В. Голуб

Модуляция GMSK в современных системах радиосвязи

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 реализуется в электронных компонентах, выпускаемых фирмами Analog Devices, Texas Instruments, Infineon Technologies и другими.

GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) - это гауссовская двухпозиционная частотная манипуляция с минимальным сдвигом, обладающая 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 регламентируется стандартом ETSI (Европейский институт стандартов связи) [1].

В общем случае, при частотной модуляции (ЧМ, FM) [2], 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 = Df/F (в радианах), где Df - 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 = 2Df/v.

ЧМ (ЧМн) подразделяют на узкополосную и широкополосную, зависящие от величины индекса. При узкополосной ЧМн, характеризуемой малым индексом (ß Ј 0,5), спектр сигнала сосредоточен, в основном, в полосе, определяемой удвоенным спектром манипулирующих посылок (практически без расширения). Отметим, что при узкополосной ЧМн частота манипуляции больше девиации частоты: F і 2Df. Широкополосная ЧМ, применяемая, в основном, в качестве аналоговой (например, в радиовещательном УКВ-диапазоне), характеризуется большим индексом и, соответственно, расширением спектра ЧМ сигнала.

В основе GMSK лежит ММС (MSK) - узкополосная ЧМн "с минимальным сдвигом", характеризуемая ß = 0,5 [3]. При ММС и, соответственно, при GMSK фаза частотно-манипулируемого колебания непрерывна, а её "набег" в течение одной посылки, обусловленный манипуляцией частоты ±D w (±2p D f), равен Dj = ±DwT. При ß = 0,5 он составляет p/2 и -p/2 для посылок "1" и "0", соответственно. Подчеркнём, что Dj - это не манипуляция фазы, а именно её "набег", обусловленный манипуляцией частоты. При ß = 0,5 скорость манипуляции v = 4Df, которая для GMSK, используемой в GSM, составляет v = 270,833… Кбит/с при Df = 67,70833… кГц.

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 гауссов-ская низкочастотная фильтрация модулирующих посылок. Гауссовской она называется потому, что в качестве импульсной характеристики фильтра используют характеристику нормального распределения Гаусса [1]. 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. Параметр B определяет произведение BT, которое для GSM равно BT = 0,3. Отметим, что BT - это не база сигнала, которая не может быть меньше единицы.

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

Реализация GMSK

Для GMSK обычно используют одну из двух схем модуляции - c управляемым по частоте генератором (УГ) и квадратурным модулятором [4], которые в упрощённом виде показаны на рис. 1.

Рисунок 1. Схемы GMSK модуляторов: управляемого генератора в составе системы ФАПЧ (w_01/N = w0/M) (а); квадратурного модулятора (с формирователем сигнала модуляции) (б)

В модуляторе с УГ (рис. 1а) используется система ФАПЧ [5], обеспечивающая высокую стабильность несущей частоты ЧМ (ЧМн) сигнала. При этом собственно модулятором является УГ, а система ФАПЧ обеспечивает получение несущей, равной w₀ = (M/N)w₀₁. M и N - это коэффициенты деления частоты в делителях ":M" и ":N", а w₀₁ - стабильная частота опорного источника. Делители используются для точной настройки на требуемую частоту w₀. В этом смысле модулятор по схеме на рис. 1а является одновременно синтезатором частот типа "Integer-N".

Модулятор характеризуется передаточной функцией

K_мод(p) = K_УГ/[1 + k_Ф(p)/pt₀], (1)

где K_УГ - коэффициент преобразования УГ (с размерностью (рад/с)/В), t₀ = M/K_УГK_ФДK_Ф - постоянная времени, K_ФД - коэффициент передачи фазового детектора ФД, K_Ф и k_Ф(p) - постоянный и частотно-зависимый множители передаточной функции фильтра Ф [5]. Согласно (1), модулятор обладает свойствами фильтра верхних частот. Это соответствует используемым кодовым по-следовательностям модулирующего сигнала (без постоянной составляющей).

Модулятор по схеме рис. 1а является, по существу, аналоговым, используемым для манипуляции. Обозначения, приведённые на рис. 1а (и на других рисунках), например, cos(w₀±Dw)t_i, являются упрощёнными и, строго говоря, соответствуют установившимся значениям частоты посылок (то есть без учёта переходных процессов, связанных с изменением частоты ±Dw).

Модулятор GMSK с УГ по схеме на рис. 1а применяется обычно в беспроводной телефонии (в системе DECT), а в системе GSM применяется квадратурный модулятор, схема которого приведена на рис. 1б [6]. Собственно квадратурный модулятор содержит перемножители с опорными источниками cosw₀t_i и sinw₀t_i и вычитатель на выходе. На вход перемножителей поступают две составляющие квадратурного сигнала cos(±Dw)t_i и sin(±Dw)t_i, формируемые обычно в DSP. При этом, если модулятор аналоговый, на выходе DSP используют ЦАП. Квадратурный модулятор может быть цифровым и иметь ЦАП на своём выходе [7]. На рис. 1б показаны эквивалентные цепи DSP - гауссовский фильтр ГФ, интегратор тdt и элементы тригонометрических функций "cos" и "sin" [6]. На вход поступает нефильтрованная последователь-ность положительных и отрицательных значений "±Dw", соответствующая "1" и "0" модулирующего кода. Указанная последовательность фильтруется в ГФ. Её фронты сглажены, а частотный спектр, соответственно, сужен.

На рис. 2 приведены схемы квадратурных модуляторов, совмещённых с повышающим преобразователем частоты: w₀ = w₀₁ + w₀₂, где w₀ - несущая ВЧ, w₀₁ - несущая на выходе модулятора, определяемая частотой первого гетеродина, w₀₂ - частота второго гетеродина. Показанные на входе cosWt_i и ±sintWt_i, которые более наглядны, соответствуют cos(±Dw)t_i и sin(±Dw)t_i на рис. 1б (при Dw = W). Схема устройства на рис. 2а проще, чем на рис. 2б, и содержит последовательно включённые модулятор и преобразователь частоты. Преобразователь построен с использованием системы ФАПЧ и дополнительно содержит смеситель (перемножитель) и фильтр Ф2. Фильтр пропускает составляющие с несущей w₀₁, равной разности w₀ – w₀₂, и подавляет составляющие с w₀ + w₀₂. Фильтр Ф2 не является обязательным, если, например, смеситель выполнен по балансной схеме.

Рисунок 2. Преобразователи частоты: с модулятором на входе (а); со встроенным модулятором (б) (Dw = W, w₀₁ = w₀ – w₀₂)

Передаточная функция преобразователя на рис. 2а является, в отличие от (1), функцией фильтра нижних частот:

K_пр(p) = 1/{1 + p[t₀/K_Ф1(p) – t_зад2]}, (2)

где K_Ф1(p) - частотно-зависимый множитель функции фильтра Ф1, а t_зад2 = -Dj₂/Dw - временная задержка, вносимая фильтром Ф2 (на рабочем участке его ФЧХ). Влияние Ф2 на передаточную функцию (2) видно из

K_пр(p)=1/[1+p(t₀ – t_зад2)+p²t₀t_Ф1] (3)

- функции системы 2-го порядка с K_Ф1(p) = 1/(1+pt_Ф1). Согласно (3), действие t_зад2 эквивалентно уменьшению t₀ при соответствующем увеличении t_Ф1 (при t₀t_Ф1 = const) и может быть компенсировано увеличением t₀ при уменьшении t_Ф1.

На рис. 2б показана более сложная схема совмещённого модулятора-преобразователя, известного как модулятор передатчика с виртуальной промежуточной частотой и используемого в новых разработках фирмы Analog Devices [4]. В рассматриваемом устройстве модулятор встроен в систему ФАПЧ вместе с преобразователем. На выходе модулятора - сумматор, а выходной частотой модулятора является w₀₁, которая равна частоте опорного колебания первого гетеродина, подаваемого на внешний вход ФД. На выходе преобразователя будут манипулируемые значения частоты w₀ ± Dw, где w₀ = w₀₁ + w₀₂, w₀₂ - частота второго гетеродина, а манипуляция частоты ±Dw определяется входным сигналом модулятора (Dw = W).

Применение GMSK

Модуляция GMSK применяется, прежде всего, в широко распространённой и зарекомендовавшей себя цифровой системе мобильной сотовой радиосвязи GSM-900 (Global System for Mobile Communications), в более высокочастотных её вариантах - европейском DCS-1800 (GSM-1800) и северо-американском PCS-1900 (GSM-1900), а также в новой системе GPRS (General Packet Radio Service) [6, 8, 9].

Отметим весьма важное обстоятельство, касающееся построения современных приёмных каналов в системах GSM и других, не связанное, однако, с рассматриваемым видом модуляции. Это - применение супергомодинного метода радиоприёма вместо традиционного супергетеродинного [4, 9]. При супергомодинном методе нет промежуточного преобразования частоты (ВЧ в ПЧ), а настройка приёмного канала на требуемую частоту осуществляется изменением опорной частоты демодулятора. При этом, благодаря более совершенной фильтрации на входе приёмного канала, а также применению цифровой манипуляции (вместо аналоговой модуляции), обеспечивается высококачественный приём радиосигналов без недостатков, присущих супергетеродинному методу. Кроме того, применение супергомодинного метода приводит к упрощению схемы приёмного канала и снижению стоимости комплектующих микросхем.

Ниже даётся краткое описание микросхем ведущих фирм-производителей, использующих GMSK.

Фирма Analog Devices выпускает чипсет "Othello" в составе двух микросхем AD6523 (модулятор/демодулятор приёмопередатчика) и AD6524 (синтезатор частот) [4] и анонсировала новый чип "Othello One" [10] - одну микросхему AD6534, заменяющую указанные две. В чипсете "Othello" и чипе "Othello One" используется рассмотренный выше "виртуальный" модулятор (рис. 2б). На рис. 2б он показан в упрощённом виде, а в указанных устройствах он имеет отличия. Дополнительно в его составе имеются делители частоты ":N" и ":M". Кроме того, в [4] перемножитель смесителя показан с квадратурным выходом (без расшифровки его устройства).

Канал передачи чипа "Othello One" с дополнительными внешними элементами содержит рассмотренный модулятор с "виртуальной" ПЧ, преобразователь частоты (ПЧ в ВЧ) и два коммутируемых усилителя мощности для диапазонов частот GSM 900 МГц и GSM (DCS, PCS) 1800/1900 МГц.

Преобразователь и усилители, вместе с антенным коммутатором и входными полосовыми фильтрами приёмного канала, составляют внешнюю высокочастотную часть схемы приёмопередатчика. Канал приёма содержит три коммутируемых входных цепи с полосовыми фильтрами и малошумящими усилителями для диапазонов 900, 1800 и 1900 МГц, демодулятор и усилители низкой частоты с ФНЧ. В приёмном канале чипа "Othello One", как и чипсета "Othello", используется указанный супергомодинный метод.

Для работы с радиочастотными AD6523/4 и AD6534 предназначены низкочастотные чипсет AD20msp425 (содержащий микросхемы AD6421 и AD6426) и новый чипсет AD20msp430 "SoftFone" (содержащий AD6521 и AD6522). AD6421 и AD6521 - это кодеки, а AD6426 и AD6522 - процессоры.

Чипсет "Othello" и чип "Othello One" могут быть использованы также в системах GPRS и EDGE (Enhanced Data GSM Environment). Так как в EDGE применена 8-PSK (8-позиционная фазовая манипуляция), в передающем канале на выходе чипа "Othello One" используется микросхема AD6021, в которой осуществляется как преобразование частоты, так и преобразование GMSK в 8-PSK.

Наряду с рассмотренными чипсетом "Othello" и чипом "Othello One", фирма Analog Devices выпускает микросхему более ранней разработки AD6432, представляющую собой субсистему канала промежуточной частоты приёмопередатчика. В указанной микросхеме реализуется супергетеродинный метод, а для модуляции используется квадратурный модулятор. Микросхема предна-значена для работы в системах радиосвязи GSM/DCS/PCS совместно с чипсетами AD20msp410 (AD7015, ADSP2178, ADPLP01) или AD20msp415 (AD6421, AD6422), в которых формируется сигнал модуляции.

В цифровых микросхемах AD9857 [7] и AD9773/5/7 используются, соответственно, цифровые квадратурные модуляторы, в которых также предусмотрена реализация GMSK. Помимо модуляторов, указанные микросхемы содержат интерполирующие фильтры (на входе) и ЦАП (на выходе).

Для системы DECT, также использующей GMSK, выпускается микросхема приёмопередатчика AD6411, модулятор которой соответствует схеме на рис. 1а.

Фирма Texas Instruments также приступила к выпуску новых чипсетов: TCS1100 (содержащий микросхемы TBB1100, TWL3012 и TRF6053/TRF2253) - для системы GSM; TCS2100 (содержащий TBB2100, TWL3014 и TRF6150) - для системы GPRS [11]. TRF6053 и TRF2253 - это микросхемы приёмопередатчика и синтезатора, а TRF6150 - приёмопередатчика со встроенным синтезатором. В TRF6053 (для GSM) модулятор с преобразователем частоты вы-полнен по схеме, аналогичной на рис. 2б, но в приёмном канале используется супергетеродинный метод. В TRF6150 (для GPRS) модулятор с преобразователем выполнен по схеме, аналогичной на рис. 2а, а в приёмном канале используется супергомодинный метод.

В передающем канале приёмопередатчика с TRF6150 содержатся также два коммутируемых усилителя мощности, а в приёмном канале - два входных полосовых фильтра для диапазонов 900 и 1800/1900 МГц. Входной фильтр 900 МГц постоянно подключен к демодулятору 900 МГц, а фильтр 1800/1900 МГц может быть подключен к одному из демодуляторов - 1800 или 1900 МГц. Все три демодулятора - квадратурные. Микросхема TRF6150 содержит в своём составе два синтезатора - типа "Integer-N" для модулятора (w₀1 на рис. 2а) и типа "Fractional-N" для преобразователя ПЧ в ВЧ в передающем канале (w₀₂ на рис. 2а) и демодуляторов приёмного канала.

Предшественниками микросхем TRF6053, TRF2253 и TRF6150, являются модулятор/синтезатор TRF3040, модулятор TRF3520, приёмник TRF1020, а также синтезаторы TRF2020, TRF2050.

Фирма Infineon Technologies также выпускает новые чипсеты для систем GSM и GPRS [12]. В их составе: PMB 6250/3/6 (SMARTi / SMARTi+ / SMARTi DC) - микросхемы приёмопередатчиков, из которых последняя - с DC (Direct Converter), то есть без промежуточного преобразования частоты; PMB 6850 (E-GOLD+) и PMB 8880 (M-GOLD) - микросхемы для цифровой обработки низкочастотного сигнала, в том числе для формирования сигнала модуляции; другие микросхемы, образующие с указанными комплекты, необходимые для формирования приёмопередающих систем. Модулятор и преобразователь ПЧ в ВЧ выполнены по схеме, аналогичной на рис. 2а (но фильтр Ф2 не показан).

В чипсете для системы DECT - микросхемы PMB 6720, PMB 6610 и PMB 6818/9. В микросхеме приёмопередатчика PMB 6610 используется модулятор по схеме, аналогичной на рис. 1а.

Более подробно с рассмотренными микросхемами и условиями поставки можно ознакомиться в сети Интернет на сайтах фирм-производителей www.analog.com, www.ti.com, www.infineon.com и на сайте НПФ VD MAIS www.vdmais.kiev.ua.

Литература

1. EN 300 95European Standard: Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Modulation (GSM 05.04, version 8.1.2, Release 1999). ETSI, 2001.
2. Картьяну Г. Частотная модуляция. 2-е изд. Бухарест: Меридиане, 1964. Макаров С.Б., Цикин И.А. Передача дискретных сообщений по радиоканалам с ограниченной полосой пропускания. М.: Радио и связь, 1988.
3. Fague D., Othello™: A New Direct-Conversion Radio Chip Set Eliminates IF Stages // Analog Dialogue. 1999. Vol. 33.No. 10.
4. Голуб В. Система ФАПЧ и её применения // Chip News. 2000. № 4.
5. Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. 5-е изд. М.: Эко-Трендз, 1998.
6. Gent_ile K., Digital Upconverter IC Tames Complex Modulation // Microwaves & RF. August 2000.
7. Зуев С. Основы GSM // Радiоаматор, 1998, №№ 9 – 10, 1999, №№ 1 – 2. Шахнович И. Сотовый телефон третьего поколения: SuperHomodyne versus SuperHeterodyne // Электроника: НТБ, 2001, № 3.
8. Othello One^TM Single-Chip Direct-Conversion GSM/GPRS/EDGE RFIC. – Analog Devices (www.analog.com).
9. Wireless Communicat_ions: TCS1100 GSM Solut_ion / TCS2100 GPRS Solut_ion / TRF6053 RF Transceiver and TRF2253 RF Synthesizer / TRF6150 RF Transceiver. – Texas Instruments (www.ti.com).
10. Infineon Technologies AG – Solut_ions – GSM / GPRS / DECT (www.infineoncom).