Кодирование речевой информации

Получаемая последовательность будет выражена формулой:

S(x)=a(x)/f(x), где a(x) - исходные данные, f(x) - соответствующие коэффициенты многочлена.

Естественно, что желательно получить как можно более длинный период последовательности от многочлена заданной степени, а максимально возможная ее длина - 2N-1 в GF(2N). Последовательности максимальной длины формируются по правилу: Если многочлен f(x) степени n делит многочлен xK-1 лишь при K>2N-1, то период его любой ненулевой последовательности равен 2N-1. Существуют таблицы коэффициентов м-последовательностей.

Свойства м-последовательностей:

1.В каждом периоде последовательности число 1 и 0 отличается не более, чем на единицу.

2.Среди групп из последовательных 1 и 0 в каждом периоде половина имеет длительность в один символ, четвертая часть имеет длительность в два символа, восьмая часть имеет длительность в четыре символа и т.д.

3.Корреляционная функция последовательности имеет единственный значительный пик амплитуды 1 и при всех сдвигах равна 1/m (m- длина последовательности).

Корреляция между векторами вычисляется по формуле:

Где А - число позиций, в которых символы последовательностей x и y совпадают, а В - число позиций, в которых символы последовательностей x и y различны.

Генератор псевдослучайных чисел

В данном случае можно воспользоваться относительно простым методом генерации псевдослучайной последовательности: а именно - анализом тепловых шумов стабилитрона, работающего в режиме пробоя. Шумы усиливаются и подаются на триггер Шмидта, а затем передавая полученные биты в регистр сдвига. Поскольку тепловые шумы имеют достаточно случайный характер, то и последовательность будет случайной.

Формирование кода

Для формирования кода используется 5-разрядный первичный ключ, получаемый из генератора псевдослучайных чисел. Таким образом, на начальном этапе формирования ключа мы имеем количество комбинаций  25-2=30 (-2 поскольку комбинация 00000 является недопустимой). Потом первичный ключ подается на два генератора (два для увеличения количества кодов - см. ниже), вырабатывающие по этому ключу 31-разрядные м-последовательности. Эти последовательности перемножаются по модулю 2, циклически сдвигаясь, и образуя два вложенных цикла, выдают 312 вариантов ключа. Итого, общее число допустимых комбинаций составляет 30*312 .

Эти 312 вариантов хранятся в ОЗУ базового аппарата. Выбор одного ключа осуществляется путем повторного обращения к генератору псевдослучайных чисел. Итого, получаем неплохую для данных условий криптографической защиты цифру 30*313=~900000 комбинаций, не говоря о том, что надо еще догадаться, какой метод применяется для кодирования. При этом  статистические свойства данной последовательности практически не отличаются от м-последовательности.

На представленной схеме приемника отражены основные, принципиальные моменты приема сигнала.

Итак, фазоманипулированный сигнал (см. диаграмму внизу) приходит с высокочастотной части приемника (здесь не изображена) и попадает на полосовой фильтр, пропускающий конкретный диапазон частот. Таким образом устраняются помехи , имеющие частоту вне пропускаемого диапазона.

Затем сигнал идет на блоки умножения, на которые также подается с опорного кварцевого термостатированного генератора . Сигналов два, они сдвинуты по фазе относительно друг друга на 180 градусов. Это необходимо для последующего сравнения. Итак, цепь разветвилась. После умножения получается сигнал, изображенный на диаграмме. (моделирование в Matlab 4.2c)

После сигнал  подается на фильтр нижних частот, сглаживающих сигнал (см. диаграмму 2 и 3 ниже). Если фаза сигнала опорного генератора совпадает с пришедшим сигналом, мы имеем нечто похожее на

Затем сигнал подается на АЦП, причем частота дискретизации выбрана таким образом, что на каждый элемент приходится два отсчета (см. диаграмму 4 ниже). Это необходимо для надежного декодирования сигнала.

Декодирование выполняется путем умножения (программного) оцифрованных отсчетов на ключ. Сигнал свертывается, и из 31-разрядного кода получается один бит полезной информации, которая затем по уровню анализируется и делается вывод о пришедшей информации: это 1 или 0.

Вторая ветвь схемы служит для фазовой автоподстройки во время разговора. Сигнал умножается (программно) на ключ и инверсное значение ключа, затем сглаживается в интеграторе. Далее формируется сигнал ошибки, который, будучи поданным на опорный генератор, подстраивает его фазу по максимальному абсолютному значению напряжения ошибки.

Схема передачи сигнала

Схема передатчика несравненно более проста по сравнению со схемой приемника. Это объясняется определенностью, что передавать, тогда как сигнал на входе приемника невозможно предугадать.

Оценка быстродействия

Если исходить из предположения, что частота, с которой оцифровывать речь, равна 8 кГц, а АЦП двенадцатиразрядный, то получим следующие данные:

Частота прихода сигнала на кодер (декодер)

fкод/декод=fд*Nразр АЦП=8*103*12=96 кГц

Тформ ПСП=1/fкод/декод=10,4 мкс

При использовании микропроцессора i80386 с тактовой частотой 33 Мгц:

Ттакт МП=1/fМП=30,3 нс

Допустимое количество тактов для выполнения программы кодирования или декодирования (необходимо учесть, что при приеме кроме декодирования выполняется умножение на ключ и его инверсию для системы ФАПЧ):

Nтакт доп=Тформ ПСП /Tтакт МП=10,4*10-6/30,3*10-9=

      =343 такта

Этого более чем достаточно для обработки информации, следовательно, система имеет резерв для дальнейших расширений и улучшений.

Заключение

Представленная система кодирования речи для бытовых радиотелефонов не претендует на какую-то особую оригинальность. Здесь использовались идеи, которые появились еще в 50-е годы с работами     К. Шеннона, развившего идею А.В.Котельникова о том, что потенциальная помехоустойчивость системы связи при действии гауссовых помех инвариантна по отношению к ширине полосы частот. Долгое время (до 80-х годов) эти идеи не находили применения из-за несовершенства технической базы, прежде всего регистров и микропроцессоров. Сейчас многие новые разработки в области связи используют эти идеи из-за их очевидных преимуществ: простоты реализации, низкой стоимости и хорошей устойчивости таких кодов к помехам. Можно привести пример одной из первых систем, использовавшей шумоподобные сигналы - это система “RAKE”. После нее началось широкое применение шумоподобных сигналов в наземной и космической связи.

Применение помехоустойчивого и в то же время защищенного (в достаточной степени) от несанкционированного прослушивания кодирования, на взгляд автора этих строк, очень хороший вариант для бытовых применений.

Список литературы

1	2	3