diplov / file1

Рис.8.24 Графічне пояснення методу MSK

На першому графіку представлено приклад вхідної бітової послідовності модулятора.

Другий і третій графіки дають відповідно послідовності непарних а1 і

парних а2 бітів вхідної послідовності, причому тривалість кожного біта збільшена вдвічі в сторону запізнення, тобто кожен біт ―розтягнутий‖ в часі до

2-бітового символу, і для зручності приймається, що послідовності а1 і a2

приймають значення +1 та -1 (значення -1 відповідає значенню 0 вхідної послідовності).

В результаті для кожного бітового інтервалу тривалістю Т розміщені одне над одним значення а1 і а2 дають саме ту пару парного і непарного бітів, які є аргументами закону модуляції.

Четвертий і п'ятий графіки показують форму модулюючих сигналів двох

421

квадратурних каналів в1 і в2, які отримуються як добуток функцій а1 і а2

відповідно на квадратурні низькочастотні сигнали sin( t/2T) і cos( t/2T). Слід звернути увагу на стрибкоподібну зміну фази цих сигналів на ; в моменти зміни знаків а1 і а2.

Кінцевий модульований сигнал згідно отримується як результат перемноження модулюючих сигналів квадратурних каналів з відповідними несучими sin( 0t) і cos( 0t) і сумування отриманих добутків. Описаний принцип побудови модулятора MSK пояснюється блок-схемою (поки без врахування першого блоку - гаусівського фільтра G).

З приведених вище аналітичних виразів безпосередньо випливає, що початкова фаза Н модульованого сигналу в методі MSK описується лінійно-

ламаною кривою, тобто залежність H(t) є неперервною, але не гладкою.

Додавання гаусівського фільтра, тобто фільтра низьких частот з амплітудною характеристикою в формі гаусівської кривої, приводить до згладження кривої

H(t) в точках зламу. Ширина смуги В фільтра по рівню 3 дБ вибирається рівною:

B = 0.3F,

тобто добуток

ВТ = 0.3.

Оскільки в стандарті GSM F=270.833 кГц, смуга гаусівського фільтра рівна В=81.3 кГц.

422

Введення гаусівського фільтра призводить до звуження головного пелюстка і зниження бокових пелюстків спектру на виході модулятора, чим забезпечується допустимий рівень завад по суміжних частотних каналах.

8.3.2.5. Рознесений прийом

Ідея рознесеного прийому (англійський термін diversity) як засобу боротьби з швидкими завмираннями полягає в одночасному використанні декількох сигналів, які відрізняються по певному параметру або координаті,

причому рознесення повинно вибиратись таким чином, щоб ймовірність одночасних завмирань всіх сигналів, що використовуються, була набагато менша, ніж ймовірність завмирання одного з них. Іншими словами,

ефективність рознесеного прийому тим більша, чим менша кореляція завмирань в складових сигналів. Крім того, важлива також технічна реалізація і простота методу, що використовується.

Можна виділити п'ять варіантів рознесеного прийому:

з рознесенням в часі (time diversity). В цьому випадку використовуються сигнали, зсунуті в часі один відносно другого. Цей метод порівняно легко реалізувати в цифровій формі, проте покращення якості прийому відбувається за рахунок пропускної здатності каналу зв'язку;

з рознесенням по частоті (frequency diversity). В цьому випадку використовуються сигнали, які передаються на декількох частотах, тобто цей метод вимагає розширення смуги частот;

з рознесенням по напрямку (direction diversity). В цьому методі прийом відбувається на декілька антен з розузгодженими (без повного перекриття)

діаграмами направленості. В цьому випадку сигнали з виходів різних антен корельовані тим слабше, чим менше перекриття діаграм направленості, проте при цьому одночасно падає і ефективність прийому (інтенсивність сигналу,

що приймається), в крайньому випадку для всіх антен, крім однієї;

з рознесенням по поляризації (polarization diversity). В цьому методі дві антени приймають сигнали двох взаємно ортогональних поляризацій.

423

Практичного значення цей варіант не має, оскільки в НВЧ діапазоні завмирання на різних поляризаціях сильно корельовані;

з рознесенням в просторі (space diversity). В цьому методі прийом відбувається на декілька антен, рознесених в просторі. Це єдиний метод,

який застосовується на практиці, і саме цей метод мається на увазі, коли говориться про рознесений прийом.

Для методу просторового рознесення, тобто для рознесеного прийому,

необхідні щонайменше дві приймальні антени, встановлені з деяким зміщенням она відносно одної. З загальних міркувань очевидно, що виграш від рознесеного прийому тим більший, чим більша кількість антен, які використовуються при рознесеному прийомі. Проте із збільшенням кількості антен зростає складність технічної реалізації. Тому на практиці використовується проста схема з двома приймальними антенами на базовій станції. В рухомих станціях рознесений прийом в основному не використовується.

Суттєвими характеристиками системи рознесеного прийому є відстань між антенами і спосіб сумісного використання сигналів з виходів двох антен.

Із збільшенням відстані між антенами зменшується кореляція між флуктуаціями рівня сигналів, що приймаються. Отже, чим більше рознесення антен, тим більша ефективність рознесеного прийому. Проте при збільшенні рознесення зростає складність технічної реалізації, тому на практиці рознесення береться мінімально можливе, при якому рознесений прийом є достатньо ефективний. Реально з врахуванням як аналітичних оцінок, так і емпіричних даних рознесення звичайно складає біля десятка довжин хвиль, тобто порядку декількох метрів.

Що стосується об'єднання сигналів з виходів двох антен, то можна використати наступні способи:

використання одного (сильнішого) з двох сигналів;

додетекторне (когерентне) сумування двох сигналів;

424

післядетекторне сумування із рівними ваговими коефіцієнтами або із зважуванням, яке забезпечує отримання максимального співвідношення сигнал/шум.

Увипадку двох приймальних антен різниця в ефективності цих способів відносно невелика, і на практиці звичайно застосовується найбільш простий з них - вибір максимального з двох сигналів з комутацією виходу відповідного приймача на вхід тракту подальшої обробки.

8.3.2.6. Стрибки по частоті

Використання стрибків по частоті (frequency hopping) є одним з методів розширення спектру. Ідея методу стрибків по частоті полягає в тому, що несуча частота для кожного фізичного каналу періодично змінюється, тобто кожен фізичний канал періодично переводиться на новий частотний канал. Оскільки релеєвські завмирання є частотно-селективними, то, якщо при роботі на деякій частоті мало місце релеєвське завмирання, при зміні робочої частоти на

100...300 кГц завмирання з великою ймовірністю не буде. Як наслідок, при використанні стибкоподібної перенастройки частоти суттєво зменшується ймовірність довготривалих завмирань, а також в поєднанні з перемішуванням зменшується ймовірність групових помилок, а з одиночними помилками можна успішно боротись за допомогою завадостійкого канального кодування.

Розрізняють повільні і швидкі стрибки по частоті. При повільних стрибках період зміни частоти набагато більший тривалості символу повідомлення, що передається, а при швидких стрибках - набагато менше тривалості символу. В

стандарті GSM використовуються повільні стрибки з перемиканням частоти в кожному наступному циклі.

Стрибки по частоті - це ефективний метод боротьби із спільноканальними інтерференційними завадами. Припустимо дві комірки, які розміщені близько одна від одної, працюють на однакових частотах: f0, f1, f2. В такому випадку вони постійно будуть створювати одна одній завади. При використанні стрибків по частоті ймовірність використання однієї частоти обома комірками

425

значно знизиться (рис. 8.25).

Рис.8.25 Пониження інтерференції при використанні стрибків по частоті.

Зміна частоти в межах доступного діапазону може бути як регулярною

(циклічною), так і псевдовипадковою, причому є 63 зразки псевдовипадкових алгоритмів. Слід відмітити, що режим роботи із стрибками по частоті не є обов'язковим. Цей режим доцільно використовувати у випадку, коли комірці виділено три і більше частот: чим більше частот, тим ефективніша боротьба з спільноканальними інтерференційними завадами. У випадку циклічного алгоритму і трьох частот в комірці період повторення послідовності частот рівний трьом стрибкам; при використанні псевдовипадкового алгоритму період повторення становить приблизно 6 хвилин.

Існує два відмінні типи стрибкоподібної перенастройки частоти:

синтезаторна і смуги частот. При синтезаторній стрибкоподібній перенастройці частоти вихідна частота передавача настроюється на визначений канал,

відбувається посилка пакету інформації, після чого передавач настроюється на інший канал. При стрибкоподібній перенастройці смуги частот є декілька передавачів, які настроєні на свої частоти. Кожен наступний пакет, який потрібно передати, скеровується до нового передавача.

8.3.2.7. Обробка часового випередження

В системі GSM поряд з частотним розділенням каналів використовується множинний доступ з часовим розділенням каналів. Це дозволяє одночасне використання однієї частоти декількома мобільними станціями. Проте мобільна

426

станція може передавати лише протягом чітко визначеного часового інтервалу.

З іншої сторони базова станція в кожен інший часовий інтервал отримує пакет від іншої мобільної станції. Проблема виникає, коли мобільна станція перебуває на значній відстані від BS. В такому випадку час поширення пакета стає співрозмірний з тривалістю часового інтервалу, і як наслідок пакет прибуває на базову станцію з запізненням, що призводить до перекривання пакетів в сусідніх часових інтервалах, тобто до втрати інформації. Щоб запобігти накладанню пакетів в сусідніх часових інтервалів використовується часове випередження (англ. Timing Advance) - визначається час, на який мобільна станція повинна раніше почати передачу, щоб пакет дійшов до базової станції в потрібний часовий інтервал. Розрахунок часового випередження здійснює базова станція. При першому доступі мобільна станція передає пакет доступу по каналу RACH. Базова станція визначає запізнення пакету і передає значення часового випередження до MS по сигналізаційному каналу SACCH.

Надалі базова станція буде посилати до MS числові значення в межах від 0 до

63, вказуючи мобільній станції кількість тактових синхроімпульсів (3.69 мкс),

яка повинна бути перед часовим інтервалом, який виділений MS для передачі.

Часове випередження може коливатись в межах від 0 до 233 мкс, що є достатнім для комірок, радіус яких не перевищує 35 км.

В деяких випадках є необхідність в розширенні меж покриття, наприклад для покриття трас, малозаселених районів і т.д. Стандарт GSM передбачає можливість подвоєння радіусу комірки, тобто часове випередження розширеної комірки буде становити 126 бітових інтервалів.

Мобільна станція може компенсувати часове випередження лише в 63

бітові інтервали. Щоб запобігти перекриванню пакетів в розширених комірках використовується об'єднання двох фізичних часових інтервалів в один СССН

або ТСН канал (рис. 8.26).

Об'єднання часових інтервалів запобігає перекриванню пакетів, які надходять з запізненням, проте зменшує ємність мережі, оскільки об'єднання призводить до зменшення кількості розмовних каналів, тобто до зменшення

427

кількості одночасних розмов.

Прийом пакетів в звичайній комірці

Прийом пакетів в розширеній комірці

- пакет при ТА<63;

пакет при ТА>63.

Рис.8.26 Об’єднання часових інтервалів з метою прийому пакетів в розширених комірках

8.3.2.8. Перервна передача

Обробка розмовної інформації в стандарті GSM здійснюється в рамках прийнятої системи перервної передачі розмови DTX, яка забезпечує вмикання передавача тільки тоді, коли абонент починає розмову і відключає його в паузах і в кінці розмови. Структурна схема обробки розмовної інформації приведена на рис. 8.27.

Перервна передача може використовуватись як по каналу ―вверх‖, так і по каналу ―вниз‖. При використанні по каналу ―вверх‖, тобто в мобільній станції,

дана функція дозволяє суттєво понизити споживання енергії від акумуляторних батарей. При використанні на базовій станції, тобто по каналу ―вниз‖, перервна передача дозволяє понизити інтерференційні завади, за рахунок переключення вільних каналів в пасивний режим (тобто відсутнє випромінювання).

Для спрощення надалі розглядається реалізація перервної передачі в мобільній станції.

428

Рис.8.27 Структурна схема процесу обробки розмовної інформації

Основним пристроєм при реалізації перервної передачі є детектор активності розмови (VAD). Головна задача при проектуванні VAD -

забезпечити надійну відмінність між умовою активного і пасивного каналів.

Якщо канал вільний протягом певного часу, його можна заблокувати. Оскільки середня активність розмови абонента нижча 50% це може призвести до суттєвої економії енергії акумуляторної батареї.

До пристроїв VAD ставляться наступні основні вимоги:

мінімальна ймовірність тривоги при дії лише шуму з високим рівнем;

висока ймовірність правильного виявлення розмови низького рівня;

висока швидкість розпізнавання розмови;

мінімальний час затримки вмикання.

Встандарті GSM прийнята схема VAD з обробкою в частотній області.

Структурна схема приведена на рис. 8.28.

Робота VAD базується на розрізненні спектральних характеристик розмови і шуму. Вважається, що фоновий шум є стаціонарний протягом відносно великого проміжку часу, його спектр також мало змінюється в часі. VAD

визначає спектральні відхилення вхідного сигналу від спектру фонового шуму.

429

Рис.8.28 Структурна схема VAD

Ця операція здійснюється інверсним фільтром, коефіцієнти якого встановлюються відносно впливу на вході тільки фонового шуму. При наявності на вході розмови і шуму інверсний фільтр здійснює подавлення компонентів шуму і знижує його інтенсивність. Енергія суміші сигнал/шум на виході інверсного фільтра порівнюється з порогом, який встановлюється в період дії на вході лише шуму. Цей поріг перебуває вище рівня енергії шуму.

Перевищення порогового рівня приймається за наявність на вході суміші

(сигнал+шум). Коефіцієнти інверсного фільтра і рівень порогу змінюються в часі залежно від поточного значення рівня шуму при дії на вході лише шумового сигналу. Оскільки ці параметри (коефіцієнти і поріг)

використовуються детектором VAD для виявлення розмови, сам VAD не може на цій же основі приймати рішення, коли їх змінювати. Це рішення приймається вторинним VAD на основі порівняння огинаючих спектрів в послідовні моменти часу. Якщо вони аналогічні протягом відносно тривалого проміжку часу, припускається, що має місце шум, і коефіцієнти фільтра та шумовий поріг можна змінити, тобто адаптувати під поточний рівень і спектральні характеристики вхідного шуму. VAD з обробкою в спектральній області вдало поєднується з мовним кодеком PRE/LPT-LPC, оскільки в процесі

LPC аналізу вже визначається огинаюча спектру вхідного впливу, необхідна для роботи вторинного VAD.

В паузах під час розмови відбувається формування т.зв. комфортного шуму. Коли детектор активності мови в передавачі виявляє, що розмова

430