双时隙TDMA的频谱效率及数字语音的音质和覆盖能力

孟 超

*摩托罗拉系统(中国)有限公司 高级工程师，100022 北京

一个无线电通信信道由其载频和带宽所定义，可以使用的载频被分为几个主要的频带(如800/900 MHz甚高频VHF和超高频UHF)，现今在用的许可信道带宽大多为25 kHz或12.5 kHz。随着无线通信技术的迅速发展，频谱资源日渐匮乏，能够让一定区域内更多对讲机用户共享频谱迫切需要新的标准和新的技术。

管理机构也要求提高频谱效率。例如，美国联邦通信委员会(FCC)要求制造商，从2011年开始将只能生产占用12.5 kHz的VHF和UHF信道设备，到2013年所有VHF频段和UHF频段用户都只能使用12.5kHz信道。可以预见，未来必将提高12.5 kHz信道效率。虽然暂时还未强制要求向6.25 kHz迁移，但FCC已经要求制造商具备生产6.25 kHz效率的800/900MHz VHF频段和UHF频段对讲机的能力。虽然这些规定暂未强制执行，但在800/900MHz VHF频段和UHF频段的12.5 kHz信道上承载2路话务，效率相当于6.25 kHz的要求也只是时间问题。目前，MOTOTRBO系统可以将12.5 kHz信道分为2个独立时隙，已经达到了或等效于6.25 kHz效率。

1 增加现有12.5kHz信道容量

MOTOTRBO系统采用双时隙TDMA技术。这种技术将信道分成2个交替时隙，从而在一个12.5 kHz的物理信道内建立了2个逻辑信道。每个呼叫仅使用其中一个逻辑信道，每个用户访问一个时隙就如同访问一个独立的信道。发射对讲机仅在自己的时隙内发送信息，在另一时隙则处于空闲状态。接收对讲机则对2个时隙都进行监视，并依据每个时隙所包含的信令信息来决定接收哪个呼叫。

模拟对讲机则工作于频分多址(FDMA)方式。在FDMA方式下，每个发送对讲机在一个指定的信道上连续发射，而接受对讲机则通过调谐到正确的载频以接受相应的信息。

TDMA技术为在12.5 kHz中继台信道上实现相当于6.25 kHz频谱效率提供了一个简单的方法，这给使用日益拥塞的许可信道的用户带来了巨大的便利。不同于FDMA技术提升频谱效率的手段(将信道切分为更小带宽的频段)，TDMA技术使用了全部12.5 kHz的带宽，但通过将其分为2个交替时隙的方法来提高效率。此外，TDMA技术保持了12.5 kHz信号的射频特性。从射频技术上讲，因为实际的传输功率和辐射发射都不变，双时隙TDMA方式的12.5 kHz信号在带宽占用、传送性能等方面，从本质上讲同12.5 kHz模拟信号都是一样的。但是数字技术带来了更多的优势，使基于TDMA技术的对讲机能够在一个单中继信道上提供大约2倍于现今模拟对讲机的通信容量，而射频覆盖能力也与之相当甚至更优。

2 减少基础设施

双时隙TDMA从根本上使系统容量加倍。这意味着一台MOTOTRBO的中继台可以替代2台模拟中继台(因为一台MOTOTRBO中继台同时支持2路呼叫)如图1所示。这节省了中继台的硬件成本和维护成本，同时也降低了多信道配置所需的射频连接设备的成本和复杂度。更重要的，双时隙TDMA信号正好适合用户现有的许可信道，用户无需为增加的系统容量申请新的许可。同时，相对于可能需要不同信道带宽的其他解决方案来讲，双时隙TDMA技术引起邻道干扰风险较小。

图1 MOTOTRBO需要的链接设备更少

3 系统更灵活

双时隙TDMA提供的2个时隙(2个逻辑信道)具有大量的潜在用途。配置MOTOTRBO系统时，可以按照如下方式来使用这2个时隙。

1．将2个时隙都用作语音信道，从而使每台许可的中继台信道的语音容量加倍。增加了系统能够容纳的用户数量，增加了用户能够消耗的呼叫时间。

2．将2个时隙都用作数据信道，从而全部提供数据业务。

3．将一个时隙用作语音信道，另一个时隙作为数据信道，这种灵活的方案为语音用户同时提供移动数据、文本消息或者位置追踪等业务。

无论用户采用何种方式配置系统，都将在现有的许可中继台信道上体验到更多的好处。

注意:当对讲机操作于无中继台的脱网模式时，12.5 kHz信道上的双时隙TDMA系统不具备相当于6.25 kHz的效率。这是因为必须由中继台来维护交替时隙的同步时序，才能使各个对讲机共享时隙。所以，在一个直通或脱网信道上，尽管一个对讲机只使用一个时隙发送，但整个12.5 kHz信道都将被占用，而其他对讲机将不能使用另一时隙。不过，此时另一时隙可能成为一个信令信道。ETSI DMR Tier 2标准将此功能称为反向信道信令(Reverse Channel Signaling)，这将为以后的专业用户提供更多的功能，例如优先呼叫控制，发送对讲机遥控和紧急呼叫抢占等等。这些未来的基于反向信道信令的功能是TDMA技术独具的能力，只要系统支持，在中继模式和直通/脱网模式下均可配置。目前，MOTOTRBO系统暂不支持反向信道信令。

4 数字音频覆盖范围

模拟音频和数字音频在覆盖范围上的最大区别，在于其音质在整个覆盖区域内的衰退方式不同。模拟音频的音质是线性衰退的，而数字音频则表现更为恒定。造成这种不同特性的一个主要原因，在于后者使用的前向纠错编码，使其在更大的区域内能够几乎无损的传送语音和数据信息。

MOTOTRBO系统正是利用这种差错保护技术提供了在整个覆盖范围内恒定的音质，这是模拟系统不可比拟的。因为MOTOTRBO系统的差错保护技术将噪声影响降到最低，从而保证了极为出色的音质。图2说明了系统音质好坏与信号强弱之间的关系。

需要特别注意:①模拟信号因为未经任何处理，当其强度极强时，音质可能稍好于数字音频信号;②数字信号扩大了优于最低可接受音质前提下的有效覆盖范围;③数字信号改善了有效覆盖范围内声音的质量和稳定性;④数字信号不能增加射频信号传播距离。

5 预估数字音频的覆盖范围

无线信号覆盖范围的估计存在着许多射频性能因素，比较复杂。总的来说，考虑的因素越多，估计会越准确。其中最重要的因素应该是对射频传播模型以及(或)射频估计工具软件的选择。

模拟和数字系统的覆盖范围估计技术一般遵从相同的方法，也使用近似的输入元素。因此，如果一个站点的模拟信号覆盖范围已知，估计其数字覆盖范围是很容易的。系统设计人员可以先使用现有的模拟站点覆盖范围估计技术(或难或易)，再将其结果转化为数字信号覆盖范围的估计。

图2 模数信号音质－强度对比

传送音质(DAQ)是量化声音质量的一种方法，是用来度量通过某个通信系统传送的语音信号的完整性和质量方法，由TIA TSB-88所定义。DAQ将音质分为5级，其中第3级是在公共安全应用中的最低可接受的音质等级。3级DAQ的定义: “语音清晰易懂，但偶尔因噪声/失真需要重复”。

一个模拟站点和一个MOTOTRBO站点相关的覆盖范围和音频质量的比较如图3所示。

图3 模拟站点和MOTOTRBO站点覆盖范围和音频质量比较

当所有其他因素(即发射功率、天线高度、接收机噪声、中频滤波器带宽、模拟对讲机无Hear Clear等特殊处理、地形、天线连接设备等)都相同时，MOTOTRBO系统提供3级DAQ音质的覆盖范围，比模拟系统大得多。

如欲更加全面的了解MOTOTRBO站点的射频覆盖范围估计，请参考TIA电信业务公告TSB-88-“Wireless Communications Systems-Performance inNoise and Interference-Limited Situations，Recommended Methods for Technology-Independent Modeling，Simulation，and Verification．”也可以登录http://www．tiaonline．org下载TSB-88的副本。

6 数字音频性能的用户预期

从终端用户(收听者)的角度来讲，数字音频的表现同模拟音频相比具有许多不同之处。因此，为用户设定合适的使用预期是系统规划的一个重要方面。

6.1 数字语音业务能给用户的体验

1．在整个覆盖区域内一致的语音性能，不会在边缘地带降低通话质量。模拟信号会随着接收器远离发射器而逐渐衰退，而数字信号在整个覆盖区域内表现更加恒定。然而，在跨越覆盖区域边界的时候，数字信号更容易突然地从“好”变“无”。这意味着用户无法依据逐渐衰退的音质来得知已临近覆盖区的边缘。但另一方面，在到达边界之前，数字信号仍能保持清晰，而此时模拟音频将充满噪声。

2．数字语音听起来不一样。语音编码处理用最少的比特带来最优的音质。一些用户发现数字语音的音质听起来和模拟语音不一样。因为语音编码专门强化人声，对其他声音诸如音乐和音调并不准确重现。而且，数字音频可能带来端到端的声音延迟。当遇到不可恢复的错误或信息丢失时，数字音频还会“人为”生成一些特有的声音。

3．背景噪声降低。MOTOTRBO强大的声码功能还降低了背景噪声。无论发送端环境如何，接收端只对语音进行重建，而背景噪声(如机器噪声、风噪声和交通噪声)都不会被重建，因此也不会被听见。这是MOTOTRBO数字语音解决方案优于典型的模拟方案的关键所在，在噪声环境下(如工厂、商店、工地或多风的场地)都不会明显的影响通信的可理解度。

6.2 数字语音业务不能为用户提供的体验

1．不能提供“CD级”音质。MOTOTRBO是首款业内使用AMBE+2TM低比特率声码器提供通信级音质的对讲机，终端用户不应认为对讲机系统中的“通信级”数字音频可与CD和DVD的高保真音质相比。

2．不能解决历史问题。数字音频不能完全解决有关覆盖范围和干扰等系统问题。邻道或同频造成的干扰可能对数字用户来说听起来有差别，但是这些干扰仍然存在。就好像数字对讲机中的模拟干扰听起来不是声音，但是仍会破坏系统性能。反之亦然。

图4 发送音频灵敏度

7 音频均衡

前面已经介绍，通过数字空中接口传送语音需要一个语音编码器，简称声码器。MOTOTRBO采用DVSI公司的AMBE+2TM声码器。该声码器能在相当于6.25 kHz信道带宽下有效消除背景噪声或射频信道比特差错，从而提供极佳的音质。为了产生最优音质，声码器的输入信号等级必须满足一个特定的幅度范围。

用户的各种不同特性(比如嘴和麦克风之间的距离、声音强度、方向)都使这个幅度范围难以确定。为能在各种情况下都有最优音质，MOTOTRBO在音频发送通路上采用了自动增益控制(AGC)技术。

首先，语音业务始终是双向对讲机的主要应用，音质是首要目标，发送方AGC的主要功能就是在真实环境下提供最佳音质。

其次，AGC还能为一定范围内的麦克风输入信号产生平坦的语音强级。使用IMPRES附件可以扩大输入信号范围，因而AGC在输入信号范围增大的情况下仍能提供最优音质。

图4中“MOTOTRBO with IMPRES RSM(Digital)”曲线表示输入信号范围扩大后的平坦响应。模拟模式下通过使用IMPRES附件并在CPS的“基本设置”中打开模拟麦克风AGC也可获得同样的响应曲线，图4用“MOTOTRBO with IMPRES RSM(AGC on，Analog)”曲线表示。这种响应曲线的优点在于，小声说话(或离麦克风较远的用户)时声音将仍能被收端大声而清晰的播放出来。

数字音频的这种平坦响应与传统模拟音频响应是有区别的。后者是一种线性响应，发端用户说话越大声，收端音量越大。这种传统模拟响应由图4中“专业系列”曲线和“MOTOTRBO加IMPRES RSM(AGC off，Analog)”曲线表示。当模拟模式的麦克风AGC关闭时，模拟麦克风增益(dB)可以在CPS“基本设置”中调整。因此模拟模式下的MOTOTRBO系统可以提供传统的模拟响应并且可调整响应以适应已有的系统。

仔细观察图4可以发现，数字信号和传统模拟信号在输入的声压级(SPL)为98dB时有近似的响应。低于此声压级时，模拟信号比数字信号的响度更低。需要特别注意的是，在向数字化系统移植的过程中，MOTOTRBO可能会同时工作于数字和模拟2种模式下，因此用户可能在2种模式下听到不同的响度。例如，一个用户同时扫描模拟信道和数字信道，而使用模拟对讲机的说话方处于一个类似办公室的安静环境，在这种环境下用户一般会轻声说话，从而导致输入信号低于98 dB SPL的响应等级。因此，在数字化移植期内，同样的输入声压级下，模拟响应可能比数字响应要低。