雙時隙TDMA的頻譜效率及數(shù)字語音的音質(zhì)和覆蓋能力

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(shù)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(biāo)準(zhǔn)和新的技術(shù)。

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(shè)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(yù)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(wù)，效率相當(dāng)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(dá)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(shù)。這種技術(shù)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(jìn)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(yīng)的信息。

TDMA技術(shù)為在12.5 kHz中繼臺信道上實現(xiàn)相當(dāng)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(shù)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(shù)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(shù)保持了12.5 kHz信號的射頻特性。從射頻技術(shù)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(shù)帶來了更多的優(yōu)勢，使基于TDMA技術(shù)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(dāng)甚至更優(yōu)。

2 減少基礎(chǔ)設(shè)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(hù)成本，同時也降低了多信道配置所需的射頻連接設(shè)備的成本和復(fù)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(shù)引起鄰道干擾風(fēng)險較小。

圖1 MOTOTRBO需要的鏈接設(shè)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(wù)。

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(wù)。

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(dāng)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(dāng)于6.25 kHz的效率。這是因為必須由中繼臺來維護(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(hù)技術(shù)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(hù)技術(shù)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(guān)系。

需要特別注意:①模擬信號因為未經(jīng)任何處理，當(dāng)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(yù)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(fù)雜?？偟膩碚f，考慮的因素越多，估計會越準(zhǔn)確。其中最重要的因素應(yīng)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(shù)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(shè)計人員可以先使用現(xiàn)有的模擬站點覆蓋范圍估計技術(shù)(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(yīng)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(fù)”。

一個模擬站點和一個MOTOTRBO站點相關(guān)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(dāng)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(shè)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(wù)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(yù)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(shè)定合適的使用預(yù)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(wù)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(yuǎn)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(dá)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．?dāng)?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(zhǔn)確重現(xiàn)。而且，數(shù)字音頻可能帶來端到端的聲音延遲。當(dāng)遇到不可恢復(fù)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(jìn)行重建，而背景噪聲(如機器噪聲、風(fēng)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(guān)鍵所在，在噪聲環(huán)境下(如工廠、商店、工地或多風(fēng)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(wù)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(yīng)認(rèn)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(guān)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(dāng)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(fēng)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(shù)。

首先，語音業(yè)務(wù)始終是雙向?qū)χv機的主要應(yīng)用，音質(zhì)是首要目標(biāo)，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(fēng)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(yīng)。模擬模式下通過使用IMPRES附件并在CPS的“基本設(shè)置”中打開模擬麥克風(fēng)AGC也可獲得同樣的響應(yīng)曲線，圖4用“MOTOTRBO with IMPRES RSM(AGC on，Analog)”曲線表示。這種響應(yīng)曲線的優(yōu)點在于，小聲說話(或離麥克風(fēng)較遠(yuǎn)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(yīng)與傳統(tǒng)模擬音頻響應(yīng)是有區(qū)別的。后者是一種線性響應(yīng)，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(yīng)由圖4中“專業(yè)系列”曲線和“MOTOTRBO加IMPRES RSM(AGC off，Analog)”曲線表示。當(dāng)模擬模式的麥克風(fēng)AGC關(guān)閉時，模擬麥克風(fēng)增益(dB)可以在CPS“基本設(shè)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(yīng)并且可調(diào)整響應(yīng)以適應(yīng)已有的系統(tǒng)。

仔細(xì)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(yīng)。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(dǎo)致輸入信號低于98 dB SPL的響應(yīng)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(yīng)可能比數(shù)字響應(yīng)要低。