Модулятор GmSK

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.

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).

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 - 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 ? = 2 f/v.

ЧМ (ЧМн) подразделяют на узкополосную и широкополосную, зависящие от величины индекса. При узкополосной ЧМн, характеризуемой малым индексом , 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 f. 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 ? = 0,5. При ММС и, соответственно, при GmSK фаза частотно-манипулируемого колебания непрерывна, а её "набег" в течение одной посылки, обусловленный манипуляцией частоты ± ±2 , равен = ± T. При ? = 0,5 он составляет /2 и -/2 для посылок "1" и "0", соответственно. Подчеркнём, что - это не манипуляция фазы, а именно её "набег", обусловленный манипуляцией частоты. При ? = 0,5 скорость манипуляции v = 4f, которая для GmSK, используемой в GSM, составляет v = 270,833… Кбит/с при f = 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 ? = 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 упрощённом виде показаны на рис. 22.

Рисунок 22 - Схемы GmSK модуляторов

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 = (m/N) 01. m и N - это коэффициенты деления частоты в делителях ":m" и ":N", а 01 - стабильная частота опорного источника. Делители используются для точной настройки на требуемую частоту 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)/P0], (1)

где KУГ - коэффициент преобразования УГ (с размерностью (рад/с)/В), 0 = m/KУГKФДKФ - постоянная времени, KФД - коэффициент передачи фазового детектора ФД, KФ и KФ(P) - постоянный и частотно-зависимый множители передаточной функции фильтра. Согласно (1), модулятор обладает свойствами фильтра верхних частот. Это соответствует используемым кодовым последовательностям модулирующего сигнала (без постоянной составляющей).

Модулятор по схеме рис. 22а является, по существу, аналоговым, используемым для манипуляции. Обозначения, приведённые на рис. 1а (и на других рисунках), например, Cos(0±)tI, являются упрощёнными и, строго говоря, соответствуют установившимся значениям частоты посылок (то есть без учёта переходных процессов, связанных с изменением частоты ±).

Модулятор GmSK с УГ по схеме на рис. 22а применяется обычно в беспроводной телефонии (в системе DECT), а в системе GSM применяется квадратурный модулятор, схема которого приведена на рис. 22б. Собственно квадратурный модулятор содержит перемножители с опорными источниками Cos0tI и sIN0tI и вычитатель на выходе. На вход перемножителей поступают две составляющие квадратурного сигнала Cos(±)tI и sIN(±)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 [7]. На рис. 22б 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 "±", соответствующая "1" и "0" модулирующего кода. Указанная последовательность фильтруется в ГФ. Её фронты сглажены, а частотный спектр, соответственно, сужен.

На рис. 23 приведены схемы квадратурных модуляторов, совмещённых с повышающим преобразователем частоты: 0 = 01 + 02, где 0 - несущая ВЧ, 01 - несущая на выходе модулятора, определяемая частотой первого гетеродина, 02 - частота второго гетеродина. Показанные на входе CostI и ±sINttI, которые более наглядны, соответствуют Cos(±)tI и sIN(±)tI на рис. 1б (при = ). Схема устройства на рис. 23а проще, чем на рис. 23б, и содержит последовательно включённые модулятор и преобразователь частоты. Преобразователь построен с использованием системы ФАПЧ и дополнительно содержит смеситель (перемножитель) и фильтр Ф2. Фильтр пропускает составляющие с несущей 01, равной разности 0 – 02, и подавляет составляющие с 0 + 02. Фильтр Ф2 не является обязательным, если, например, смеситель выполнен по балансной схеме.

Рисунок 23. Преобразователи частоты: с модулятором на входе (а); со встроенным модулятором (б) ( = , 01 = 0 – 02)

Передаточная функция преобразователя на рис. 23а является, в отличие от (1), функцией фильтра нижних частот:

Kпр(P) = 1/{1 + P[0/KФ1(P) – зад2]}, (2)

где KФ1(P) - частотно-зависимый множитель функции фильтра Ф1, а зад2 = -2/ - временная задержка, вносимая фильтром Ф2 (на рабочем участке его ФЧХ). Влияние Ф2 на передаточную функцию (2) видно из

Kпр(P)=1/[1+P(0 – зад2)+P²0Ф1] (3)

- функции системы 2-го порядка с KФ1(P) = 1/(1+PФ1). Согласно (3), действие зад2 эквивалентно уменьшению 0 при соответствующем увеличении Ф1 (при 0Ф1 = CoNst) и может быть компенсировано увеличением 0 при уменьшении Ф1.

На рис. 23б 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 01, которая равна частоте опорного колебания первого гетеродина, подаваемого на внешний вход ФД. На выходе преобразователя будут манипулируемые значения частоты 0 ± , где 0 = 01 + 02, 02 - частота второго гетеродина, а манипуляция частоты ± определяется входным сигналом модулятора ( = ).

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.

Заключение

В результате курсового проектирования были получены практические навыки в проектировании передатчика мобильной станции сотовой связи и расчёта его основных узлов. Были спроектированы и рассчитаны : усилитель мощности, опорный генератор синтезатора частот, генератор управляемого напряжения с частотной модуляцией (произведён расчёт элементов колебательной системы. В разделе расчёта конструкции произведён конструктивный расчёт микрополосковой линии используемой в качестве индуктивности в схеме ГУН с ЧМ.

При реализации спроектированного передатчика целесообразно в качестве синтезатора частот и ГУН с ЧМ использовать интегральную микросхему. Это позволит повысить качество, надёжность и стабильность работы передатчика, понизить его потребляемую мощность, уровень шумов и стоимость, а также значительно уменьшить его габариты размеры