Проектирование устройства передачи данных по радиоканалу (стр. 2 из 12)

MSK - это продолжение частотной модуляции, при которой разница частот "1" и "0" по модулю всегда равны половине скорости передачи данных. Т.е. индекс модуляции m=0.5, определяется следующим образом:

Например: если скорость передачи данных 1200 бит/сек, то частота "1" 1200Hz, а частота "0" 1800Hz. См. рис. 1.1.1

Рис. 1.1.1 а) Цифровые данные b) MSK сигнал

Рис. 1.1.2 MSK модулятор

Гауссова модуляция с минимальным сдвигом (GMSK )

GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) - гауссовская манипуляция с минимальным частотным сдвигом.

В стандарте GSM применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется "гауссовской" потому, что последовательность информационных бит до модулятора проходит через фильтр нижних частот (ФНЧ) с характеристикой Гаусса, что дает значительное уменьшение полосы частот

Рисунок 1.3. - Структурная схема GMSK - модуляции

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.

Модуляцию GMSK отличают следующие свойства, которые предпочтительны для подвижной связи:

• постоянная по уровню огибающая, которая позволяет использовать эффективные передающие устройства с усилителями мощности в режиме класса С;

• компактный спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения;

• хорошие характеристики помехоустойчивости канала связи.

Импульсно - кодовая модуляция:

Наряду с использованием аналоговых (АМ) можно использовать импульсные методы модуляции, в частности, амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), что позволяет улучшить энергетические характеристики процесса передачи в целом, если учесть, что длительность излучаемого импульса может быть мала по сравнению с периодом несущей. Импульсные методы модуляции основаны на процессе дискретизации передаваемого аналогового сигнала, т.е. использовании последовательности выборок (выборочных значений) аналогового сигнала, взятых периодически с частотой дискретизации fд. Она выбирается из условия возможности последующего восстановления аналогового сигнала без искажений из дискретизированного сигнала с помощью фильтра нижних частот.

Следующим логичным шагом может быть квантование амплитуд импульсных выборок - процесс определения для каждой выборки эквивалентного ей численного (цифрового значения). Указанные два шага (дискретизация и квантование) определяют процессы, осуществляемые при импульсно-кодовой модуляции. Они позволяют перейти от аналогового представления речевого сигнала к цифровому.

Численное значение каждой выборки в этой схеме может быть далее представлено (закодировано) в виде 7 или 8 битного двоичного кода (на практике при использовании аналого-цифровых преобразователей (АЦП двоичное кодирование осуществляется непосредственно при квантовании). Такое кодирование (часто называемое кодификацией дает возможность передать 128 или 256 дискретных уровней амплитуды речевого сигнала, обеспечивая качественную передачу речи формально с динамическим диапазоном порядка 42 или 48 дБ. Учитывая, что выборки должны передаваться последовательно, получаем двоичный цифровой поток со скоростью 56 кбит/с (8 кгц х 7 бит) в случае 7 битного кодирования или 64 кбит/с (8 кГц х 8 бит) в случае 8 битного кодирования.

Использование ИКМ в качестве метода передачи данных позволяет:

Для систем цифровой телефонии - ликвидировать недостатки присущие аналоговым методам передачи, а именно:

•убрать существенное затухание сигнала и его изменение в сеансе связи и от сеанса к сеансу;

•практически убрать посторонние шумы;

•улучшить разборчивость речи и увеличить динамический диапазон речи.

Перспективные способы модуляции:

OCDM-модуляция :

В широкополосных сигналах, получаемых мультиплексированием нескольких широкополосных сигналов с ортогональным кодовым уплотнением (Orthogonal Code Division Multiplex -- OCDM), используется одновременно несколько широкополосных каналов на одной частоте. Каналы разделяются за счет применения ортогональных PN-кодов. Фирма Sharp анонсировала 10-мегабитный модем, построенный по этой технологии. Фактически одновременно передаются 16 каналов с 16-чиповыми ортогональными кодами. В каждом канале применяется BPSK, затем каналы суммируются аналоговым методом. Вследствие суммирования независимых каналов возникает довольно сильная паразитная AM, что требует использования линейного усилителя мощности и вызывает большее потребление энергии.

Data Mux -- мультиплексор входных данных

BPSK -- блок фазовой модуляции

Spread -- блок расширения спектра методом прямой после-довательности ; Sum -- выходной сумматор

Рисунок 1.4 - Схема OCDM модуляции (16 Spread-каналов по 0,68 кбит/с = 10 Мбит/с)

OFDM-модуляция

Широкополосные сигналы, получаемые мультиплексированием нескольких широкополосных сигналов с ортогональным частотным уплотнением (Оrthogonal Frequency Division Multiplex -- OFDM), представляют собой одновременную передачу на разных несущих частотах сигналов с фазовой модуляцией. Одним из ее преимуществ является высокая устойчивость к провалам в спектре, возникающим вследствие многолучевого затухания. Модуляция обеспечивает наименьшую интерференцию и спектр, весьма похожий на спектр "белого шума". Обработка OFDM обычно происходит с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) и инверсного БПФ, что приводит к усложнению схем декодирования по сравнению с более простым типом модуляции.

Применяется OFDM в современных системах наземного цифрового ТВ-вещания (DTTV) в диапазонах ОВЧ/УВЧ.

Data mux - мультиплексор входных данных

Channel - частотный канал

BPSK -- блок фазовой модуляции

Sum -- сумматор частотных каналов

Рисунок 1.5 - Схема OFDM-модуляции (16 независимых каналов по 0,68 кбит/с = 10 Мбит/с)

1.2 Сравнительный анализ способов кодирования - декодирования информации

Сделаем сравнительный анализ рассмотренных выше способов модуляции и выберем подходящий.

Прежде всего определимся с требованиями к способу приёма/передачи сигнала. В нашем случае сигнал передается по радиоканалу. При этом требования к высоким скоростям , как в случае передачи по телефонной линии, отсутствуют .

Также , в отличие от передачи по телефонной линии, отсутствует понятие дуплексной связи. Исходя из этого будем выбирать наиболее простой и проверенный способ. Так называемые , переспективные способы модуляции, OCDMи OFDM не подходят, т.к. работают с широкополосными сигналами и слишком сложны в исполнении. Импульсно-кодовая модуляция также не подходит т.к. напра-влена на работу с цифровыми линиями. Среди таких видов модуляции как, фазовая , амплитудно-фазовая и частотная, наиболее подходящей является частотная модуляция. Частотная модуляция (FSK) обычно используется при приёме-передаче не требующей высоких скоростей, проста в реализации. Очень часто FSKиспользуется в судовом телеграфе , а т.к наше устройство в принципе предназначено для установки на судах дальнего плавания, то при согласовании с телеграфом можно будет принимать сообщения прямо на ЭВМ. Вывод: выбираем частотную модуляцию.

1.3 Анализ аппаратной реализации

Аппаратная реализация устройства кодирования-декодирования информации может быть очень различной.

1) Приведем структурную схему аппаратного способа реализации устройства кодирования-декодирования использующего частотную модуляцию.

Рисунок 1.6 - Структурная схема передатчика.

Рисунок 1.7 - Структурная схема приёмника.

Описание работы.

При передаче от ЭВМ цифрового кода генераторы G1 и G2, заполняют сигнал, синусоидами с разными частотами, соответ-ствующими "1" и "0", т.е. первоначальный сигнал моделируется.

При приёме, полосовые фильтры Ф1 и Ф2 настроенные на полосы частот "1" и "0" формируют соответствующий цифровой код , крутые фронты которого создаются с помощью пороговых элементов ПЭ1 и ПЭ2. После чего происходит определение какой из кодов пришел и передача его в ЭВМ.

2) Рассмотрим следующую блок - схему устройства кодирования-декодирования информации.

В наше время все большую популярность получают устройства кодирования-декодирования информации с использованием цифровых сигнальных процессоров.

Приведем в пример устройство выпускаемое фирмой AnalogDevicesназываемое SHARCEZ-Kit. Это устройство является универсальным комплексом по решению различных задач обработки сигналов, в том числе и задач кодирования и декодирования информации. На рис. 1.8 представленнаблок-схема данного комплекса.

Рисунок1.8 - Блок - схемакомплексаSHARC EZ-Kit

Аналогов таких устройств существует большое количество, отличающихся типом DSP, кодека, элементной базой и т.п., но принцип у всех один - универсальность. Основной алгоритм работы устройства обеспечивается программным образом без вмешательства в аппаратную часть.