G.S.M. Réseau Mobile dédié au Transport de la Voix MM Version 06 1 Introduction Fonctionnalité : La Technologie GSM est utilisée pour offrir un service de transport de la voix numérisée. Grandes Lignes sur la numérisation de la voix : Transporter la voix revient à transporter ses fréquences les plus représentatives. L énergie transmise vocalement a son maximum vers 800 Hz, l énergie transmise en deçà de 300 Hz ou au delà de 3400 Hz est relativement faible Le téléphone analogique (l IUTT) a opté depuis longtemps pour transporter la bande passante : [300 3400 Hz]. S il s agit d offrir un «service équivalent» par une solution numérique, c est le théorème de Shannon-Nyquist qui s applique MM Version 06 2 1
Rappel(1) Théorie de l échantillonnage Claude Shannon, Harry Nyquist Théorème : Rmax = 2 H R : Fréquence d échantillonnage H : Bande Passante (de la ligne, du médium, allouée, ) Si un signal quelconque est appliqué à l entrée d un filtre passe-bande ayant une bande passante H, le signal ainsi filtré peut-être entièrement reconstitué en effectuant un échantillonnage de ce signal à une fréquence supérieure ou égale à 2 H échantillons par seconde. MM Version 06 3 Rappel(2) Fréquence d échantillonnage La bande passante de la téléphonie étant normalisée à [300-3 400 Hz], il suffit d'échantillonner à 8 000 Hz pour transmettre les caractéristiques du signal La quantification : faire correspondre à une valeur instantanée du signal analogique continu, la valeur discrète la plus proche prise dans un ensemble fini. Pour la voix un ensemble de 256 valeurs est un bon compromis, chaque valeur discrète couvrant un intervalle de valeurs continues MM Version 06 4 2
Rappel(3) Quantification Le pas de quantification est la différence entre deux valeurs discrètes La quantification introduit donc un bruit, une approximation. Si la quantification est linéaire le bruit introduit affecte les «petites valeurs» celles qui sont déjà les plus ingrates à transmettre Une quantification qui sature les valeurs fortes (plage d approximation par valeur grande) et qui «protège» les valeurs faibles du signal (plage d approximation petite par valeur) donne une meilleur restitution de la voix Loi A pour l Europe, Loi µ pour l Amérique du Nord MM Version 06 5 Bilan et Remarque Pour transmettre analogique «comme la voix», il faut 8 000 échantillons par seconde codés sur 8 bits. Ceci nous conduit aux 64 Kbits des canaux B du RNIS (Réseau Numérique à Intégration de Service). Un traitement linéaire de la voix ne conduit pas forcement au milieu résultat à cause du bruit de quantification. MM Version 06 6 3
Partage de la Bande Passante par GSM La bande à la disposition du WG GSM a été découpée comme suit : Canaux montants : 890-915 MHz Canaux descendants : 935-960 MHz Porteuses séparées de 200 KHz Donc 125/124 Porteuses dans chaque sens Une porteuse ne peut donc pas être affectée à une seule communication MM Version 06 7 Partage de la Bande Passante par GSM Deux Solutions : Faire un découpage de chaque porteuse pour servir plusieurs utilisateurs : OK Obtenir un autre domaine pour faire évoluer la capacité de GSM : OK C est l extension DCS [1710 1785] MHz pour les canaux montants [1805 1880] MHz pour les canaux descendants MM Version 06 8 4
Partage d une porteuse La bande Passante est exploitée en FDMA Les porteuses (ou fréquences) sont allouées par lot, de manière fixe, aux différentes BTS de façon à garantir l intégrité des clusters utilisés dans la couverture cellulaire par les différents opérateurs. Chaque porteuse va être exploitée en TDMA MM Version 06 9 Partage d une Porteuse Chaque Porteuse est divisée en intervalles de temps appelés Slots ou Time Slots. Les temps (un peu 13 MHz. ) dérivent d une horloge à TSlot = (75/130) 10-3 soit 0,5769 ms Un Slot est le container d un Burst (une bouffée d information!) L accès TDMA permet de partager une même porteuse en slots regroupés par paquets de 8 MM Version 06 10 5
Partage d une Porteuse La bande Passante est exploitée en FDMA Les porteuses (ou fréquences) sont allouées par lot, de manière fixe, aux différentes BTS de façon à garantir l intégrité des clusters utilisés dans la couverture cellulaire par les différents opérateurs. Chaque porteuse va être exploitée en TDMA MM Version 06 11 TDMA La durée d une trame TDMA est donc de : T TDMA = 8 x T slot = 4,6152 ms Chaque utilisateur utilise un slot par trame TDMA dans chaque sens. Les slots sont numérotés de 0 à 7 Un canal physique est donc matérialisé par la réservation d un slot qui apparaît périodiquement dans une trame TDMA. MM Version 06 12 6
Duplexage A cause de l effet d aveuglement même sur des fréquences différentes, il est difficile d émettre et de recevoir en même temps sur une antenne d un téléphone cellulaire. A chaque porteuse d un canal montant est associé une porteuse d un canal descendant l écart en fréquence étant une constante du système : 45 MHZ pour GSM 95 MHz pour DCS. MM Version 06 13 Duplexage Trame TDMA 4,6 ms 45 MHz 0 1 2 3 4 5 6 7 0 Time Slot 0,577 ms MM Version 06 14 7
Correction du TD sur le Voice Coding La voix n est pas un signal aléatoire Le comportement du canal est beaucoup aléatoire que ne le sont les phonèmes émis par un locuteur. Les 2 H échantillons ne s imposent pas pour la transmission de la voix L émission d un signal de référence (de calibrage) serait un bonne chose pour comprendre «la contribution instantanée» du médium dans la transmission MM Version 06 15 Correction du TD La voix n étant pas un signal aléatoire, il est possible de lui appliquer des algorithmes de compression qui tiennent compte de ses spécificités. C est le «Voice Coding» En tenant compte du processus correspondant à l émission vocale de phonèmes, il est possible de définir un modèle qui correspond à la production de «la voix humaine» MM Version 06 16 8
Voice Coding de GSM En admettant que la voix est une «excitation» modulée par les différents organes que représentent la boucle les cordes vocales Il est possible de reconstituer la voix à partir d une excitation de référence qui subirait dynamiquement les effets de filtres dans les paramètres évolueraient au cours du temps MM Version 06 17 Voice Coding de GSM Les deux types d informations à transmettre deviennent alors : Les informations sur l excitation Les paramètres qui vont moduler cette excitation Ceci correspond respectivement au RPE et au LPC pour Regular Pulse Excitation et Linear Predictive Coder Dans le cas de GSM : RegularPulse Excitation & LongTerm Predictor MM Version 06 18 9
Voice coding : Rôle des filtres Ceci correspond respectivement au RPE et au LPC pour Regular Pulse Excitation et Linear Predictive Coder Pour le GSM cela donne : Un filtre Linear Predictive Coder : yn = a1yn-1 + a2yn-2 + a3yn-3 + a4yn-4 + a5yn-5 + a6yn-6 + a7yn-7 + a8yn-8 Un filtre Long Term Prediction : yn = xn - byn-n MM Version 06 19 Les Techniques de compression de la voix «L appareil nous servant à produire un son» à des capacités limités pour des raisons «mécaniques» qui peuvent être modélisées Le comportement de cet organe permet de considérer la voix comme un signal non aléatoire MM Version 06 20 10
Mise en Trame de l Information TCH : Trafic Chanel : Slot pour la voix ou les données SACCH : Slow Associated Control Channel (Info de Service) MM Version 06 21 Mise en Trame de l Information Une Hypertrame contient 2048 Supertrames Dans une supertrame de type 26, toutes les 120 ms, GSM gère l échange de 24 Trames de données ou de voix par porteuse : Chaque Trame correspond à 8 slots Chaque slot est découpé en trois compartiments de 57, 26 et 57 bits soit 140/148 bits, c est le container de base! MM Version 06 22 11
Le codage de la Voix Voix analogique échantillonnée 8000 x 13 = 104 kbits/s RPE LPC Encodeur Bloc de 260 bits toutes les 20 ms Soit un débit de 13 kbits/s Ces 260 bits sont répartis en : Classe Ia : 50 bits (très sensibles au erreurs) Classe Ib : 132 bits (modérément sensibles) Classe II : 76 bits (les moins sensibles) Selon leur importance ces bits sont plus ou moins protégés par une redondance MM Version 06 23 Décomposition en classes Aux 50 bits de classe Ia est ajouté un CRC sur 3 bits -> 53 Aux 53 + 132 de la classe Ib + 4 pour le calcul, est appliqué un code convolutif qui a un rendement ½ soit : 2 * (53 + 132 + 4) = 378 bits A cela on rajoute les bits sans protection 378 + 78 = 456 bits pour 20 ms soit un débit soucre plus canal de 22,8 kbits/s MM Version 06 24 12
Remplissage des Containers 456 = 8 x 57! Les 456 bits sont entrelacés puis découpés en 8 morceaux de 57 bits pour être transmis à 8 moments différents pour offrir une diversité temporelle 20 ms 2 demi bursts MM Version 06 25 13