ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ЦИФРОВОЙ РАДИОСТАНЦИИ НА ОСНОВЕ КОГЕРЕНТНОГО ПРИЕМА GMSK-СИГНАЛОВ
ТЕХНОЛОГИИ АНАЛИЗА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
УДК 621.376.9
А. С. МЕРКУТОВ, Д. В. КРУТИН, А. Н. ЦИСЛАВ, А. А. ПЛЕТНЕВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ЦИФРОВОЙ РАДИОСТАНЦИИ НА ОСНОВЕ КОГЕРЕНТНОГО ПРИЕМА GMSK-СИГНАЛОВ
С использованием САПР ADS исследована помехоустойчивость цифрового демодулятора при введении отстроек по несущей и тактовой частоте. Разработан макет радиостанции УКВ-диапазона и экспериментально проверена возможность ее использования в составе аппаратуры, работающей в системе радиосвязи с шагом сетки частот 6,25 и 3,125 кГц.
Ключевые слова: УКВ-радиостанция, GMSK, узкополосный прием, когерентный демодулятор.
Постоянный рост числа абонентов современных систем сухопутной подвижной радиосвязи, работающих в УКВ-диапазоне (например, 148—174 МГц), требует повышения спектральной эффективности передачи цифровой информации по радиоканалу с обеспечением всех требований международных стандартов [1]. В современной аппаратуре, как правило, используется шаг канальной частотной сетки 25 или 12,5 кГц, рассчитанный, в первую очередь, на полосу частот, требуемую для передачи FSK-сигнала c индексом модуляции больше единицы, и применение некогерентной демодуляции. Использование относительной фазовой модуляции с предварительной фильтрацией позволяет несколько сузить спектр передаваемого сигнала, однако при этом снижается энергетическая эффективность работы радиопередающих и радиоприемных трактов, что уменьшает срок работы аккумуляторных батарей в портативных устройствах и снижает помехоустойчивость радиоканала.
Цель настоящей работы заключается в исследовании возможности создания перспективной портативной радиостанции, обеспечивающей реализацию шага частотной сетки 6,25 и 3,125 кГц на основе выпускаемой современной промышленностью элементной базы. Для передачи сигнала по радиоканалу было предложено использовать GMSK-модуляцию с контролируемой величиной параметра ВТ (где В — полоса гауссова предмодуляционного фильтра по уровню –3 дБ; Т — длительность информационного символа), что позволило обеспечить формирование модулированного сигнала с высокой спектральной эффективностью и максимально сузить полосу пропускания тракта промежуточной частоты принимаемого цифрового сигнала. Кроме того, пакетная идеология передачи цифровых данных в сеансе связи, широко используемая в современных радиостанциях, дает возможность применить методы когерентной демодуляции принятого сигнала при цифровой обработке в приемном тракте.
Исследования показали, что при шаге сетки частот 6,25 кГц качественная передача речевого сигнала возможна при модуляционной скорости 4 кбит/с. Для параметра GMSK-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 8
8 А. С. Меркутов, Д. В. Крутин, А. Н. Цислав, А. А. Плетнев
сигнала ВТ = 0,25 уровень излучения в соседний канал составляет γ = –69 дБ, что отвечает
(с запасом) требованиям международного стандарта [1]. Известно, что оптимальная демодуляция GMSK-сигнала как разновидности сигнала мо-
дуляции с непрерывной фазой (СРМ) осуществляется на основе алгоритма Витерби. Сигналы GMSK при незначительных ограничениях также могут приниматься двухканальным MSKприемником.
Синтезированная оптимальная структура демодулятора MSK-сигнала представлена в работе [2], там же рассмотрена структура приемника при учете флуктуирующей фазы центральной частоты и точно известной задержке цифрового сигнала. В работе [3] рассмотрены особенности синтеза модели приемника GMSK-сигнала при флуктуирующих значениях фазы центральной тактовой частоты. Один из вариантов модели приведен на рис. 1.
k4
5 8 Tвкл = 256 бит
Tвкл = 256 бит
k1 k2 6 k 3 12
1
I Q2
3 4
9 sign
14 T
10 sign
15 T
11
7
k 5 13
Рис. 1
При сеансовой связи передается преамбула, содержащая немодулированную центральную и четвертьтактовую частоту. Модели блоков детектирования (см. рис. 1) соответствуют
функциональным схемам, приведенным в статьях [3, 4], здесь 1 — блок определения cosϕ и
sinϕ, ϕ — рассогласование по частоте; 2 — комплексный множитель; 3 — блок определения начальной задержки; 4 — блок варьируемой задержки; 5 — интегратор; 6 — генератор sin(2π/4T); 7 — генератор cos(2π/4T); 8 — начальная отстройка частоты; 9, 10 — скользящее суммирующее окно длиной Т; 11 — фиксированное смещение оценки текущей задержки, 12 — скользящее суммирующее окно с периодом 200Т; 13 — скользящее суммирующее окно с периодом 900Т; 14 — интегратор на интервале [(2k + 1)T, (2k + 1)T]; 15 — интегратор на интервале [(2k + 1)T, 2kT]). Характеристики следящих петель фазовой и тактовой синхронизации исследованы в статье [4].
Проведено моделирование работы демодулятора при BT=0,4 с использованием подсистемы имитационного моделирования САПР Advanced Design System (ADS). Моделирование проводилось как для случая идеальной тактовой и фазовой синхронизации, так и для случая уходов несущей и тактовой частоты.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 8
Исследование возможности создания цифровой радиостанции
9
На рис. 2 приведены результаты расчета зависимости вероятности битовой ошибки (Рош) от отношения средней энергии бита к спектральной плотности шума (Eb/N0) — в условиях идеальной фазовой и тактовой синхронизации, а также при наличии относительных рас-
строек несущей ( δн = ∆Fн / Fт0 ) и тактовой ( δт = ∆Fт / Fт0 ) частоты. Здесь ∆Fн , ∆Fт — абсо-
лютные уходы несущей и тактовой частоты соответственно, Fт0 — номинальная тактовая
частота. Также моделировалась работа демодулятора при нарастающем отклонении частоты, т.е. исследовалось влияние допплеровского эффекта при изменении скорости движения передатчика или приемника. Моделирование смещений тактовых отсчетов показало, что петля тактовой автоподстройки может компенсировать как скачкообразные, так и плавные (медленные) уходы тактовой частоты. Было установлено, что в режиме отслеживания медленных уходов несущей и тактовой частоты при их скачкообразном изменении с относительной рас-
стройкой δн ≤ 0, 0003 и δт ≤ 10−4 помехоустойчивость демодулятора будет соответствовать
кривой 1 на рис. 2 (1 — случай идеальной синхронизации, начальная отстройка δн
УДК 621.376.9
А. С. МЕРКУТОВ, Д. В. КРУТИН, А. Н. ЦИСЛАВ, А. А. ПЛЕТНЕВ
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ЦИФРОВОЙ РАДИОСТАНЦИИ НА ОСНОВЕ КОГЕРЕНТНОГО ПРИЕМА GMSK-СИГНАЛОВ
С использованием САПР ADS исследована помехоустойчивость цифрового демодулятора при введении отстроек по несущей и тактовой частоте. Разработан макет радиостанции УКВ-диапазона и экспериментально проверена возможность ее использования в составе аппаратуры, работающей в системе радиосвязи с шагом сетки частот 6,25 и 3,125 кГц.
Ключевые слова: УКВ-радиостанция, GMSK, узкополосный прием, когерентный демодулятор.
Постоянный рост числа абонентов современных систем сухопутной подвижной радиосвязи, работающих в УКВ-диапазоне (например, 148—174 МГц), требует повышения спектральной эффективности передачи цифровой информации по радиоканалу с обеспечением всех требований международных стандартов [1]. В современной аппаратуре, как правило, используется шаг канальной частотной сетки 25 или 12,5 кГц, рассчитанный, в первую очередь, на полосу частот, требуемую для передачи FSK-сигнала c индексом модуляции больше единицы, и применение некогерентной демодуляции. Использование относительной фазовой модуляции с предварительной фильтрацией позволяет несколько сузить спектр передаваемого сигнала, однако при этом снижается энергетическая эффективность работы радиопередающих и радиоприемных трактов, что уменьшает срок работы аккумуляторных батарей в портативных устройствах и снижает помехоустойчивость радиоканала.
Цель настоящей работы заключается в исследовании возможности создания перспективной портативной радиостанции, обеспечивающей реализацию шага частотной сетки 6,25 и 3,125 кГц на основе выпускаемой современной промышленностью элементной базы. Для передачи сигнала по радиоканалу было предложено использовать GMSK-модуляцию с контролируемой величиной параметра ВТ (где В — полоса гауссова предмодуляционного фильтра по уровню –3 дБ; Т — длительность информационного символа), что позволило обеспечить формирование модулированного сигнала с высокой спектральной эффективностью и максимально сузить полосу пропускания тракта промежуточной частоты принимаемого цифрового сигнала. Кроме того, пакетная идеология передачи цифровых данных в сеансе связи, широко используемая в современных радиостанциях, дает возможность применить методы когерентной демодуляции принятого сигнала при цифровой обработке в приемном тракте.
Исследования показали, что при шаге сетки частот 6,25 кГц качественная передача речевого сигнала возможна при модуляционной скорости 4 кбит/с. Для параметра GMSK-
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 8
8 А. С. Меркутов, Д. В. Крутин, А. Н. Цислав, А. А. Плетнев
сигнала ВТ = 0,25 уровень излучения в соседний канал составляет γ = –69 дБ, что отвечает
(с запасом) требованиям международного стандарта [1]. Известно, что оптимальная демодуляция GMSK-сигнала как разновидности сигнала мо-
дуляции с непрерывной фазой (СРМ) осуществляется на основе алгоритма Витерби. Сигналы GMSK при незначительных ограничениях также могут приниматься двухканальным MSKприемником.
Синтезированная оптимальная структура демодулятора MSK-сигнала представлена в работе [2], там же рассмотрена структура приемника при учете флуктуирующей фазы центральной частоты и точно известной задержке цифрового сигнала. В работе [3] рассмотрены особенности синтеза модели приемника GMSK-сигнала при флуктуирующих значениях фазы центральной тактовой частоты. Один из вариантов модели приведен на рис. 1.
k4
5 8 Tвкл = 256 бит
Tвкл = 256 бит
k1 k2 6 k 3 12
1
I Q2
3 4
9 sign
14 T
10 sign
15 T
11
7
k 5 13
Рис. 1
При сеансовой связи передается преамбула, содержащая немодулированную центральную и четвертьтактовую частоту. Модели блоков детектирования (см. рис. 1) соответствуют
функциональным схемам, приведенным в статьях [3, 4], здесь 1 — блок определения cosϕ и
sinϕ, ϕ — рассогласование по частоте; 2 — комплексный множитель; 3 — блок определения начальной задержки; 4 — блок варьируемой задержки; 5 — интегратор; 6 — генератор sin(2π/4T); 7 — генератор cos(2π/4T); 8 — начальная отстройка частоты; 9, 10 — скользящее суммирующее окно длиной Т; 11 — фиксированное смещение оценки текущей задержки, 12 — скользящее суммирующее окно с периодом 200Т; 13 — скользящее суммирующее окно с периодом 900Т; 14 — интегратор на интервале [(2k + 1)T, (2k + 1)T]; 15 — интегратор на интервале [(2k + 1)T, 2kT]). Характеристики следящих петель фазовой и тактовой синхронизации исследованы в статье [4].
Проведено моделирование работы демодулятора при BT=0,4 с использованием подсистемы имитационного моделирования САПР Advanced Design System (ADS). Моделирование проводилось как для случая идеальной тактовой и фазовой синхронизации, так и для случая уходов несущей и тактовой частоты.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 8
Исследование возможности создания цифровой радиостанции
9
На рис. 2 приведены результаты расчета зависимости вероятности битовой ошибки (Рош) от отношения средней энергии бита к спектральной плотности шума (Eb/N0) — в условиях идеальной фазовой и тактовой синхронизации, а также при наличии относительных рас-
строек несущей ( δн = ∆Fн / Fт0 ) и тактовой ( δт = ∆Fт / Fт0 ) частоты. Здесь ∆Fн , ∆Fт — абсо-
лютные уходы несущей и тактовой частоты соответственно, Fт0 — номинальная тактовая
частота. Также моделировалась работа демодулятора при нарастающем отклонении частоты, т.е. исследовалось влияние допплеровского эффекта при изменении скорости движения передатчика или приемника. Моделирование смещений тактовых отсчетов показало, что петля тактовой автоподстройки может компенсировать как скачкообразные, так и плавные (медленные) уходы тактовой частоты. Было установлено, что в режиме отслеживания медленных уходов несущей и тактовой частоты при их скачкообразном изменении с относительной рас-
стройкой δн ≤ 0, 0003 и δт ≤ 10−4 помехоустойчивость демодулятора будет соответствовать
кривой 1 на рис. 2 (1 — случай идеальной синхронизации, начальная отстройка δн