Цифровые системы связи и передачи данных
..pdf
Описание прибора с FSK-модуляцией
Рис. 1.23. Интерфейс прибора c FSK-модуляцией
Интерфейс прибора с FSK-модуляцией представлен на рис. 1.23:
Message Symbols — показывает количество передаваемых символов;
M-FSK — показывает уровень модуляции. Доступны режимы: 2, 4, 8, 16, 32, 64;
FSK Deviation (Гц) — отклонение по частоте частотной модуляции;
Eb/N0 — отношение сигнал/шум;
Frequency offset — задержка по частоте;
TX Filter — выбор фильтра для передатчика. Доступны следующие: Gaussian, Raised Cosine, Root Raised Cosine;
Symbol Rate — порядок символов;
Symbol Phase Continuity — продолжительность фазы импульса. Соответственно режимы Continuous (Конечная), Discontinuous (Бесконечная);
Transmitted Bits — переданные биты.
Практическая часть
На рис. 1.24–1.29 представлены глазковые диаграммы M-FSK при различных уровнях модуляции.
31
Рис. 1.24. Глазковая диаграмма при уровне модуляции М = 2
Рис. 1.25. Глазковая диаграмма при уровне модуляции М = 4
Рис. 1.26. Глазковая диаграмма при уровне модуляции М = 8 32
Рис. 1.27. Глазковая диаграмма при уровне модуляции М = 16
Рис. 1.28. Глазковая диаграмма при уровне модуляции М = 32
Рис. 1.26. Глазковая диаграмма при уровне модуляции М = 8 33
1,2 |
|
|
|
|
|
0,8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2FSK |
0,6 |
|
|
|
|
4FSK |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8FSK |
0,4 |
|
|
|
|
16FSK |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
32FSK |
0,2 |
|
|
|
|
64FSK |
|
|
|
|
|
|
20 |
40 |
60 |
80 |
100 |
120 |
-0,2 |
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.30. График зависимости BER от SNR |
|
|||
Частотная манипуляция с минимальным сдвигом (MSK)
MSK — это частный случай сигналов с частотной манипуляцией с непрерывной фазой CPFSK с минимальным индексом частотной манипуляцииm = 0,5, поэтому ширина главного
лепестка спектра MSK сигналов минимальная из всех возможных сигналов с частотной манипуляцией.
Представляет собой способ модуляции, при котором не происходит скачков фазы и изменение частоты происходит в моменты пересечения несущей нулевого уровня. MSK уникальна потому, что значения частот, соответствующих логическим «0» и «1», отличаются на величину, равную половине скорости передачи данных. Другими словами, индекс модуляции равен 0,5.
Частотная модуляция с минимальным разносом частот MSK позволяет уменьшить ширину полосы частот, занимаемых цифровым радиосигналом в эфире. Однако даже этот вид модуляции не удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к современным радиосистемам мобильной связи. Обычно сигнал MSK в радиопередатчике дофильтровывают обычным фильтром. Именно поэтому появился еще один вид модуляции с еще более узким спектром радиочастот в эфире.
Сужение полосы занимаемых частот удалось достигнуть за счет предварительной фильтрации модулирующего сигнала фильтром низкой частоты с Гауссовской импульсной характеристикой. Ширина спектра сигнала GMSK
34
определяется произведением длительности передаваемого символа на полосу пропускания Гауссовского фильтра BT. Именно полосой пропускания B и отличаются различные виды GMSK друг от друга. GMSK используется в стандарте GSM сотовой связи.
Формирование GMSK радиосигнала осуществляется таким образом, что на интервале одного информационного бита фаза несущей изменяется на 90°. Это наименьшее возможное изменение фазы, распознаваемое при данном типе модуляции. Непрерывное изменение фазы синусоидального сигнала дает в результате частотную модуляцию с дискретным изменением частоты. Применение фильтра Гаусса позволяет при дискретном изменении частоты получить «гладкие переходы». В стандарте GSM применяется GMSK-модуляция с величиной нормированной полосы ВТ – 0,3, где В — ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т — длительность одного бита цифрового сообщения. Основой формирователя GMSK-сигнала является квадратурный (1/Q) модулятор. Схема состоит из двух умножителей и одного сумматора. Задача этой схемы заключается в том, чтобы обеспечить непрерывную, очень точную фазовую модуляцию. Один умножитель изменяет амплитуду синусоидального, а второй — косинусоидального колебания. Входной сигнал до умножителя разбивается на две квадратурные составляющие. Разложение происходит в двух обозначенных
«sin» и «cos» блоках.
Модуляцию GMSK отличают следующие свойства, которые предпочтительны для подвижной связи:
1)постоянная по уровню огибающая, которая позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С;
2)компактный спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения;
3)хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.
GMSK с фильтром Гаусса с BT = 1 вырождается в классическую MSK. Для формирования сигналов GSM стандартно используется фильтр Гаусса с BT =
0,3 (рис. 1.31).
Вточках взятия отсчетов сигнал GMSK зависит от предыдущих значений передаваемого сигнала. Это вызвано действием гауссовского фильтра, формирующего спектр сигнала GMSK.
Врезультате помехоустойчивость сигнала GMSK ниже по сравнению даже с помехоустойчивостью сигнала MSK. Конкретное значение помехоустойчивости сигналов GMSK сильно зависит от произведения BT. Пример зависимости вероятности ошибки приема сигнала GMSK в зависимости от отношения сигнал/шум на входе решающего устройства приведен на рис. 1.32.
35
Рис. 1.31. Сравнение спектров двух видов модуляции с фильтром Гаусса (GMSK) и без фильтра (MSK)
Рис. 1.32. График зависимости вероятности ошибки GMSK
в зависимости от отношения сигнал/шум на входе решающего устройства
При индексе модуляции m = 0,5 за время передачи одного символа фаза несущего колебания успевает измениться на угол ±90°. Решетка переходов фазы в MSK-сигнале на протяжении двух символьных периодов приведена на рис.
1.33.
36
Рис. 1.33. Решетка переходов фазы в MSK-сигнале
Два возможных значения фазы несущего колебания в отсчетной точке на одном временном интервале отличаются от двух возможных значений фазы несущего колебания в отсчетной точке на соседнем интервале на 90°. Рассмотренная ситуация может быть проиллюстрирована на векторной диаграмме, приведенной на рис. 1.34.
Рис. 1.34. Решетка переходов фазы в MSK-сигнале
Конец вектора, отражающий амплитуду несущего колебания на рис. 1.34, в сигнале частотной модуляции может двигаться строго по окружности. На этом рисунке пара состояний сигнала показана пустыми кружочками, а пара состояний сигнала на соседнем символе — заполненными.
Рассмотренные диаграммы показывают, что при разработке радиоприемного устройства можно применить схему фазового детектора. Принимаемые двоичные символы в отсчетных точках будут отличаться друг от друга по фазе на 180°.
37
Описание прибора с MSK-модуляцией
Рис. 1.35. Интерфейс программы с GMSK-модуляцией
Интерфейс программы с GMSK-модуляцией приведен на рис. 1.35:
Message Symbols — показывает количество передаваемых символов;
Eb/N0 — отношение сигнал/шум;
Frequency offset — задержка по частоте;
TX Filter — выбор фильтра для передатчика. Доступны следующие: Gaussian, Raised Cosine, Root Raised Cosine;
Symbol Rate — порядок символов;
Transmitted Bits — переданные биты;
Received Bits — принятые биты;
BER Trigger Found — вероятность ошибки;
BT — безразмерная величина, равная 0,5.
Сокращения: TX — Передатчик, RX — Приемник.
38
Исследование линии передачи с MSK-модуляцией
В качестве характеристического параметра GMSK используют произведение ВТ, где В — ширина спектра импульса h(t) по уровню 3 дБ, а Т — длительность одного бита. На рис. 1.36 изображена спектральная плотность мощности на выходе идеального GMSK-модулятора (ВТ = 0,3), нормализованного по отношению к периоду Т. Сравнение этого графика со спектральной плотностью мощности MSK и BPSK указывает на серьезное преимущество этой модуляции прежде всего в части скорости спадания внеполосного излучения, т. е. скорости снижения уровня мощности боковых спектральных лепестков.
Рис. 1.36. Спектр сигнала с GMSK-модуляцией
Рис. 1.37. Спектр передаваемого (слева) и принимаемого (справа) сигнала с GMSK-модуляцией при BT = 0,2, сигнал/шум = 80
Рис. 1.38. Спектр передаваемого (слева) и принимаемого (справа) сигнала с GMSK-модуляцией при BT = 0,3, сигнал/шум = 80
39
Рис. 1.39. Спектр передаваемого (слева) и принимаемого (справа) сигнала с GMSK-модуляцией при BT = 0,5, сигнал/шум = 80
Можно видеть, что в спектре GMSK при уменьшении BT уменьшаются уровни боковых лепестков, кроме того значительно возрастает скорость убывания спектра. Так, максимальный уровень бокового лепестка GMSK при BT = 0,3 меньше, чем при MSK-модуляции, а скорость убывания линейно зависит от частоты, что обусловлено применением Гауссова фильтра.
Рис. 1.40. Глазковая диаграмма сигнала
с GMSK-модуляцией при BT = 0,2, сигнал/шум = 80
Рис. 1.41. Глазковая диаграмма сигнала
с GMSK-модуляцией при BT = 0,3, сигнал/шум = 80
40