0

Развитие средств радиосвязи от ламповых радиостанций до стандарта GSM

В статье рассматриваются нестандартные идеи и решения в радиосвязи, которые были найдены в 1940-1950-е годы, и на которых, в на­стоящее время, базируется работа телефонов стандарта GSM.

То обстоятельство, что сотовый телефон стан­дарта GSM является одним из величайших изо­бретений XX века сомнений не у кого не вызыва­ет, как и тот факт, что это результат совместного труда учёных и инженеров-разработчиков многих стран мира. Однако утверждать, что в изделии использованы исключительно достижения со­временной радиотехники и радиоэлектроники, последних трёх — четырёх десятилетий не стоит. И вот почему.

Хорошо известно, что новое, это хорошо за­бытое старое и, строго говоря, основы алгоритма работы сотового телефона стандарта GSM закла­дывались ещё в годы Второй мировой войны при решении конкретных военно-технических задач. Ниже попытаюсь аргументировать высказанный тезис.

Как работают разведчики — нелегалы на враже­ской территории во время войны читатель может узнать из огромного числа популярных романов и кинофильмов. Главной задачей разведчиков, яв­ляется получение разведывательной информа­ции и оперативная доставка её в «Центр». В этом случае время дорого по причине убывающей цен­ности разведданных.

Те же проблемы возникали у командования партизанских отрядов, которым нужна была по­стоянная связь с «Центром» для координации своей деятельности и передачи разведданных.

Рис. 1

Наиболее распространенным вариантом для оперативной связи с «Центром» являлось исполь­зование коротковолнового передатчика (рис.1), работающего в режиме передачи информации с помощью азбуки или кода Морзе. Напомним, что код Морзе — это вариант одного из двоичных кодов. «Ноль» и «единичка» — это точка. «Ноль» и двойная или удлинённая «единичка» — это тире.

Азбука Морзе для русского алфавита приве­дена на рис.2.

Рис. 2

Важен сам факт оцифровки аудио или визу­альной информация перед её передачей по ра­диоканалу. Разумеется, что перед её отправкой она редактировалась. Из неё убирались мало значимые сведения, т.е. фактически проводилась предварительная «обработка».

Такая простейшая система передачи инфор­мации обладала двумя существенными недостат­ками. Вражеская радиослужба в этом случае легко перехватывала передаваемую информацию, а главное, за время работы передатчика его успе­вали пеленговать службы радиоразведки. Неред­кими были случаи, когда во время сеанса радио­связи опергруппы противника успевали прибыть к месту расположения передатчика.

Сжатие информации по времени

Если первую проблему, из указанных выше, ещё можно было частично решить путём шиф­рования сообщения, то со второй были большие проблемы. Требовалось сжатие информации по времени.

Выход был найден советскими военспецами. Они предложили предварительно записывать код Морзе на магнитофон при малых скоростях ленты (фактически загрузка цифрового кода в буфер, или память). Далее, дождавшись сеанса связи с «Центром» передавали эту запись при скорости протягивания ленты в два или четыре раза выше. Радист противника слышал лишь неразборчивый сплошной писк, а время работы радиопередатчи­ка реально сокращалось в два или четыре раза.

Советский магнитофон времен Второй миро­вой войны показан на рис.3.

Рис. 3

В «Центре» принимаемую информацию также записывали на магнитофон с большой скоростью протягивания ленты (перегрузка информации в буфер абонента), а затем воспроизводили с ма­лой скоростью, обеспечивая тем самым исхо­дную скорость считывания кода Морзе, которая и была при первичной записи. Полученное сообще­ние расшифровывалось, если это была шифровка и уже в письменной или устной форме переда­валась по назначению.

А теперь обратимся к тракту передачи аудио сигнала в современном радиотелефоне стандар­та GSM.

Аудио сигнал с микрофона оцифровывается и далее поступает на обработку, где из него удаля­ется малозначимая информация и далее во всё время разговора оцифрованный сигнал загру­жается в свой буфер, (память). Система ожидает включения собственного передатчика.

По команде с базовой станции (рис.4) включа­ется передатчик и содержимое буфера перегру­жается в буфер другого абонента со скоростью в 8 раз большей, чем при записи. Информация из буфера второго абонента считывается, разуме­ется, со скоростью в 8 раз медленнее.

Рис. 4

Здесь уместно напомнить, что периодические включения передатчика происходят не по мере заполнения памяти, а периодически (кадрами), занимая всего лишь одну восьмую времени ка­дра, т.е. в течение одного слота. Так что в целом собственно передатчик сотового телефона рабо­тает, по меньшей мере, в 8 раз короче, чем дли­тельность вашего разговора (в стандарте DECT в 12 раз). Большее число слотов в сотовом теле­фоне может использоваться только лишь при вы­ходе абонента в Интернет или при передаче MMS сообщений.

Структура радиоинтерфейса сети GSM пока­зана на рис.5.

Рис. 5

Итак, столь кратковременная работа пере­датчика при телефонном диалоге — это возмож­ность одновременной работы восьми абонентов на одной частоте, не мешая друг другу, экономия заряда аккумулятора и, что крайне важно, мень­шая доза радио облучения человека говорящего по телефону.

Поэтому вполне обоснованно, что нашу страну и советских специалистов по праву можно пола­гать в числе основателей стандарта GSM. Жаль, что в истории не сохранилось имя автора, пред­ложившего временное сжатие информации при её передаче по радиоканалу в те годы.

Сужение частотного диапазона речевого сигнала

Однако было бы неправильно не указать и роль американских военных специалистов того времени в формировании и другого основопола­гающего принципа стандарта GSM.

Из теории радиосвязи хорошо известно, что чем меньше (уже) частотный диапазон пере­даваемого сигнала, тем меньше он подвержен воздействию собственных аппаратурных шумов, тем выше чувствительность приёмника и больше дальность работы радиостан­ции, разумеется при благопри­ятной электромагнитной об­становке в точке приёма.

По этой причине для рече­вого сигнала принят стандарт­ный диапазон 300…3400 Гц. В радиостанциях ВМФ этот диапазон иногда сужают до 500…2500 Гц, поскольку более просто нельзя — речь стано­виться совершенно неразбор­чивой.

В годы войны, и в после­военные годы у американцев возникли проблемы при обе­спечении связи с самолётами дальней бомбардировочной авиации (рис.6), т.е. с очень протяжёнными радиолиниями. Решение они видели в сокра­щении диапазона частот рече­вого сигнала до 200…300 Гц.

Рис. 6

Надо сказать, что, проявив не стандартный подход к этой проблеме, им удалось решить эту задачу. Соб­ственно предложенный ими алгоритм обработки речевого сигнала, но в цифровой форме и ис­пользуется до настоящего времени во всех си­стемах сотовой связи стандарта GSM.

Зачем передавать целиком звуковой сигнал? Оказалось, что вполне достаточно передавать лишь его характерные признаки, которые бу­дут управлять работой синтезаторов речи как на одном, так и на другом конце радиоканала. Так что, строго говоря, в сотовом телефоне мы слы­шим фактически голос робота, адаптированного под голос нашего собеседника.

Устройства подобного типа называются во­кодерами, описание и принцип их работы можно найти в открытой специализированной литерату­ре. По этой причине подробно их рассматривать не будем.

Функциональная схема параметрического во­кодера показана на рис.7, на котором обозначе­ны:

А — анализатор входного сигнала, который на основе сегмента входной реализации речевого сигнала находит параметры, подле­жащие передаче.

Устройство Т-Ш (обнаружитель «Тон-шум») осуществляет различе­ние типа сегмента сигнала — вока­лизованный он, или фрикативный, а ДОТ — детектор основного тона (блок оценки параметров основного тона) в случае, если сегмент относится к вокализованному типу.

УО — устройство объединения сигналов для передачи через канал связи.

УР — устройство разделения сиг­налов, переданных через канал.

На приёмной стороне, на основе принятых параметров, происходит синтез речевого сиг­нала. Для этого используются ГОТ — генератор основного тона, ГШ — генератор шума, К — ключ и С — синтезатор, в котором воссоздаётся речевой сигнал (см. рис.7).

Рис. 7

Выбор нужного частотного канала

К сожалению, автору статьи не известны исто­ки и другого талантливого инженерного решения стандарта GSM — это «перескоки» частоты пере­датчика радиотелефона в процессе разговора для борьбы с интерференционными явлениями (провалами напряжённости электромагнитного поля) и, разумеется, обеспечения множествен­ного доступа по частоте.

Однако, могу сообщить, что все отечествен­ные танковые радиостанции времён Второй ми­ровой войны (рис.8) имели в своём составе в качестве ЗИПа коробку с 25 кварцами для опе­ративной смены рабочей частоты на случай, ес­ли она была занята или на этой частоте работала «глушилка» противника.

Рис. 8

Разумеется, что не меньше талантливейших решений было найдено и при создании про­граммного обеспечения при реализации стан­дарта GSM.

Автор: Андрей Сергиенко, г. Киев
Источник: Радиоаматор №3-4/20

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.