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        雙時隙TDMA的頻譜效率及數(shù)字語音的音質(zhì)和覆蓋能力

        2012-11-27 06:24:04
        鐵道通信信號 2012年3期
        關鍵詞:用戶系統(tǒng)

        孟 超

        *摩托羅拉系統(tǒng)(中國)有限公司 高級工程師,100022 北京

        一個無線電通信信道由其載頻和帶寬所定義,可以使用的載頻被分為幾個主要的頻帶(如800/900 MHz甚高頻VHF和超高頻UHF),現(xiàn)今在用的許可信道帶寬大多為25 kHz或12.5 kHz。隨著無線通信技術的迅速發(fā)展,頻譜資源日漸匱乏,能夠讓一定區(qū)域內(nèi)更多對講機用戶共享頻譜迫切需要新的標準和新的技術。

        管理機構(gòu)也要求提高頻譜效率。例如,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)要求制造商,從2011年開始將只能生產(chǎn)占用12.5 kHz的VHF和UHF信道設備,到2013年所有VHF頻段和UHF頻段用戶都只能使用12.5kHz信道??梢灶A見,未來必將提高12.5 kHz信道效率。雖然暫時還未強制要求向6.25 kHz遷移,但FCC已經(jīng)要求制造商具備生產(chǎn)6.25 kHz效率的800/900MHz VHF頻段和UHF頻段對講機的能力。雖然這些規(guī)定暫未強制執(zhí)行,但在800/900MHz VHF頻段和UHF頻段的12.5 kHz信道上承載2路話務,效率相當于6.25 kHz的要求也只是時間問題。目前,MOTOTRBO系統(tǒng)可以將12.5 kHz信道分為2個獨立時隙,已經(jīng)達到了或等效于6.25 kHz效率。

        1 增加現(xiàn)有12.5kHz信道容量

        MOTOTRBO系統(tǒng)采用雙時隙TDMA技術。這種技術將信道分成2個交替時隙,從而在一個12.5 kHz的物理信道內(nèi)建立了2個邏輯信道。每個呼叫僅使用其中一個邏輯信道,每個用戶訪問一個時隙就如同訪問一個獨立的信道。發(fā)射對講機僅在自己的時隙內(nèi)發(fā)送信息,在另一時隙則處于空閑狀態(tài)。接收對講機則對2個時隙都進行監(jiān)視,并依據(jù)每個時隙所包含的信令信息來決定接收哪個呼叫。

        模擬對講機則工作于頻分多址(FDMA)方式。在FDMA方式下,每個發(fā)送對講機在一個指定的信道上連續(xù)發(fā)射,而接受對講機則通過調(diào)諧到正確的載頻以接受相應的信息。

        TDMA技術為在12.5 kHz中繼臺信道上實現(xiàn)相當于6.25 kHz頻譜效率提供了一個簡單的方法,這給使用日益擁塞的許可信道的用戶帶來了巨大的便利。不同于FDMA技術提升頻譜效率的手段(將信道切分為更小帶寬的頻段),TDMA技術使用了全部12.5 kHz的帶寬,但通過將其分為2個交替時隙的方法來提高效率。此外,TDMA技術保持了12.5 kHz信號的射頻特性。從射頻技術上講,因為實際的傳輸功率和輻射發(fā)射都不變,雙時隙TDMA方式的12.5 kHz信號在帶寬占用、傳送性能等方面,從本質(zhì)上講同12.5 kHz模擬信號都是一樣的。但是數(shù)字技術帶來了更多的優(yōu)勢,使基于TDMA技術的對講機能夠在一個單中繼信道上提供大約2倍于現(xiàn)今模擬對講機的通信容量,而射頻覆蓋能力也與之相當甚至更優(yōu)。

        2 減少基礎設施

        雙時隙TDMA從根本上使系統(tǒng)容量加倍。這意味著一臺MOTOTRBO的中繼臺可以替代2臺模擬中繼臺(因為一臺MOTOTRBO中繼臺同時支持2路呼叫)如圖1所示。這節(jié)省了中繼臺的硬件成本和維護成本,同時也降低了多信道配置所需的射頻連接設備的成本和復雜度。更重要的,雙時隙TDMA信號正好適合用戶現(xiàn)有的許可信道,用戶無需為增加的系統(tǒng)容量申請新的許可。同時,相對于可能需要不同信道帶寬的其他解決方案來講,雙時隙TDMA技術引起鄰道干擾風險較小。

        圖1 MOTOTRBO需要的鏈接設備更少

        3 系統(tǒng)更靈活

        雙時隙TDMA提供的2個時隙(2個邏輯信道)具有大量的潛在用途。配置MOTOTRBO系統(tǒng)時,可以按照如下方式來使用這2個時隙。

        1.將2個時隙都用作語音信道,從而使每臺許可的中繼臺信道的語音容量加倍。增加了系統(tǒng)能夠容納的用戶數(shù)量,增加了用戶能夠消耗的呼叫時間。

        2.將2個時隙都用作數(shù)據(jù)信道,從而全部提供數(shù)據(jù)業(yè)務。

        3.將一個時隙用作語音信道,另一個時隙作為數(shù)據(jù)信道,這種靈活的方案為語音用戶同時提供移動數(shù)據(jù)、文本消息或者位置追蹤等業(yè)務。

        無論用戶采用何種方式配置系統(tǒng),都將在現(xiàn)有的許可中繼臺信道上體驗到更多的好處。

        注意:當對講機操作于無中繼臺的脫網(wǎng)模式時,12.5 kHz信道上的雙時隙TDMA系統(tǒng)不具備相當于6.25 kHz的效率。這是因為必須由中繼臺來維護交替時隙的同步時序,才能使各個對講機共享時隙。所以,在一個直通或脫網(wǎng)信道上,盡管一個對講機只使用一個時隙發(fā)送,但整個12.5 kHz信道都將被占用,而其他對講機將不能使用另一時隙。不過,此時另一時隙可能成為一個信令信道。ETSI DMR Tier 2標準將此功能稱為反向信道信令(Reverse Channel Signaling),這將為以后的專業(yè)用戶提供更多的功能,例如優(yōu)先呼叫控制,發(fā)送對講機遙控和緊急呼叫搶占等等。這些未來的基于反向信道信令的功能是TDMA技術獨具的能力,只要系統(tǒng)支持,在中繼模式和直通/脫網(wǎng)模式下均可配置。目前,MOTOTRBO系統(tǒng)暫不支持反向信道信令。

        4 數(shù)字音頻覆蓋范圍

        模擬音頻和數(shù)字音頻在覆蓋范圍上的最大區(qū)別,在于其音質(zhì)在整個覆蓋區(qū)域內(nèi)的衰退方式不同。模擬音頻的音質(zhì)是線性衰退的,而數(shù)字音頻則表現(xiàn)更為恒定。造成這種不同特性的一個主要原因,在于后者使用的前向糾錯編碼,使其在更大的區(qū)域內(nèi)能夠幾乎無損的傳送語音和數(shù)據(jù)信息。

        MOTOTRBO系統(tǒng)正是利用這種差錯保護技術提供了在整個覆蓋范圍內(nèi)恒定的音質(zhì),這是模擬系統(tǒng)不可比擬的。因為MOTOTRBO系統(tǒng)的差錯保護技術將噪聲影響降到最低,從而保證了極為出色的音質(zhì)。圖2說明了系統(tǒng)音質(zhì)好壞與信號強弱之間的關系。

        需要特別注意:①模擬信號因為未經(jīng)任何處理,當其強度極強時,音質(zhì)可能稍好于數(shù)字音頻信號;②數(shù)字信號擴大了優(yōu)于最低可接受音質(zhì)前提下的有效覆蓋范圍;③數(shù)字信號改善了有效覆蓋范圍內(nèi)聲音的質(zhì)量和穩(wěn)定性;④數(shù)字信號不能增加射頻信號傳播距離。

        5 預估數(shù)字音頻的覆蓋范圍

        無線信號覆蓋范圍的估計存在著許多射頻性能因素,比較復雜??偟膩碚f,考慮的因素越多,估計會越準確。其中最重要的因素應該是對射頻傳播模型以及(或)射頻估計工具軟件的選擇。

        模擬和數(shù)字系統(tǒng)的覆蓋范圍估計技術一般遵從相同的方法,也使用近似的輸入元素。因此,如果一個站點的模擬信號覆蓋范圍已知,估計其數(shù)字覆蓋范圍是很容易的。系統(tǒng)設計人員可以先使用現(xiàn)有的模擬站點覆蓋范圍估計技術(或難或易),再將其結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號覆蓋范圍的估計。

        圖2 模數(shù)信號音質(zhì)-強度對比

        傳送音質(zhì)(DAQ)是量化聲音質(zhì)量的一種方法,是用來度量通過某個通信系統(tǒng)傳送的語音信號的完整性和質(zhì)量方法,由TIA TSB-88所定義。DAQ將音質(zhì)分為5級,其中第3級是在公共安全應用中的最低可接受的音質(zhì)等級。3級DAQ的定義: “語音清晰易懂,但偶爾因噪聲/失真需要重復”。

        一個模擬站點和一個MOTOTRBO站點相關的覆蓋范圍和音頻質(zhì)量的比較如圖3所示。

        圖3 模擬站點和MOTOTRBO站點覆蓋范圍和音頻質(zhì)量比較

        當所有其他因素(即發(fā)射功率、天線高度、接收機噪聲、中頻濾波器帶寬、模擬對講機無Hear Clear等特殊處理、地形、天線連接設備等)都相同時,MOTOTRBO系統(tǒng)提供3級DAQ音質(zhì)的覆蓋范圍,比模擬系統(tǒng)大得多。

        如欲更加全面的了解MOTOTRBO站點的射頻覆蓋范圍估計,請參考TIA電信業(yè)務公告TSB-88-“Wireless Communications Systems-Performance inNoise and Interference-Limited Situations,Recommended Methods for Technology-Independent Modeling,Simulation,and Verification.”也可以登錄http://www.tiaonline.org下載TSB-88的副本。

        6 數(shù)字音頻性能的用戶預期

        從終端用戶(收聽者)的角度來講,數(shù)字音頻的表現(xiàn)同模擬音頻相比具有許多不同之處。因此,為用戶設定合適的使用預期是系統(tǒng)規(guī)劃的一個重要方面。

        6.1 數(shù)字語音業(yè)務能給用戶的體驗

        1.在整個覆蓋區(qū)域內(nèi)一致的語音性能,不會在邊緣地帶降低通話質(zhì)量。模擬信號會隨著接收器遠離發(fā)射器而逐漸衰退,而數(shù)字信號在整個覆蓋區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)更加恒定。然而,在跨越覆蓋區(qū)域邊界的時候,數(shù)字信號更容易突然地從“好”變“無”。這意味著用戶無法依據(jù)逐漸衰退的音質(zhì)來得知已臨近覆蓋區(qū)的邊緣。但另一方面,在到達邊界之前,數(shù)字信號仍能保持清晰,而此時模擬音頻將充滿噪聲。

        2.數(shù)字語音聽起來不一樣。語音編碼處理用最少的比特帶來最優(yōu)的音質(zhì)。一些用戶發(fā)現(xiàn)數(shù)字語音的音質(zhì)聽起來和模擬語音不一樣。因為語音編碼專門強化人聲,對其他聲音諸如音樂和音調(diào)并不準確重現(xiàn)。而且,數(shù)字音頻可能帶來端到端的聲音延遲。當遇到不可恢復的錯誤或信息丟失時,數(shù)字音頻還會“人為”生成一些特有的聲音。

        3.背景噪聲降低。MOTOTRBO強大的聲碼功能還降低了背景噪聲。無論發(fā)送端環(huán)境如何,接收端只對語音進行重建,而背景噪聲(如機器噪聲、風噪聲和交通噪聲)都不會被重建,因此也不會被聽見。這是MOTOTRBO數(shù)字語音解決方案優(yōu)于典型的模擬方案的關鍵所在,在噪聲環(huán)境下(如工廠、商店、工地或多風的場地)都不會明顯的影響通信的可理解度。

        6.2 數(shù)字語音業(yè)務不能為用戶提供的體驗

        1.不能提供“CD級”音質(zhì)。MOTOTRBO是首款業(yè)內(nèi)使用AMBE+2TM低比特率聲碼器提供通信級音質(zhì)的對講機,終端用戶不應認為對講機系統(tǒng)中的“通信級”數(shù)字音頻可與CD和DVD的高保真音質(zhì)相比。

        2.不能解決歷史問題。數(shù)字音頻不能完全解決有關覆蓋范圍和干擾等系統(tǒng)問題。鄰道或同頻造成的干擾可能對數(shù)字用戶來說聽起來有差別,但是這些干擾仍然存在。就好像數(shù)字對講機中的模擬干擾聽起來不是聲音,但是仍會破壞系統(tǒng)性能。反之亦然。

        圖4 發(fā)送音頻靈敏度

        7 音頻均衡

        前面已經(jīng)介紹,通過數(shù)字空中接口傳送語音需要一個語音編碼器,簡稱聲碼器。MOTOTRBO采用DVSI公司的AMBE+2TM聲碼器。該聲碼器能在相當于6.25 kHz信道帶寬下有效消除背景噪聲或射頻信道比特差錯,從而提供極佳的音質(zhì)。為了產(chǎn)生最優(yōu)音質(zhì),聲碼器的輸入信號等級必須滿足一個特定的幅度范圍。

        用戶的各種不同特性(比如嘴和麥克風之間的距離、聲音強度、方向)都使這個幅度范圍難以確定。為能在各種情況下都有最優(yōu)音質(zhì),MOTOTRBO在音頻發(fā)送通路上采用了自動增益控制(AGC)技術。

        首先,語音業(yè)務始終是雙向?qū)χv機的主要應用,音質(zhì)是首要目標,發(fā)送方AGC的主要功能就是在真實環(huán)境下提供最佳音質(zhì)。

        其次,AGC還能為一定范圍內(nèi)的麥克風輸入信號產(chǎn)生平坦的語音強級。使用IMPRES附件可以擴大輸入信號范圍,因而AGC在輸入信號范圍增大的情況下仍能提供最優(yōu)音質(zhì)。

        圖4中“MOTOTRBO with IMPRES RSM(Digital)”曲線表示輸入信號范圍擴大后的平坦響應。模擬模式下通過使用IMPRES附件并在CPS的“基本設置”中打開模擬麥克風AGC也可獲得同樣的響應曲線,圖4用“MOTOTRBO with IMPRES RSM(AGC on,Analog)”曲線表示。這種響應曲線的優(yōu)點在于,小聲說話(或離麥克風較遠的用戶)時聲音將仍能被收端大聲而清晰的播放出來。

        數(shù)字音頻的這種平坦響應與傳統(tǒng)模擬音頻響應是有區(qū)別的。后者是一種線性響應,發(fā)端用戶說話越大聲,收端音量越大。這種傳統(tǒng)模擬響應由圖4中“專業(yè)系列”曲線和“MOTOTRBO加IMPRES RSM(AGC off,Analog)”曲線表示。當模擬模式的麥克風AGC關閉時,模擬麥克風增益(dB)可以在CPS“基本設置”中調(diào)整。因此模擬模式下的MOTOTRBO系統(tǒng)可以提供傳統(tǒng)的模擬響應并且可調(diào)整響應以適應已有的系統(tǒng)。

        仔細觀察圖4可以發(fā)現(xiàn),數(shù)字信號和傳統(tǒng)模擬信號在輸入的聲壓級(SPL)為98dB時有近似的響應。低于此聲壓級時,模擬信號比數(shù)字信號的響度更低。需要特別注意的是,在向數(shù)字化系統(tǒng)移植的過程中,MOTOTRBO可能會同時工作于數(shù)字和模擬2種模式下,因此用戶可能在2種模式下聽到不同的響度。例如,一個用戶同時掃描模擬信道和數(shù)字信道,而使用模擬對講機的說話方處于一個類似辦公室的安靜環(huán)境,在這種環(huán)境下用戶一般會輕聲說話,從而導致輸入信號低于98 dB SPL的響應等級。因此,在數(shù)字化移植期內(nèi),同樣的輸入聲壓級下,模擬響應可能比數(shù)字響應要低。

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