🗊Презентация Модуляція сигналів в цифрових системах мобільного зв'язку D-AMPS та GSM 1

Лекція 6 Модуляція сигналів в цифрових системах мобільного зв'язку D-AMPS та GSM 1. Поняття модулятор, демодулятор, види модуляції Модулятор – це останнім елемент тракту передачі, який не виконує ніяких операцій по цифровій обробці сигналів, а лише переносить інформацію цифрового сигналу з виходу кодера каналу на несучу частоту, тобто здійснює модуляцію надвисокочастотної (НВЧ) несучої низькочастотним (НЧ) цифровим відеосигналом. Модульований НВЧ сигнал з виходу модулятора через антенний комутатор поступає на антену і випромінюється в ефір, щоб потім бути прийнятим антеною РС. Відповідно, демодулятор – перший елемент приймального тракту, і його задача – виділити з прийнятого модульованого радіосигналу інформаційний відеосигнал, який піддається потім цифровій обробці в наступній частині приймального тракту.

Існують три основні види модуляції: Існують три основні види модуляції: 1) амплітудна модуляція – AM (англійський термін Amplitude Modulation — AM); 2) частотна модуляція – ЧМ (Frequency Modulation – FM); 3) фазова модуляція – ФМ (Phase Modulation – РМ). В цифровому стільниковому зв'язку стандартів 2-го покоління фігурують такі назви, як 1) квадратурна фазова маніпуляція (Quadrature Phase Shift Keying – QPSK); 2) мінімальна маніпуляція (Minimum Shift Keying – MSK) і т.п. Насправді – це різновиди фазової або частотної модуляції, призначені для передачі дискретних (цифрових) сигналів, і англійський термін shift keying (маніпуляція) – це перемикання зсувом або перемикання стрибком, тобто дискретне перемикання. Дискретна модуляція (модуляція дискретними сигналами) має свою специфіку і багато в чому відрізняється від більш звичної для багатьох радіоінженерів модуляції безперервними сигналами.

Стосовно цифрового стільникового зв'язку методи модуляції повинні мати: Стосовно цифрового стільникового зв'язку методи модуляції повинні мати: 1) високу спектральну ефективність; 2) низький рівень перешкод по суміжних частотних каналах; 3) низьку частоту бітової помилки (Bit Error Rate – BER); 4) економічність (ефективність використання енергії джерела живлення, що особливо актуально для РС); 5) простоту реалізації. 2. Конкретні методи модуляції, що використовуються в стандартах D-AMPS і GSM Розглянемо конкретні методи модуляції, що використовуються в стандартах D-AMPS і GSM, з мінімально необхідними поясненнями. В стандарті D-AMPS використовується диференціальна фазова квадратурна маніпуляція із зсувом /4(/4 Differential Quadrature Phase Shift Keying – DQPSK/4). Це – дискретна фазова модуляція, з основним дискретом комутації фази (як при звичайній квадратурній фазовій маніпуляції), проте з додатковим зсувом по фазі на /4 при переході від символу до символу вхідної модулюючої послідовності імпульсів.

Слово диференціальна означає, що чергове змінювання фази відлічується не по відношенню до фази деякого опорного сигналу, а по відношенню до фази попереднього дискрету. Слово диференціальна означає, що чергове змінювання фази відлічується не по відношенню до фази деякого опорного сигналу, а по відношенню до фази попереднього дискрету. При поясненні методу /4DQPSK часто попередньо описують методи бінарної фазової маніпуляції (Binary Phase Shift Keying – BPSK), тобто фазової маніпуляції з дискретом , і квадратурної фазової маніпуляції (Quadrature Phase Shift Keying – QPSK) – фазової маніпуляції з дискретом /2, а також метод квадратурної фазової маніпуляції із зсувом (Offset Quadrature Phase Shift Keying – OQPSK). Обмежимося лише наведеним вище переліком назв і перейдемо безпосередньо до методу /4DQPSK. В цьому методі всі імпульси вхідної інформаційної послідовності bk модулятора розбиваються на пари – на 2-бітові символи, і при переході від символу до символу початкова фаза НВЧ сигналу змінюється на величину , яка визначається бітами символу відповідно до алгоритму, наведеного в табл. 4.1.

Кружечки – це дискретні значення, які може приймати фаза несучої, яка відлічується від деякого початкового значення; стрілки – можливі переходи між дозволеними значеннями фази. Осі координат відповідають синфазній (Inphase – I) і квадратурній (Quadrature – Q) складовим сигналу. Кружечки – це дискретні значення, які може приймати фаза несучої, яка відлічується від деякого початкового значення; стрілки – можливі переходи між дозволеними значеннями фази. Осі координат відповідають синфазній (Inphase – I) і квадратурній (Quadrature – Q) складовим сигналу. Ця фазова діаграма складається з двох діаграм звичайної фазової маніпуляції квадратури: фазові стани однієї діаграми помічені значком , іншої – значком , і діаграми зсунуті одна відносно другої на кут /4. При переході від одного символу до іншого відбувається зміна фази від одного із станів першої діаграми до одного із станів другої, а при переході до наступного символу – повернення до попередньої діаграми, хоча швидше за все не до колишнього фазового стану. Результуючий вихідний сигнал модулятора (без урахування порівняно тонких ефектів, типу обмеженості смуги пропускання частотно-селективних елементів тракту) може бути представлений у вигляді

Наведена схема – лише ілюстрація принципу роботи модулятора, а варіантів її практичної реалізації існує дуже багато. В стандарті GSM використовується гауссовська маніпуляція з мінімальним зсувом (Gaussian Minimum Shift Keying – GMSK). Цей метод є частотною маніпуляцією, при якій несуча частота дискретно – через інтервали часу, кратні періоду Т бітової модулюючої послідовності, – приймає значення f н f 0 F /4 , або f в f 0 F /4 , де f0 – центральна частота частотного каналу, що використовується, а F = 1/Т – частота бітової послідовності.

Рознесення частот f = fв – fн = F/2 – мінімально можливе, при якому Рознесення частот f = fв – fн = F/2 – мінімально можливе, при якому забезпечується ортогональність коливань частот fн і fв на інтервалі Т тривалості одного біта; при цьому за час Т між коливаннями частот fн і fв набігає різниця фаз, яка дорівнює . Таким чином, термін "мінімальний зсув" в назві методу модуляції відноситься, у вказаному вище значенні, до зсуву частоти. Оскільки модулююча частота в цьому випадку дорівнює F/2, а девіація частоти F/4, індекс частотної модуляції складає m = (F/4)/(F/2) = 0,5.

Термін "гауссовська" в назві методу модуляції відповідає додатковій фільтрації модулюючої бітової послідовності відносно вузкосмуговим гауссовським фільтром; саме ця додаткова фільтрація відрізняє метод GMSK від методу MSK (Minimum Shift Keying – маніпуляція з мінімальним зсувом). Метод MSK іноді розглядають як метод квадратурної фазової маніпуляції із зсувом (OQPSK), проте із заміною прямокутних модулюючих імпульсів тривалості 2Т напівхвильовими відрізками синусоїд або косинусоїд. Нижче ми пояснимо, в чому полягають підстави для такої інтерпретації. Розглянемо спочатку метод MSK, а потім відзначимо, до яких відмінностей приводить додаткова гауссовська фільтрація. В методі MSK вхідна послідовність бітових імпульсів модулятора розбивається на дві послідовності, що складаються відповідно з непарних і парних імпульсів, і модульований сигнал (вихідний сигнал модулятора) протягом чергового n-го біта визначається виразом, який залежить від стану поточного n-го і попереднього (п – 1)-го біта:

Підкреслимо, що два біти, що використовуються як аргументи закону модуляції (два перші стовпці в табл. 4.2), вибираються з урахуванням того, який біт є поточним: якщо поточний біт парний, то другим бітом пари є передуючий йому непарний; якщо ж поточний біт непарний, то другий біт пари – передуючий йому парний. З виразу (2.1) виходить, що поточна фаза модульованого сигналу

Таким чином, зміна знака початкової фази в другій частині виразу (2.1) Таким чином, зміна знака початкової фази в другій частині виразу (2.1) означає перехід від fн до fв або назад. Змінювання ж загального знаку виразу (2.1), яке еквівалентне змінюванню початкової фази на дозволяє зберегти безперервність фази при змінюванні частоти. Наведемо ще одне пояснення методу MSK, яке є наочнішим, для чого звернемося до рис. 4.3. На першому графіку рис. 4.3 подано приклад вхідної бітової послідовності а модулятора.

Четвертий і п'ятий графіки рис. 4.3 показують форму модулюючих сигналів двох каналів квадратури bі і bQ, одержуваних як твори функцій аі, і аQ відповідно на низькочастотні сигнали sin(t /(2T)) квадратури і . Звернемо увагу на стрибкоподібні зміни фази цих сигналів на в моменти змін знаків аі, аQ . Остаточний модульований сигнал згідно першої частини виразу (2.1) виходить як результат перемноження модулюючих сигналів квадратурних каналів з відповідними несучими sin(0t) і cos(0t) і підсумовування отриманих добутків. Описаний принцип побудови модулятора MSK пояснюється блок-схемою рис. 4.4 (поки без урахування першого блоку – гауссовського фільтру G), яка служить лише для ілюстрації принципу роботи модулятора. Поєднання рис. 4.3 і 4.4 разом з супутніми їм коментарями є і обіцяним раніше поясненням, чому метод MSK можна інтерпретувати як метод OQPSK з синусоїдальними модулюючими імпульсами. З наведених вище аналітичних виразів безпосередньо витікає, що початкова фаза п модульованого сигналу в методі MSK описується лінійно-ламаною кривою (графік 6 на рис. 4.3), тобто залежність п(t ) є неперервною, проте не гладкою. Додавання гауссовського фільтру, тобто фільтра низьких частот з амплітудно-частотною характеристикою у формі гауссовської кривої (блок G на рис. 4.4), приводить до згладжування кривої п(t ) в точках зламу. Ширина смуги В фільтру по рівню 3 дБ вибирається такою, що дорівнює