2.4. Методы модуляции в аналоговых системах подвижной радиосвязи

Качественные показатели и частотная эффективность систем подвижной радиосвязи в большой степени определяются используемым методом модуляции. Несмотря на то, что в принятых стандартах подвижной радиотелефонии вид модуляции уже выбран, дискуссии по этому поводу все еще продолжаются, что свидетельствует об остроте проблемы.

В аналоговых системах подвижной связи при разносе несущих частот радиоканалов 30 или 25 кГц широкое распространение получила ЧМ. Исследования показали, что при рэлеев-ских замираниях характеристика помехоустойчивости приема ЧМ сигналов теряет свой по­роговый эффект. Это означает, что выигрыш в помехоустойчивости ЧМ при рэлеевских за­мираниях практически не зависит от ширины полосы, занимаемой спектром ЧМ сигнала. Повышение помехоустойчивости в этом случае достигается за счет использования различ­ных методов разнесенного приема.

В качестве альтернативы ЧМ предлагается узкополосная фазовая модуляция с разносом частотных каналов 12,5 кГц, а также AM ОБП с разносом 5 кГц. Использование этих мето­дов модуляции в ССПР приводит к повышению частотной эффективности за счет сужения полосы, однако при этом возникают сложности технического и организационного характера. Оказалось, что AM ОБП имеет низкую помехоустойчивость приема сообщений в условиях действия взаимных помех.

Таким образом, частотная модуляция в настоящее время является той модуляцией, кото­рая адекватна условиям, в которых работают ССПР.

В аналоговом стандарте NMT-450 в разговорном канале применяется ЧМ с девиацией частоты ±5 кГц.

Для снижения мощности шумов в верхней части спектра применяют предыскажение те­лефонного сигнала, занимающего стандартную полосу частот 0,3..3,4 кГц. Предыскажающая цепь устанавливается перед частотным модулятором передатчика БС. Трафарет, ограничи­вающий АЧХ предыскажающего контура, показан на рис.2.5,о. При возрастании частоты мо­дулирующего сигнала девиация частоты передатчика увеличивается с крутизной 6 дБ/октава. В приемнике МС после ЧД устанавливается восстанавливающий контур с АЧХ, соответст­вующей трафарету, изображенному на рис.2.5,6.

42

43

3. ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ

С МДВР

3.1. Технические характеристики основных цифровых стандартов

систем мобильной радиосвязи

Цифровые стандарты ССПР, как уже отмечалось, относятся к системам второго поколе­ния. Эти системы обладают совершенными техническими характеристиками, позволяющими предоставлять пользователям широкий круг услуг связи. Основой систем является много­станционный доступ с временным разделением каналов - МДВР (TDMA), а точнее комбина­ция МДЧР + МДВР.

Наибольшее распространение получили три цифровых стандарта: общеевропейский GSM, американский ADC (D-AMPS) и японский JDC.

Основные технические характеристики этих стандартов приведены в табл.3.1.

Таблица 3.1
Характеристики стандарта	Содержание характеристики для стандартов
Стандарт ССПР	GSM	ADC	JDC
Метод доступа	TDMA	TDMA	TDMA
Разнос частот, кГц	200	30	25
Число речевых каналов на несущую	8(16)	3	3(6)
Скорость преобразования речи, кбит/с	13 (6,5)	8	11,2(5,6)
Алгоритм преобразования речи	RPE-LTP	VSELP	VSELP
Общая скорость передачи, кбит/с	270	48	42
Метод разнесения	Перемежение, час­тотное разнесение (скачки по частоте)	Перемежение	Перемежение, пространственное разнесение
Эквивалентная полоса на речевой канал, кГц	25(12,5)	10	8,3 (4,15)
Вид модуляции	0,3 GMSK	π/4 DQPSK	π/4 DQPSK
Треб. отношение несущая/шум, дБ	9	16	13
Рабочий диапазон частот, МГц	935...960 890...915	824...849 869...894	810...826 . 940...956
Радиус соты, км	0,5...35	0,5...20	0,5...20

Рассмотрим более подробно технические характеристики цифровой подвижной радиоте­лефонии на примере общеевропейского стандарта GSM и близкого ему стандарта DCS-1800.

Стандарт GSM на цифровую общеевропейскую сотовую систему наземной подвижной связи предусматривает работу передатчиков МС в диапазоне частот 890...915 МГц и работу передатчиков БС в диапазоне 935...960 МГц (рис.3.1).

44

Каждая из двух полос по 25 МГц, выделенных для GSM, разделяется на частотные кана­лы. Разнос каналов составляет 200 кГц, что позволяет организовать в GSM 124 частотных канала, которые распределяются в соответствии с размещением сот. Частоты, выделенные для передачи с подвижной станции на базовую и в обратном направлении, группируются па­рами, организуя дуплексный канал с разносом 45 МГц. Каждая сота характеризуется фикси­рованным присвоением определенного количества пар частот от 1 до 15 (не более) [2, 9].

Если обозначить П(п) - номер несущей частоты в полосе 890...915 МГц, Fu(n) - номер несущей частоты в полосе 93 5...960 МГц, то частоты каналов определяются по следующим Формулам:

Каждая частотная несущая содержит 8 физических каналов, размещенных в 8 временных окнах в пределах TDMA-кадра и в последовательности кадров. Каждый физический канал использует одно и то же временное окно в каждом временном TDMA-кадре.

Таким образом осуществляется многостанционный доступ с временньм разделением ка­налов МДВР (TDMA). Для защиты от ошибок в радиоканалах при передаче информацион­ных сообщений применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повыше­ние эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвиж­ных станций достигается медленньм переключением рабочих частот (SFH) в процессе сеан­са связи, со скоростью 217 скачков в секунду.

Для борьбы с интерференционными замираниями принимаемых сигналов, вызванными многолучевым распространением радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи исполь­зуются эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание импульсных сигналов со среднеквадра-тическим отклонением времени задержки до 16 мкс. Система синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует макси­мальной дальности связи или максимальному радиусу ячейки (соты) 35 км [9].

В стандарте GSM выбрана гауссовская модуляция с минимальным сдвигом (GMSK); ин­декс манипуляции - 0.3 [9]. Ширина полосы пропускания предмодуляционного гауссовского фильтра равна Δf_GSMK=81.2 кГц. Обработка речи осуществляется в рамках принятой системы прерывистой передачи речи (DTX), которая обеспечивает включение передатчика только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. В качест­ве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярным импульсным возбу­ждением/долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с пред­сказанием (RPE/LTP-LPC-кодек). Общая скорость преобразования речевого сигнала - 13 кбит/с.

Уменьшение битовой скорости передачи до 13.0 кбит/с достигается за счет применения процедуры, состоящей из трех этапов.

На первом этапе отсчеты телефонного сигнала, следующие с частотой 8 кГц, разбивают­ся на сегменты из 160 выборок на интервале 20 мс. Затем LPC-анализатор рассчитывает во­семь коэффициентов r(i) цифрового фильтра таким образом, чтобы минимизировать энергию отфильтрованного сигнала.

На втором этапе динамический диапазон передаваемого сигнала уменьшается еще боль­ше путем использования сходства между соседними звуковыми сегментами. Этот процесс называется долгосрочным предсказанием, которое реализует LTP-фильтр, вычитая преды­дущий период сигнала из текущего. Фильтр характеризуется двумя параметрами: задержкой N и коэффициентом усиления Ь. Оба параметра обновляются каждые 5 мс.

Восемь коэффициентов r(i) фильтра LPC-анализатора и оба параметра фильтра LTP-анализатора кодируются и образуют поток со скоростью 3,6 кбит/с.

45

Для получения последовательности возбуждения оставшийся сигнал "е" подается на фильтр НЧ. Используемый способ простого адаптивного прореживания позволяет переда­вать каждую третью выборку. Это приводит к регулярной последовательности выборок (PRE-последовательность), которая передается со скоростью 9.4 кбит/с.

Таким образом, результирующий поток на выходе речевого кодера имеет скорость 3.6+9.4=13 кбит/с, что соответствует размещению 260 бит на сегменте длительностью 20 мс.

На рис.3.2 показана последовательность обработки речевого сигнала в передающем уст­ройстве МС. Исследования показали различную чувствительность к ошибкам битов, форми­руемых речевым кодером. Некоторые ошибки делают речь невнятной, а другие - вполне тер­пимой. Для повышения помехоустойчивости используется канальный кодер, который вносит избыточность и тем самым увеличивает скорость передачи. Перед кодированием блок из 260 битов разделяют на два класса. Группу из 182 наиболее значительных битов относят к пер­вому классу и подают на сверточный кодер с коэффициентом 1/2 и длиной кодового ограни­чения 4. Оставшиеся 78 бит (класс 2) передают без кодовой защиты.

В целом это дает 456 бит за 20 мс, что соответствует общей скорости 22.8 кбит/с.

Чтобы устранить пакеты ошибок в условиях замирания и превратить каждый пакет оши­бок в соответствующее количество одиночных ошибок, блок из 456 битов подвергается пе-ремежению во времени. Это вызывает дополнительную задержку передачи на 40 мс. По­скольку теоретическая задержка, вносимая речевым кодером, определяется длительностью сегмента и составляет 20 мс, то общая задержка составляет 60 мс.

После перемежителя происходит формирование TDMA-кадра, затем импульсная после­довательность поступает на предмодуляционный гауссовский фильтр и далее на частотный модулятор передатчика.

На приемной стороне речевой сигнал восстанавливается путем подачи грубо квантован­ного сигнала возбуждения "е" на двухступенчатый синтезирующий фильтр, который восста­навливает гармонические составляющие сигнала (LTP-фильтр) и общую спектральную оги­бающую (LPC-фильтр). На выходе получают чистый речевой сигнал. При нормальных усло­виях качество речи в телефонной трубке почти такое же, как и в системах ISDN (ИКМ-64), и намного лучше, чем в современных аналоговых ССПР.

46