Вам бонус- начислено 1 монета за дневную активность. Сейчас у вас 1 монета

4.5. GMSK и MSK модуляции используемые в стандарте GSM

Лекция



Привет, Вы узнаете о том , что такое gmsk-модуляция, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое gmsk-модуляция, gsm, , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Основы сотовой связи стандарта GSM.

GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)

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).

Гауссовская частотная модуляция с минимальным сдвигом (GMSK) — вид частотной модуляции (манипуляции) с индексом модуляции равным 0.5, при которой последовательность из прямоугольных информационных импульсов проходит через гауссовский фильтр нижних частот.

4.5. GMSK и  MSK модуляции  используемые в стандарте GSM

Последовательность двоичных символов и радиосигнал с MSK

Преимущество данного вида модуляции в том, что сигналы с GMSK имеют низкий уровень внеполосных излучений, то есть меньше мешают другим пользователям эфира, чем сигналы с MSK. Как и сигналы с MSK, сигналы с GMSK имеют непрерывную фазу.

Модулирующий сигнал получается путем преобразования информационного потока из вида 0/1 в вид −1/+1. Затем последовательность из символов 1 и -1 фильтруется гауссовым фильтром таким образом, что прямоугольные импульсы преобразуется в импульсы гауссовского вида. Далее полученный сигнал подается на ЧМ модулятор с индексом модуляции равным 0,5, и таким образом образуется полный сигнал GMSK. Это очень простой метод, но выполнить требование точности индекса модуляции на практике сложно. Обычно используют квадратурный модулятор, в котором «тяжесть» переносится на фазовращатель для фильтрованного сигнала, что для цифровых схем сложности не представляет. Чем больше наложение откликов фильтра на прямоугольные импульсы, тем более существенны межсимвольные искажения между соседними битами. В случае, когда производится суперпозиция N GMSK сигналов с различными амплитудами модуляцию называют N-GMSK .

Используется для передачи данных в стандартах GSM, DECT, CDPD, AIS, и Mobitex.

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]:

4.5. GMSK и  MSK модуляции  используемые в стандарте GSM

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).

4.5. GMSK и  MSK модуляции  используемые в стандарте GSM

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

Логическому состоянию «1» соответствует частота f2, а логическому состоянию «О» (уровень напряжения цифровых данных U0 = -1В) — частота f1.

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:

4.5. GMSK и  MSK модуляции  используемые в стандарте 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. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 4.17).

4.5. GMSK и  MSK модуляции  используемые в стандарте GSM

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.

Частотная модуляция минимального фазового сдвига MSK (Minimum Shift Keying)

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].

4.5. GMSK и  MSK модуляции  используемые в стандарте GSM

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:

4.5. GMSK и  MSK модуляции  используемые в стандарте GSM

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

4.5. GMSK и  MSK модуляции  используемые в стандарте GSM

Дальнейший процесс формирования модулирующих сигналов MSK описан выше в п. 1-4 данного параграфа.

4.5. GMSK и  MSK модуляции  используемые в стандарте GSM

Рис. 4.19. Временные диаграммы сигнала и изменения фазы модулирующего сигнала при MSK

4.5. GMSK и  MSK модуляции  используемые в стандарте GSM

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-паралелльном 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):

4.5. GMSK и  MSK модуляции  используемые в стандарте GSM


Частотная и импульсная характеристики ГФНЧ определяются следующими выражениями [4.1]:

4.5. GMSK и  MSK модуляции  используемые в стандарте GSM

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]:

4.5. GMSK и  MSK модуляции  используемые в стандарте 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]

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

Анализ данных, представленных в статье про gmsk-модуляция, подтверждает эффективность применения современных технологий для обеспечения инновационного развития и улучшения качества жизни в различных сферах. Надеюсь, что теперь ты понял что такое gmsk-модуляция, gsm, и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Основы сотовой связи стандарта GSM

создано: 2017-07-19
обновлено: 2023-09-27
132469



Рейтиг 9 of 10. count vote: 2
Вы довольны ?:


Найди готовое или заработай

С нашими удобными сервисами без комиссии*

Как это работает? | Узнать цену?

Найти исполнителя
$0 / весь год.
  • У вас есть задание, но нет времени его делать
  • Вы хотите найти профессионала для выплнения задания
  • Возможно примерение функции гаранта на сделку
  • Приорететная поддержка
  • идеально подходит для студентов, у которых нет времени для решения заданий
Готовое решение
$0 / весь год.
  • Вы можите продать(исполнителем) или купить(заказчиком) готовое решение
  • Вам предоставят готовое решение
  • Будет предоставлено в минимальные сроки т.к. задание уже готовое
  • Вы получите базовую гарантию 8 дней
  • Вы можете заработать на материалах
  • подходит как для студентов так и для преподавателей
Я исполнитель
$0 / весь год.
  • Вы профессионал своего дела
  • У вас есть опыт и желание зарабатывать
  • Вы хотите помочь в решении задач или написании работ
  • Возможно примерение функции гаранта на сделку
  • подходит для опытных студентов так и для преподавателей



Комментарии


Оставить комментарий
Если у вас есть какое-либо предложение, идея, благодарность или комментарий, не стесняйтесь писать. Мы очень ценим отзывы и рады услышать ваше мнение.
To reply

Основы сотовой связи стандарта GSM

Термины: Основы сотовой связи стандарта GSM