Исследование влияния речевых кодеков на качество передачи цифровых QAM — сигналов по телефонным каналам

Современный этап развития отрасли связи характеризуется постоянным ростом интернет-трафика. В настоящее время услуга передачи данных через сеть Интернет является столь же необходимой, как и телефония.

Для организации цифровых каналов доступа в Интернет используются различные технологии: xDSL, Ethernet, передача данных в сетях мобильной связи 2-го и 3-го поколений. Эти технологии позволяют достичь высокой пропускной способности и значительно способствуют удовлетворению потребностей клиентов. Однако для их внедрения требуется модернизация сети связи и установка дорогостоящего оборудования.

Вместе с тем, на тех участках сети, где подобная модернизация еще не произведена, наиболее доступной, а во многих случаях — единственно возможной остается технология dial-up — передача данных по существующим телефонным каналам с помощью модема. По данным Министерства информационных технологий и связи, в 2008 году суммарная длительность соединений при оказании услуги доступа к информации с использованием инфокоммуникацион-ных технологий (Интернет) через ТфОП составила 25 492 852 тыс. мин. [38] Особенно востребованным модемный доступ остается на ведомственных сетях связи (например, на сетях энергетиков), а также в удаленных и малонаселенных районах России.

Наряду с доступом в Интернет, передача цифровых сигналов по телефонным каналам используется при факсимильной связи, также имеющей огромное значение для деятельности предприятий и организаций.

Передача данных по аналоговым каналам может осуществляться с использованием как одномерных символов амплитудно-импульсной модуляции (РАМ-технология), так и двумерных символов квадратурной амплитудной модуляции (QAM-технология). Однако спектр РАМ-сигналов начинается от нуля, а канал тональной частоты является полосовым, поэтому МСЭ рекомендует использовать для передачи данных по каналам ТЧ только двумерные символы QAM-технологии.

Российская телефонная сеть общего пользования содержит как аналоговые, так и цифровые участки. Для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму могут использоваться различные методы кодирования — временные, частотные, параметрические. Однако кодеки, используемые в телефонии, оптимизированы для передачи речевого сигнала, и далеко не все из них являются прозрачными для сигналов модема. Для того чтобы была возможна передача данных по телефонному каналу, используемый кодек должен максимально точно воспроизводить форму сигнала во временной области. Таким образом, наилучшими с точки зрения прозрачности для неречевых сигналов являются методы временного кодирования. Из всех методов кодирования во временной области наибольшее распространение в цифровой телефонии получили методы импульсно-кодовой модуляции с квазилогарифмической шкалой квантования (рек. МСЭ-Т G.711) и адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (рек. МСЭ-Т G.726).

При аналого-цифровом преобразовании линейный сигнал модема подвергается специфическим искажениям, которые приводят к возрастанию вероятности ошибки.

В научной периодической печати регулярно появляются материалы, посвященные возможностям различных речевых кодеков по передаче неречевых сигналов (в частности, сигналов модемов и факс-аппаратов). В этой области следует отметить работы таких авторов, как I. Kalet, J.E. Mazo, B.R. Saltzberg, К. Pahlavan, J. L. Holsinger. Проблемам передачи цифровых сигналов по аналоговым каналам посвящено множество работ, в частности, таких авторов, как Дж. Возенкрафт, И. Джекобе, С. А. Курицын, Б. Скляр, D. Drajic, D. Bajic, G. Ungerboek и многих других.

Однако ряд проблем, касающихся передаче сигналов QAM по телефонным каналам, в том числе влияние кодека АДИКМ на вероятность ошибки, в научно-технической литературе освещен недостаточно.

Цель и задачи диссертации. Целью диссертации является получение оценок минимально достижимых значений вероятности ошибки при передаче циф5 ровых QAM-сигналов по каналу ТЧ, оборудованному ИКМлибо АДИКМ-кодером, для использования при проектировании устройств и систем связи.

Для достижения указанной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Анализ статистических и частотных свойств двумерных цифровых сигналов QAM-технологии и представление его в пространстве состояний.

2. Построение модели, описывающей передачу данных по телефонному каналу, оборудованному кодеком ИКМ с квазилогарифмической шкалой квантования, и оценка достижимой вероятности ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в телефонном канале кодека ИКМ.

3. Разработка методики расчета минимально достижимой вероятности ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в канале кодека АДИКМ с квазиоптимальным предсказателем нерекурсивного типа, и расчет искомой вероятности.

4. Разработка алгоритма оптимальной адаптивной экстраполяции сигнала QAM, исследование его эффективности и оценка достижимой вероятности ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в телефонном канале кодека АДИКМ с оптимальным экстраполятором.

5. Разработка программ имитационного моделирования процесса передачи данных по телефонному каналу, имеющему в своем составе кодек АДИКМ.

Методы исследований. При выполнении исследований были использованы методы теории цифровой обработки сигналов, теории оптимальной линейной фильтрации дискретных сигналов, теории адаптации, теории цепей и сигналов, теории информации, теории вероятностей, методы математической статистики и машинного моделирования.

Научная новизна. Основными результатами диссертации, обладающими научной новизной, являются:

1. Полученные оценки достижимой вероятности ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в телефонном канале кодека ИКМ.

2. Методика расчета минимально достижимой вероятности ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в канале кодека АДИКМ с квазиоптимальным предсказателем нерекурсивного типа.

3. Полученные оценки достижимой вероятности ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в телефонном канале кодека АДИКМ с квазиоптимальным нерекурсивным предсказателем.

4. Полученные оценки достижимой вероятности ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в телефонном канале кодека АДИКМ с оптимальным экстраполятором.

Практическая ценность. В диссертационной работе получены оценки минимально достижимой вероятности ошибки при передаче цифровых QAM-сигналов по телефонному каналу, оборудованному кодеками ИКМ или АДИКМ.

Разработан пакет программ для моделирования прохождения сигнала QAM по каналу с ИКМили АДИКМ-кодеками.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании систем связи, предусматривающих передачу цифровых сигналов по телефонным каналам, оборудованным речевыми кодеками, для обоснованного выбора сигнального созвездия и оценки достижимой скорости передачи данных.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций и на факультете повышения квалификации работников связи.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертации обсуждались и были одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций. Основные результаты опубликованы в 11 работах, в том числе 1 — в журнале «Цифровая обработка сигналов», входящем в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Двумерный цифровой сигнал QAM-технологии представляет собой нестационарный импульсный случайный процесс, который может быть приближенно представлен как эргодический случайный процесс и описан в виде уравнения состояния и модели наблюдения.

2. При числе точек в сигнальном созвездии до 256 шумы квантования при ИКМ-кодировании сами по себе не приводят к ошибкам на приеме. Для сигналов QAM-256 неравномерное квантование линейного сигнала приводит примерно к двухкратному возрастанию вероятности ошибки, что соответствует потере помехозащищенности на 0,8. 1 дБ.

3. Разработанная методика позволяет рассчитать минимально достижимую вероятность ошибки приемника QAM-сигнала при наличии в канале кодека АДИКМ с квазиоптимальным предсказателем нерекурсивного типа. Максимально достижимый энергетический выигрыш при использовании данного типа предсказателя составляет величину порядка 1,6, что соответствует увеличению помехозащищенности на 2 дБ по сравнению с квантованием самого сигнала с тем же числом уровней, что и разностного.

4. Разработанный алгоритм оптимальной адаптивной экстраполяции сигнала QAM позволяет получить максимальный энергетический выигрыш среди всех возможных линейных алгоритмов. Максимально достижимый энергетический выигрыш составляет величину порядка 1,8, что соответствует увеличению помехозащищенности на 2,6 дБ по сравнению с квантованием самого сигнала.

5. Результаты имитационного моделирования процесса передачи данных по телефонному каналу с кодеком АДИКМ, выполненного с помощью разработанной программы, подтверждают правильность результатов, полученных в результате расчета.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений.

4.3. Выводы по разделу.

Проведено имитационное моделирование системы «передачи цифровых сигналов QAM по телефонному каналу с АДИКМ-кодеком. Модель реализована в виде программы на языке высокого уровня С++.

Получены сигнальные созвездия на входе решающего устройства при наличии единственного мешающего фактора — искажений квантования в.

АДИКМ-кодере. Для всех рассматриваемых вариантов QAM-сигнала и АДИКМ-кодера измерены значения коэффициента ошибок.

Полученные результаты согласуются с результатами расчета, приведенными в третьей главе, и подтверждают сделанные выводы. ~" .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При аналого-цифровом преобразовании линейного сигнала модема сигнал подвергается специфическим искажениям, которые приводят к возрастанию вероятности ошибки или даже к невозможности связи.

Линейный сигнал модема с квадратурной амплитудной модуляцией является нестационарным импульсным случайным процессом, однако он может быть аппроксимирован эргодическим случайным процессом и представлен как отклик линейной системы на воздействие в виде белого шума. Это обстоятельство позволяет описать сигнал в виде уравнения состояния и модели наблюдения, то есть задать его в пространстве состояний.

В работе создана структурная схема системы передачи данных по телефонному каналу, оборудованному кодеком ИКМ по рекомендации G.711. Схема имеет в своем составе передающее оконечное оборудование данных, модулятор, участок абонентской линии в направлении передачи, кодер, цифровой канал, декодер, участок абонентской линии в направлении приема, демодулятор и приемное оконечное оборудование данных. Для описания воздействия квантователя на QAM-сигнал решено использовать источник шума, имеющего аддитивную и мультипликативную компоненты.

Создана имитационная модель прохождения QAM-сигнала по каналу, оборудованному ИКМ-кодеком. В результате исследования данной модели показано, что для сигнальных созвездий QAM-256, представляющих наибольший практический интерес, квантование в отсутствие аддитивного шума не приводит к ошибкам, но приводит к двухкратному возрастанию вероятности ошибки при воздействии дополнительного аддитивного гауссовского белого шума, что эквивалентно ухудшению помехозащищенности на 0,8. 1 дБ.

Анализ кодека АДИКМ можно заменить анализом кодека ДИКМ, параметры которого оптимизированы в соответствии с характеристиками QAM-сигнала. В работе рассмотрен алгоритм ДИКМ с квазиоптимальным экстрапо-лятором нерекурсивного типа. Предложена методика расчета оптимальных параметров кодека ДИКМ с адаптивным квантователем по методу последовательных приближений.

Получены соотношения, позволяющие вычислить вероятность ошибки QAM-сигнала при известном энергетическом выигрыше и известном числе битов в кодовом слове. По данным соотношениям выполнен расчет. В результате расчета выяснено, что максимальный энергетический выигрыш, который может быть достигнут при использовании квазиоптимального предсказателя, составляет около 1,6, что эквивалентно выигрышу по помехозащищенности на 2 дБ.

Наибольшая возможная эффективность предсказания может быть достигнута при использовании в кодеке АДИКМ оптимального калмановского экст-раполятора.

Получена структура оптимального экстраполятора. Данная структура преобразована к новой канонической форме. Модифицированный оптимальный экстраполятор должен содержать собственно фильтр-предсказатель, совмещенный с вычислителем частных производных по коэффициентам прямой связи, и отдельный вычислитель частных производных по коэффициентам обратной связи. Получены алгоритмы адаптации коэффициентов прямой и обратной связи.

Кодер АДИКМ с оптимальным экстраполятором реализован в виде программы на языке С++. Исследовано влияние на энергетический выигрыш порядка фильтра-предсказателя, коэффициентов адаптации, числа точек в сигнальном созвездии QAM-сигнала, наличия рекурсивной части. Показано, что энергетический выигрыш в наилучшем случае составляет величину порядка 1,8, что приводит к увеличению помехозащищенности по шумам квантования на 2,6 дБ по сравнению с квантованием самого сигнала с тем’же числом битов в кодовом слове.

Проведено имитационное моделирование системы передачи цифровых сигналов QAM по телефонному каналу с АДИКМ-кодеком. Модель реализована в виде программы на языке высокого уровня С++.

Получены сигнальные созвездия на входе решающего устройства при наличии единственного мешающего фактора — искажений квантования в АДИКМ-кодере. Для всех рассматриваемых вариантов QAM-сигнала и АДИКМ-кодера определены значения коэффициента ошибок.

Результаты компьютерных экспериментов согласуются с результатами расчетов и подтверждают сделанные выводы.