Виды сигналов, применяемых в телекоммуникации

Цифровой сигнал обладает большим числом преимуществ, отмеченных в статье "Виды сигналов, применяемых в телекоммуникации". Однако при передаче на дальние расстояния (более 100 метров) он начинает терять одно из своих самых важных свойств: помехозащищенность. Это связано с тем, что в качестве среды, как правило, используется воздушное пространство в случае радиопередачи и проводные каналы связи, а цифровой сигнал в этих средах очень быстро затухает. Использовать ретрансляторы через каждые несколько сотен метров при передаче на дальние расстояния экономически неэффективно. Кроме того, это не всегда технически реализуемо, в частности в сотовых системах связи максимальная удаленность мобильной станции (MS) от базовой станции (BTS) может достигать 35 км. Также есть еще одно важное свойство, требуемое для цифрового канала связи – широкополосность. Цифровой сигнал с резкими переходами между уровнями требует широкой полосы для его передачи. В противном случае переходы между уровнями будут "заламываться" и сигнал будет "смазанным", что может привести к высокому проценту ошибок. Для решения вышеуказанных проблем используют различные методы модуляции цифровых сигналов, о которых и пойдет речь в данной статье.
Модуляция – это процесс изменения каких-либо параметров несущего сигнала под действием информационного потока. Данный термин обычно применяют для аналоговых сигналов. Применительно к цифровым сигналам существует другой термин "манипуляция", однако его часто заменяют все тем же словом "модуляция" подразумевая, что речь идет о цифровых сигналах.
Существует 3 основных вида манипуляции сигналов: амплитудная (Amplitude-shift keying (ASK)), частотная (Frequency-shift keying (FSK)) и фазовая (Phase-shift keying (PSK)). Этот набор манипуляций определяется основными характеристиками, которыми обладает любой сигнал.

Виды манипуляции сигналов
АМ, ЧМ и ФМ являются базисом и достаточно редко применяются на практике поодиночке. Чаще применяются их модификации или в сочетании друг с другом. В частности в стандарте GSM (Global System for Mobile Communications) на радио интерфейсе применяется модуляция GMSK (Gaussian modulation with Minimum Shift Keying) – гауссовская манипуляция с минимальным фазовым сдвигом. Главное ее преимущество заключается в том, что манипулированный этим методом сигнал занимает гораздо меньшую частотную полосу, чем при обычной фазовой манипуляции.
Однако в основу GMSK положена, рассмотренная выше обычная фазовая манипуляция, и это видно даже из названия.
Таким образом, выбор того или иного метода манипуляции обусловлен требованиями по помехозащищенности, пропускной способности канала связи, стоимостью реализации оборудования и т.п.
Гауссовская частотная модуляция с минимальным сдвигом (англ. Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK)) — вид частотной модуляции (манипуляции) с индексом модуляции равным 0.5, при которой последовательность из прямоугольных информационных импульсов проходит через гауссовский фильтр нижних частот.

Последовательность двоичных символов и радиосигнал с MSK

Преимущество данного вида модуляции в том, что сигналы с GMSK имеют низкий уровень внеполосных излучений, то есть меньше мешают другим пользователям эфира, чем сигналы с MSK. Как и сигналы с MSK, сигналы с GMSK имеют непрерывную фазу.

Модулирующий сигнал получается путём преобразования информационного потока из вида 0/1 в вид −1/+1. Затем последовательность из символов 1 и -1 фильтруется гауссовым фильтром таким образом, что прямоугольные импульсы преобразуется в импульсы гауссовского вида. Далее полученный сигнал подается на ЧМ модулятор с индексом модуляции равным 0,5, и таким образом образуется полный сигнал GMSK. Это очень простой метод, но выполнить требование точности индекса модуляции на практике сложно. Обычно используют квадратурный модулятор, в котором «тяжесть» переносится на фазовращатель для фильтрованного сигнала, что для цифровых схем сложности не представляет. Чем больше наложение откликов фильтра на прямоугольные импульсы, тем более существенны межсимвольные искажения между соседними битами. В случае, когда производится суперпозиция N GMSK сигналов с различными амплитудами модуляцию называют N-GMSK^[1].
Используется для передачи данных в стандартах GSM, DECT, CDPD и Mobitex