Скорость передачи информации в радиоканале передачи.
Конкретному абоненту выделяется один слот (TS). В одном временном интервале можно передать полноскоростной информационный канал телефонии ТСН/FS со скоростью 13 кбит/с или полноскоростной канал передачи данных со скоростью 9,6 кбит/с.
Структурная схема мобильной станции стандарта GSMприведена в теме 3.2.
Высокочастотная часть состоит из антенного блока, приёмопередатчика и синтезатора частот.
Антенный блок включает собственно антенну и антенный переключатель.
В качестве антенн в мобильных телефонах сотовой связи широкое распространение нашли следующие типы антенн:
- спиральная антенна, имеющая малые габариты;
- четвертьволновый несимметричный диполь,
- симметричный вибратор с коаксиальным экраном в центральной части (полуволновый диполь), питаемый с одного конца с помощью коаксиальной линии;
- комбинированная спиральная антенна, являющаяся альтернативным вариантом укороченной спиральной антенны (состоит из первичной фиксированной антенны и выдвигающейся вторичной).
Антенна А выполняет одновременно функции передающей и приемной. Антенный переключатель – это электронный коммутатор, управляемый цифровым сигнальным процессором CPU и переключающий вход антенны либо на выход передатчика, либо на вход приёмника.
В системах стандарта GSM передатчик и приемник работают не одновременно, и передача осуществляется только в течение 1/8 (1/16) длительности кадра. Это значительно уменьшает расход энергии аккумуляторной батареи и увеличивает время функционирования аккумулятора без подзарядки как в режиме передачи (разговора), так и в режиме приема (ожидания). Кроме того, снижаются требования к высокочастотному фильтру приемника, выполненному на ПАВ, и делает возможным интеграцию малошумящего входного усилителя (МШУ) со смесителем.
Приёмо-передающий блок.
Приёмник. Принимаемый высокочастотный сигнал через антенный коммутатор (включаемый CPU в режиме приёма) поступает на вход полосового фильтра (обычно ФПАВ – керамический фильтр поверхностной акустической волны), усиливается в малошумящем усилителе МШУ.
Первый смеситель СМ1 позволяет сдвинуть принятый сигнал в область более низких частот. На второй его вход поступает сигнал гетеродина fnpм с синтезатора частот (управляемого от CPU). Фильтр ФСС 1 сосредоточенной селекции на ПАВ выделяет сигнал на первой промежуточной частоте и далее сигнал первой промежуточной частоты f np1 усиливается усилителем первой промежуточной частоты УПЧ1, после чего поступает на первый вход второго смесителя СМ 2. На его второй вход поступает сигнал гетеродина fг2 с генератора частот. Фильтр ФСС 2 на ПАВ выделяет сигнал второй промежуточной частоты fnp2 , который усиливается усилителем УПЧ2 и поступает в блок демодуляции.
В блоке сигнал сначала демодулируется в фазовом демодуляторе. При этом на вход канального эквалайзера он поступает в виде цифрового сигнала. Эквалайзер – это адаптивный фильтр, настраивающийся таким образом, чтобы компенсировать межсимвольную интерференцию из-за многолучевого распространения радиоволн. Очищенный от межсимвольных искажений сигнал попадает в канальный и речевой декодеры.
Канальный декодер с учётом закодированной управляющей информации (дополнительных бит) декодирует весь поток информации.
Декодер речи декодирует цифровой поток речевой информации для дальнейшего преобразования её в ЦАП из цифровой формы в аналоговую.
В телефоне (динамике) завершается приём информации, переданной базовой станцией BTS мобильному телефону.
Передатчик.Речевой сигнал, преобразованный микрофоном в электрический аналоговый сигнал и усиленный усилителем низкой частоты УНЧ, поступает в АЦП. Далее передача сигнала осуществляется в цифровой форме.
Кодер речи устраняя избыточность, сжимает речевой сигнал. Этим достигается сокращение используемой для передачи полосы частот.
Кодер канала добавляет в цифровой сигнал дополнительную избыточную информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи., с этой же целью информация подвергается перемежению (переупаковке). В кодере канала в состав передаваемой информации вводится управляющая информация, получаемая от CPU.
Сформированный цифровой сигнал поступает на l/Q-генератор, где при участии CPU происходит формирование модулирующего сигнала. Последний поступает в фазовый модулятор GMSK в котором гаусовской манипуляцией с минимальным частотным сдвигом. Реализуется перенос цифрового сигнала в область радиочастотного канала. При GMSK в полосе частотного канала 200 кГц обеспечивается скорость передачи информации 270 кБит/с, обеспечивается высокий КПД усилителя мощности и приемлемая помехоустойчивость.
Смеситель (СМп) предназначен для переноса сигнала на выходе фазового модулятора с частотой Fфм в диапазон частот 890-915 МГц под действием сигналаf прд, поступающего с синтезатора частот на второй вход смесителя. . Полученный сигнал f c1 через фильтр сосредоточенной селекции ФСС поступает в усилитель мощности (УМ). ФСС настраивается на выбранную CPU одну из 124 несущих частот и кроме того реализует фильтрацию высших гармоник для уменьшения межканальных влияний.
Усилитель мощности не только усиливает сигнал с выхода ФСС, но и под действием команд CPU меняет коэффициент усиления, регулируя величину выходной мощности телефона по команде базовой станции BTS.
Усиленный до необходимого уровня сигнал через фильтр сосредоточенной селекции поступает в антенный коммутатор. В случае передачи речевого сигнала CPU переключает АК в режим передачи.
Тракт фазовый модулятор-смеситель-ФСС-УМ-ФСС в последних моделях телефонов реализован на однокристальной СБИС и называется «модем GMSK».
Аналоговая часть передатчика выполняет функции переноса информации кодированного цифрового сигнала в область несущей частоты выбранного канала передачи. Цифровая часть при управлении CPU – осуществляет обработку и передачу информации в цифровой форме с добавлением информационных потоков управления, адреса, защиты и т.д.
Цифровая логическая часть сотового радиотелефона состоит из цифрового сигнального процессора CPU, имеющего оперативную и постоянную память (МЭМ), эквалайзера, канального кодера/декодера, SIM-карты, преобразователей АЦП и ЦАП, наборного поля и дисплея.
Логическая часть выполняет задачи, заключающиеся в демодуляции, кодировании, сжатии и восстановлении речевого сигнала, уменьшении шумов, в обработке информации, вводимой с наборного поля. Она выводит необходимую информацию на экран дисплея, производит обмен информацией с SIM-картой, обеспечивающей аутентификацию абонента и шифрование данных.
Синтезатор частотявляется задающим генератором колебаний несущей частоты, зависящей от условий передачи или приёма. Синтезатор используется как в работе передающего устройства, так и приёмного устройства, вырабатывая сигналы f прд. иf прм. и обеспечивая дуплексный разнос 45 МГц.
Синтезатор под действием управляющих сигналов CPU реализует процесс скачков по частоте (frequency hopping), используемый в условиях городской застройки.
Современные телефоны стандарта GSM выпускаются двухдиапазонные 900/1800 МГц или трёхдиапазоные 900/1800/1900 МГц. В этом случае синтезатор частот, а также высокочастотные тракты приёма и передачи реализуется двух или трёхдиапазонными.
MS стандарта GSM использует детектор речевой активности VAD и систему прерывистой передачи речи DTX. В состав DTX входит устройство формирования комфортного шума и устройство для экстраполяции фрагментов речи, утерянных при передачи в радиоканале.
Для того, чтобы иметь высокое качество передачи речи при низкой скорости передачи, в GSM используется способ кодирования, объединяющий вокодеры и дифференциальную ИКМ (DPCM), который получил название дифференциального кодирования. После многочисленных испытаний выбран кодек RPR-LTR использующий метод линейного предсказания с возбуждением регулярной последовательностью импульсов и долговременным предсказанием с темпом передачи цифровой информации 13 кбит/с и качеством преобразования речи 3,58 по оценке MOS.
Приведенная структурная схема является значительно упрощенной. На ней не показаны схемы контроля мощности на передачу и приём и управление ею, схема управления частотой синтезатора, не развёрнуты схемы речевого и канального кодеков, модулятора, устройства шифрования/дешифрования сообщений.
Вопросы самоконтроля
1. Назовите системы GSM, использующие различные диапазоны частот.
2. Определите для P-GSM 900 номинальную частоту 60 канала в прямом и обратном направлениях.
3. Какова величина дуплексного разноса для системы GSM 900?
4. Поясните метод множественного доступа и организации дуплекса TDMA/FDD.
5. Что представляет собой антенна мобильной станции? Какой коэффициент усиления антенны? Определите приближённую длину антенны для диапазона 900 МГц.
6. Поясните назначение и работу фазового модулятора GMSK.
7. Поясните назначение смесителя СМп и фильтра ФСС на структурной схеме.
8. Применяется ли в стандарте GSM регулировка мощности передатчика MS в зависимости от величины сигнала, измеренного приемным устройством базовой станции?
9. Поясните назначение малошумящего усилителя МШУ, смесителей СМ1 и СМ2 приёмника на структурной схеме.