Принципы формирования сигналов стандарта GSM
Стандарт GSM - Global System of Mobile communication - Всемирная система мобильной связи (иногда эту аббревиатуру расшифровывают как Groupe Special Mobile - группа разработчиков стандарта GSM). Основные технические характеристики стандарта.
Диапазон частот: 478,8...486/488,8...496 МГц (GSM-480);
Диапазон частот: 890...915/935...960МГц(GSM-900);
Диапазон частот: 1710...1880/1805...1880 МГц (GSM-1800);
Разнос между несущими - 200 кГц;
Количество речевых каналов на несущей - 8 (16 - для GSM-1800);
Вид модуляции - 0,3 GMSK;
Скорость преобразования речевого сигнала - 13 (6,5) кбит/с;
Алгоритм преобразования речевого сигнала RPE - LTP;
Скорость передачи информации - 270 кбит/с;
Радиус соты - 0,5...35 км.
Следует пояснить некоторые нюансы. GSM-400 - это обобщенное обозначение GSM-450 и GSM-480. В России его пока не используют, однако в Европе он проходит испытания, и в текущем году начнут выпускать трехдиапазонные сотовые телефоны стандартов GSM-400/900/1800. GSM-400 призван заменить стандарт NMT-450/NMT-450i. В технической литературе иногда GSM-1800 обозначают как DCS 1800. Эту систему сотовой связи разработали и впервые использовали в Великобритании, где она получила наименование Digital Cellular System - система цифровой сотовой связи диапазона 1800 МГц. Она практически не отличается от системы GSM, если не принимать во внимание некоторые не столь существенные детали.
В США система сотовой связи стандарта GSM работает в диапазоне 1900 МГц и носит название либо PCS 1900 (Personnel Communication Devices), либо более привычное - GSM-1900. Кроме того, в отличие от европейских стандартов GSM, использующих технологию TDMA (временное разделение каналов с множественным доступом), американский стандарт GSM-1900 функционирует по технологии CDMA (кодовое разделение каналов с множественным доступом). Полосы частот, указанные в характеристиках стандарта через дробную черту, означают диапазоны передачи: в числителе - от сотового телефона к базовой станции, в знаменателе - от базовой станции к сотовому телефону.
Как следует из характеристик стандарта, ширина каждой из частотных полос составляет 25 МГц, что обеспечивает 124 канала связи (124 пары частот) с разносом между несущими в 200 кГц. Разнос между частотами передачи и приема каждого канала составляет 45 МГц. Любая базовая станция сотовой связи может обеспечить работу на одной или нескольких несущих частотах, число которых зависит от плотности сети сотовой связи в зоне работы станции.
При этом реализуется принцип множественного доступа с частотным разделением каналов - FDMA (Frequency Division Multiple Access). Использовать же два соседних канала в одной ячейке невозможно. Каждой базовой станции - BS (Base Station) назначают одну или более несущих частот, используя принцип множественного доступа с временным разделением каналов - TDMA (Time Division Multiple Access).
Принцип TDMA предусматривает "расщепление" каждой полосы в 200 кГц на восемь временных интервалов (слотов), которые представляют собой логические каналы связи. Каждый из них определяется собственной частотой и номером кадра (фрейма) слота. Не вдаваясь в детали, отметим, что логический канал состоит из речевого, или Traffic Chanel (TCH), несущего в себе речевую информацию, канала управления и синхронизации (CCH), а также некоторого числа бит кодовой последовательности для коррекции ошибок при приеме сигнала. Канал управления состоит из подканалов, каждый из которых выполняет свои функции в процессе установления связи, ее сеанса и завершения: BCCH, FCCH, SCH, RACH, AGCH.
При использовании восьми слотов "оцифрованная речь" в каждом канале передается короткими пачками (пакетами) импульсов, а терминал GSM передает только 1/8 часть от каждого сообщения.
В системах связи стандарта GSM различают два вида каналов - каналы трафика TCH (Traffic CHannels) для передачи информации пользователя (речь, данные) и каналы управления, которые в сети резервируют для передачи сообщений при ее обслуживании. Считается, что для передачи речи достаточно скорости 13 кбит/с.
Системы GSM используют "медленную скачкообразную перестройку частоты", или SFH (Slow Frequency Hopping), когда мобильная и базовая станции каждый TDMA-кадр передают на новой фиксированной частоте с сохранением постоянного разноса в 45 МГц между каналами приема и передачи. Время для перестройки частоты составляет около 1 мс. Последовательность переключений частот в процессе установления связи для каждого сотового телефона - индивидуальна. Именно принцип SFH успешно решает проблему качества связи, которое при многолучевом распространении сигнала может ухудшаться с изменением значения несущей частоты.
В состав сотового телефона входят: аналого-цифровой (АЦП) и цифро-аналоговый (ЦАП) преобразователи речевого сигнала, кодек речевого сигнала, канальный кодек, модулятор-демодулятор (модем), синтезатор частоты с ФАПЧ и собственно радиотракт. Работой узлов трактов приема и передачи, а также устройством индикации управляет контроллер. Кроме того, он коммутирует периферийные устройства, которые могут быть подключены к трубке либо специальным соединительным кабелем, либо посредством инфракрасного или другого (например, BlueTooth) порта.
С помощью клавиатуры набирают номер требуемого абонента, а также обеспечивают доступ к специальным функциям сотового телефона (телефонная книга, передача коротких сообщений, функции ограничения доступа и пр.). Трубка имеет несколько видов памяти - статическое ОЗУ (SRAM), ПЗУ, флэш-память. В качестве последней используют SIM-карту телефона, где хранятся индивидуальные данные о пользователе сотовой связи. На ней также можно записывать и хранить телефонные номера, тем самым расширяя память телефонной книги.
Принцип обработки речевого сигнала
С микрофона речевой сигнал поступает в тракт передачи. Там он на первом этапе сегментируется (разбивается на сегменты длительностью 20 мс), а затем преобразуется в цифровой поток со скоростью 13 кбит/с (один сегмент составляет кодовую последовательность из 260 бит). Поскольку частотный спектр передаваемого сигнала ограничен узкой полосой пропускания радиотракта, речь кодируют по специальному алгоритму LCP-LTP-RPE-кодирования. Следует отметить, что GSM-кодирование оптимизировано исключительно для передачи речи с максимальным качеством.
На втором этапе для безошибочной передачи цифрового кода и исправления ошибок при приеме осуществляется канальное кодирование. Оно обеспечивает надежную связь при потерях не более 12,5% передаваемой информации, в основном обусловленных спецификой распространения радиоволн диапазонов 900 и 1800 МГц. При прослаивании собирается пакет, включающий, помимо "оцифрованной речи" (канала трафика), и сигналы управления (канал управления).
Шифрование пакетов заключается в выполнении операции "Исключающее ИЛИ" между нормальными пакетами информации и псевдослучайной битовой последовательностью, параметры которой определяются номером кадра TDMA и так называемым цифровым ключом, формируемым при установлении связи. В процессе формирования пакета к цифровому потоку добавляется бинарная информация, что упрощает синхронизацию и коррекцию передаваемого сообщения.
Для модуляции несущей частоты применяется гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Это значительно уменьшает полосу частот излучаемого сигнала при сохранении качества связи. Применение GMSK позволяет использовать усилители мощности передающего устройства класса С (работают в режиме с отсечкой коллекторного тока) - более экономичные, нежели усилители других классов.
Также важно знать, что для повышения эффективности сотовой связи и экономии энергии аккумуляторных батарей телефонов сигналы в кодеке обрабатывают на основе принципа DTX (Discontinuous Transmission) - прерывистой передачи речи. При этом передатчик, управляемый входящим в кодек VAD (Voice Activated Detector) - детектором активности речи, излучает только с началом разговора, и отключается в паузах. VAD выделяет интервалы речи, даже когда уровень шума соизмерим с уровнем голоса абонента.
