Разработка стандарта была начата в 1994 г. и уже в 1996 г. были представлены первые версии спецификаций стандарта TETRA.
Стандарт TETRA состоит из двух частей [2]: TETRA V+D (TETRAVoice+Data) - стандарта на интегрированную систему передачи речи и данных, и TETRA PDO (TETRA Packet Data Optimized) - стандарта, описывающего специальный вариант транкинговой системы, ориентированной только на передачу данных.
В режиме передачи данных для одного сеанса связи (одному абоненту) может одновременно выделяться от одного до четырех потоков, этим обеспечивается скорость передачи данных до 28.8 кбит/c (в стандарте GSM – только 9.6 кбит/c).
Именно в этом случае стандарт TETRA обеспечивает нужное качество сервиса, так как по требованию можно зарезервировать необходимую полосу пропускания. Если пользователю необходимо повысить пропускную способность, можно объединить 2 – 4 временных слота и установить канал связи сквозным.
Передача четырех речевых каналов в полосе 25 кГц стала возможной благодаря использованию в стандарте TETRA низкоскоростного кодера речи с алгоритмом CELP(Code Excited Linear Prediction), относящихся к классу алгоритмов «анализа и синтеза» речи. Принцип анализа и синтеза состоит в преобразовании параметров речи и в предоставлении их в такой форме, чтобы ошибка на выходе по отношению к входу была минимальной.
Для преобразования речи в стандарте используется кодек с алгоритмом преобразования типа CELP. Скорость цифрового потока на выходе кодека составляет 4,8 кбит/с. Цифровые данные с выхода речевого кодека подвергаются блочному и сверточному кодированию, перемежению и шифрованию, после чего формируются информационные каналы. Пропускная способность одного информационного канала составляет 7,2 кбит/с (из которых для передачи оцифрованного и сжатого речевого сигнала используется 4.8 кбит/с, а оставшиеся 2.4 кбит/с отводится для передачи кода коррекции ошибок), а скорость цифрового информационного потока данных — 28,8 кбит/с.
При этом общая скорость передачи символов в радиоканале за счет дополнительной служебной информации и контрольного кадра в мультикадре соответствует скорости модуляции и равна 36 кбит/с.
3.1 Структура радиоинтерфейса
В системах стандарта TETRA V+D используется метод TDMA. На одной несущей частоте организуется четыре разговорных канала. Структура передаваемого кадра, продолжительностью 56.67 мс, (рисунок 3.1) представляет собой четыре временных интервала на кадр TDMA [1]. Передача сообщений осуществляется мультикадрами. Восемнадцать кадров TDMA образуют мультикадр, один из кадров которого постоянно используют для передачи управляющего (контрольного) сигнала; 60 мультикадров образуют гиперкадр.
Продолжительность мультикадра составляет 1.02 с. Каждый временной интервал (слот) равен 14.67 мс, в котором помещаются 510 информационных бит, 432 из них относятся к информационному сообщению (два блока по 216 бит). В середине каждого временного интервала находиться синхропоследовательность SYNCH, которая применяется для временной синхронизации пакета и как тестирующая или (обучающая) последовательность для адаптивного канального эквалайзера в приемнике.
В начале временного интервала передается пакет из 36 бит PA (PowerAmplifier – управление излучаемой мощностью). За ним следует первый информационный блок (216 бит), далее – синхропоследовательность SYNC (36 бит), второй информационный блок. Соседние временные интервалы разделяются защитными периодами длительностью 0.167 мс, что соответствует 6 битам.
Применение схем сжатия позволяет транспортировать сигнал голоса и данных в 17 кадрах TDMA, оставляя 18-ый кадр для передачи сигналов управления. Данный управляющий кадр обеспечивает одну из уникальных особенностей протокола обмена TETRA – поток данных не прерывается для передачи сигнализации. Последняя постоянно передается в фоновом режиме – даже в так называемом минимальном режиме MM (MinimumMode), когда все каналы заняты абонентами.
Для достижения высокой частоты звукового сигнала, передаваемого по радиоканалу со скоростью 7.2 кбит/с, применяются методы прямой коррекции ошибок FEC(Forward Error Correction) и циклическую избыточность кодирования CRC(Cyclic Redundancy Check). До поступления речевого потока на вход модулятора к нему добавляется корректирующий код, после чего производится межблочное перемежение. Если в процессе передачи потерян пакет сообщения, то при деперемежении в приемнике он трансформируется в одиночные ошибки, которые исправляются методом FEC (Forward Error Correction).
Для обнаружения ошибок при передаче в канале радиосвязи, их исправления в канальном кодировании применяются технологии Forward Error Correction (FEC) и Cyclic Redundancy Check (CRC) в виде четырех процедур: блочного кодирования (block-encoding), сверточного кодирования (convolutional encoding), перемежения (interleaving) и шифрования (scrambling), после чего формируются информационные каналы. Скорость выходного потока равна 36 кбит/с.
Перечисленные свойства кодека обеспечиваются такими его функциями, как:
- оценка важности элементов речи SIF(SpeechImportanceFactor);
- установление комфортного уровня шума CNF (ComfortNoiseFunction);
- заимствование кадров FSF (Frame Stealing Function).
Функция SIF анализирует каждый речевой кадр, чтобы определить, насколько ухудшается качество передаваемой речи. В соответствии с результатами анализа этому кадру присваивается необходимый уровень защиты (низкий, средний или высокий). Функция CNF генерирует специальный кадр, который используется для замены недоброкачественных кадров речи.
На приемной стороне декодер производит аналогичные действия, но в обратном порядке.
Модуляционный поток подается на модулятор через специальный фильтр с импульсной характеристикой "приподнятый косинус" (raised cosine) для минимизации межсимвольных искажений.
Рисунок 3.1 – Структура кадра в системах TETRA
3.2 Выбор модуляции
Изменение фазы может иметь и более двух значений, например четыре (0, 90, 180 и 270°). В этом случае говорят о так называемой квадратурной фазовой модуляции (Quadrature Phase Shift Key, QPSK) [3] .
Радиоканал стандарта TETRA использует относительную фазовую модуляцию типа П/4-DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying). При этом каждому символу модуляции соответствует передача двух бит информации. Это снижает скорость передачи информационного цифрового потока с 36 кбит/с до 18 кбит/с. Модулирующая последовательность бит разбивается на пары (дебиты), комбинация которой определяет относительный сдвиг (+ ¶/4, - ¶/4, + 3¶/4, - 3¶/4), то есть за один такт передается два бита. Это позволяет в два раза снизить скорость модуляции (18 кбод), используя полосу радиоканала только 25 кГц.
Модуляционный поток подается на модулятор через специальный фильтр с импульсной характеристикой "приподнятый косинус" (raised cosine) для минимизации межсимвольных искажений.
Таблица 3.1 - Соответствия между входными дебитами и фазами модулированного сигнала
Один из недостатков связан с тем, что в случае квадратурной фазовой модуляции при одновременной смене символов в обоих каналах модулятора (с +1, -1 на -1, +1 или с +1, +1 на -1, -1) в сигнале QPSK происходит скачок фазы на 180°. Такие скачки фазы, имеющие место и при обыкновенной двухфазной модуляции, вызывают паразитную амплитудную модуляцию огибающей сигнала. В результате этого при прохождении сигнала через узкополосный фильтр возникают провалы огибающей до нуля. Такие изменения сигнала нежелательны, поскольку приводят к увеличению энергии боковых полос и помех в канале связи.
Для того чтобы избежать этого нежелательного явления, прибегают к так называемой квадратурной фазовой модуляции со сдвигом. При таком типе модуляции формирование сигнала в квадратурной схеме происходит так же, как и в модуляторе QPSK, за исключением того, что кодирующие биты в Q-канале имеют временную задержку на длительность одного элемента Т. Изменение фазы, при таком смещении кодирующих потоков, определяется лишь одним элементом последовательности, а не двумя. В результате скачки фазы на 180° отсутствуют, поскольку каждый элемент последовательности, поступающий на вход модулятора синфазного или квадратурного канала, может вызвать изменение фазы на 0, 90 или 270° (-90°). В стандарте TETRA используется относительная (дифференциальная) фазовая манипуляцию со сдвигом кратным ¶/4 (¶/4 DQPSK - Differential Quadrature Phase Shift Keying). При этом огибающая несущей имеет переменное значение, что накладывает повышенные требования к обеспечению линейности передающего тракта для достижения требуемых уровней подавления в соседнем канале. Этот факт определяет невысокую (по сравнению с радиотерминалами FDMA) выходную мощность и кпд выходного каскада абонентских терминалов стандарта TETRA.
3.3 Кодирование/декодирование речевого сигнала
Общение абонентов часто проходит в условиях высокого уровня окружающего шума. В отличие от пользователей сотовой связи, которые обычно могут выбирать подходящее место для ведения переговоров, абоненты транкинговых систем из различных служб безопасности не располагают такой возможностью: им нередко приходится работать на фоне завывания сирен, выстрелов, переговоров по громкой связи и т.п. При создании оборудования TETRA эта особенность была учтена. Оно обеспечивает необходимые в подобной обстановке большую мощность выходного аудиосигнала, его малое искажение и четкость речи. Хорошее качество передаваемой речи обусловлено использованием кодека TETRA.
