6.9) Скорость передачи и метод модуляции в gsm

Для передачи по одному частотному каналу в GSMпредставляется цифровой поток

(8 x33.8Кбит/с)=270.4 Кбит/с.

При этом ширина полосы канала 200 кГц. Простые виды модуляции несущей обеспечивают скорость передачи, не превышающую ширину полосы, т.е. на 200кГц – 200Кбит/с.

В GSMиспользуется модуляция, называемаяGaussian Minimum Shift Keying(GMSK). Она обеспечивает 270,4 Кбит/с в полосе 200кГц. Т.е. присутствует дополнительное сжатие информации в 1,35 раза.

Модуляция GMSKдает не самый лучший вариант повышения скорости передачи в полосе, в сравнении с другими цифровыми стандартами. Это ведет к снижению емкости в одной сотеGSMпо сравнению с другими системами. Однако,GMSKзаметно устойчивее к интерференциям. Это позволяет повысить переиспользование частот и выиграть в общей емкости сотовой сети.

GMSK обладает двумя особенностями: одна – «минимальный сдвиг», другая – гауссовская фильтрация. Они направлены на сужение полосы частот, занимаемой GMSK-сигналом.

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 ß= Δf/F(в радианах), где Δf– девиация (сдвиг) частоты, аF– 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 манипуляцииv= 2F= 1/T(v– в бит/с, аF– в Гц), гдеT– длительность посылок, индекс равенß= 2Δf/v.

ЧМ (ЧМн) подразделяют на узкополосную и широкополосную, зависящие от величины индекса. При узкополосной ЧМн, характеризуемой малым индексом (ß≤ 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 ß= 0,5 [3]. При ММС и, соответственно, при GMSK фаза частотно-манипулируемого колебания непрерывна, а её «набег» в течение одной посылки, обусловленный манипуляцией частоты ±Δω(±2πΔf), равен Δ= ± ΔωT. Приß= 0,5 он составляет π/2 и - π/2 для посылок «1» и «0», соответственно. Подчеркнём, что Δ– это не манипуляция фазы, а именно её «набег», обусловленный манипуляцией частоты. Приß= 0,5 скорость манипуляцииv= 4 Δf, которая для GMSK, используемой в GSM, составляетv= 270,833 Кбит/с при Δf= 67,70833 кГц.

Итак, GMSK – узкополосная ЧМн с «граничным» индексом манипуляции, который не очень мал, но спектр при нём практически ещё не расширен. Можно сказать, что индекс ß= 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 посылкиT. Связь импульсной характеристики сTопределяют параметромB– полосой гауссовского ФНЧ, равной частоте среза его АЧХ на уровне -3 дБ. ПараметрBопределяет произведениеB·T, которое для GSM равноB·T= 0,3. Отметим, чтоB·T– это не база сигнала, которая не может быть меньше единицы.

Гауссовскую фильтрацию осуществляют обычно в цифровом процессоре (DSP), в котором формируется сигнал модуляции.

Рисунок 6.10 – Квадратурный модулятор GMSK

Для реализация GMSK в системе GSM применяется квадратурный модулятор, схема которого приведена на рисунке 6.10. Собственно квадратурный модулятор содержит перемножители с опорными источниками cos(ω₀t_i) и sin(ω₀t_i) и вычитатель на выходе. На вход перемножителей поступают две составляющие квадратурного сигнала cos(±Δω)t_iи sin(±Δω)t_i, 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 рисунке показаны эквивалентные цепи DSP – гауссовский фильтр ГФ, интегратори 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.