雙時(shí)隙TDMA的頻譜效率及數(shù)字語(yǔ)音的音質(zhì)和覆蓋能力

孟 超

*摩托羅拉系統(tǒng)(中國(guó))有限公司 高級(jí)工程師，100022 北京

一個(gè)無(wú)線(xiàn)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(gè)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(wú)線(xiàn)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(duì)講機(jī)用戶(hù)共享頻譜迫切需要新的標(biāo)準(zhǔn)和新的技術(shù)。

管理機(jī)構(gòu)也要求提高頻譜效率。例如，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)要求制造商，從2011年開(kāi)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(hù)都只能使用12.5kHz信道。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)必將提高12.5 kHz信道效率。雖然暫時(shí)還未強(qiáng)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(duì)講機(jī)的能力。雖然這些規(guī)定暫未強(qiáng)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(huà)務(wù)，效率相當(dāng)于6.25 kHz的要求也只是時(shí)間問(wèn)題。目前，MOTOTRBO系統(tǒng)可以將12.5 kHz信道分為2個(gè)獨(dú)立時(shí)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(shí)隙TDMA技術(shù)。這種技術(shù)將信道分成2個(gè)交替時(shí)隙，從而在一個(gè)12.5 kHz的物理信道內(nèi)建立了2個(gè)邏輯信道。每個(gè)呼叫僅使用其中一個(gè)邏輯信道，每個(gè)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)時(shí)隙就如同訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)獨(dú)立的信道。發(fā)射對(duì)講機(jī)僅在自己的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送信息，在另一時(shí)隙則處于空閑狀態(tài)。接收對(duì)講機(jī)則對(duì)2個(gè)時(shí)隙都進(jìn)行監(jiān)視，并依據(jù)每個(gè)時(shí)隙所包含的信令信息來(lái)決定接收哪個(gè)呼叫。

模擬對(duì)講機(jī)則工作于頻分多址(FDMA)方式。在FDMA方式下，每個(gè)發(fā)送對(duì)講機(jī)在一個(gè)指定的信道上連續(xù)發(fā)射，而接受對(duì)講機(jī)則通過(guò)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(tái)信道上實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于6.25 kHz頻譜效率提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法，這給使用日益擁塞的許可信道的用戶(hù)帶來(lái)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(guò)將其分為2個(gè)交替時(shí)隙的方法來(lái)提高效率。此外，TDMA技術(shù)保持了12.5 kHz信號(hào)的射頻特性。從射頻技術(shù)上講，因?yàn)閷?shí)際的傳輸功率和輻射發(fā)射都不變，雙時(shí)隙TDMA方式的12.5 kHz信號(hào)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(hào)都是一樣的。但是數(shù)字技術(shù)帶來(lái)了更多的優(yōu)勢(shì)，使基于TDMA技術(shù)的對(duì)講機(jī)能夠在一個(gè)單中繼信道上提供大約2倍于現(xiàn)今模擬對(duì)講機(jī)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(shí)隙TDMA從根本上使系統(tǒng)容量加倍。這意味著一臺(tái)MOTOTRBO的中繼臺(tái)可以替代2臺(tái)模擬中繼臺(tái)(因?yàn)橐慌_(tái)MOTOTRBO中繼臺(tái)同時(shí)支持2路呼叫)如圖1所示。這節(jié)省了中繼臺(tái)的硬件成本和維護(hù)成本，同時(shí)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(shí)隙TDMA信號(hào)正好適合用戶(hù)現(xiàn)有的許可信道，用戶(hù)無(wú)需為增加的系統(tǒng)容量申請(qǐng)新的許可。同時(shí)，相對(duì)于可能需要不同信道帶寬的其他解決方案來(lái)講，雙時(shí)隙TDMA技術(shù)引起鄰道干擾風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖1 MOTOTRBO需要的鏈接設(shè)備更少

3 系統(tǒng)更靈活

雙時(shí)隙TDMA提供的2個(gè)時(shí)隙(2個(gè)邏輯信道)具有大量的潛在用途。配置MOTOTRBO系統(tǒng)時(shí)，可以按照如下方式來(lái)使用這2個(gè)時(shí)隙。

1．將2個(gè)時(shí)隙都用作語(yǔ)音信道，從而使每臺(tái)許可的中繼臺(tái)信道的語(yǔ)音容量加倍。增加了系統(tǒng)能夠容納的用戶(hù)數(shù)量，增加了用戶(hù)能夠消耗的呼叫時(shí)間。

2．將2個(gè)時(shí)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(gè)時(shí)隙用作語(yǔ)音信道，另一個(gè)時(shí)隙作為數(shù)據(jù)信道，這種靈活的方案為語(yǔ)音用戶(hù)同時(shí)提供移動(dòng)數(shù)據(jù)、文本消息或者位置追蹤等業(yè)務(wù)。

無(wú)論用戶(hù)采用何種方式配置系統(tǒng)，都將在現(xiàn)有的許可中繼臺(tái)信道上體驗(yàn)到更多的好處。

注意:當(dāng)對(duì)講機(jī)操作于無(wú)中繼臺(tái)的脫網(wǎng)模式時(shí)，12.5 kHz信道上的雙時(shí)隙TDMA系統(tǒng)不具備相當(dāng)于6.25 kHz的效率。這是因?yàn)楸仨氂芍欣^臺(tái)來(lái)維護(hù)交替時(shí)隙的同步時(shí)序，才能使各個(gè)對(duì)講機(jī)共享時(shí)隙。所以，在一個(gè)直通或脫網(wǎng)信道上，盡管一個(gè)對(duì)講機(jī)只使用一個(gè)時(shí)隙發(fā)送，但整個(gè)12.5 kHz信道都將被占用，而其他對(duì)講機(jī)將不能使用另一時(shí)隙。不過(guò)，此時(shí)另一時(shí)隙可能成為一個(gè)信令信道。ETSI DMR Tier 2標(biāo)準(zhǔn)將此功能稱(chēng)為反向信道信令(Reverse Channel Signaling)，這將為以后的專(zhuān)業(yè)用戶(hù)提供更多的功能，例如優(yōu)先呼叫控制，發(fā)送對(duì)講機(jī)遙控和緊急呼叫搶占等等。這些未來(lái)的基于反向信道信令的功能是TDMA技術(shù)獨(dú)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(gè)覆蓋區(qū)域內(nèi)的衰退方式不同。模擬音頻的音質(zhì)是線(xiàn)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(gè)主要原因，在于后者使用的前向糾錯(cuò)編碼，使其在更大的區(qū)域內(nèi)能夠幾乎無(wú)損的傳送語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信息。

MOTOTRBO系統(tǒng)正是利用這種差錯(cuò)保護(hù)技術(shù)提供了在整個(gè)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?yàn)镸OTOTRBO系統(tǒng)的差錯(cuò)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(shuō)明了系統(tǒng)音質(zhì)好壞與信號(hào)強(qiáng)弱之間的關(guān)系。

需要特別注意:①模擬信號(hào)因?yàn)槲唇?jīng)任何處理，當(dāng)其強(qiáng)度極強(qiáng)時(shí)，音質(zhì)可能稍好于數(shù)字音頻信號(hào);②數(shù)字信號(hào)擴(kuò)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(hào)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(hào)不能增加射頻信號(hào)傳播距離。

5 預(yù)估數(shù)字音頻的覆蓋范圍

無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋范圍的估計(jì)存在著許多射頻性能因素，比較復(fù)雜。總的來(lái)說(shuō)，考慮的因素越多，估計(jì)會(huì)越準(zhǔn)確。其中最重要的因素應(yīng)該是對(duì)射頻傳播模型以及(或)射頻估計(jì)工具軟件的選擇。

模擬和數(shù)字系統(tǒng)的覆蓋范圍估計(jì)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(gè)站點(diǎn)的模擬信號(hào)覆蓋范圍已知，估計(jì)其數(shù)字覆蓋范圍是很容易的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以先使用現(xiàn)有的模擬站點(diǎn)覆蓋范圍估計(jì)技術(shù)(或難或易)，再將其結(jié)果轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)覆蓋范圍的估計(jì)。

圖2 模數(shù)信號(hào)音質(zhì)－強(qiáng)度對(duì)比

傳送音質(zhì)(DAQ)是量化聲音質(zhì)量的一種方法，是用來(lái)度量通過(guò)某個(gè)通信系統(tǒng)傳送的語(yǔ)音信號(hào)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(jí)，其中第3級(jí)是在公共安全應(yīng)用中的最低可接受的音質(zhì)等級(jí)。3級(jí)DAQ的定義: “語(yǔ)音清晰易懂，但偶爾因噪聲/失真需要重復(fù)”。

一個(gè)模擬站點(diǎn)和一個(gè)MOTOTRBO站點(diǎn)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(diǎn)和MOTOTRBO站點(diǎn)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(xiàn)高度、接收機(jī)噪聲、中頻濾波器帶寬、模擬對(duì)講機(jī)無(wú)Hear Clear等特殊處理、地形、天線(xiàn)連接設(shè)備等)都相同時(shí)，MOTOTRBO系統(tǒng)提供3級(jí)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(diǎn)的射頻覆蓋范圍估計(jì)，請(qǐng)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(hù)預(yù)期

從終端用戶(hù)(收聽(tīng)者)的角度來(lái)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(hù)設(shè)定合適的使用預(yù)期是系統(tǒng)規(guī)劃的一個(gè)重要方面。

6.1 數(shù)字語(yǔ)音業(yè)務(wù)能給用戶(hù)的體驗(yàn)

1．在整個(gè)覆蓋區(qū)域內(nèi)一致的語(yǔ)音性能，不會(huì)在邊緣地帶降低通話(huà)質(zhì)量。模擬信號(hào)會(huì)隨著接收器遠(yuǎn)離發(fā)射器而逐漸衰退，而數(shù)字信號(hào)在整個(gè)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(shí)候，數(shù)字信號(hào)更容易突然地從“好”變“無(wú)”。這意味著用戶(hù)無(wú)法依據(jù)逐漸衰退的音質(zhì)來(lái)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(hào)仍能保持清晰，而此時(shí)模擬音頻將充滿(mǎn)噪聲。

2．?dāng)?shù)字語(yǔ)音聽(tīng)起來(lái)不一樣。語(yǔ)音編碼處理用最少的比特帶來(lái)最優(yōu)的音質(zhì)。一些用戶(hù)發(fā)現(xiàn)數(shù)字語(yǔ)音的音質(zhì)聽(tīng)起來(lái)和模擬語(yǔ)音不一樣。因?yàn)檎Z(yǔ)音編碼專(zhuān)門(mén)強(qiáng)化人聲，對(duì)其他聲音諸如音樂(lè)和音調(diào)并不準(zhǔn)確重現(xiàn)。而且，數(shù)字音頻可能帶來(lái)端到端的聲音延遲。當(dāng)遇到不可恢復(fù)的錯(cuò)誤或信息丟失時(shí)，數(shù)字音頻還會(huì)“人為”生成一些特有的聲音。

3．背景噪聲降低。MOTOTRBO強(qiáng)大的聲碼功能還降低了背景噪聲。無(wú)論發(fā)送端環(huán)境如何，接收端只對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行重建，而背景噪聲(如機(jī)器噪聲、風(fēng)噪聲和交通噪聲)都不會(huì)被重建，因此也不會(huì)被聽(tīng)見(jiàn)。這是MOTOTRBO數(shù)字語(yǔ)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(chǎng)、商店、工地或多風(fēng)的場(chǎng)地)都不會(huì)明顯的影響通信的可理解度。

6.2 數(shù)字語(yǔ)音業(yè)務(wù)不能為用戶(hù)提供的體驗(yàn)

1．不能提供“CD級(jí)”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(jí)音質(zhì)的對(duì)講機(jī)，終端用戶(hù)不應(yīng)認(rèn)為對(duì)講機(jī)系統(tǒng)中的“通信級(jí)”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(wèn)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(wèn)題。鄰道或同頻造成的干擾可能對(duì)數(shù)字用戶(hù)來(lái)說(shuō)聽(tīng)起來(lái)有差別，但是這些干擾仍然存在。就好像數(shù)字對(duì)講機(jī)中的模擬干擾聽(tīng)起來(lái)不是聲音，但是仍會(huì)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(guò)數(shù)字空中接口傳送語(yǔ)音需要一個(gè)語(yǔ)音編碼器，簡(jiǎn)稱(chēng)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(cuò)，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(hào)等級(jí)必須滿(mǎn)足一個(gè)特定的幅度范圍。

用戶(hù)的各種不同特性(比如嘴和麥克風(fēng)之間的距離、聲音強(qiáng)度、方向)都使這個(gè)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(dòng)增益控制(AGC)技術(shù)。

首先，語(yǔ)音業(yè)務(wù)始終是雙向?qū)χv機(jī)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(shí)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(hào)產(chǎn)生平坦的語(yǔ)音強(qiáng)級(jí)。使用IMPRES附件可以擴(kuò)大輸入信號(hào)范圍，因而AGC在輸入信號(hào)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(xiàn)表示輸入信號(hào)范圍擴(kuò)大后的平坦響應(yīng)。模擬模式下通過(guò)使用IMPRES附件并在CPS的“基本設(shè)置”中打開(kāi)模擬麥克風(fēng)AGC也可獲得同樣的響應(yīng)曲線(xiàn)，圖4用“MOTOTRBO with IMPRES RSM(AGC on，Analog)”曲線(xiàn)表示。這種響應(yīng)曲線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)在于，小聲說(shuō)話(huà)(或離麥克風(fēng)較遠(yuǎn)的用戶(hù))時(shí)聲音將仍能被收端大聲而清晰的播放出來(lái)。

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(xiàn)性響應(yīng)，發(fā)端用戶(hù)說(shuō)話(huà)越大聲，收端音量越大。這種傳統(tǒng)模擬響應(yīng)由圖4中“專(zhuān)業(yè)系列”曲線(xiàn)和“MOTOTRBO加IMPRES RSM(AGC off，Analog)”曲線(xiàn)表示。當(dāng)模擬模式的麥克風(fēng)AGC關(guān)閉時(shí)，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(guān)察圖4可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字信號(hào)和傳統(tǒng)模擬信號(hào)在輸入的聲壓級(jí)(SPL)為98dB時(shí)有近似的響應(yīng)。低于此聲壓級(jí)時(shí)，模擬信號(hào)比數(shù)字信號(hào)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(guò)程中，MOTOTRBO可能會(huì)同時(shí)工作于數(shù)字和模擬2種模式下，因此用戶(hù)可能在2種模式下聽(tīng)到不同的響度。例如，一個(gè)用戶(hù)同時(shí)掃描模擬信道和數(shù)字信道，而使用模擬對(duì)講機(jī)的說(shuō)話(huà)方處于一個(gè)類(lèi)似辦公室的安靜環(huán)境，在這種環(huán)境下用戶(hù)一般會(huì)輕聲說(shuō)話(huà)，從而導(dǎo)致輸入信號(hào)低于98 dB SPL的響應(yīng)等級(jí)。因此，在數(shù)字化移植期內(nèi)，同樣的輸入聲壓級(jí)下，模擬響應(yīng)可能比數(shù)字響應(yīng)要低。