Лекция №5. Модуляция в радиопередатчиках цифровых радиосистем Модуляция в цифровых системах сотовой связи gsm-r

Стандарт GSM-R предусматривает работу передатчика в двух диапазонах частот: 890 – 915 МГц (для передатчиков передвижных радиостанций) и 935 – 960 МГц (для передатчиков базовых станций).

Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывитой передачи, которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключает его в паузах и в конце разговора.

В системе сотовой радиосвязи GSM-R использование GMSK регламентируется стандартом ETSI (Европейский институт стандартов связи).

GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) – это гауссовская двухпозиционная частотная манипуляция с минимальным сдвигом, обладающая двумя особенностями, одна из которых – минимальный сдвиг(MSK), другая – гауссовская фильтрация (G). Обе особенности направлены на сужение полосы частот, занимаемой GMSK-сигналом. В общем случае, при частотной модуляции (ЧМ), в том числе, при манипуляции (ЧМн), спектр сигнала более широкий, чем при амплитудной модуляции (АМ) или манипуляции (АМ_Н).

Расширение спектра, свойственное угловой модуляции, частным случаем которой является ЧМ (ЧМн), зависит от индекса модуляции – одного из её основных параметров. Для ЧМ (ЧМн) индекс модуляции равен m = Δf /F, где Δf – девиация частоты, а F – частота модуляции (манипуляции). Характер изменения фазы зависит от формы модулирующей функции частоты. Для обычной ЧМн – функция прямоугольна, а для ЧМн с гауссовской фильтрацией, сглаживающей фронты посылок, близка к синусоидальной (при последовательности чередующихся посылок "0" и "1").

Индекс модуляции систем с ЧМн может быть установлен заранее и определяет режим узкополосной или широкополосной передачи. Для демодуляции большого класса сигналов с ЧМн могут использоваться простые некогерентные демодуляторы. Однако для таких демодуляторов необходимо более высокое отношение мощностей сигнал/шум, чем для систем с когерентной модуляцией. Если индекс модуляции выбран m = Δ f/F = Δf Т_b = 0,5 (Т_b – длительность бита входной цифровой последовательности), то можно реализовать когерентную модуляцию/демодуляцию сигналов с минимальным частотным сдвигом MSK.

В зависимости отвеличины индекса ЧМн подразделяют на узкополосную и широкополосную. При m=0,5 ЧМн будет узкополосной, и спектр сигнала сосредоточен, в основном, в полосе, определяемой удвоенным спектром манипулирующих посылок. Однако, спектр ЧМн-сигнала будет всё-таки расширен, за счёт гармоник, которые содержатся в спектре прямоугольных модулирующих посылок.

Широкополосная ЧМ, применяемая, в основном, в качестве аналоговой (например, в радиовещательном УКВ-диапазоне), характеризуется большим индексом и, соответственно, расширением спектра ЧМ сигнала.

При формировании сигналов с GMSK используется дополнительная фильтрация спектра модулирующей битовой последовательности относительно узкополосным (В = 81,3 кГц –полоса пропускания на уровне 3 дБ) гауссовским фильтром, имеющим отклик (h) на прямоугольные импульсы при. BТ_b = 0,3. Гауссовскую фильтрацию осуществляют обычно в цифровом процессоре (DSP), в котором формируется сигнал модуляции. При BТ_b → ∞, данное значение будет соответствовать MSK, а меньшие значения приводят к более компактному спектру, но при этом увеличивается уровень искажений. Поэтому значение BТ_b = 0,3 было выбрано как оптимальное: достаточно высокая эффективность использования полосы частот B и обеспечение требуемой характеристикаи вероятности ошибки на бит.

Передатчик. Речевой сигнал, преобразованный микрофоном (Мк) в электрический аналоговый сигнал и усиленный усилителем звуковой частоты (УЗЧ), поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), на выходе которого речевой сигнал преобразуется в цифровую форму. Далее передача сигнала производится в цифровой форме.

Кодер речи осуществляет кодирование речевого сигнала, то есть преобразование цифрового сигнала по определенным законам, с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи.

Кодер канала добавляет в цифровой сигнал информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи. С той же целью информация подвергается определенной переупаковке. Кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока CPU (обрабатывающий процессор).

Генератор частот предназначен для формирования модулирующего сигнала из сформированного цифрового сигнала при непосредственном управлении от CPU.

Фазовый модулятор реализует гауссовскую манипуляцию с минимальным частотным сдвигом (GMSК), то есть перенос цифрового сигнала в область радиочастотного канала. В стандарте GSM с модуляцией GMSК произведение BT_b=0,3 определяет частоту среза предмодуляционного гауссовского фильтра. Такое значение произведения BT_b достигается путем сложной аппаратурной реализации для увеличения требуемого отношения сигнал/шум (с/ш) и уменьшения влияния условий распространения радиоволн. При GMSК обеспечивается высокий КПД усилителя мощности и приемлемая помехоустойчивость: вероятность ошибки Р=10^-3 при с/ш 30 дБ.

Смеситель (СМ_П) предназначен для переноса сигнала на выходе фазового модулятора с частотой f_ФМ в диапазон частот 890…915 МГц под действием сигнала, поступающего с синтезатора частот f₀, управляемого из CPU.

Фильтр сосредоточенной селекции (ФСС1) – обычно выполняемый на кремниевом фильтре – настраивается на одну из выбираемых CPU несущих частот и реализует фильтрацию высших гармоник для уменьшения межканальных влияний.

Усилитель мощности (УМ) не только усиливает высокочастотный сигнал с выхода ФСС, но и под действием команд из CPU меняет коэффициент усиления, то есть используется режим нелинейного усиления.

Высокочастотный сигнал с выхода усилителя мощности через фильтр сосредоточенной селекции (ФСС2) поступает на антенный коммутатор (АК) и в случае передачи речевого сигнала CPU переключает АК в режим передачи.

Следует отметить, что тракт: фазовый модулятор – смеситель – ФСС1 – УМ – ФСС2 – часто называют модемом GSMК, так как его реализуют на однокристальной сверхбыстродействующей большой интегральной микросхеме (СБИС). Модем используется в нескольких Европейских стандартах.

Таким образом, аналоговая часть передатчика выполняет обычные функции переноса информации кодированного сигнала в область несущей частоты выбранной для передачи канала. Цифровая часть при участии CPU осуществляет обработку и передачу информации в цифровой форме.

Приемник. Высокочастотный сигнал в диапазоне 935…960 МГц принимается через антенный коммутатор (включаемый CPU в режиме приема) поступает в высокочастотный фильтр (обычно фильтр поверхностной акустической волны – керамический фильтр ФПАВ), усиливается в высокочастотном малошумящем усилителе (МШУ).

Первый смеситель СМ1 позволяет сдвинуть сигнал в более низкочастотную область, при этом на второй вход СМ1 от синтезатора частот, управляемого от CPU, подается сигнал гетеродина. Фильтр сосредоточенной селекции ПАВ (ФСС3) выделяет сигнал на первой промежуточной частоте и далее этотсигнал усиливается в тракте усилителей первой промежуточной частоты УПЧ1.

Сигнал первой промежуточной частоты поступает на вход второго смесителя СМ2, на второй вход которого подается сигнал гетеродина 2 (генератор частот). Далее ФСС4 на ПАВ выделяет сигнал второй промежуточной частоты, которая усиливается УПЧ2 и поступает в блок демодуляции.

В блоке демодуляции сигнал вначале демодулируется в фазовом демодуляторе и в виде цифрового видеосигнала поступает на вход канального эквалайзера. Эквалайзер – это адаптивный фильтр, настраиваемый таким образом, чтобы сигнал на его входе был по возможности в большей степени очищен от межсимвольных искажений, содержащихся во входном сигнале. Назначение канального эквалайзера состоит в компенсации разности хода между составляющими радиолучами, которая возникает при многолучевом распространении радиоволн, и приводит к межсимвольной интерференции.

Декодер канала реализует процесс, обратный кодированию. В нем декодируется весь поток информации: управляющая и речевая, которые были закодированы.

Декодер речи декодирует цифровой поток речевой информации для дальнейшего преобразования ее из цифровой формы в аналоговую в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП).

Далее электрический сигнал аналоговой речевой информации подается на телефон.

В синтезаторе частоты (СЧ) формируются колебания радиочастоты для передачи информации по радиоканалу. В режиме приема СЧ формирует колебания гетеродина, переключаясь в разные области выделенной полосы частот для передачи и приема. Кроме этих функций, СЧ, под действием управляющих сигналов от CPU, реализует процесс скачков по частоте (frequency hopping). При этом в стандарте GSM используются медленные скачки с переключением по частоте в каждом очередном кадре.

В системе стандарта GSM передатчик и приемник работают неодновременно. Передача, то есть включение тракта радиочастоты осуществляется только в течение 1/8 длительности кадра, то есть 4.615 мС/8 = 0,577 мС (кадр TDMA, состоящий из 8 слотов имеет длительность 4,615 мС).

Метод MSK обычно рассматривают как метод квадратурной фазовой манипуляции со смещением, но с заменой в MSK прямоугольных модулирующих длительностью 2Т_b импульсов на полуволновые отрезки синусоид и косинусоид той же длительности.

Получим квадратурное представление для сигналов ЧМ_Н применительно к MSK. Частотно-манипулитованный сигнал S_чм(t) можно рассматривать как гармонический сигнал (синусоидальный или косинусоидальный), частота которого может принимать два значения:

f₁ = f₀ – Δf и f₂ = f ₀ – Δf.

При этом он может быть представлен в виде:

S_чм(t) = Acos [2π(f₀ ± Δf)t] = Acos(± 2π Δf t) cos (2π f₀ t) –

– Asin(± 2π Δf t ) sin(2π f₀ t),

где A – амплитуда сигнала S_чм(t).

Для когерентной модуляции/демодуляции m = Δf Т_b = 0,5 при длительностибита 2Т_b девиация частоты выбирается из условия Δf = 1/4 Т_b.

Тогда сигнал MSK можно записать следующим образом:

S_MSK (t) = Acos(± π t/2 Т_b) cos (2πf₀t) – Asin(± π t/2 Т_b) sin(2πf₀t),

(5.1)

при (n-1)Т_b ≤ t ≤ nТ_b.

Это выражение является квадратурным представлением сигналов ЧМ_Н применительно к MSK.

Модулятор MSK. С выхода кодера канала цифровая последовательность в виде кода поступает на вход последовательно-параллельного преобразователя (ППП), который разделяет цифровой поток на два бита:

– a_i (t) – синфазный (нечетные биты);

– a_Q (t) –квадратурный (четные биты).

Эти потоки цифровых символов имеют скорость, равную половине входной битовой последовательности, так как происходит распределение ее на два потока. Если скорость битовой последовательности входного кода равна F_П = 1/ 2Т_b, тогда скорость потоков a_i (t) и a_Q (t) будет равна F_ПП = 1/4 Т_b, а период символьной последовательности Т_ПП = 4 Т_b.

Итак, в блоке ППП цифровой поток разделился на нечетные и четные биты, длительность которых равна 2Т_b , их знаки определяются знаками входных битов.

Использование задержки для входящих сигналов (ВС) на Δt_З = Т_b, приводит к смещению a_Q (t) на время Т_b.

На входы формирователей импульсов (ФИ) синусоидальной формы поступают нечетные и четные последовательности импульсов, которые в ФИ преобразуются в отрезки косинусоидальной

a_i cos (± π t/2Т_b)

и синусоидальной формы (путем введения дополнительной задержки Δt_З)

a_Q [± π(t – Т_b)/2Т_b] = a_Q sin(± π t/2Т_b).

Пройдя блок ПРД/Ф (блок передающего ФНЧ) они окончательно формируются в сигналы:

I(t) = a_i (t)cos (± π t/2Т_b)

Q(t) = a_Q sin(± π t/2Т_b).

Сигнал немодулированной несущей с частотой f₀ перемножается в оконечной части модулятора с синфазным I(t) и квадратурным Q(t) низкочастотными сигналами, несущими информацию цифрового потока с выхода кодера.

В зависимости от соотношения a_i и a_Q , а также знаков выражений a_i cos (± π t/2Т_b) и a_Q sin(± π t/2Т_b), происходит изменение фазы сигнала S(t) скачками по 90⁰ , а по частоте верхняя или нижняя полоса (f₁ = f₀–Δf или f₂ = f₀ – Δf). Другими словами, имеет место частотно-фазовая манипуляция: частотная за счет смены нижней боковой частоты на верхнюю или наоборот, а фазовая – в результате смены полярности модулирующего сигнала. Отсюда следует, девиация частоты Δf = F_П/2. Из–за деления входного цифрового потока на два подпотока его частота уменьшается вдвое и F_П = 1/2Т_b, тогда Δf = 1/4Т_b . Индекс модуляции, равный отношению девиации к частоте цифрового потока есть индекс MSK, то есть m = Δ f /_.F_П = 0,5. Это определяет термин MSK –«манипуляция минимального частотного сдвига».

Демодулятор MSK. После прохождения тракта радиочастоты с двойным преобразованием несущей сигнал вместе с шумом попадает в демодулятор MSK и поступает по трем цепям, включая:

– две цепи в схеме перемножений по двум сигналам синфазным I(t) и квадратурным Q(t);

–цепь в блоке восстановления несущей частоты (схема СВН).

Схема СВН выдает в перемножители сигналы восстановления несущей частоты f = f₀ ± Δf, при этом используется задержка на 90⁰ 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). 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 Т_s и с выходов ПРС на два входа параллельно-последовательного преобразователя (ППП). Также из схемы СВТЧ поступают сигналы для формирования исходной цифровой информации из регенерированных и объединенных в ППП сигналов I(t) и Q(t).

Модулятор и демодулятор GMSК. Модулятор GMSК 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. Фильтр приводит к следующим изменениям в MSK:

–уменьшается ширина главного лепестка и боковых лепестков спектральной плотности сигнала радиочастоты, что приводит к увеличению спектральной эффективности модулятора;

–использование ГФНЧ сглаживает зависимость фазы от величины (nТ_b) при фазочастотной манипуляции MSK;

–выбор полосы ГФНЧ равной В = 0,3/Т_b для GMSК позволяет, с одной стороны, сузить спектр цифрового сигнала, а с другой, увеличивает уровень межсимвольных искажений (то есть наложение символов друг на дркга).

На вход фильтра подается цифровой поток сигналов, в виде биполярного кода БВН (NRZ–без возвращения к нулю):

,

где U_n = ± 1; Т_b –длительность бита; П(t/ Т_b) –прямоугольная функция:

П вне этого интервала.

Импульсная характеристика ГФНЧ определяется следующим образом:

h (t) = B exp .

Эффективная длительность отклика фильтра составляет от 4Т_b до 5Т_b.

При когерентной демодуляции сигналов GMSК, как и в MSK используется квадратурная структура. Демодулированные сигналы I^′(t) и Q^′ (t) получаются перемножением принятого модулированного сигнала S^′(t) на составляющие восстановленной несущей (в СВН) cos2πf₀t и sin2πf₀t, соответственно, и подавлением высокочастотных спектральных составляющих с помощью ФНЧ. С применением додетекторного гауссовского полосового фильтра при ВТ_b ≈ 0,63, когерентно демодулированные косинусоидальные и синусоидальные низкочастотные составляющие содержат в себе значительно меньше межсивольных искажений.

Окончательно цифровой демодулированный поток, пройдя ФНЧ, попадает на вход эквалайзера.