- Не так давно в одном из зарубежных радиолюбительских журналов (Белоруссия) была опубликована статья с одноимённым названием, где кратко рассматривался вклад разных стран мира в создания основ стандарта GSM сотовой связи, в том числе и СССР.
- Мне показалось целесообразным привести несколько выдержек из этой статьи с со своими дополнениями и разъяснениями, применительно, как мне кажется, к читающей аудитории дзена. Правда, был и ещё один очень мощный стимул к созданию такого контента, но о нём будет сказано в конце
этой статьи. - Итак начнём с фрагмента оригинала.
Фрагмент оригинала
"То обстоятельство, что сотовый телефон стандарта GSM является величайшим изобретением ХХ века, сомнений ни 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, было бы неправильно. Отчасти это действительно так, но только отчасти, и вот почему.
- Хорошо известно, что новое - это хорошо забытое старое но, строго говоря, основы работы 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 предполагать из огромного числа популярных романов и кинофильмов. Их главной задачей является получение разведывательной операции и оперативная доставка её в "Центр". Время дорого по ценности последней.
- Те же проблемы возникали и у командования партизанских отрядов, которым нужна была постоянная связь с "Центром" для координации своей деятельности и передачи разведданных.
- Наиболее распространенным вариантом для оперативной связи с "Центром" являлось использование коротковолнового передатчика, работающего в режиме передачи информации с помощью азбуки (или кода) Морзе. Напомним, что код Морзе-это вариант одного из двоичных кодов, где . последовательность "нолей" и "единичек" заменяется длинными (единички) или короткими (ноль), нажатиями телеграфного ключа.
Здесь важен сам факт наличия оцифровки аудио и визуальной информация перед её передачей по радиоканалу. Разумеется, что перед её отправкой она редактировалась. Из неё убирались малозначимые сведения, т.е. фактически проводилась предварительная её "обработка".
Такая простейшая система передачи информации обладала двумя существенными недостатками.
Вражеская разведслужба в этом случае легко перехватывала передаваемую информацию, а главное,-за время работы передатчика его могли быстро запеленговать и нередкими были случаи, когда во время радиосеанса связи опергруппы вермахта успевали прибыть к месту расположения передатчика.
Если первую проблему ещё можно было частично решить путём шифрования сообщений, то со второй были большие проблемы. Требовалось сжатии информации во времени.
Выход был найден русскими разведчиками-нелегалами. Они предложили предварительно записывать код Морзе на магнитофон (тогда такие производились только в трёх странах - США, Германии и Голландии) при низкой скорости протягивания ленты ( по факту это загрузка информации в виде цифрового кода в буфер, или память).
Далее дождавшись времени сеанса связи с "Центром" и при получении сигнала о готовности к приёму, воспроизводили эту запись при скорости протягивания ленты в два или четыре выше. Радист противника слышал лишь неразборчивый сплошной писк, а время работы радиопередатчика сокращалось в два или четыре раза.
В "Центре" принимаемую информацию также записывали на магнитофон с большей скоростью протягивания ленты (загрузка принимаемой 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".
Комментарий к фрагменту
- А теперь небольшие но, но как мне кажется важные пояснения к изложенному фрагменту в статье.
- Сразу же отметим, что идея подавать на тот же самый условный Tonschreiber не код Морзе, т. е. "единичку" (точка) и сдвоенную "единичку" (тире) через паузы, а "нули" и "единички" оцифрованного звукового звукового сигнала витала уже в середине 60х годов прошлого века.
- Для этого достаточно было после микрофона передающей радиостанции поставить АЦП, а после второго магнитофона поставить ЦАП и мы бы тогда получили полноценное сжатие звуковой информации по времени в эфире хотя бы в четыре раза.
- Но в 40х годах АЦП и ЦАП ещё не изобрели, а в 60х ещё не изобрели компактную и быстродействующую флэш-память.
- А теперь попытаемся рассмотреть этот аспект чуть более детально. ,
Предположим, что сеанс связи в обычном режиме длиться 20 минут, т.е. 10 минут на передачу и 10 минут на приём информации из "Центра". Очевидно, что применения двух магнитофонов позволяет сократить время обмена информацией в два или даже в четыре раза, т. е. до 5 минут. Их них в данном случае - 2,5 мин. расходуется на передачу и 2,5 мин на приём. Единственное неудобство - получаемая информация опаздывает в данном случае на 5 минут. (дважды перезаписывается.) Если бы техника тех времён была бы более совершенной, то передаваемую информацию можно было бы сжимать и в 8 раз ( так делают в стандарте GSM для речевого сигнала) или даже в 12 раз ( в стандарте DECT).
Здесь важно увидеть главное. На одной и той частоте за те же 20 минут могут отработать уже четыре рации нелегалов или партизан вместо одной, ну а если, например у отряда Ковпака заклинило лентопротяжку, то, например, сразу же мог подключиться радист белорусских партизан или радиостанция другого отряда.. Следует отметить, что данном варианте у у разведчиков-нелегалов или радистов партизанских отрядов была возможность по очереди или в произвольном порядке подключаться к "Центру" (или к базе), т. е. имелся определённый свободный доступ к "Центру" по времени, что в стандарте GSM принято обозначать аббревиатурой TDMA.
Ну а если мы уж совсем переходим на лексикон GSM, то давайте эти самые 2,5 минуты назовём-тайм слотом, а сам 20 минутный сеанс связи с четырьмя радиостанциями - кадром. В принципе кадры могут следовать один за другим, если в этом есть необходимость, обеспечивая независимую непрерывную работу четырёх радиостанций и, главное, на одной рабочей частоте.
Разумеется конечно, что в каждый такой тайм-слот, кроме полезной информации (разведданные) необходимо было втиснуть ещё несколько дополнительной служебной информации, например, свой позывной и кодовую комбинацию опознания своей рации для исключения варианта радиоигры, в том числе номер запасной аварийной частоты на случай включения противником глушилки.
Предусмотреть такую возможность (вероятность включения противником глушилки) было бы крайне разумно. Поэтому после обмена информацией с первой радиостанцией "Центр", проанализировав состояние эфира, может сообщить второй, на какой частоте он будет принимать её сигналы и сразу же поменять кварц. Но если всё в порядке, кварц можно и не менять. То же само и с третьей и с четвёртой радиостанциями. Сложно - да, но надёжность получения важной информации значительно возрастает.
Но именно так и формируется тайм-слот стандарта GSM сотовой связи
Функция смены частот в процессе связи с разными абонентами обозначается в стандарте GSM аббревиатурой FDMA.
Здесь уместно просто напомнить алгоритм взаимодействия между приёмопередатчиком абонента GSM и его базой - приёмопередатчиком, устанавливаемом на вышке (условный "Центр").
На одной несущей частоте, задаваемой базой, могут быть активированы до 8 приёмопередатчиков абонентов GSM.
Все они, т. е. все 8 комплектов по команде с базы начинают синхронно переключаться с приёма на передачу и обратно с интервалом в 10 млсек.
Только вот в режиме передачи каждый из них пребывают не 10 млсек, а чуть более 1 млсек. (10 млсек разделить на 8), т .е. только в течении одного тайм-слота.
За это время он должен выдать "базе" с флеш-памяти накопленную, оцифрованную, сжатую по времени "общипанную" (см. ниже) информацию о звуке, накопленную за истекшие 20 млсек.
Точно так же и "база" работает с этими абонентами.
Для справки.
Мощность передатчика абонента 0,2 - 2 Вт (регулируется автоматически), мощность передатчика "базы" 45- 50 Вт, число одновременно функционирующих частотных каналов до 15 -20 а вот число обслуживаемых абонентов одной вышкой находится в пределах 1200, именно за счёт функции свободного доступа по времени и частоте ( TDMA и FDMA)
Наверно здесь стоит остановиться, что бы читатель окончательно не вошёл в ступор.
А вот теперь представьте, насколько сложно сделать аппаратуру для перехвата и прослушивания телефонных разговоров в стандарте GSM даже опытному радиолюбителю.
Ложка дёгтя
- Казалось бы всё прекрасно. Конечно, могут возникнуть небольшие проблемы с временной дисциплиной, но в целом всё всё решаемо..
- Предварительно отметим, что радист в среднем способен давать информацию с телеграфного ключа на ленту со скоростью со скоростью около 100-120 знаков в минуту, т. е. скорость цифрового потока составляет около 2 бит/сек. (или с частотой 2 Гц.) По радио каналу передаётся частота в 4 раза выше, т.е. 8 Гц. Всё нормально, проблем с радиоканалом не возникает.
- А нельзя ли таким же образом передавать речевой сигнал. Магнитофоны заменить на флэш-память, кадр сократить до 20 млсек, тогда и тайм-слот будет чуть больше 1 млсек, Да, каждый абонент будет получать ответную звуковую информацию с задержкой в 40 млсек, а так ли это уж и важно.
Но вот при построении радиоканала возникла неожиданная проблема. Дело в том, что верхняя частота качественного речевого сигнала составляет 4 - 5 кГц, а при его оцифровке цифровой поток может достигать скорости несколько десятков килобит/сек. (число разрядов умножается на удвоенную частоту) т. е. по сути несколько десятков килогерц. . Это означает, что при его передаче по радиоканалу со скоростью в 8 раз большей, во столько же раз следует увеличить и полосу частот излучаемых передатчиком, т. е. сразу же возникает проблема "тесноты в эфире"
- Очевидно, что и при создании приёмника с большой полосой пропускания по классическому варианту имеем плохое соотношение сигнал/шум, как следствие - низкое чутьё, а самое главное крайне низкое использование частотного ресурса, т. е. в выделенном частотном диапазоне может работать весьма ограниченное число абонентов.
- Вот если бы звуковой сигнал имел полосу не 300 - 3400 Гц, а всего лишь 300 или 400 Гц, (почти как код Морзе) то тогда таких бы проблем бы не возникло.
- Но вернёмся к очередному фрагменту упомянутой статьи.
Второй фрагмент статьи
Однако было бы неправильно не указать и роль американских военных специалистов того времени (50е-60е годы) в формировании другого основополагающего принципа стандарта GSM.
В теории радиосвязи хорошо известно, что чем меньше (уже) частотный диапазон передаваемого сигнала, тем меньше он подвержен воздействию собственных аппаратных 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, но не очень удобный для дальнейшего использования диапазон 300-3400 Герц. причём в радиостанциях ВМФ этот диапазон иногда сужают до 500-2500 Герц, более просто нельзя, речь становится совершенно неразборчивой.
Поэтому перед американскими инженерами в 50е годы была поставлена задача обеспечить высокую степень разборчивости передаваемого речевого сигнала при сквозной полосе пропускания КВ радиоканала в 400 - 500 Гц и менее.
- Надо сказать, что, проявив нестандартный подход к этой проблеме, им удалось решить эту задачу. Собственно предложенный ими в 60е годы алгоритм обработки речевого сигнала, но уже в цифровой форме, и используется до настоящего времени практически во всех системах сотовой связи , включая стандарт GSM.
Зачем передавать целиком звуковой сигнал? Оказалось, что вполне достаточно передавать лишь его характерные признаки, которые будут управлять работой синтезатора речи как на одном, так и на другом конце радиоканала. Так что, строго говоря, в сотовом телефоне мы слышим не собеседника, а голос робота, адаптированного под голос нашего собеседника.
Устройства подобного типа называются вокодерами.
Стоп машина
На данном этапе мной принято решение немного прерваться. И вот почему. Подробное и грамотное описание описания принципа работы вокодера без всевозможных "научных" изысков, сомнительных рассуждений и выводов в интернете практически не найти, а те, которые есть изобилуют ошибками, очевидными даже для дилетанта.
Поиск и изучение специализированный литературы, изданной для профессионалов требует определённых усилий.
Поскольку в опубликованной статье так же нет его описания, я решил исправить этот недостаток и дать во второй части этой статьи подробное описание простейшего вокодера примерно 60х, годов, на известных технических решениях того времени и попутно обосновать необходимость постоянных
и частых скачков частоты приёма и передачи в канала связи в стандарте GSM, но уже по другой причине, что указана выше.
Поэтому заканчивая эту часть статьи всем говорю 73, Продолжение следует.
И в заключение несколько слов от автора.
При создании предлагаемого контента автор преследовал две цели.
Первая - это его собственное любопытство. Неужели это может быть кому либо интересно на дзене? И будет ли, например интересен материал о принципах работы навигатора в вашем смартфоне в том же ключе, начиная с морского секстанта 18 века.
Вторая, кроме любопытства, ещё и чисто прагматическая.
В самое ближайшее время и, возможно, в паузе между публикациями данного контента автор хотел бы опубликовать и пару своих полностью законченных радиолюбительских конструкций, Это уличные радиоуправляемые акустические системы, которые не только представлены в виде опытных образцов, но и имеют практически полный комплект КД по ЕСКД. Нужны ли они вообще кому нибудь сегодня и могут ли они быть полезны для радиолюбителей.
Что же касается данного материала Нужны ли мне ваши лайки и ваши подписки? Скорее всего да.
Согласитесь со мной, что в разделе радиотехника на дзене огромное количество крайне примитивных публикаций и по крайне устаревшим материалам. Мне бы хотелось их пополнить более современным. .
Я постараюсь вести просветительский канал в случае значительного проявления интереса читателей по итогам трёх -четырёх опубликованных в дзене материалов, но в этом случае возникнет лишняя для меня нагрузка, а здоровье надо беречь. Отсутствие интереса - тоже очень здорово, это душевный покой и возможность вновь посвятить себя выращиванию кабачков.