Klíčování s minimálním posunem - Minimum-shift keying

v digitální modulace, klíčování s minimálním posunem (MSK) je typ kontinuální fáze klíčování kmitočtovým posunem který byl vyvinut na konci 50. let 20. století Collins Radio zaměstnanci Melvin L. Doelz a Earl T. Heald. ^[1] Podobný OQPSK, MSK je zakódován střídáním bitů kvadraturní komponenty, se složkou Q zpožděnou o polovinu symbol doba.

Avšak místo čtvercových pulzů, které používá OQPSK, kóduje MSK každý bit jako polovinu sinusoida.^[2]^[3] Výsledkem je signál s konstantním modulem (signál s konstantní obálkou), který snižuje problémy způsobené nelineárním zkreslením. Kromě toho, že se na MSK pohlíží jako na OQPSK, lze na něj pohlížet také jako na klíč s kontinuálním frekvenčním posunem (CPFSK ) signál s frekvenčním oddělením poloviční bitové rychlosti.

V MSK je rozdíl mezi vyšší a nižší frekvencí identický s poloviční bitovou rychlostí. V důsledku toho se křivky použité k reprezentaci 0 a 1 bitu liší přesně o polovinu nosné periody. Maximální odchylka frekvence je tedy 5 = 0,5 F_m kde F_m je maximální modulační frekvence. Výsledkem je index modulace m je 0,5. Toto je nejmenší FSK modulační index které lze zvolit tak, aby tvary vln pro 0 a 1 byly ortogonální. Volala varianta MSK Gaussovo klíčování s minimálním posunem (GMSK) se používá v GSM mobilní telefon Standard.

Matematické znázornění

Křivka MSK může být také navržena jako OQPSK (tj. V I / Q způsob ) s sinusovým tvarování pulzu.^[4]^[5] Mapování změn v spojitá fáze. Každý bitový čas se fáze nosné změní o ± 90 °.

Výsledný signál je reprezentován vzorcem: ^[3]^{[ověření se nezdařilo ]}

{ displaystyle s (t) = a_ {I} (t) cos { vlevo ({ frac {{ pi} t} {2T}} doprava)} cos {(2 { pi} f_ { c} t)} - ​​a_ {Q} (t) sin { left ({ frac {{ pi} t} {2T}} right)} sin { left (2 { pi} f_ { c} t vpravo)}}

kde ${ displaystyle a_ {I} (t)}$ a ${ displaystyle a_ {Q} (t)}$ zakóduje sudou a lichou informaci sekvenci trvání čtvercových pulzů 2T. ${ displaystyle a_ {I} (t)}$ má zapnuté pulzní hrany ${ displaystyle t = [- T, T, 3T, ldots]}$ a ${ displaystyle a_ {Q} (t)}$ na ${ displaystyle t = [0,2T, 4T, ldots]}$ . The nosná frekvence je ${ displaystyle f_ {c}}$ .

Za použití trigonometrická identita, toto lze přepsat do podoby, kde je zřetelnější fázová a frekvenční modulace,

{ displaystyle s (t) = cos doleva [2 pi f_ {c} t + b_ {k} (t) { frac { pi t} {2T}} + phi _ {k} doprava ]}

kde b_k(t) je +1, když ${ displaystyle a_ {I} (t) = a_ {Q} (t)}$ a -1, pokud jsou v opačném směru, a ${ displaystyle phi _ {k}}$ je 0, pokud ${ displaystyle a_ {I} (t)}$ je 1 a ${ displaystyle pi}$ v opačném případě. Proto je signál modulován na frekvenci a fázi a fáze se mění kontinuálně a lineárně.

Vlastnosti

Výkonová spektrální hustota MSK, BPSK, a QPSK. Postranní laloky MSK jsou nižší (-23 dB) než v případech BPSK a QPSK (−10 dB). Proto mezikanálové rušení je nižší v případě MSK. Kromě toho je hlavní lalok signálu MSK širší, což znamená více energie v nulové šířce pásma. To však může být také nevýhodou, kde je vyžadována extrémně úzká šířka pásma (šířka pásma null od nuly QPSK se rovná Šířka pásma 3dB „null-to-null šířka pásma signálu MSK je 1,5krát větší než šířka pásma 3dB.^[6]

Protože minimální vzdálenost symbolů je stejný jako v QPSK,^[7]^[8] pro teoretickou část lze použít následující vzorec poměr bitových chyb vázaný:

{ displaystyle P_ {b} = Q vlevo ({ sqrt { frac {2E_ {b}} {N_ {0}}}} vpravo) = { frac {1} {2}} operatorname {erfc } left ({ sqrt { frac {E_ {b}} {N_ {0}}}} right)}

kde ${ displaystyle E_ {b}}$ je energie na jeden bit, ${ displaystyle N_ {0}}$ je spektrální hustota šumu, ${ displaystyle Q (*)}$ označuje Q-funkce a ${ displaystyle operatorname {erfc}}$ označuje doplňková chybová funkce.

Gaussovo klíčování s minimálním posunem

Výkonové spektrální hustoty MSK a GMSK. Všimněte si, že klesá časová šířka pásma

{ displaystyle BT}

negativně ovlivňuje výkon bitové chyby kvůli zvyšování interference mezi symboly.^[9]

Gaussovo klíčování s minimálním posunem neboli GMSK je podobné standardnímu klíčování s minimálním posunem (MSK); digitální datový proud je však nejprve tvarován pomocí a Gaussův filtr před aplikací na frekvenční modulátor a obvykle má mnohem užší úhly fázového posunu než většina modulačních systémů MSK. To má výhodu redukce postranní pásmo energie, což zase snižuje mimopásmové rušení mezi nosiči signálu v sousedních frekvenčních kanálech.^[10]

Gaussův filtr však zvyšuje modulační paměť v systému a příčiny interference mezi symboly, což ztěžuje rozlišení mezi různými hodnotami přenášených dat a vyžaduje složitější algoritmy ekvalizace kanálu, jako je adaptivní ekvalizér u přijímače. GMSK má vysokou hodnotu spektrální účinnost, ale potřebuje vyšší Napájení úroveň než QPSK například za účelem spolehlivého přenosu stejného množství data.

GMSK se nejvíce používá v EU Globální systém pro mobilní komunikaci (GSM), v Bluetooth, v satelitní komunikaci,^[11]^[12] a Automatický identifikační systém (AIS) pro námořní plavbu.

Viz také

Souhvězdí diagram slouží ke zkoumání modulace v signálním prostoru (ne v čase)
Gaussovo klíčování s frekvenčním posunem

Reference

^ M.L Doelz a E.T. Heald, Systém minimální datové komunikace, US Patent 2977417, 1958, http://www.freepatentsonline.com/2977417.html
^ Anderson J. B., Aulin T., Sundberg C. E. Digitální fázová modulace. - Springer Science & Business Media, 2013. - s. 49–50
^ ^A ^b Proakis, John G. (2001). Digitální komunikace (4. vyd.). McGraw-Hill Inc. str.196 -199.
^ Proakis J. G. Digitální komunikace. 1995 // McGraw-Hill, New York. - str. 126-128
^ Anderson J. B., Aulin T., Sundberg C. E. Digitální fázová modulace. - Springer Science & Business Media, 2013. - str. 49-50
^ Link Budget Analysis: Digital Modulation-Part 2-FSK (Atlanta RF)
^ Haykin, S., 2001. Komunikační systémy, John Wiley & Sons. Inc. - str. 394
^ Link Budget Analysis: Digital Modulation-Part 2-FSK (Atlanta RF)
^ Haykin, S., 2001. Komunikační systémy, John Wiley & Sons. Inc. - str. 398
^ Poole, Iane. „Co je to GMSK modulace - Gaussovo klíčování minimálním posunem“. RadioElectronics.com. Citováno 23. března 2014.
^ Rice, M., Oliphant, T., & Mcintire, W. (2007). Techniky odhadu pro GMSK využívající lineární detektory v satelitní komunikaci. Transakce IEEE v letectví a elektronických systémech, 43 (4).
^ Wong, Yen F. a kol. „Optimální komunikační koncept země-země pro platformu CubeSat využívající vesmírnou síť NASA a síť blízké Zemi.“ (2016).

Subbarayan Pasupathy, Klíčování s minimálním posunem: Spektrálně efektivní modulace, IEEE Communications Magazine, 1979
R. de Buda, Rychlé signály FSK a jejich demodulace, Umět. Elec. Eng. J. sv. 1, číslo 1, 1976
F. Amoroso, Manipulace s pulsem a spektrem ve formátu minimálního (frekvenčního) posunu klíčování (MSK), IEEE Trans.
Dokument z University of Hull s podrobným popisem GMSK
Link Budget Analysis: Digital Modulation-Part 2-FSK (Atlanta RF)
Elnoubi, S., Chahine, S.A., & Abdallah, H. (2004, březen). BER výkon GMSK v kanálech blednutí Nakagami. In Radio Science Conference, 2004. NRSC 2004. Proceedings of the Twenty-First National (pp. C13-1). IEEE.
Feher, K. (1993, červenec). FQPSK: Návrh modulace a energeticky účinného RF zesílení pro zvýšení spektrální účinnosti a kapacity standardu PHY kompatibilního s GMSK a Π / 4-QPSK. V metodách bezdrátového přístupu IEEE 802.11 Phys. Spec. Doc.

[1] M.L Doelz a E.T. Heald, Systém minimální datové komunikace, US Patent 2977417, 1958, http://www.freepatentsonline.com/2977417.html

[2] Anderson J. B., Aulin T., Sundberg C. E. Digitální fázová modulace. - Springer Science & Business Media, 2013. - s. 49–50

[proakis-3] A ^b Proakis, John G. (2001). Digitální komunikace (4. vyd.). McGraw-Hill Inc. str.196 -199.

[4] Proakis J. G. Digitální komunikace. 1995 // McGraw-Hill, New York. - str. 126-128

[5] Anderson J. B., Aulin T., Sundberg C. E. Digitální fázová modulace. - Springer Science & Business Media, 2013. - str. 49-50

[6] Link Budget Analysis: Digital Modulation-Part 2-FSK (Atlanta RF)

[7] Haykin, S., 2001. Komunikační systémy, John Wiley & Sons. Inc. - str. 394

[8] Link Budget Analysis: Digital Modulation-Part 2-FSK (Atlanta RF)

[9] Haykin, S., 2001. Komunikační systémy, John Wiley & Sons. Inc. - str. 398

[10] Poole, Iane. „Co je to GMSK modulace - Gaussovo klíčování minimálním posunem“. RadioElectronics.com. Citováno 23. března 2014.

[11] Rice, M., Oliphant, T., & Mcintire, W. (2007). Techniky odhadu pro GMSK využívající lineární detektory v satelitní komunikaci. Transakce IEEE v letectví a elektronických systémech, 43 (4).

[12] Wong, Yen F. a kol. „Optimální komunikační koncept země-země pro platformu CubeSat využívající vesmírnou síť NASA a síť blízké Zemi.“ (2016).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]