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) — 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.
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]:
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).
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:
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).
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 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].
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:
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
Дальнейший процесс формирования модулирующих сигналов MSK описан выше в п. 1-4 данного параграфа.
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.
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:
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:
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.
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:
Рассмотрим частотную и импульсную характеристики ГФНЧ. На вход ГФНЧ подается цифровой поток сигналов БВН (NRZ):
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]:
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:
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]
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
Комментарии
Оставить комментарий
Основы сотовой связи стандарта GSM
Термины: Основы сотовой связи стандарта GSM