2．4．3　GSM的无线数字传输技术

话音信号在无线接口路径的处理过程如图2．32所示。

图2．32　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125μs含有13bit的码流；每20ms为一段，再经语音编码后降低传码率为13kbit／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。

1．语音编码

为了满足GSM系统的窄带通信模式，GSM采用如下三种话音编码技术：

（1）速率为13kbit／s的全速率（FR）编码技术：规则脉冲激励线性预测编码技术（RPE－LPT）。

（2）速率为12．2kbit／s的增强型全速率（EFR）编码技术：代数码激励线性预测编码技术（ACELPT）。

（3）速率为6．5kbit／s的半速率（HR）矢量和激励线性预测编码技术编码方式（VSELP）。

规则脉冲激励线性预测编码技术是一种混合编码技术，它集成了波形编码与声源编码两项技术之长。波形编码器可精确地再现原来的话音波形，话音质量较高，但要求的比特速率相应的较高，在12～16kbit／s的范围内会造成话音质量恶化。声码器编码可以是很低的速率（可以低于5kbit／s，虽然不影响话音的可懂性，但话音质量听起来不自然，很难分辨是谁在讲话。因此GSM系统话音编码器是采用声码器和波形编码器的混合物——混合编码器，全称为线性预测编码—长期预测编码—规则脉冲激励编码器（LPC－LTP－RPE编码器），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。如图2．33所示。

图2．33　RPE－LTP编码结构

声码器的原理是模仿人类发音器官喉、嘴、舌的组合，将该组合看作一个滤波器，人发出的声音使声带振动就成为激励脉冲。虽然“滤波器”的激励脉冲m频率是在不断地变换，但在很短的时间（10～30ms）内，发音器官是没有变化的，因此声码器将话音信号分成20ms的声码块，然后分析这一时间段内所对应的滤波器的参数，并提取此时的脉冲串频率，输出其激励脉冲序列。相邻的话音段是十分相似的，LTP将当前段与前一段话音段进行比较，相应的差值被低通滤波后进行一种波形编码。LPC＋LTP为声码器，LPC＋LTP参数为3．6kbit／s，RPE为波形编码器，RPE参数为9．4kbit／s；再通过复用器混合完成模拟话音信号的数字编码，每话音信道的编码速率为13kbit／s。与传统的PCM线路上语音的直接编码传输相比，GSM的13kbit／s的话音速率要低得多。

此语音编码器是建立在残差激励线性预测编码器（RELP，Residual Excited Linear Pre－diction）的基础上，对线性预测得到的预测残差作进一步的量化，可在中速率上获得较好的合成语音，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。未来的更加先进的话音编码器可以将速率进一步降低到6．5kbit／s（半速率编码）。

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，信道编码的结果为一个码字流，对话音来说，这些码字长456bit。

语音编码器以20ms为单位，经压缩编码后输出260bit，因此码速率为13kbit／s。根据重要性不同，输出的比特分成182bit和78bit两类。较重要的182bit又可以进一步细分出50个最重要的比特和132个重要比特，对它们分别进行不同的冗余处理，如图2．34所示。

图2．34　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。

3．交织

在信道编码后，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，因此必须作折中考虑，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。

在GSM系统中，采用二次交织方法。

由信道编码后提取出的456bit被分为8组，进行第一次交织，如图2．35所示。

图2．35　456bit交织

由它们组成语音帧的一帧，现假设有三帧语音帧如图2．36所示。

图2．36　三个语音帧

而在一个突发脉冲中包括一个语音帧中的两组，如图2．37所示。

图2．37　突发脉冲的结构

表2．5　语音码的二次交织

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57bit的声音信息。在发送时，进行第二次交织，见表2．5。

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，称为最小频移键控（MSK）。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。

0．3GSMK并不是一个相位调制，信息并不是像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，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。

精确的相位轨迹需要进行严格的控制。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．跳频

跳频是收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说，通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获自己的通信内容。同时，跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。

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2．38所示。

图2．38　GSM系统调频示意图

在上行线、下行线两个方向上，突发序列号在时间上相差3个时隙，跳频序列在频率上相差45MHz。

GSM系统允许有64种不同的跳频序列，对它的描述主要有两个参数：移动分配指数偏置MAIO和跳频序列号HSN。MAIO的取值可以与一组频率的频率数一样多。HSN可以取64个不同值。跳频序列选用伪随机序列。

通常，在一个小区的信道载有同样的HSN和不同的MAIO，这是避免小区内信道之间的干扰所希望的。邻近小区不会有干扰，因它们使用不同的频率组。为了获得干扰参差的效果，使用同样频率组的远小区应使用不同的HSN。

6．时序调整

由于GSM采用TDMA，且它的小区半径可以达到35km，因此需要进行时序调整。由于从手机出来的信号需要经过一定时间才能到达基地站，因此我们必须采取一定的措施，来保证信号在恰当的时候到达基地站。

如果没有时序调整，那么从小区边缘发射过来的信号，就将因为传输的时延和从基站附近发射的信号相冲突（除非二者之间存在一个大于信号传输时延的保护时间）。通过时序调整，手机发出的信号就可以在正确的时间到达基站。当MS接近小区中心时，BTS就会通知它减少发射前置的时间，而当它远离小区中心时，就会要求它加大发射前置时间。

当手机处于空闲模式时，它可以接收和解调基地站来的BCH信号。在BCH信号中有一个SCH的同步信号，可以用来调整手机内部的时序，当手机接收到一个SCH信号后，它并不知道它离基站有多远。如果手机和基站相距30km的话，那么手机的时序将比基站慢100μs。当手机发出它的第一个RACH信号时，就已经晚了100μs，再经过100μs的传播时延，到达基站时就有了200μs的总时延，很可能和基站附近的相邻时隙的脉冲发生冲突。因此，RACH和其他的一些信道接入脉冲将比其他脉冲短。只有在收到基站的时序调整信号后，手机才能发送正常长度的脉冲。在本例中，手机就需要提前200μs发送信号。