MA000001 GSM数字移动通信原理ISSUE3.4
第5章 GSM系统的无线接口与系统消息
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5.1 无线接口
话音信号在无线接口路径的处理过程如图5-1。
20ms语音A/D转换8KHZ13比特13Kbitls22.8Kbitls33.8Kbitls调制发送分段话音编码信道编码交织加密突发脉冲格式化
图5-1 语音在MS中的处理过程
首先，语音通过一个模/数转换器，实际上是经过8KHZ抽样、量化后变为每125US含有13bit的码流；每20ms为一段，再经语音编码后降低传码率为──13bit/s；经信道编码变为22.8Kbit/s；再经码字交织、加密和突发脉冲格式化后变为33.8kbit/s的码流，经调制后发送出去。接收端的处理过程相反。
5.1.1 语音编码
此编码方式称为规则脉冲激励──长期预测编码(RPE-LTP)，其处理过程是先进行8KHZ抽样，调整每20ms为一帧，每帧长为4个子帧，每个子帧长5ms，纯比特率为13kbit/s。
现代数字通信系统往往采用话音压缩编码技术，GSM也不例外。它利用语声编码器为人体喉咙所发出的音调和噪声，以及人的口和舌的声学滤波效应建立模型，这些模型参数将通过TCH信道进行传送。
语音编码器是建立在残余激励线性预测编码器（REIP）的基础上的，并通过长期预测器（LTP）增强压缩效果。LTP通过去除话音的元音部分，使得残余数据的编码更为有利。语音编码器以20ms为单位，经压缩编码后输出260bits，因此码速率为13kbps。根据重要性不同，输出的比特分成182bits和78bits两类。较重要的182bits又可以进一步细分出50个最重要的比特。 与传统的PCM线路上语声的直接编码传输相比，GSM的13kbps的话音速率要低得多。未来的更加先进的话音编码器可以将速率进一步降低到6.5kbps（半速率编码）。
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5.1.2 信道编码
为了检测和纠正传输期间引入的差错，在数据流中引入冗余通过加入从信源数据计算得到的信息来提高其速率，信道编码的结果一个码字流；对话音来说，这些码字长456比特。
由语音编码器中输出的码流为13Kbit/s，被分为20ms的连续段，每段中含有260比特，其中特细分为： 50个非常重要的比特 132个重要比特 78个一般比特
对它们分别进行不同的冗余处理，如图5-2所示。
＋350bit块编码器＋4×2激励编码器456bit132bit78bit图5-2 信道编码过程
其中，块编码器引入3位冗余码，激变编码器增加4个尾比特后再引入2倍冗余。
用于GSM系统的信道编码方法有三种：卷积码、分组码和奇偶码。具体原理见有关资料，在这里就不再赘述了。
5.1.3 交织
在编码后，语音组成的是一系列有序的帧。而在传输时的比特错误通常是突发性的，这将影响连续帧的正确性。为了纠正随机错误以及突发错误，最有效的组码就是用交织技术来分散这些误差。
交织的要点是把码字的b个比特分散到n个突发脉冲序列中，以改变比特间的邻近关系。n值越大，传输特性越好，但传输时延也越大，因此必须作折衷考虑，这样，交织就与信道的用途有关，所以在GSM系统中规定了几种交织方法。
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在GSM系统中，采用二次交织方法。
由信道编码后提取出的456比特被分为8组，进行第一次交织，如图5-3。
191721031141251361471581657bit449450451452453454455456
图5-3 456比特交织
由它们组成语音帧的一帧，现假设有三帧语音帧如图5-4。
A20ms8×57＝456bitB20ms456bit图5-4 三个语音帧
C20ms456bit
而在一个突发脉冲中包括一个语音帧中的两组，如图5-5所示。
35712615738.25
图5-5 突发脉冲的结构
其中，前后3个尾比特用途消息定界，26个训练比特，训练比特的左右各1个比特作为“挪用标志”。而一个突发脉冲携带有两段57比特的声音信息。（突发脉冲将在后一章介绍）如表5-1，在发送时，进行第二次交织。
表5-1 语音码的二次交织
A A A A B B B A A A 32
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B C C C C A B B B B C C C C 第5章 GSM系统的无线接口与系统消息
5.1.4 调制技术
GSM的调制方式是0.3GMSK。0.3表示了高斯滤波器的带宽和比特率之间的关系。
GMSK是一种特殊的数字调频方式，它通过在载波频率上增加或者减少67.708KHz，来表示0或1，利用两个不同的频率来表示0和1的调制方法称为FSK。在GSM中，数据的比特率被选择为正好是频偏的4倍，这可以减小频谱的扩散，增加信道的有效性，比特率为频偏4倍的FSK，称为MSK——最小频移键控。通过高斯预调制滤波器，可以进一步压缩调制频谱。高斯滤波器降低了频率变化的速度，防止信号能量扩散到邻近信道频谱。 0.3 GSMK并不是一个相位调制，信息并不是象QPSK那样，由绝对的相位来表示。它是通过频率的偏移或者相位的变化来传送信息的。有时把GMSK画在I/Q 平面图上是非常有用的。如果没有高斯滤波器，MSK将用一个比载波高67.708KHz的信号来表示一个待定的脉冲串1。如果载波的频率被作为一个静止的参考相位，我们就会看到一个67.708KHz的信号在I/Q 平面上稳定地增长相位，它每秒种将旋转67,708次。在每一个比特周期，相位将变化90°。一个1将由90°的相位增长表示，两个1 将引起180°的相位增长，三个1 将引起270°的相位增长，如此等等。同样地，连续的0 也将引起相应的相位变化，只是方向相反而已。高斯滤波器的加入并没有影响0 和1 的90°相位增减 变化，因为它没有改变比特率和频偏之间的四倍关系，所以不会影响平均相位的相对关系，只是降低了相位变化时的速率。在使用高斯滤波器时，相位的方向变换将会变缓，但可以通过更高的峰值速度来进行相位补偿。如果没有高斯滤波器，将会有相位的突变，但相位的移动速度是一致的。
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精确的相位轨迹需要严格的控制。GSM系统使用数字滤波器和数字I/Q调制器去产生正确的相位轨迹。在GSM规范中，相位的峰值误差不得超过20°，均方误差不得超过5°。
5.1.5 跳频
在语音信号经处理，调制后发射时，还会采用跳频技术──即在不同时隙发射载频在不断地改变（当然，同时要符合频率规划原则）。 引入跳频技术，主要是出于以下两点考虑。
由于过程中的衰落具有一定的频带性，引入跳频可减少瑞利衰落的相关性。 由于干扰源分集特性：在业务密集区，蜂窝的容量受频率复用产生的干扰限制，因为系统的目标是满足尽可能多买主的需要，系统的最大容量是在一给定部分呼叫由于干扰使质量受到明显降低的基础上计算的，当在给定的C/I值附近统计分散尽可能小时，系统容量较好。我们考虑一个系统，其中一个呼叫感觉到的干扰是由许多其它呼叫引起的干扰电平的平均值。那么，对于一给定总和，干扰源的数量越多，系统性能越好。
GSM系统的无线接口采用了慢速跳频（SFH）技术。慢速跳频与快速跳频（FFH）之间的区别在于后者的频率变化快于调制频率。GSM系统在整个突发序列传输期，传送频率保持不变，因此是属于慢跳频情况，如图5-6所示。
频率f 0f 1f 2f 3f 4帧时间
图5-6 GSM系统调频示意图
在上、下行线两个方向上，突发序列号在时间上相差3BP，跳频序列在频率上相差45MHz。
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