ЛЮБИТЕЛЬСКАЯ РАДИОАППАРАТУРА > Радиолюбительский софт

18. Модуляция GMSK в современных системах радиосвязи

(1/1)

Alexey support:
18. Модуляция GMSK в современных системах радиосвязи
     Модуляция GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) - это гауссовская двухпозиционная частотная манипуляция с минимальным сдвигом, обладающая двумя особенностями, одна из которых – «минимальный сдвиг», другая - гауссовская фильтрация. Обе особенности направлены на сужение полосы частот, занимаемой GMSK-сигналом. Использование GMSK в системе сотовой радиосвязи GSM регламентируется стандартом ETSI (Европейский институт стандартов связи).
   Модуляция GMSK используется в современных системах цифровой радиосвязи GSM (DCS, PCS), GPRS и других и обеспечивает высокое качество передачи в относительно узкой полосе, занимаемой сигналом. GMSK реализуется в электронных компонентах, выпускаемых фирмами Analog Devices, Texas Instruments, Infineon Technologies и другими.
   В общем случае, при частотной модуляции (ЧМ, FM), в том числе, при манипуляции (ЧМн, FSK), спектр сигнала более широкий, чем при амплитудной модуляции (манипуляции). Расширение спектра, свойственное угловой модуляции, частным случаем которой является ЧМ (ЧМн), зависит от индекса модуляции - одного из её основных параметров. Индекс модуляции - это величина, характеризующая изменение фазы, обусловленное модуляцией. Для ЧМ (ЧМн) индекс равен β = Δf/F (в радианах), где Δf - девиация (сдвиг) 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»). При синусоидальной модулирующей функции индекс модуляции является амплитудой изменения фазы. С учётом скорости манипуляции v = 2F = 1/T (v - в бит/с, а F - в Гц), где T - длительность посылок, индекс равен β =2Δf/v.
   ЧМ (ЧМн) подразделяют на узкополосную и широкополосную, зависящие от величины индекса. При узкополосной ЧМн, характеризуемой малым индексом (β≤ 0,5), спектр сигнала сосредоточен, в основном, в полосе, определяемой удвоенным спектром манипулирующих посылок (практически без расширения). Отметим, что при узкополосной ЧМн частота манипуляции больше девиации частоты: F≥2Δf. Широкополосная ЧМ, применяемая, в основном, в качестве аналоговой (например, в радиовещательном УКВ-диапазоне), характеризуется большим индексом и, соответственно, расширением спектра ЧМ сигнала.
   В основе GMSK лежит ММС (MSK) - узкополосная ЧМн «с минимальным сдвигом», характеризуемая β = 0,5. При ММС и, соответственно, при GMSK фаза частотно-манипулируемого колебания непрерывна, а её «набег» в течение одной посылки, обусловленный манипуляцией частоты ±Δω(±2πΔf), равен Δφ =± ΔωT. При β = 0,5 он составляет π/2 и –π/2 для посылок «1» и «0», соответственно. Подчеркнём, что Δφ - это не манипуляция фазы, а именно её «набег», обусловленный манипуляцией частоты. При β=0,5 скорость манипуляции v = 4Δf, которая для GMSK, используемой в GSM, составляет v = 270,833 Кбит/с при Δf=67,70833 кГц.
   Итак, GMSK - это узкополосная ЧМн с «граничным» индексом манипуляции, который не очень мал, но спектр при нём практически ещё не расширен. Можно сказать, что индекс β = 0,5 является в этом смысле оптимальным. Однако если манипуляцию осуществлять прямоугольными посылками, в спектре которых содержатся высшие гармоники, спектр ЧМн-сигнала будет всё-таки расширен, но уже за счёт этих гармоник. Поэтому при формировании сигналов с GMSK используется гауссовская низкочастотная фильтрация модулирующих посылок. Гауссовской она называется потому, что в качестве импульсной характеристики фильтра используют характеристику нормального распределения Гаусса. Используют её симметричный отрезок, взятый на конечном интервале, равном длительности посылки T. Связь импульсной характеристики с T определяют параметром B - полосой гауссовского ФНЧ, равной частоте среза его АЧХ на уровне -3 дБ. Параметр B определяет произведение BT, которое для GSM равно BT = 0,3. Отметим, что BT - это не база сигнала, которая не может быть меньше единицы. Гауссовскую фильтрацию осуществляют обычно в цифровом процессоре (DSP), в котором формируется сигнал модуляции.

Реализация GMSK

   Для GMSK обычно используют одну из двух схем модуляции - c управляемым по частоте генератором (УГ) и квадратурным модулятором, которые в упрощенном виде показаны на рис. 1.

Рисунок 1. Схемы GMSK модуляторов

a) квадратурного модулятора, с управляемым генератором в составе системы ФАПЧ   (ω01/N= ω0/M)
б) формирователя сигнала модуляции с управляемым генератором в составе системы  ФАПЧ   (ω01/N= ω0/M)


    В модуляторе с УГ (рис. 1а) используется система ФАПЧ, обеспечивающая высокую стабильность несущей частоты ЧМ (ЧМн) сигнала. При этом собственно модулятором является УГ, а система ФАПЧ обеспечивает получение несущей, равной ω0=(M/N)ω01, где M и N - это коэффициенты деления частоты в делителях «:M» и «:N», а  ω0 - стабильная частота опорного источника. Делители используются для точной настройки на требуемую частоту  ω0. В этом смысле модулятор по схеме на рис. 1а является одновременно синтезатором частот типа «Integer-N».   
   Модулятор характеризуется передаточной функцией Kмод(p) = KУГ/[1 + kФ(p)/pτ0] (1),
где KУГ - коэффициент преобразования УГ (с размерностью (рад/с)/В), τ0=M/KУГKФДKФ - постоянная времени, KФД - коэффициент передачи фазового детектора ФД, KФ и kФ(p) - постоянный и частотно-зависимый множители передаточной функции фильтра Ф. Согласно (1), модулятор обладает свойствами фильтра верхних частот. Это соответствует используемым кодовым последовательностям модулирующего сигнала (без учёта постоянной составляющей).
   Модулятор по схеме рис. 1а является, по существу, аналоговым, используемым для манипуляции. Обозначения, приведённые на рис. 1а (и на других рисунках), например, cos(ω0±Δω)ti, являются упрощёнными и, строго говоря, соответствуют установившимся значениям частоты посылок (то есть без учёта переходных процессов, связанных с изменением частоты ± ω).
   Модулятор GMSK с УГ по схеме на рис. 1а применяется обычно в беспроводной телефонии (в системе DECT), а в системе GSM применяется квадратурный модулятор, схема которого приведена на рис. 1б. Собственно квадратурный модулятор содержит перемножители с опорными источниками cosω0ti и sinω0ti и вычитатель на выходе. На вход перемножителей поступают две составляющие квадратурного сигнала cos(±Δω)ti и sin(±Δω)ti, формируемые обычно в DSP. При этом если модулятор аналоговый, на выходе DSP используют ЦАП. Квадратурный модулятор может быть цифровым и иметь ЦАП на своём выходе. На рис. 1б показаны эквивалентные цепи DSP - гауссовский фильтр ГФ, интегратор ∫dt и элементы тригонометрических функций «cos» и «sin». На вход поступает нефильтрованная последовательность положительных и отрицательных значений «±Δω», соответствующая «1» и «0» модулирующего кода. Указанная последовательность фильтруется в ГФ. Её фронты сглажены, а частотный спектр, соответственно, сужен.
   На рис. 2 приведены схемы квадратурных модуляторов, совмещённых с повышающим преобразователем частоты: ω0=ω01+ω02, где ω0 – несущая ВЧ, ω01 - несущая на входе модулятора, определяемая частотой первого гетеродина, ω02 – частота второго гетеродина. Показанные на входе cosΩti и ±sinΩti, которые более наглядны, соответствуют сos(±Δω)ti и sin(±Δω)ti на рис. 1б (при Δω=Ω).
   Схема устройства на рис. 2а проще, чем на рис. 2б, и содержит последовательно включенные модулятор и преобразователь частоты. Преобразователь построен с использованием системы ФАПЧ и дополнительно содержит смеситель (перемножитель) и фильтр Ф2. Фильтр пропускает составляющие с несущей ω01, равной разности ω0√ω02, и подавляет составляющие с ω0+ω02. Фильтр Ф2 не является обязательным, если, например, смеситель выполнен по балансной схеме.

Рисунок 2. Преобразователи частоты

a) с модулятором на входе
б) со встроенным модулятором (Δω=Ω, ω01= ω0√ ω02)


   Передаточная функция преобразователя на рис. 2а является, в отличие от (1), функцией фильтра нижних частот: Kпр(p) = 1/{1 + p[τ0/ KФ1(p)√τзад2]} (2), где KФ1(p) - частотно-зависимый множитель функции фильтра Ф1, а τзад2=-Δφ2/ Δω - временная задержка, вносимая фильтром Ф2 (на рабочем участке его ФЧХ). Влияние Ф2 на передаточную функцию (2) видно из Kпр(p)=1/[1+p(τ0+√ τзад2)+р2τ0τф1] (3) - функции системы 2-го порядка с KФ1(p) = 1/(1+pτф1). Согласно (3), действие τзад2 эквивалентно уменьшению τ0 при соответствующем увеличении τф1(когда τ0τф= const) и может быть компенсировано увеличением τ0 при уменьшении τф1.   
   На рис. 2б показана более сложная схема совмещённого модулятора-преобразователя, известного как модулятор передатчика с виртуальной промежуточной частотой и используемого в новых разработках фирмы Analog Devices. В рассматриваемом устройстве модулятор встроен в систему ФАПЧ вместе с преобразователем. На выходе модулятора - сумматор, а выходной частотой модулятора является ω01, которая равна частоте опорного колебания первого гетеродина, подаваемого на внешний вход ФД. На выходе преобразователя будут манипулируемые значения частоты ω01±Δω, где ω0=ω01+ω02; ω02 - частота второго гетеродина, а манипуляция частоты ± Δω определяется входным сигналом модулятора (Δω=Ω).

Применение GMSK

   Модуляция GMSK применяется, прежде всего, в широко распространённой и зарекомендовавшей себя цифровой системе мобильной сотовой радиосвязи GSM-900 (Global System for Mobile Communications). В более высокочастотных её вариантах - европейском DCS-1800 (GSM-1800) и северо-американском PCS-1900 (GSM-1900), а также в новой системе GPRS (General Packet Radio Service).
   Отметим весьма важное обстоятельство, касающееся построения современных приёмных каналов в системах GSM и других, не связанное, однако, с рассматриваемым видом модуляции. Это - применение супергомодинного метода радиоприёма вместо традиционного супергетеродинного. При супергомодинном методе нет промежуточного преобразования частоты (ВЧ в ПЧ), а настройка приёмного канала на требуемую частоту осуществляется изменением опорной частоты демодулятора. При этом благодаря более совершенной фильтрации на входе приёмного канала, а также применению цифровой манипуляции (вместо аналоговой модуляции), обеспечивается высококачественный приём радиосигналов без недостатков, присущих супергетеродинному методу. Кроме того, применение супергомодинного метода приводит к упрощению схемы приёмного канала и снижению стоимости комплектующих микросхем.

Краткое описание микросхем ведущих фирм-производителей, использующих GMSK

    Фирма Analog Devices выпускает чипсет «Othello» в составе двух микросхем AD6523 (модулятор/демодулятор приёмопередатчика) и AD6524 (синтезатор частот) и анонсировала новый чип «Othello One» - одну микросхему AD6534, заменяющую указанные две. В чипсете «Othello» и чипе «Othello One» используется рассмотренный выше «виртуальный» модулятор (рис. 2б). На рис. 2б он показан в упрощённом виде, а в указанных устройствах он имеет отличия. Дополнительно в его составе имеются делители частоты «:N» и «:M».
   Канал передачи чипа «Othello One» с дополнительными внешними элементами содержит рассмотренный модулятор с «виртуальной» ПЧ, преобразователь частоты (ПЧ в ВЧ) и два коммутируемых усилителя мощности для диапазонов частот GSM 900 МГц и GSM (DCS, PCS) 1800/1900 МГц.
   Преобразователь и усилители, вместе с антенным коммутатором и входными полосовыми фильтрами приёмного канала, составляют внешнюю высокочастотную часть схемы приёмопередатчика. Канал приёма содержит три коммутируемых входных цепи с полосовыми фильтрами и малошумящими усилителями для диапазонов 900, 1800 и 1900 МГц, демодулятор и усилители низкой частоты с ФНЧ. В приёмном канале чипа «Othello One», как и чипсета «Othello», используется указанный супергомодинный метод.
   Для работы с радиочастотными AD6523/4 и AD6534 предназначены низкочастотные чипсет AD20msp425 (содержащий микросхемы AD6421 и AD6426) и новый чипсет AD20msp430 «SoftFone» (содержащий AD6521 и AD6522). AD6421 и AD6521 - это кодеки, а AD6426 и AD6522 - процессоры.
   Чипсет «Othello» и чип «Othello One» могут быть использованы также в системах GPRS и EDGE (Enhanced Data GSM Environment). Так как в EDGE применена 8-PSK (8-позиционная фазовая манипуляция), в передающем канале на выходе чипа «Othello One» используется микросхема AD6021, в которой осуществляется как преобразование частоты, так и преобразование GMSK в 8-PSK.
   Наряду с рассмотренными чипсетом «Othello» и чипом «Othello One», фирма Analog Devices выпускает микросхему более ранней разработки AD6432, представляющую собой субсистему канала промежуточной частоты приёмопередатчика. В указанной микросхеме реализуется супергетеродинный метод, а для модуляции используется квадратурный модулятор. Микросхема предназначена для работы в системах радиосвязи GSM/DCS/PCS совместно с чипсетами AD20msp410 (AD7015, ADSP2178, ADPLP01) или AD20msp415 (AD6421, AD6422), в которых формируется сигнал модуляции.
   В цифровых микросхемах AD9857 и AD9773/5/7 используются, соответственно, цифровые квадратурные модуляторы, в которых также предусмотрена реализация GMSK. Помимо модуляторов, указанные микросхемы содержат интерполирующие фильтры (на входе) и ЦАП (на выходе).
   Для системы DECT, также использующей GMSK, выпускается микросхема приёмопередатчика AD6411, модулятор которой соответствует схеме на рис. 1а.
   Фирма Texas Instruments также приступила к выпуску новых чипсетов: TCS1100 (содержащий микросхемы TBB1100, TWL3012 и TRF6053/TRF2253) - для системы GSM; TCS2100 (содержащий TBB2100, TWL3014 и TRF6150) - для системы GPRS. TRF6053 и TRF2253 - это микросхемы приёмопередатчика и синтезатора, а TRF6150 - приёмопередатчика со встроенным синтезатором. В TRF6053 (для GSM) модулятор с преобразователем частоты выполнен по схеме, аналогичной на рис. 2б, но в приёмном канале используется супергетеродинный метод. В TRF6150 (для GPRS) модулятор с преобразователем выполнен по схеме, аналогичной на рис. 2а, а в приёмном канале используется супергомодинный метод.
   В передающем канале приёмопередатчика с TRF6150 содержатся также два коммутируемых усилителя мощности, а в приёмном канале - два входных полосовых фильтра для диапазонов 900 и 1800/1900 МГц. Входной фильтр 900 МГц постоянно подключен к демодулятору 900 МГц, а фильтр 1800/1900 МГц может быть подключен к одному из демодуляторов - 1800 или 1900 МГц. Все три демодулятора - квадратурные. Микросхема TRF6150 содержит в своём составе два синтезатора - типа «Integer-N» для модулятора (ω01 на рис. 2а) и типа «Fractional-N» для преобразователя ПЧ в ВЧ в передающем канале (ω02 на рис. 2а) и демодуляторов приёмного канала.
   Предшественниками микросхем TRF6053, TRF2253 и TRF6150, являются модулятор/синтезатор TRF3040, модулятор TRF3520, приёмник TRF1020, а также синтезаторы TRF2020, TRF2050.
   Фирма Infineon Technologies также выпускает новые чипсеты для систем GSM и GPRS. В их составе: PMB 6250/3/6 (SMARTi / SMARTi+ / SMARTi DC) - микросхемы приёмопередатчиков, из которых последняя - с DC (Direct Converter), то есть без промежуточного преобразования частоты; PMB 6850 (E-GOLD+) и PMB 8880 (M-GOLD) - микросхемы для цифровой обработки низкочастотного сигнала, в том числе для формирования сигнала модуляции; другие микросхемы, образующие с указанными комплекты, необходимые для формирования приёмопередающих систем. Модулятор и преобразователь ПЧ в ВЧ выполнены по схеме, аналогичной на рис. 2а (но фильтр Ф2 не показан).
   В чипсете для системы DECT - микросхемы PMB 6720, PMB 6610 и PMB 6818/9. В микросхеме приёмопередатчика PMB 6610 используется модулятор по схеме, аналогичной на рис. 1а.

Навигация

[0] Главная страница сообщений

Перейти к полной версии