Особенности преобразования речевых сигналов в стандарте GSM.

Рассмотрим кратко основные характеристики речевых сигналов (согласно рекомендациям МККТТ) в стандарте GSM и особенности их аналого-цифрового преобразования:
-  диапазон частот речевого сигнала ограничен: 300...3400 Гц;
-  длительность звуков речевого сигнала составляет от нескольких десятков до несколь­ких сотен миллисекунд, при среднем значении 130 мс;
-  для гласных звуков среднее значение длительности составляет 210мс, для соглас­ных — 92 мс;
-  спектр мощности речевого сигнала имеет максимум вблизи частоты 400 Гц и спадает на более высоких частотах со скоростью около 9 дБ на октаву;
-  при телефонном разговоре уровень речевого сигнала изменяется в диапазоне 35...40 дБ, при этом уровень согласных в среднем на 20 дБ ниже уровня гласных;
- в аналого-цифровом преобразовании и цифровой обработке сигнала речи ограничива­ются частотным интервалом обычного аналогового телефона 300...3400 Гц, при этом при кодировании речевого сигнала учитывают квазистационарный гауссовский про­цесс, у которого спектрально-корреляционные характеристики постоянны на интервале
20...30 мс.

Дополнительно следует отметить следующее:
-  слуховое ощущение громкости приблизительно пропорционально логарифму интен­сивности (~ In/, где I— интенсивность звука);
-  пороговое для слуха изменение уровня звука не превышает 1 дБ;
-  человеческое ухо слабочувствительно к точности передачи фазовых соотношений спектральных составляющих сигнала;
-  постоянная времени слуха в среднем составляет: при нарастании сигнала — 20...30 мс; при спаде — 100.. .200мс.
Возвращаясь к рассмотрению процесса преобразования аналогового речевого сигнала в цифровую форму, рассмотрим более подробно особенности процессов дискретизации и квантования в стандарте GSM.

Дискретизация речевого сигнала
На два входа дискретизатора подаются два сигнала:
-  U\(t)— аналоговый сигнал (речь);
-  UJJ)— сигнал от генератора тактовых импульсов.
В соответствии с теоремой дискретизации (Котельникова-Шеннона), если для функции U\{t)спектральной составляющей наивысшей частоты является/_тах (в случае речевого сиг­нала /_тах = 3400 Гц), то мгновенные отсчеты, взятые с частотой fa> 2/_max, содержат в себе практически всю информацию исходного сообщения (то есть f_d>2*3400 = 6800 Гц).
Как известно, применение теоремы дискретизации для телефонии, где речевой сигнал (или факсимильный сигнал) ограничен частотой /_тах = 3400 Гц, частоту дискретизации вы­бирают равной f_d=8000 Гц, то есть период дискретизации составляет T_d= 1 tf_d=125 мкс.
Таким образом, на выходе дискретизатора, как умножителя сигналов: U\{f) U^t)= U₂(t\ получается сигнал С/₂(0*

Квантование сигнала U₂(t)
В стандартных АЦП, используемых в цифровой телефонии, обычно число уровней квантования (при приемлемом отношении сигнал/шум) выбирают равным 256 = 2⁸, то есть каждому уровню аналогового сигнала будет соответствовать цифровой сигнал £/₃(в соот­ветствующий момент дискретизации) в виде 8-разрядного двоичного кода.

В стандарте GSMиспользуется 8бит цифровой информации на один квантованный отсчет. Частота генератора сигнала квантования U_kдолжна соответствовать: 8кГц-8= 64 кГц, а период 7*= 1/64-10³ = 15,625 мкс, то есть сохраняется стандарт на скорость передачи информации на выходе АЦП—64 кбит!с по одному телефонному каналу.

Следует отметить, что в системах сотовой мобильной связи стандарта GSMиспользу­ются 16-битовые сигма-дельта АЦП, при этом скорость цифрового выходного потока со­ставляет 128 кбит/с.

Рассмотрим особенности цифро-аналогового преобразования речевых сигналов в стан­дарте GSM.
Как известно, преобразование цифрового потока, несущего информацию о речевых сиг­налах и поступающего из декодера речи, реализуется цифро-аналоговыми преобразователя­ми (ЦАП).

Современные ЦАП в мобильных станциях выполняются в виде интегральных микро­схем. Широкое применение находят 16/18/20/22/24-битовые ЦАП на одной интегральной микросхеме. В системах сотовой мобильной связи используются такого рода ЦАП, входной цифровой поток в которых имеет скорость 128 кбит/с. Такие ЦАП преобразуют цифровые потоки в речевые сигналы, которые в передающей части были преобразованы в цифровые сигналы в АЦП при 16-битовом сигма-дельта преобразовании. Более подробно особенности схемного решения и принципы работы АЦП и ЦАП в системах мобильной связи можно найти в литературе [4.9, 4.11].