Приемник

Рассмотрим основные каскады приемника, их назначение и функции.

Высокочастотный сигнал в диапазоне 935...960 МГц принимается антенной и через антенный коммутатор (включаемый CPU в режиме приема) поступает в высокочас­тотный фильтр (обычно фильтр поверхностной акустической волны (ФПАВ) – керамический фильтр), усиливается в высокочастотном малошумящем усилителе (МШУ).

Первый смеситель СМ1 позволяет сдвинуть сигнал в более низкочастотную область, при этом на второй вход СМ1 гетеродинный сигнал подается с синтезатора частот (управляемого от CPU), фильтр сосредоточенной селекции на ПАВ (ФСС1) выделяет сигнал первой промежуточной частоты и далее этот сигнал усиливается в тракте усилителей первой промежуточной частоты УПЧ1.

Сигнал первой промежуточной частоты поступает на вход второго смесителя СМ2 (на второй вход СМ2 подается сигнал гетеродина от генератора частот, далее ФСС2 на ПАВ выделяет сигнал второй промежуточной частоты, который усиливается УПЧ2 и поступает в блок демодуляции (демодулятор GMSK).

Блок демодуляции. В блоке сигнал демодулируется в фазовом демодуляторе (ФДМ), при этом на вход канального эквалайзера он поступает в виде цифрового видеосигнала; (назначение канального эквалайзера состоит в компенсации той разности хода между составляющими радиолучами при многолучевом распространении радиоволн, которая приводит к межсимвольной интерференции (эквалайзер по своей сути – это адаптивный фильтр, настраиваемый по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой информации, таким образом, чтобы сигнал на его выходе был по возможности в большей степени очищен от межсимвольных искаже­ний, содержащихся во входном сигнале)); далее цифровой сигнал попадает в декоде­ры канала и речевого сигнала.

Декодер канала выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее в логический блок; принятая информация проверяется на наличие ошибок, и выявленные ошибки по возможности исправляются. До последующей обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке (деперемежению).

Декодер речи восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, переводя его естественную форму, со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый речевой сигнал в аналоговую.

Далее сигнал аналоговой формы подается на телефон. Таким образом, завершается прием информации, переданной базовой станцией BTS мобильной MS.

Управляющим устройством в MS является центральный управляющий процессор CPU, который имеет свою оперативную и постоянную память (MEM) и выполняет широкий спектр функций, которые будут рассмотрены ниже.

Синтезатор частот (СЧ), являющийся задающим генератором колебаний высокой частоты (а именно, несущей частоты, зависящей от условий передачи или приема) для передачи информации по радиоканалу. Синтезатор используется в работе как передающего устройства (при передаче сигнала СЧ → СМ_П в блок фазового модулятора), так и приемного (при передаче сигнала СЧ → СМ, при этом СЧ играет роль первого гетеродина), переключаясь в разные области выделенной полосы частот для передачи и приема. Кроме указанных основных функций, СЧ, под действием управляющих сигналов от CPU, реализует процесс скачков по частоте (frequency hopping), при этом в стандарте GSM используются медленные скачки с переключением по частоте в каждом очередном кадре. Учитывая, что в кадре каж­дому физическому каналу соответствует один слот, то для любого из физических каналов такая частота скачков эквивалентна смене частотных каналов с частотой слотов. Переключение рабочих частот происходит со скоростью 217 скачков в секунду, что повышает эффективность кодирования и перемежения при малой скорости движения MS.

SIM-карта, придается к MS в виде съемного модуля, взаимодействует с CPU и определяет процедуру аутентификации MS.

В заключение данного параграфа следует отметить, что структурная схема MS (рис. 3) является существенно упрощенной. На ней не показаны схемы контроля мощности на передачу и прием и управление ею, схема управления частотой синтезатора частот для работы на определенном частотном канале, не развернуты схемы (даже на уровне структурных схем) кодеков каналов и речевых сигналов, возможные устройства шифрования/дешифро­вания сообщений.

MS стандарта GSM включает также так называемый детектор речевой активности (VAD – Voice Activity Detector), который используется для реализации экономного расходования энергии источника питания (при уменьшении средней мощности излучения антенны MS), снижения уровня помех, неизбежно создаваемых для других станций при работающем передатчике, а также включает работу передатчика на излучение только в определенные интервалы времени, когда абонент говорит (то есть когда микрофон посылает аналоговые речевые сигналы в тракт передачи). На время паузы (абонент молчит) в приемный тракт до­полнительно вводится так называемый комфортный шум. При необходимости в MS могут входить отдельные терминальные устройства (например, факсимильный аппарат), переключаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.

3.3 Преобразование речевых сигналов в стандарте GSM

Цифровая обработка сигналов - важный элемент в аппаратной реализации принципов сотовой связи.

При рассмотрении цифровой обработки будем опираться на структурную схему (рис. 3), отражающую все основные этапы обработки и их последовательность.

В соответствии с этой схемой рассмотрим:

- аналого-цифровое преобразование сигналов (АЦП);

- кодирование речи;

- канальное кодирование;

- перемежение;

- модуляцию.

3.3.1 Аналого-цифровое преобразование

Аналого-цифровое преобразование производится в два этапа, которые в реальном устройстве часто не могут быть четко отделены один от другого: дискретизация входного непрерывного сигнала во времени – обычно с постоянным шагом, т.е. через равные интервалы времени, и квантование величины сигнала по уровню для этих дискретных моментов времени, т.е. производится так называемое натуральное кодирование [5, 6].

На рисунке 4 показано преобразование непрерывного сигнала в цифровую форму. В литературе эта операция часто именуется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), хотя в реальности ни о какой модуляции несущей речь не идет [6].

В соответствии с теоремой Котельникова аналоговый сигнал заменяется своими непрерывными отсчетами , взятыми через интервал времени , где – частота дискретизации, в два раза превышающая верхнюю частоту спектра . Поскольку известен и на приемной стороне, в обозначениях его можно опустить.

Далее диапазон разбивается на дискретных уровней через интервалы , называемые шагом квантования. Отсчет , удовлетворяющий условию , где – целое, принадлежащее отрезку , заменяется значением . При этом возникает погрешность, максимальное значение которой равно . Последовательность таких погрешностей называется шумом квантования.

Результатом ИКМ аналогового сигнала является последовательность чисел Каждое представляется в двоичной системе счисления, для чего требуется бит. На рисунке 4 около каждого отсчета указан номер уровня в десятичной системе счисления и его двоичный код на нижнем графике. Первый бит определяет знак отсчета, остальные – его значение (младшие разряды справа). При передаче телефонных сообщений чаще всего используют семиразрядный или восьмиразрядный двоичный код и тогда число комбинаций (уровней) будет равно 128 либо 256. Частота дискретизации равна 8 кГц. В стандарте GSM используется 8 бит цифровой информации на один квантованный отсчет.

Рисунок 4 – Пример преобразования непрерывного сигнала в цифровую форму (импульсно-кодовая модуляция)

По каналу во время передаются бит со скоростью . На приемной стороне аналоговый сигнал восстанавливается с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и интерполятора (фильтра нижних частот), например по формуле

Из-за шумов квантования и погрешностей интерполяции .