Методы модуляции в стандарте GSM

Методы модуляции в стандарте GSM

Содержание

Введение

1.   Модуляция

2.   Обработка речи на передачу в подвижной станции

3.       Мобильные терминалы стандарта GSM

Заключение

Список использованных источников

Введение

Исторически в первых системах подвижной связи использовалось разделение выделенного диапазона частот между пользователями. Поскольку не все пользователи выходили на связь одновременно, то число пользователей превышало число имеющихся каналов связи. Такая организация связи получила название как метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access -FDMA). Для передачи/приема использовались только аналоговые сигналы. Во всех аналоговых стандартах для передачи речи использовалась частотная модуляция, а для канала управления (единого для всех разговорных каналов) применялось частотное манипулирование. Ширина требуемой полосы частот для одного канала, в зависимости от принятого в той или иной стране стандарта, составляла от 12,5 до 30 кГц.

В США широкое распространение получила аналоговая система стандарта AMPS. Емкость таких систем получалась от нескольких десятков до нескольких сотен пользователей, что являлось принципиальным ограничением возможностей применения систем на основе FDMA. Уже к середине 80-х годов стала ясна необходимость перехода к цифровым системам передачи. Однако, во многих странах, особенно в США было уже развернуто большое количество аналоговых систем. Поэтому в США стали внедрять поэтапно цифровую систему в диапазоне частот системы AMPS. Цифровая система получила стандарт, названный D-AMPS, или по классификации ITU-T его еще называют IS-54. (IS - аббревиатура от Interim Standard, т.е. «промежуточный стандарт»). По этому стандарту речевые каналы были цифровыми, а канал управления оставался аналоговым.

Полностью цифровыми каналы речи и управления стали лишь с 1996 г. с введением стандарта версии IS-136.

В Европе работы по разработке стандартов цифровой связи начались с 1982 года. В 1988 году были приняты основные документы стандарта цифровой системы подвижной связи, названной GSM. С 1991 г. GSM принят в качестве общеевропейского стандарта мобильной связи.

1.   Модуляция

модуляция речь мобильный терминал стандарт

Модулятор - это узел передатчика, в котором происходит преобразование низкочастотного полезного сигнала (речи или данных) в радиочастотный сигнал, который после усиления поступает на антенну. На приемной стороне обратное преобразование радиочастотного сигнала в полезный низкочастотный сигнал осуществляется демодулятором.

Существуют три основных вида модуляции:

·   амплитудная модуляция (АМ) (Amplitude Modulation - AM);

·   частотная модуляция (ЧМ) (Frequency Modulation - FM);

·   фазовая модуляция (ФМ) (Phase Modulation - PM).

Наиболее помехоустойчивыми являются два последних вида модуляции, которые обычно и применяют в современной радиосвязи. При передаче цифровых (или оцифрованного аналогового сигнала) сигналов было разработано большое количество разновидностей способов модуляции, но все они по сути являются разновидностями частотной или фазовой модуляции. Поскольку в электрическом виде цифровой сигнал - это видеоимпульсный (скачкообразный) сигнал, то при модуляции частота или фаза высокочастотного радиосигнала будут меняться скачком. В этом случае говорят не модуляция, а манипуляция (английский термин - Shift keying). Такая дискретная модуляция имеет свою специфику и во многом отличается от более привычной для радиоинженеров модуляции аналоговыми сигналами. В применении к цифровой сотовой связи в качестве обязательных для используемых методов модуляции выступают требования высокой спектральной эффективности, низкого уровня помех по смежным каналам, низкая частота битовых ошибок (Bit Error Rate - BER), экономичность (эффективность использования энергии источника питания), простота реализации. Рассмотрим в качестве примеров методы модуляции применяемые в стандартах D-AMPS и GSM.

В стандарте D-AMPS используется дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом p / 4 (p / 4 Differential Quadrature Phase Shift Keying - p / 4 DQPSK). Это дискретная фазовая манипуляция с основным дискретом коммутации фазы на p / 2 (как при обычной квадратурной фазовой манипуляции), но с дополнительным сдвигом по фазе на p / 4 при переходе от символа к символу входной модулирующей последовательности импульсов.

Слово дифференциальная в названии метода означает, что очередное изменение фазы отсчитывается не по отношению к фазе некоторого опорного сигнала, а по отношению к фазе предыдущего дискрета.

При объяснении метода p / 4 DQPSK часто предварительно описывают методы бинарной фазовой манипуляции с дискретом p (Binary Phase Shift Keying) и квадратурной фазовой манипуляции (Quadrature Phase Shift Keying - QPSK) - Фазовой манипуляции с дискретом p / 2, а также метод квадратурной фазовой манипуляции со смещением (Offset Quadrature Phase Shift Keying - OQPSK). Все эти разновидности станут достаточно понятными после рассмотрения метода p / 4 DQPSK.

В этом методе все импульсы входной информационной последовательности b_k, поступающие на вход модулятора, разбиваются на пары - на 2-х битовые символы, т. е. в символ входит четный и нечетный биты входной последовательности. Таких символов возможно всего четыре. Они получаются из элементарных сочетаний логического нуля и единицы по два бита 00, 01, 10, 11. Значит для передачи таких символов достаточно четыре фазовых состояний. При переходе от символа к символу начальная фаза колебаний несущей частоты скачком изменяется на величину Dj, которая определяется битами символа в соответствии с алгоритмом, приведенным в табл. 1.

Таблица 1. - Закон фазовой манипуляции метода p / 4 DQPSK

Фазовая диаграмма, соответствующая этому методу, представлена на рис. 1. Кружочками обозначены дискретные значения, которые может принимать фаза несущей, отсчитываемая от некоторого начального значения. Стрелками указаны возможные переходы между разрешенными значениями фазы. Горизонтальная ось координат соответствует синфазной составляющей сигнала (Inphase - I), а вертикальная - квадратурной составляющей (Quadrature - Q).

Рис. 1. - Фазовая диаграмма (фазовое созвездие - phase constellation),

соответствующая методу p / 4 DQPSK

Эта фазовая диаграмма фактически состоит из двух диаграмм обычной квадратурной фазовой манипуляции. Фазовые состояния одной помечены серыми кружочками, а другой - пустыми кружочками. Эти диаграммы сдвинуты относительно друг друга на угол p / 4. При переходе от одного символа к другому происходит изменение фазы от одного из состояний первой диаграммы к одному из состояний второй диаграммы, а при переходе к следующему символу происходит возврат к предыдущей диаграмме, но скорее всего не к прежнему фазовому состоянию. Результирующий выходной сигнал модулятора является суммой колебаний в квадратурных каналах.

u(t) = I_kCos w₀t + Q_kSin w₀t = Cos j_kCos w₀t + Sin j_kSin w₀t =

= Cos (w₀t + j_k)

Это общая идея получения выходного сигнала с изменяющейся начальной фазой ВЧ колебаний с помощью квадратурных сигналов. Практических же способов реализации модуляторов может быть огромное количество, поэтому здесь (см. рис. 2) приводится лишь общая блок схема модулятора

Рис. - 2. Блок схема модулятора p / 4 DQPSK

В стандарте GSM используется другой вид модуляции - гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом (Gaussian Minimum Shift Keying - GMSK). Этот метод представляет собой частотную манипуляцию, при которой несущая частота принимает дискретные значения через интервалы времени, кратные периоду Т битовой модулирующей последовательности. Используются две дискретные частоты несущей f₀:

f_н = f₀ - F/4

f_в = f₀ + F/4

где F = 1/Т - частота входной битовой последовательности. Получаемый разнос частот D f = =f_в - f_н = F/2 - это минимально возможный разнос, при котором обеспечивается ортогональность колебаний частот f_в и f_н на интервале Т длительности одного бита. При этом за интервал Т между колебаниями частот f_в и f_н набегает разность фаз, равная p. Таким образом, термин «минимальный сдвиг» в названии метода модуляции относится к минимально возможному сдвигу частоты несущей.

Модуляция несущей непосредственно прямоугольными импульсами битовой последовательности приводит к довольно широкому спектру частот, занимаемому в эфире радиосигналом. Более узкий спектр получается при модуляции «сглаженными» импульсами. Потому модулирующую битовую последовательность вначале пропускают через сглаживающий узкополосный гауссовский фильтр, чему и соответствует термин «гауссовская» в названии метода модуляции. Именно эта дополнительная фильтрация отличает метод GMSK от метода MSK (Minimum Shift Keying - манипуляция с минимальным сдвигом).

Метод MSK иногда рассматривают как метод квадратурной фазовой манипуляции со смещением (OQPSK), но с заменой прямоугольных модулирующих импульсов длительности 2Т полуволновыми отрезками синусоид или косинусоид. Рассмотрим сначала метод MSK, а затем отметим отличия, возникающие за счет дополнительной гауссовской фильтрации.

В методе MSK входная битовая последовательность разбивается на две последовательности, состоящие соответственно четным и нечетным импульсам. Модулированный выходной сигнал модулятора на протяжении очередного n-го бита определяется выражением, зависящим от состояния текущего n-го и предшествующего (n-1)- го бита:

u(t) = ±Cos(pt / 2T)Cos w₀t ± Sin(pt / 2T)Sin w₀t = ±Cos(w₀t ± pt / 2T),

(n-1) T £ t £ nT

Отсюда следует, что текущая фаза модулированного сигнала:

j(t) = w₀t ± pt / 2T

За период следования входных битов Т набег фазы составит:

Dj = ± p / 2,

а мгновенная частота, как производная от фазы

w(t) = d [j(t)] / dt = w₀ ± p / 2T = 2p (f₀ ± F / 4),

т.е. мгновенная частота принимает одно из двух значений f_в или f_н. Эта частота постоянна на протяжении бита. Изменение знака перед синусами в выражении для модулированного сигнала означает переход с одной частоты на другую. Изменение общего знака перед выражением модулирующего сигнала, эквивалентное изменению начальной фазы несущей на p, позволяет сохранить непрерывность фазы колебаний при изменении частоты.

Выбор знака в модулированном сигнале определяется алгоритмом, приведенным в табл. 2.

Таблица 2. - Закон модуляции метода MSK

Можно привести еще одно пояснение метода MSK, которое возможно будет более наглядным. Обратимся к рис. 3.

Рис. 3. - Временные диаграммы сигналов GMSK

На первом графике представлен пример входной битовой (модулирующей) последовательности а. Второй и третий графики дают соответственно последовательности нечетных a_I и четных a_Q бит входной последовательности, причем длительность каждого бита увеличена вдвое в сторону запаздывания, т.е. каждый бит «растянут» во времени до 2-х битового символа, и для удобства последующих рассуждений принято, что последовательности a_I и a_Q принимают значения + 1 и - 1 (значения - 1 соответствуют значению 0 исходной последовательности а). В результате для каждого битового интервала Т расположенные одно над другим значения a_I и a_Q дают как раз ту пару четного и нечетного бит, которые являются аргументом закона модуляции.

Четвертый и пятый графики показывают форму модулирующих сигналов двух квадратурных каналов b_I и b_Q, получаемых как произведение функций a_I и a_Q соответственно на квадратурные низкочастотные сигналы Sin (pt / 2T) и Cos (pt / 2T). Обратите внимание на скачкообразные изменения фазы этих сигналов на p в моменты изменения знаков a_I и a_Q.

Окончательный модулированный сигнал получается как результат перемножения модулирующих сигналов квадратурных каналов с соответствующими несущими Sin (w₀t) и Cos (w₀t) и последующим суммированием полученных произведений.

2.   Обработка речи на передачу в подвижной станции

Рассмотрим процедуру формирования сигнала речи на передачу.

В процессе обработки речи в кодеке происходит сжатие речевой информации и задержка по времени, возникающая за счет времени обработки. В GSM системах наиболее часто применяют RPE-LPC кодеки с регулярным импульсным возбуждением и линейным кодированием с предсказанием (разработка Philips-Германия). В нем устройство долговременного предсказания (LTP) взято от схожего по параметрам MPE-LTP кодека (14,77 Кбит/с) с многоимпульсным возбуждением и линейным предсказанием (IBM, Франция). Применяют кратковременное и долговременное предсказание. Это позволяет существенно снизить динамический диапазон речевого сигнала и скорость передачи. Принятые здесь аббревиатуры:

LPC - Linear Predicative Coding - фильтр линейного предсказания.

LTP - Long-Term Prediction - фильтр долговременного предсказания.

RPE - Regular-Pulse Excitation - регулярное импульсное возбуждение.

Рис. 4. - Структурная схема подвижной станции

Период вычисления параметров фильтра долговременного предсказания равен примерно 5 мс. Этих параметров - 8. Они кодируются и передаются со скоростью 3,6 Кбит/с. Сигналы возбуждения после пропускания через ФНЧ с частотой среза f_ср=3-4 КГц передаются со скоростью 9,4 Кбит/с. Итого, скорость преобразования речевого сигнала составляет 3,6 + 9,4 = 13 Кбит/с.

Из-за добавления логических каналов управления, синхронизации и т.п. общая скорость передачи в радиоканале возрастает до 270,833 Кбит/с.

Так как коммутатор MSC подключается к внешней сети ТФОП через двухпроводное окончание, то в MSC имеется разделительное устройство (дифсистема) разделяющее сигналы на передачу и прием. Подобные же устройства есть и в сети ТФОП. Поэтому есть вероятность появления эхо-сигнала. Для его подавления в MSC имеются эхоподавители для всех ТЛФ каналов. Типовой эхоподавитель может обеспечить подавление в интервале до 68 миллисекунд.

Общая задержка в канале связи GSM при распространении в прямом и обратном направлениях, вызванная обработкой сигнала в радиотракте оборудования (без учета времени распространения сигнала в эфире), обработкой речи при кодировании/декодировании, канальном кодировании/декодировании составляет около 180 миллисекунд.

Между MSC и BSC передача сообщений ведется также как и между MSC и ТФОП по стандартному интерфейсу Е1. Для получения этой скорости к речевому потоку (13 Кбит/с) из-за разных задержек в разных каналах для выравнивания по времени добавляются дополнительные биты-вставки (стаффинг) и скорость передачи в канале становится 16 Кбит/с. Затем производят уплотнение с коэффициентом 4 и получается 4х16=64 Кбит/с - стандартная скорость передачи ИКМ канала. Уплотняя группы каналов формируют стандартную 30-ти канальную ИКМ группу (Е1). 16-й канал (64 Кбит/с) отводится для передачи сигнализации по ОКС-7 или LAP-D. Еще один канал (64 Кбит/с) отводится под передачу данных по протоколу Х.25. Итого получается: (30 каналов х64 Кбит/с) + 64 Кбит/с сигнализ. + 64 Кбит/с управл. = 2048 Кбит/с

Четыре ИКМ группы составляют 120 речевых каналов.

3. Мобильные терминалы стандарта GSM

В рамках стандарта GSM по величине выходной мощности передатчиков приняты 5 классов подвижных станций, как это показано в таблице 3.

Таблица 3. - Мощности передатчиков подвижных и базовых станций

Подвижная станция может обеспечивать передачу различных сообщений и позволяет организовывать различные виды услуг. Для обеспечения тех или иных функций требуется помимо самой трубки ещё и дополнительное терминальное оборудование, подключаемое к трубке. Трубка в этом случае служит своеобразным радиомодемом.

Используется три типа оконечного оборудования подвижной станции.

MT0 - (Mobile Termination-0) - многофункциональная подвижная станция в составе: терминал данных с возможностью передачи и приема данных и речи, плюс сама трубка;

MT1 - подвижная станция с возможностью связи через терминал с сетью ISDN;

MT2 - подвижная станция с возможностью подключения терминала для связи по протоколу V или Х серий.

Терминальное оборудование, которое можно подключать к ПС также может быть различным.

TE1 - (Terminal Equipment 1) - оборудование обеспечивающее связь между ПС и сетью ISDN.

TE2 - обеспечивает связь ПС с любым оборудованием, поддерживающим протоколы МККТТ серий V или X (связь ISDN не обеспечивает).

ПС также может быть подключена к компьютеру. Для этого в компьютере должен быть слот для подключения PC Card Type 2 и необходим специальный адаптер, вставляемый в этот слот. Этот адаптер транслирует входящие/исходящие пакеты между ПК и ПС. Разумеется должен быть соединительный шнур между адаптером и ПС. А в ПК должно быть установлено специальное программное обеспечение. Тогда адаптер компьютером будет распознаваться как модем, а система адаптер - ПС будет выполнять роль радиомодема. В адаптере поток данных разбивается на последовательность фреймов по 200 бит. Общая скорость передачи данных пользователя составит 9600 бит/с.

Новые модели ПС снабжены инфракрасными портами ввода/вывода (ИК передатчик + “PIN - окно”). В этом случае для ПК необходимо приобрести интерфейсную колодку или внешний модуль, подключаемый к COM - порту или специальную плату расширения со специальным кабелем и оптоэлектронный блок.

Слой соединения GSM с обычной телефонной сетью поддерживает протоколы передачи данных V.21, V22, V.22 bis, V.23, V26 ter, V.32 и протокол коррекции ошибок и сжатия данных NMP 5.

Рис. 5. - Использование терминального оборудования с ПС

Заключение

GSM (Global System for Mobile communication) - система мобильной сотовой связи изначально разрабатывалась как глобальная система. Уже на стадии разработки стандартов были заложены широкие возможности развития этой системы в будущем. Разработаны стандарты и оборудование для различных частотных диапазонов 900, 1800 и 1900 МГц.

По мере развития техники и технологии в системе GSM внедрялись новые возможности и предоставлялись новые услуги. К настоящему времени пройдены этапы (поколения), называемые фаза 1, фаза 2 и фаза 2+ (Phase 1, Phase 2, Phase 2+), отличающиеся предоставляемыми услугами. Фаза 2+ продолжает совершенствоваться и в настоящее время.

В настоящее время разрабатываются и уже начинают внедряться системы третьего поколения (3-G), в которых используется метод пакетной передачи данных. Об этих системах мы узнаем в последующих лекциях.

Список использованных источников

1.   Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: учебник для вузов / В.В. Крухмалёв, Н.В. Гордиенко, А.Д. Моченов и др.; под. ред. В.Н. Гордиенко и В.В. Крухмалёва. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 510 с.

2.       Анин Б.Ю. Защита компьютерной информации / Б.Ю. Анин. - СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 2000.

.         Карташевский В.Г. Сети подвижной связи / В.Г. Карташевский, С.Н. Семенов, Т.В. Фирстова. - М.: Эко-Трендз, 2001.

.         Системы мобильной связи: учебное пособие для вузов / В.П. Ипатов, В.К. Орлов, И.М. Самойлов, В.Н. Смирнов; под ред.В.П. Ипатова. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - 272 с., ил.

.         Кирилов В.И. Многоканальные системы передачи: учебник / В.И. Кирилов. - 2-е изд. - М.: Новое знание, 2003. - 751 с.: ил.

.         Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: учебник для вузов / Г.А. Ерохин, О.В. Чернышов, Н.Д. Козырев, В.Г. Кочержевский; под. ред. Г.А. Ерохина. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 491 с.: ил.

.         Ксенофонтов С.Н. Направляющие системы электросвязи: учебное пособие для вузов / С.Н. Ксенофонтов, Э.Л. Портнов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004 - 268 с.: ил.

.         Тепляков И.М. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: учебное пособие / И.М. Тепляков. - М.: Радио и связь, 2004. - 328 с.

.         Адрианов В.И. Сотовые, пейджинговые и спутниковые средства связи / В.И. Адрианов, А.В. Соколов. - СПб.: BHV - Санкт-Петербург; Арлит, 2001.

10.   Громаков, Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи / Ю.А. Громаков. - М.: Эко-Трендз, 1998.

11.     Билинкис В.Д. Методы оценки технического уровня и конкурентоспособности продукции: Учебное пособие - Воронеж: ВГТУ, - 2002. - 118 с.