1. Выбор, обоснование технических требований структурной схемы передатчика

1.1 Принципы частотной манипуляции с минимальным сдвигом и структурная схема модулятора

Обобщённая структурная схема цифрового передатчика (см. рисунок 1.1.1) состоит из следующих основных блоков:

- генератора;

- фазового детектора;

- генератора управляемого напряжением;

- последовательно-параллельного преобразователя;

- модулятора;

- усилителя мощности.

Рисунок 1.1.1 – Структурная схема цифрового передатчика

Последовательно-параллельный преобразователь преобразует последовательный цифровой код в параллельный, который затем поступает на фильтры, где осуществляется выделение низкочастотной составляющей. С помощью низкочастотного колебания, содержащего передаваемую информацию, осуществляется модуляция высокочастотного несущего колебания, которое затем подлежит усилению.

Для транспортировки информации на расстояние с помощью радиоволн отведённого диапазона необходима модуляция несущего гармонического колебания высокой частоты низкочастотным сигналом, взаимно-однозначно отображающим передаваемое сообщение. В арсенале разработчика системы связи присутствуют три традиционные разновидности модуляции: амплитудная, частотная, фазовая (последние две можно трактовать как одну – угловую) со всеми их комбинациями и частными версиями. Как и вообще в инженерном проектировании, при предпочтении того или иного способа модуляции приходится искать компромисс между конфликтующими требованиями. В первую очередь речь идёт о разумном использовании радиочастотного ресурса: с одной стороны, избранный вид модуляции должен обеспечивать необходимую достоверность передачи, с другой – обладать достаточной спектральной эффективностью, т.е. распоряжаться выделенным участком диапазона с должной экономностью.

В настоящее время в сетях цифровой мобильной связи широкое распространение получили различные модификации квадратурной фазовой манипуляции. Одной из таких модификаций и является минимальная частотная манипуляция (МЧМ) или GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) – это гауссовская двухпозиционная частотная манипуляция с минимальным сдвигом. МЧМ не сопровождается амплитудной модуляцией, обеспечивая равенство пикфактора сигнала единице и, как результат, оптимальность режима усилителя мощности передатчика.

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 обладает 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 и DECT 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 ß = f/F (в радианах), гдеf - 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 ß = 2f/v.

В основе GMSK лежит ММС (MSK) - узкополосная ЧМн "с минимальным сдвигом", характеризуемая ß = 0,5. При ММС и, соответственно, при GMSK фаза частотно-манипулируемого колебания непрерывна, а её "набег" в течение одной посылки, обусловленный манипуляцией частоты ±(±2f), равен= ±T. При ß = 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.

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 ß = 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.

Гауссовскую фильтрацию осуществляют обычно в цифровом процессоре (DSP), в котором формируется сигнал модуляции.

Структурная схема модулятора осуществляющего гауссовскую двухпозиционную частотную манипуляцию с минимальным сдвигом представлена на рисунке 1.1.2.

Рисунок 1.1.2 – Структурная схема модулятора GMSK

GMSK модулятор состоит из следующих основных блоков: квадратурного модулятора, тригонометрических преобразователей, интегратора и гауссовского фильтра. Квадратурный модулятор включает два балансных модулятора, фазовращателя, опорный генератор, формирующий несущее колебание, и сумматор.