GМSК-модуляция.

data-ad-format="link">
4.5. GMSK-модуляция
 
GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) — гауссовская модуляция (точнее манипуляция) с минимальным частотным сдвигом (shift keying — манипуляция переключения сдвигом или переключения скачком), используемая в стандарте GSM , по сути есть не что иное, как двоичная цифровая частотная модуляция (ЧМ) с гауссовской предварительной фильтрацией (полоса гауссовского фильтра равна В = 81,3 кГц).
 
Как известно, частотная модуляция является наиболее часто используемым видом аналоговой модуляции. Для передачи данных была разработана цифровая ЧМ, известная как частотная манипуляция FSK (Frequency Shift Keying). Индекс модуляции систем FSK может быть установлен заранее и определяет режим узкополосной или широкополосной передачи. Для демодуляции большого класса сигналов с FSK могут использоваться простые некогерентные демодуляторы. Однако для таких демодуляторов необходимо более высокое отношение мощностей несущая/шум (CNR — Carrier-to-Noise-Ratio), чем для систем с когерентной демодуляцией.
 
Если в передатчике частотная девиация осуществляется согласно выражению [4.1]:
где Ть — длительность бита входной цифрой последовательности (при m4M = Afpp Ть = 1/2), то можно реализовать когерентную модуляцию/демодуляцию сигналов с минимальным частотным сдвигом MSK (Minimum Shift Keying).
 
На рис. 4.16 показана возможность получения частотной модуляции с помощью частотного генератора, управляемого напряжением (ГУН).
Частотная модуляции с помощью частотного генератора, управляемого напряжением

Рис. 4.16. Частотная модуляции с помощью частотного генератора, управляемого напряжением (ГУН)

Логическому состоянию «1» соответствует частота /2, а логическому состоянию «О» (уровень напряжения цифровых данных U0 = -1В) — частота/i.
 
Девиация частоты для когерентной FSK определяется выражением (4.1), при этом между передаваемыми частотами и битовой скоростью необходимо обеспечить соотношение когерентности, которому соответствует индекс частотной модуляции, определяемый выражением:
gsm
Как следует из названия модуляции GMSK, по сути термин «гауссовская» соответствует дополнительной фильтрации спектра модулирующей битовой последовательности относительно узкополосным гауссовским фильтром, имеющим отклик на прямоугольные импульсы при ВТЬ - 0,3 (рис. 4.17).
Отклик гауссовского фильтра на прямоугольный импульс
Рис. 4.17. Отклик g(f) гауссовского фильтра на прямоугольный импульс при значении ВТь = 0,3:
В — полоса гауссовского фильтра на уровне 3 дБ, Ть — длительность бита)

Итак, гауссовский узкополосный фильтр, используемый в модуляции GSMK стандарта GSM, имеет параметры: произведение полосы на длительность одного бита равно — ВТЬ = 0,3- При ВТЬ=> оо, данное значение соответствует MSK. Меньшие значения ВТЪ приводят к более компактному спектру, но и к увеличению уровня искажений.
 
Поэтому значение ВТЬ = 0,3 было выбрано из компромиссных соображений: достаточно высокая спектральная эффективность (то есть эффективность использования полосы частот В, (бит/с)/Гц, которая для GSM равна 1,35) и требуемая характеристика вероятности ошибки на бит (то есть величины BER — пороговой вероятности ошибки на бит), которая для кодеков адаптивной дельта-модуляции может допускать значения BER ^ 10-2, а для системы с ИКМ — BER ^ 10-4.
 
Для более детального изучения метода модуляции GSMK рассмотрим метод MSK, а потом учтем влияние гауссовского фильтра на результирующий модулирующий сигнал.
 
Метод MSK
 
Метод MSK обычно рассматривают как метод квадратурной фазовой манипуляции со смещением OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) [4.1, 4.4], но с заменой (в MSK) прямоугольных модулирующих импульсов [(длительностью 2Ть) в OQPSK] на полуволновые отрезки синусоид или косинусоид (длительностью также 2Ть).
 
Рассмотрим структурную схему модема (модулятор/демодулятор) MSK, приведенную на рис. 4.18 [4.1].
Схема модема MSK
Рис. 4.18. Схема модема MSK
Следует отметить, что в схеме (рис. 4.18) используются следующие обозначения:
 
® — перемножитель (балансный модулятор или сигнальный процессор);
ГЧ — генератор немодулированной несущей частоты (/о);
ФВ на 90° — фазовращатель на 90°; ® — сумматор, реализующий суммирование (точнее вычитание) двух членов выражения (4.6); ФИ — формирователь импульсов;
ВС — входной сигнал.
Модулятор MSK
 
1. Получим квадратурное представление сигналов FSK применительно к MSK.
 
Частотно-манипулированный сигнал Sfsk(0 можно рассматривать как гармонический сигнал (синусоидальный или косинусоидальный), частота которого может принимать два значения:
Модулятор MSK
2. На рис. 4.18 в схеме модулятора сигналов MSK оконечная его часть реализует выражение (4.6): сигнал немодулированной несущей с частотой /о перемножается (для этого в балансном смесителе выбран нелинейный режим, позволяющий реализовать перемножение) с синфазным
 
gsm
Дальнейший процесс формирования модулирующих сигналов MSK описан выше в п. 1-4 данного параграфа.
Временные диаграммы сигнала и изменения фазы модулирующего сигнала
Рис. 4.19. Временные диаграммы сигнала и изменения фазы модулирующего сигнала при MSK
Ширина главного лепестка спектра сигналов MSK равна ±3/4 Тв, то есть при длительности одного бита, равной Тв = 3,69 мкс, полоса частот fn = ±0,2 МГц, при этом спектр нефильтрованного сигнала MSK спадает пропорционально/"4.
 
Демодулятор MSK
 
После прохождения высокочастотного тракта с двойным преобразованием несущей частоты (см. рис. 4.2), сигнал вместе с шумом попадает в демодулятор MSK (см. рис. 4.18) и поступает по трем цепям, включая:
 
- две цепи в схеме перемножений по двум I(t) и Q(t) квадратурным сигналам;
- цепь в блоке СВН (схеме восстановления несущей).
 
Схема СВН выдает в перемножители сигналы восстановленной несущей / = /0 ± А/ , при этом используется задержка на 90° в фазовращателе сигнала, чтобы сформировать затем квадратурный сигнал Q(t).
 
После перемножителей формируются сигналы I(t) и Q(t), которые затем пропускаются через приемные фильтры (ПРМ/Ф), в качестве которых могут быть использованы фильтры низких частот (ФНЧ).
 
Сигналы I(t) и Q(t) затем поступают:
 
- в пороговые решающие схемы (ПРС);
- в схему восстановления тактовой частоты (СВТЧ).
 
Схема СВТЧ выдает сигналы на ПРС для жесткой привязки всего демодулятора по тактовой частоте цифровой последовательности Ts и с входов ПРС на 2 входа ППП, а также из схемы СВТЧ поступают сигналы для формирования из регенерированных квадратурных сигналов I(t) и Q(t), и объединенных в последовательно-паралельном преобразователе, чтобы получить исходную цифровую последовательность.
 
Модем (модулятор/демодулятор) GMSK
 
Модулятор GMSK отличается от модулятора MSK только тем, что перед схемой ППП включен предмодуляционный гауссовский фильтр нижних частот (ГФНЧ) с амплитудно-частотной характеристикой в форме гауссовской кривой (см. рис. 4.17), который приводит к следующим изменением в MSK:
 
- уменьшается ширина главного лепестка и уровни боковых лепестков спектральной плотности (формула (4.10)), что приводит к увеличению спектральной эффективности модулятора;
- использование ГФНЧ сглаживает зависимость фазы от величины (пТв) при фазочастотной манипуляции в MSK;
- выбор полосы ГФНЧ, равной В»0,3!ТВ, для GMSK позволяет, с одной стороны, сузить спектр цифрового сигнала, а с другой, увеличивает уровень межсимвольных искажений (то есть взаимное наложение символов друг на друга).
 
Рассмотрим частотную и импульсную характеристики ГФНЧ. На вход ГФНЧ подается цифровой поток сигналов БВН (NRZ):
gsm

Частотная и импульсная характеристики ГФНЧ определяются следующими выражениями [4.1]:
На рис. 4.17 показана импульсная характеристика ГФНЧ для значений ВТв: при ВТв = 0,3 и ВТв —> 00.
 
Таким образом, модулятор GMSK представляет собой соединение ГФНЧ и модулятора MSK.
 
При когерентной демодуляции сигналов с GMSK, как и в MSK, используется квадратурная структура, аналогичная сигналам с OQPSK, при этом демодулированные квадратурные низкочастотные сигналыI\t) и Q\t) описываются функциями cosqp(f) и sincp(f), соответственно.
 
Квадратурное представление модулированного сигнала с GMSK имеет следующий вид [4.1]:
gsm
С применением додетекторного полосового фильтра (ДДПФ) (особенно гауссовского ДЦПФ) при В{Гв а 0,63, когерентно демодулированные низкочастотные составляющие cos[qp(f)l и sin[(p(f)l содержат в себе значительно меньше составляющих межсимвольных искажений.
 
Окончательно цифровой демодулированный поток, пройдя ФНЧ, попадает в соответствии со схемой рис. 4.2 на вход эквалайзера канала.
 
Завершая рассмотрение модуляции GMSK, следует отметить ряд важных ее преимуществ:
 
1) достаточно высокая спектральная эффективность (эффективность использования полосы частот), равная: 270,883/200 = 1,354 (бит/с)/Гц, обусловленная использованием ГФНЧ с ВТв = 0,3;
2) низкий уровень помех по соседним частотным каналам;
3) приемлемая для практики помехоустойчивость: вероятность ошибки на бит Рс а 10_3 при отношении несущая/шум C/N = 30 дБ;
4) возможность использования когерентной и некогерентной демодуляции;
5) высокий коэффициент полезного действия усилителя мощности передатчика (благодаря использованию нелинейного усилителя НЛУ).
 
Модемы GMSK используются как в стандарте GSM, так и в других европейских стандартах.
В настоящее время имеется техническая реализация модема GMSK в виде однокристальной СБИС [4.1].
Основы сотовой связи стандарта GSM. 
       1. ВВЕДЕНИЕ В СТАНДАРТ GSМ. 
       2. ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSМ. 
       3. АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       4. МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ.
               4.1. Структурная схема мобильной станции.
               4.2. Особенности преобразования речевых сигналов в стандарте GSM.
               4.3. Кодирование речевых сигналов.
               4.4. Кодер канала. 
               4.5. GМSК-модуляция. 
               4.6. Высокочастотные тракты в мобильной станции. 
               4.7. Эквалайзер в мобильной станции. 
               4.8. SIМ-карта в мобильной станции. Аутентификация и идентификация          
               4.9. Управление мощностью в системах стандарта GSМ.
       5. БАЗОВЫЕ СТАНЦИИ.
       6. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM. 
       7. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       8. УСЛУГИ, ФРОД И БЕЗОПАСНОСТЬ В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       9. УПРАВЛЕНИЕ СЕТЯМИ СВЯЗИ В СТАНДАРТЕ GSM.
     10. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.