiotelefonní úst edna (Home Location Register) domovský loka ní registr (Visitor Location Register) návšt vnický loka ní registr (Authentication Centre) centrum autenti nosti (Equipment Identity Register) registr mobilních stanic (International Mobile Equipment Identity) mezinárodní identifikace ( íslo) registrované MS (Operational and Maintenance Centre) provozní a servisní centrum (Network Management Centre) centrum managementu sít (Administrative Centre) administrativní centrum P i pln ní základních funkcí kooperuje systém GSM se t emi externími složkami: Uživatelé systému se svými mobilními stanicemi. 90 38

5 Radiotelefonní systémy Operáto i, což jsou spole nosti angažující se v oblasti telekomunikací, kte í ídí systém z hlediska finan ního, ekonomického a áste n i provozního (ú tují služby, evidence, tarifování, vydávají SIM karty, atd.). Externí telekomunika ní sít, p edevším ve ejné komutované telefonní sít PSTN (Public Switching Telecommunication Network), digitální sít ISDN (Integrated Services Digital Network), ve ejné datové sít, atd. Mezi jednotlivými ástmi systému jsou p esn definovaná rozhraní. Mezi MS a BTS je tzv. rádiové rozhraní ozna ované U m, jehož popis byl uveden v p edchozím textu, a to dostate n podrobn. Mezi základnovou stanicí BTS a ídící jednotkou BSC je tzv. rozhraní A bis. Zde má signál p enosovou rychlost 16 kbit / s. Signál s touto rychlostí vznikne z hovorového signálu s rychlostí 13 kbit / s nebo z datových signál s nižšími rychlostmi, p idáním dalších signaliza ních a synchroniza ních bit pro rozlišení p enosu hovoru nebo dat. Na výstupu ídící jednotky BSC bývá zapojena transkódovací jednotka TRAU (Transcoder and Rate Adaptor Unit), která m ní p enosovou rychlost signálu na hodnotu 64 kbit / s, která je nutná pro komunikaci mezi ídící jednotkou BSC a mobilní úst ednou MSC na rozhraní A. Jednotka TRAU m že však být také použita ke slou ení (multiplexování) ty signál s rychlostmi 16 kbit / s do výsledného signálu s rychlostí 64 kbit / s. Na rozhraní A se používá signaliza ní systém SS7. Ten využívá zvláštních kanál pro p enos signaliza ních signál a podporuje komunikaci nejen mezi BSS a MSC, ale i p enos sí ových informací mezi MS a MSC. Plošná struktura systému GSM je symbolicky nazna ena na obr. 5.22. Nejvyšším lánkem plošné struktury je území všech stát používajících systém GSM. Nižším lánkem je území pod kontrolou operátora PLMN (jeden nebo n kolik ve stát ), obr. 5.22.a. Dále je to území pod kontrolou jedné mobilní radiotelefonní úst edny MSC, obr. 5.22.b. V p ípad, že úst edna umož uje komunikaci s externími sít mi, ozna uje se GMSC (Gateway MSC). Dalšími lánky jsou oblasti LA (Location Areas) a bu ky (Cells). a) b) Obr. 5.22. Plošná struktura systému GSM Základnová stanice BTS v každé bu ce je ozna ena šestibitovým kódem BSIC, jak je uvedeno v tab. 5.7. Podobn každá oblast v systému GSM je ozna ena pomocí identifika ního kódu oblasti LAI (Location Area Identity), který má následující strukturu. 39 91

Zdrojové kódování 20. Systém GSM zdrojové a kanálové kodování P i výb ru celkem 20 návrh z 9 zemí Evropy Záv re né hodnocení se zúžilo na 4 kodeky - kvalita výsledného hovorového signálu a schopnost transkódování Testování pro sedm evropských jazyk, p i t ech r zných úrovních signál (12 db, 22 db a 32 db pod maximální úrovní), zkoumal se vliv BER (0, 10-4, 10-2 ) a vliv šumového prost edí Kódování MOS ( 1 ~ špatný 5 ~ výborný ) Po et pásem P enosová rychlost [kbit/s] Po et matemat. operací [mil./s] Výrobce RPE - LPC 3,54 1 14,77 1,5 Philips, Germany MPE - LTP 3,27 1 13,20 4,9 IBM, France SBC - APCM 3,14 16 13,0 1,5 Ellemtel, Sweden SBC - ADPCM 2,92 8 15,0 1,9 Britisch Telecom Research Analogová FM 1,95 - - - - Analogový hovorový signál v pásmu 300-3400 Hz je po filtraci vzorkován skmito tem 8 khz a segmentován do asových rámc 20 ms V A p evodníku se vytvo í vkaždém asovém rámci 160 vzork, z nichž každý je kódován 13 bity, tj. do 8192 úrovní. Bitová rychlost signálu na vstupu kodéru je tedy (160. 13) / 20.10-3 = 104 kbit/s 2 40

P edzpracování signálu - odstran ní stejnosm rné složky a provedení preemfáze Analýzy LPC výsledkem je 8 filtra ních koeficient (tzv. koeficient odrazu) kvantovaných a vyjád ených v logaritmické mí e Krátkodobá analýza a filtrace výsledkem je filtrovaný signál (160 vzork ) a filtra ní koeficienty. Filtr lze považovat za digitální imitaci lidského hlasového traktu, kde koeficienty p edstavují vliv jeho ostatních ástí (zuby, jazyk, hltan, atd.) Kódování RPE - hovorový rámec 160 filtrovaných vzork je rozd len do 4 blok po 40 vzorcích (5 ms). První blok obsahuje vzorky 1, 5, 9, 13,... 157, druhý 2, 6, 10, 14,... 158, atd. Z t chto blok je vybrán blok s nejv tším signálem Analýza LTP - smy ka LTP používá k výpo tu odhadu rozdílového signálu z rekonstruovaného excita ního signálu 47.4 188 Výsledkem zdrojového kódování je 47. 4 = 188 bit excita ního signálu a 4. 9 + 36 = 72 bit reprezentujících koeficienty LTP filtru a LPC analýzy Celkem 260 bit za 20 ms p edstavuje výstupní p enosovou rychlost signálu 13 kbit/s (half rate coder 6,5 kbit/s ) 41 4