Um algoritmo de demodulação Sistema Global de Comunicações Móveis
Sistemas e Tecnologias da Informação Review Journal • Outono / Inverno 1999
algoritmo de demodulação Sistema Global de Comunicações Móveis
A Demodulation Algorithm for Global System Mobile
Um algoritmo de demodulação Global System Mobile
Gary L. Do and Raleigh D. (RD) Baker Gary L. Do e Raleigh D. (RD) Baker>
TRW sistemas electromagnéticos In this paper, we describe the
design and hardware implementation of a robust
Neste trabalho, descrevemos o projeto e implementação de um hardware robusto
algoritmo apropriado para a demodulação de Gaussian Minimum Shift introduzido
sinais, conforme especificado pelo Global System for Mobile Communication (GSM)
é a líder global sem fio padrão, com mais de 60 por cento dos
mercado mundial. Com o crescente número de assinantes sem
fios clientes têm reconhecido a necessidade de processar estes modernos, modulada
digitalmente sinais.Sob a égide da TRW's Wireless Test Conjunto de Investigação e
Desenvolvimento , temos aplicado com sucesso e demonstrou o uso da nossa
demodulação algoritmo GSM testes em um sistema concebido para tal sinal de
inquéritos e identificação das estações de base e dos assinantes.
Demodulação questões como bit calendário,fase de frequência de recuperação, e
moldura sincronização na presença de ruído são destacadas, juntamente com algumas soluções.
In addition, we Além
disso, nós contraste algoritmo robustez utilizando simulação em computador, taxa de erro de bits
versus implementação complexidade. O foco do nosso trabalho é sobre a física
camada, contudo, os debates do GSM pilha de protocolos, e em
especial, a recuperação das mensagens de chamada e estação identificações, também
são prestado. Introdução O crescimento explosivo dos serviços de telefonia celular é alimentado por
diversos fatores, incluindo o aparecimento de um móvel, dados base da sociedade,
bem como as vantagens económicas de um celular telefone, em
comparação com uma infra-estrutura fixa, fio baseados em infra-estrutura.
A proliferação tecnologias de celular, a sua facilidade de uso e acessibilidade de
preços, combinada com a mobilidade e relativo anonimato usuário faz telefone celular comunicações altamente
desejáveis. including cellular telephony, advance and proliferate, there will
be Como tecnologias sem fio, incluindo a telefonia celular,
antecipadamente e proliferar, haverá
a need to selectively detect,
demodulate, decode, deinterleave, and descramble non-coopera-
uma necessidade de detectar seletivamente, desmodular, descodificar,
deinterleave, e Descramble não coope -
tive communications
channels. tiva comunicações canais. Commercially available solutions,
including cellular proces- Comercialmente disponíveis
soluções, incluindo celulares proces -
sor chips, do not adequately
address this problem. sor chips, não aborda adequadamente
este problema. Development of the software
systems Desenvolvimento de sistemas de
software
necessary to access internal
control channels is a prerequisite to the development of cellular
necessárias para o acesso de controlo interno canais é um pré-requisito
para o desenvolvimento do celular
processing components and
systems. componentes e sistemas de
processamento.
We have developed software that
flexibly emulates the control channel behavior of the GSM
Temos desenvolvido um software que simula o controle flexível canal
comportamento do GSM
cellular phone radio frequency
(RF) interface, to obtain the contents of embedded control
telefone celular rádio frequência (RF) interface, para obter o conteúdo de
controle embutidos
channels.
canais. We also successfully demonstrated
a set of algorithms used to process the physical Também
demonstrou com sucesso um conjunto de algoritmos utilizados para processar o
físico
layer and the networking stack,
to develop control channel contents for analysis purposes.
camada e da pilha de rede, controle canal para desenvolver conteúdo para
fins de análise.
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A Demodulation Algorithm for
Global System Mobile Communications Um algoritmo de
demodulação Sistema Global de Comunicações Móveis
In this paper, we focus on the
physical layer and, specifically, on techniques to demodulate
Neste trabalho, centrar-se na camada física e, mais
especificamente, sobre as técnicas para desmodular
the GSM air
interface. interface aérea do GSM. We begin by describing the
methods by which a GSM signal can be Começamos por descrever
os métodos pelos quais pode ser um sinal GSM
generated; next, we describe a
demodulation algorithm; finally we provide a sample gerados;
seguir, descrevemos um algoritmo demodulação; finalmente nós fornecemos uma
amostra
application of the
algorithm. aplicação do algoritmo.
What is GSM? O que é
GSM?
GSM is the Pan-European digital
mobile telephony standard specified by the European GSM é o
pan-europeu de telefonia móvel digital padrão especificado pela Autoridade
Europeia
Telecommunication Standards
institute (ETSI), originally destined for European countries
Telecomunicações (ETSI), originalmente destinados a países
europeus
and now available in the US and
other parts of the world, that provides a common platform e
agora disponível em os E.U. e de outras partes do mundo, que
fornece uma plataforma comum
whereby cellular subscribers can
use their mobile telephones for voice communications.
assinantes celulares que podem utilizar os seus telemóveis para
comunicações de voz.
Operating on two frequency bands,
890 MHz to 915 MHz for the uplink (from mobile station
Operando em duas bandas de frequências 890 MHz a 915 MHz para a ligação
ascendente (a partir de estação móvel
to base station) and 935 MHz to
960 MHz for the downlink, the GSM900 system provides a
estação base) e 935 MHz a 960 MHz para o downlink, o sistema fornece
GSM900
continuous services with global
coverage on 124 effective carriers per link, each having a
contínua de serviços com cobertura global em 124 por ligação efectiva
transportadoras, tendo cada um
bandwidth of 200
kHz. largura de banda de 200 kHz. A frequency translator version of
the GSM900, commonly known as Uma versão do tradutor
frequência GSM900, vulgarmente conhecido como
GSM1900, also
exists. GSM1900, também existe. The GSM1900 specifications retain
the same parameters as GSM 900, As especificações GSM1900
manter os mesmos parâmetros como GSM 900,
with the exception of the
uplink/downlink frequency bands. com excepção da ligação
ascendente / descendente bandas de frequências. The GSM system employs
a O sistema GSM utiliza um
combination of Time-Division
Multiple Access (TDMA) and Frequency Division Multiple
combinação de Time-Division Multiple Access (TDMA) e Frequency Division
Multiple
Access (FDMA) functions, to
increase capacity. Access (FDMA) funções, para aumentar a
capacidade. Users within the coverage area of
a cellular Usuários dentro de uma área de cobertura
celular
device access the base station by
transmitting bursts of data. dispositivo acesso a estação
base, através do envio de rajadas de dados. The smallest burst unit is
one A menor unidade é um estouro
timeslot (TS), with a duration of
576.9 µ sec. timeslot (TS), com uma
duração de 576,9 μ seg. The timeslots can be used as either
control or O timeslots pode ser usado como qualquer controlo ou
data channels.
canais de dados. The modulation utilizes GMSK
signals, to satisfy the adjacent channel power A modulação
GMSK utiliza sinais, para satisfazer o canal adjacente poder
spectral density.
densidade espectral. Table 1 summarizes the system's
key parameters for GSM 900 [1,2]. A Tabela 1 resume os
principais parâmetros do sistema para o GSM 900
[1,2].
GMSK Modulators GMSK
MODULADORES
Many methods of generating GMSK
signals exist. Muitos métodos de geração de sinais GMSK
existir. One
noncoherent and inexpensive method Um método barato e
noncoherent
is to directly drive a
voltage-controlled oscillator (VCO) with a baseband filtered
signal é directamente para uma unidade de tensão-controlado
oscilador (VCO), com uma base sinal filtrado
(Figure 1).
(Figura 1). Although the method is simple and
relatively low-cost, the requirement to Embora o método é
simples e relativamente de baixo custo, o requisito de
maintain an exact modulation
index of 0.5 leaves it undesirable from a technical standpoint.
manter um índice de 0,5 exato modulação deixa indesejável do ponto de
vista técnico.
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The shortfall of the VCO
technique is primarily caused by the inability to control the
phase A perda do VCO técnica é principalmente causada pela
incapacidade de controlar a fase
of the VCO in an open-loop
system. do VCO em um sistema de ciclo aberto.
However, in applications where
BER performance of No entanto, em aplicações onde o
desempenho do RIC
noncoherent (versus coherent)
demodulation is satisfactory, VCO-based modulators are
noncoherent (versus coerente) demodulação é satisfatório, VCO-moduladores
são baseadas
suitable since they also maintain
the same spectral shape characteristics under nonlinear
adequado, uma vez que também manter o mesmo espectrais características sob
forma não-linear
amplification [3].
amplificação [3].
In data links requiring more
robust BER performance, a quadrature modulator combined with
Nas ligações de dados que requerem mais robusto RIC desempenho, combinado
com um modulador quadratura
coherent demodulation and
detection techniques is almost always needed. demodulação
coerente e técnicas de detecção é quase sempre necessária. Figure 2 is a
Figura 2 é uma
GMSK modulator block diagram,
showing that nearly all the processing functions are done
GMSK modulador bloco diagrama, mostrando que quase todas as funções de
transformação são feitas
within the first two components:
the Gaussian low-pass filter and the integrator. dentro dos
primeiros dois componentes: o Gaussiano filtro passa-baixa e os
integrador. The
O
Gaussian filter reduces spectral
sidelobes by removing sharp transition edges in the input
Gaussiano filtro reduz sidelobes espectral, removendo acentuada transição
arestas na entrada
signal while the integrator
translates the filtered non-return-to-zero (NRZ) input to a
single- enquanto o sinal integrador traduz o filtrado
não-retorno-a-zero (NRZ) de entrada para uma única
dimensional signal whose values
describe the trajectory of the bit sequence in angles.
dimensional sinal cujos valores descrever a trajetória das bit seqüência
em ângulos.
Sidelobes are spectral energy
that occupy bandwidths adjacent to the main lobe (the dominant
Sidelobes são espectral da energia que ocupam bandas adjacentes ao lóbulo
principal (o dominante
or information bearing lobe) and
are a result of transmitting pulsed data. ou informações que
ostentam lobo) e são um resultado da transmissão de impulsos
dados.
The gain of the integrator
determines the rate of change in angles, or angular velocity.
O ganho do integrador determina a taxa de mudança de ângulos, ou
velocidade angular. For
Para
the GSM system, the gain is 90
degrees per bit. o sistema GSM, o ganho é de 90 graus por
pouco. However,
due to the smoothing effects of the No entanto, devido aos
efeitos do alisamento
filter, the 90 degrees/bit
angular velocity is only achieved when the incoming bit pattern
filtro, a 90 graus / bit velocidade angular apenas é alcançada quando a
próxima bit padrão
consists of sequences that are
either all 0's or all 1's (+1's and –1's in NRZ signaling).
consiste de sequências que são todos os 0's ou todos os 1's (+1 »s -1 e
está na sinalização NRZ). When
Quando
the input is pseudo-random, the
Gaussian filter effectively slows down the symbol transition,
A entrada é pseudo-aleatório, o filtro Gaussiano eficazmente desacelera o
símbolo transição,
by removing the higher-frequency
components. mediante a eliminação dos componentes de alta
freqüência.
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A polar plot such as the one
shown in Figure 3 represents a typical symbol trajectory of 1024
Uma parcela polares, como o mostrado na Figura 3 representa um típico
símbolo trajetória de 1024
bits for GMSK signals with a
normalized cutoff frequency (denoted as BTb — rate- bits
para GMSK sinais com uma frequência normalizada corte (denominado CEL - taxa
-
bandwidth product — in the
literature), of 0.3 (the GSM standard). banda produto - na
literatura), de 0,3 (a norma GSM). This plot reveals
the Este gráfico revela a
history of symbol trajectory,
where the radial axis grows outward to indicate the passage of
história da sigla trajetória, onde o eixo radial cresce ida para indicar a
passagem de
time.
tempo. The plot is generated through
computer simulation, which includes both clockwise and O
enredo é gerado através de simulação computacional, que inclui tanto no sentido
horário e
reverse rotations.
inverter rotações.
A few key observations can be
made from the plot. Alguns principais observações podem ser
feitas a partir da parcela. First, and probably the most
obvious one Em primeiro lugar, e provavelmente a mais óbvia
uma
for readers who are familiar with
other modulation formats such as Quadrature Phase Shift para
os leitores que estão familiarizados com outros formatos, como a quadratura
modulação Phase Shift
Keying (QPSK) and Offset QPSK
(O-QPSK), the phase rotation of a GMSK signal is Introduzir
(QPSK) e Offset QPSK (O-QPSK), a fase de rotação é um sinal GMSK
bidirectional.
bidirecional. Second, and perhaps less
intuitive, the phasor of GMSK signals never remain Em
segundo lugar, e talvez menos intuitiva, a phasor de sinais GMSK nunca
permanecem
constant.
constante. As a result, symbols that appear
in the same quadrant at the sampling instance do Como
resultado, os símbolos que aparecem no mesmo quadrante na
amostragem exemplo fazer
not always decode to the same bit
pattern. descodifique nem sempre para o mesmo padrão
bit. In fact,
proper decoding requires knowledge of the Na verdade,
descodificação adequada, exige o conhecimento da
sequence's history.
seqüência da história. The integrator provides the
history, and the impulse response of the O integrador
fornece a história, ea resposta ao impulso do
Gaussian filter dictates how far
back to search. Filtro Gaussiano dita como medida de volta
para pesquisa.
The symbol trajectory is then
mapped onto the constellation by a projection of the angles onto
O símbolo trajetória é então mapeada para a constelação de uma projeção
dos ângulos para
the in-phase or I (cosine) branch
and the quadrature-phase or Q (sine) branch via a sine and o
em fase ou I (seno) e sucursal da quadratura de fase ou Q (Sine)
através de uma sucursal e sine
cosine look-up
table. coseno olhar para cima
mesa. The
resulting (I/Q) pair signals are frequency translated onto an
A resultante (I / Q) par sinais são traduzidos para uma
frequência
intermediate frequency (IF)
carrier before it is amplified and transmitted. frequência
intermédia (IF) transportadora antes é amplificado e transmitido.
Figure 4 shows a
A Figura 4 mostra uma
typical transmit eye pattern for
the I/Q channels, along with the locations where the symbols
transmitir padrão típico olho para o I / Q canais, juntamente com os
locais onde os símbolos
are sampled.
são amostrados. The lack of constant signal
amplitudes on the I and Q channels over a fixed A falta de
sinal amplitudes constante sobre a I e Q canais ao longo de um
determinado
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period of time also suggests that
the phase component of the modulation is continually período
de tempo também sugere que a fase componente da modulação está
continuamente
varying.
variando. The magnitude of the vector,
however, remains nearly constant. A magnitude do
vetor, no entanto, mantém-se praticamente constante.
The eye diagram is a method that
is frequently used in telecommunications to represent the O
olho diagrama é um método que é frequentemente utilizado em telecomunicações
para representar o
analog equivalent of the digital
bit stream; it permits the study of baseband filtering in terms
analógico equivalente digital do bit stream, que permite o estudo de base
em termos de filtragem
of Inter-Symbol Interference
(ISI), timing jitter, and bit error rate. da Inter-Symbol
Interference (ISI), o calendário jitter e taxa de erro
bit.
Figure 4 illustrates coincidental
and offset sampling instances. A Figura 4 ilustra amostragem
casual e compensar instâncias. Because the
decreased Devido a diminuição da
amplitude level at the
coincidental sampling point reduces the ability to detect the signal
in amplitude nível no ponto de amostragem casual reduz a
capacidade de detectar o sinal na
the presence of noise, offset
sampling is the preferred technique. a presença de ruído,
compensado amostragem é a técnica preferida.
Demodulating GSM Signals
Desmodularem GSM Signals
In our GSM test set, the RF
signal is preselected and down-converted to an IF of 2.65 MHz
No nosso teste GSM conjunto, o sinal RF é pré-estabelecidas e convertidos
para uma FI de 2,65 MHz
before it is digitized at 10 MHz
(Figure 5). antes que seja digitalizado a 10 MHz (Figura
5). The digital
samples are decimated to four times As amostras são
dizimados digital a quatro vezes
the bit rate before they are
projected onto the orthogonal I/Q basis. a taxa de bits
antes de serem projectados para o ortogonal I / Q base. The I/Q pairs are
low-pass Os I / Q pares são passa-baixa
filtered to remove the noise in
the channel and internally generated noise in the receiving
filtrado para remover o ruído no canal e ruído gerado internamente na
recepção
system.
sistema. The samples are written into
memory and later read back via direct memory access As
amostras são escritos na memória e depois ler para trás através de acesso
directo à memória
(DMA) by the
processor. (DMA) do transformador. The data can also be saved to
disk for later retrieval and offline Os dados também podem
ser guardados para o disco, para posterior recuperação e offline
processing.
transformação.
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The receiver has the difficult
task of estimating the transmitted bit streams given the RF/
O receptor tem a difícil tarefa de avaliar os bits transmitidos córregos
dada a RF /
analog waveforms.
analógico onda. This process is known as
demodulation . Este processo é conhecido como
demodulação. Ideally, the received waveforms
Idealmente, a onda recebida
are identical to those shown in
Figure 4. são idênticas às apresentadas na Figura
4. In
practice, however, multipath reception, noise, Na prática,
porém, Multipath recepção, o ruído,
frequency mismatch, and
noncoherent phase cause the ideal open eye patterns to collapse
frequência desencontro, e fazer com que o ideal noncoherent fase olho
aberto padrões de colapso
(Figure 6), thereby decreasing
the performance of the link. (Figura 6), diminuindo assim o
desempenho da ligação.
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Even in the absence of noise, the
receiver must estimate and sometimes track the frequency
Mesmo na ausência de ruído, o receptor deve fazer uma estimativa e, por
vezes, faixa de frequências
and phase between the transmitter
carrier and the receiver local oscillator to maintain a wide-
e de fase entre o transmissor eo receptor transportadora oscilador de
manter um local de grande
open eye.
olho aberto. This process of tracking the
carrier phase and frequency is known as synchroni-
Este processo de monitoramento da transportadora fase e freqüência é
conhecido como synchroni -
zation .
zation. Other forms of
synchronization, such as frame synchronization and bit timing ,
are also Outras formas de sincronização, tais como a moldura de
sincronização e timing bits, são igualmente
required before data actually
emerge from the demodulator. dados realmente necessária
antes de sair do desmodulador.
Frequency Error
Estimation Frequency Error Estimation
Since the system is intended for
mobile application, the GSM standard provides a mechanism
Uma vez que o sistema está previsto para celular aplicação, a norma GSM
dispõe de um mecanismo
for sensing the relative velocity
between the transmitter and receiver. para a detecção da
velocidade relativa entre o emissor eo receptor. Bursts belonging to
the Rompantes pertencentes ao
frequency correction channels
(FCCH) are sent by the base station from time to time, to allow
frequência correcção canais (FCCH) são enviadas pela estação-base de tempo
em tempo, para permitir
the mobile station to correct for
frequency errors. a estação móvel para corrigir os erros
frequência. The FCCH burst, which consists of
a O estouro FCCH, que consiste em um
sequence of all 0's specifically
chosen by the ETSI standardization committee, forces the
seqüência de todos os 0's especificamente escolhida pelo ETSI padronização
comissão, as forças
modulator to collapse its output
from a continuous spectrum to a single discrete carrier
modulador para a sua produção a partir de uma queda contínua espectro a
uma única transportadora discretos
component.
componente. The discrete carrier component is
spaced at an offset of one-fourth the bit rate O componente
é discreto transportadora espaçados em um deslocamento de um quarto da taxa de
bits
(67.70825 kHz) away from the
center frequency. (67,70825 kHz) de distância do centro
frequência.
The modulator outputs a discrete
frequency component by generating a linear phase ramp O
modulador saídas discretas uma frequência componente, gerando uma fase linear
rampa
(with a slope of 90 degrees per
bit), resulting from the integration of a constant input.
(com uma inclinação de 90 graus por bit), resultante da integração de uma
constante entrada. The sine O
sine
and cosine functions map the
linear phase ramp to a constant angular rotation of 360 degrees
coseno funções e mapear a rampa de acesso para uma fase linear angular
constante rotação de 360 graus
(one cycle) for every four bits
of data. (um ciclo) para cada quatro bits de
dados. A constant
phase rotation of the carrier at a constant Uma constante
rotação fase da transportadora em um constante
velocity yields a spectrum
similar to the one generated by continuous wave signals.
velocidade produz um espectro semelhante à gerada por uma onda contínua
sinais.
In the GSM environment, the
relative velocity between a moving vehicle and its base station
No GSM ambiente, a relação entre a velocidade do veículo em movimento e
sua estação base
is expected to not exceed 100
mph. Espera-se que não pode exceder 100 mph.
As a result, the Doppler shift is
typically 100 Hz or less Como resultado, o Doppler shift é
tipicamente 100 Hz ou menos
when transmitted near one
gigahertz. quando transmitidas perto de um
gigahertz. Combining the Doppler shifts with
the difference Combinando o Doppler turnos com a
diferença
between the transmitter and
receiver carrier frequencies, we have measured frequency
entre o transmissor e receptor frequências portadoras, temos medido
frequência
deviations of up to 500 Hz, with
our test setup. desvios de até 500 Hz, com o nosso ensaio
configuração.
We estimate the frequency error
from observations of the I/Q pairs digitized by the receiver.
Estimamos que a freqüência de erro a partir de observações do I / Q pares
digitalizados pelo receptor.
For each time slot containing the
FCCH, we calculate the change in phase by comparing the Para
cada faixa horária contendo o FCCH, calculamos a mudança de fase,
comparando o
absolute angles of two symbols,
one near the beginning of the time slot and the other near the
absolutos ângulos de dois símbolos, um próximo ao início da faixa horária
e os outros perto do
end.
fim. With the knowledge of the phase
difference and the time interval, an absolute frequency Com
o conhecimento da diferença de fase e do intervalo de tempo, uma freqüência
absoluta
term is computed by dividing the
time interval into the observed phase difference. prazo é
calculado dividindo-se o intervalo de tempo para a fase observada
diferença. Finally,
Finalmente,
we obtain the frequency error by
subtracting the computed absolute frequency with the obtemos
a freqüência de erro calculada pela subtração da freqüência absoluta com
o
expected instantaneous frequency
resulting from the burst. Espera instantânea freqüência
resultante do rebentamento.
For intervals between FCCH
bursts, we extrapolate the frequency error using a straight-line
Para intervalos entre FCCH rompantes, é extrapolar a freqüência de erro
usando uma linha reta
approximation between the two
prior data points. aproximação entre os dois anteriores
pontos de dados. Once the frequency error is
computed, it Uma vez que a freqüência de erro é calculado,
é
is applied to the digitized
samples through a multiplication process to remove the Doppler
é aplicado para as amostras digitalizadas através de um processo para
remover a multiplicação Doppler
shifts and any differences in
frequency between the transmitter and receiver. turnos e
eventuais diferenças de freqüência entre o transmissor eo
receptor. The eye-pattern
O olho-padrão
of Figure 7 is slightly more open
as a result of frequency correction. da Figura 7 é um pouco
mais aberta, como resultado da frequência correcção.
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We would like to point out that
in many cases, frequency synchronization may not be
Gostaríamos de salientar que em muitos casos, a frequência
sincronização não pode ser
necessary since GSM signals are
transmitted in bursts, with a mid-amble known to the GSM
necessária, uma vez que os sinais são transmitidos em rajadas, com um meio-Amble
conhecidos da
receiver.
receptor. The mid-amble serves many
purposes, one of which is to facilitate carrier phase Meados
da década de Amble serve muitos propósitos, uma das quais é a de facilitar a
transportadora fase
synchronization.
sincronização.
Carrier Phase
Synchronization Transportadora Fase Sincronização
As suggested in Figure 7, the
eyes are not completely open due to the remaining constant
Tal como sugerido na Figura 7, os olhos não são completamente aberta,
devido à constante
phase error in the
carrier. erro na fase da transportadora. We use the term
constant to imply that the phase error remains fixed Nós
usamos o termo constante para concluir que a fase de erro
permanece fixo
throughout the observation
interval. observação durante todo o intervalo.
In our case, it is one TS
duration, or 576.9 µ sec. No nosso
caso, é um TS duração, ou 576,9 μ seg.
To phase-synchronize the receive
carrier frequency to the transmitter, we precompute the Para
sincronizar a fase-frequência para receber o transmissor, o que
precompute
sequence of phase values that the
GMSK modulator would produce for each of the eight sequência
da fase de valores que a GMSK modulador iria produzir para cada um dos
oito
unique 26-bit training
sequences. único 26-bit formação seqüências.
The computed sequences are
over-sampled by four times As seqüências são calculados
sobre-amostrados por quatro vezes
the GSM bit rate to meet with our
hardware configuration. GSM a taxa de bits para cumprir com
a nossa configuração de hardware. Upon receiving a burst of
data, Após receber uma explosão de dados,
the algorithm searches for the
location of the training sequence by phase-correlating the o
algoritmo procura o local do treinamento seqüência por fase
correlacionando-as
received sequence with each of
the eight precomputed phase sequences. recebeu seqüência,
com cada um dos oito pré fase seqüências. A correlation peak
Uma correlação pico
reveals not only the training
sequence used but also the location of the training sequence.
revela não só a formação seqüência utilizada, mas também a localização da
formação seqüência. With
Com
the location determined, we
locate the start and end point of the TS, eventually establishing
o local determinado, localizamos o início eo ponto final do
TS, finalmente, que institui
TS and frame
synchronization. TS e moldura sincronização.
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Noise Process and
Performance Ruído Processo e Desempenho
We analyze and simulate the BER
performance of our phase synchronizer implementation
Analisamos e simular o desempenho dos nossos RIC fase sincronizador
execução
in Gaussian noise.
em Gaussiano ruído. First, however, we need to
describe the noise process and how it corrupts Primeiro, no
entanto, precisamos para descrever o ruído processo e como ele
corrompe
the symbols when processed
through a quadrature demodulator. os símbolos, quando
processados através de uma quadratura desmodulador.
The sampled I/Q pairs have
already been subject both to link noise and noise generated within
As amostras de I / Q pares foram já objecto de ligação tanto ruído e do
ruído gerado no interior
the receiver
hardware. o receptor de hardware. We illustrate the effect of using
two different noise levels, shown in Nós ilustrar o efeito
da utilização de dois diferentes níveis de ruído, indicado na
Figure 8, by two circles of
varying radii. Figura 8, por dois círculos de diferentes
raios. At the
sampling instant, the signal vector S represents No
instante de amostragem, o sinal vetor S representa
the magnitude and angle of the
symbol, subject to noise levels N1 OR N2 , with resulting
a magnitude eo ângulo do símbolo, sujeitas a níveis de ruído N1
ou N2, com resultante
vectors S+N1 OR
S+N2 . vetores S + S + N1 ou N2. Without loss of generality, when the
noise proceeding into the I/Q Sem perda de generalidade, quando o ruído
no processo de I / Q
demodulator is Gaussian and the
signal-to-noise ratio (SNR) is large, that is: ( S/N1 ) >>
1; the desmodulador é Gaussiana e ao sinal-ruído (SNR) é grande,
que é: (S/N1)>> 1; o
phase component of
N1 is also Gaussian. fase da componente N1 é
também gaussiana. The process implies that in large SNR,
∠ ( S ) ≈∠ O
processo que implica em grandes SNR, ∠ (S) ≈ ∠
( S + N1 ),
where ∠ denotes the angle of the vector.
(S + N1), onde ∠ indica o
ângulo do vetor. However, when ( S/N1 ) <<
1, as illustrated No entanto, quando (S/N1) <<1, como
ilustrado
by the larger circle, the phase
component of N2 in vector S + N2 can experience a
rotation that pelo círculo mais amplo, a fase componente do
N2 em vetor S + N2 podem experimentar uma rotação
que
is near 180 degrees away from
vector S . está perto de 180 graus de distância de
vetor S. Thus in low SNR, the probability
density of ∠ ( S + N2 ) Assim, em
baixa SNR, a densidade de probabilidade ∠ (S +
N2)
is no longer Gaussian, and in
fact, there will be frequent occurrences where ∠
( S + N2 ) ≈∠ já não é
gaussiana e, de facto, haverá frequentes ocorrências onde
∠ (S + N2) ≈
∠
( S ) ±≈ 180 ° , as illustrated by the
vector S+N2 . (S) ± ≈
180 °, conforme ilustrado pelo vetor S +
N2. We refer to this
sudden phase jump as a phase Referimo-nos a esta súbita fase saltar como
uma fase
“click.” Because we estimate the
carrier phase using a sequence of ∠ ( S )
that can only be "Clique". Porque nós estimamos a transportadora
fase usando uma seqüência de ∠ (S), que
só pode ser
obtained by observing
∠ ( S + N2 ), the carrier phase would
appear to jump in phase. obtido através da observação ∠ (S + N2), o transportador fase parecem saltar
na fase. To solve
Para resolver
the problem, we designed and
implemented an algorithm to detect and remove phase “clicks”
o problema, temos concebido e implementado um algoritmo para detectar e
remover fase "cliques"
in order to establish more
accurate estimates of the carrier phase. a fim de
estabelecer estimativas mais precisas da transportadora fase.
Quadrature
Quadratura
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Degrees
Graus
Degrees
Graus
In the following steps, the
algorithm for phase synchronization is explained. Nos passos
seguintes, o algoritmo para a fase sincronização é explicado.
The first step is
O primeiro passo é
to compute the phase difference
between the sequence of observations ∠ (
S + N2 ) and the fase para calcular a diferença entre
a seqüência de observações ∠ (S +
N2) e os
phase of a precomputed reference
sequence that has been phase-shifted. fase de pré referência
uma seqüência que tenha sido deslocada de fase. In the second step,
Na segunda etapa,
we average this phase difference
over the length of the sequence and store the result in an array
que esta fase diferença média ao longo do comprimento da seqüência e
armazenar o resultado em um array
whose index is associated with
the applied phase shift. cujo índice está associado ao
aplicado fase turno. Repeating Steps 1 and 2 as many
times Repetindo os passos 1 e 2, tal como muitas
vezes
as necessary to linearly sweep
the applied phase shift across 360 degrees, concludes the third
conforme necessário para varrer as aplicadas linearmente desfasamento
entre 360 graus, conclui o terceiro
step.
etapa. We associate the resulting values
in the array as the Phase Error Function (PEF). Nós associar
os valores resultantes no array como a Fase Erro Função (PFE).
The length of the PEF is the
number of slices in the full 360-degree circle. O
comprimento do PFE é o número de cortes em todo o 360-grau
círculo. When the
values Quando os valores
of the array are plotted (Figure
9), against the applied phase shift (horizontal axis), a da
matriz são plotados (Figura 9), contra a aplicação fase turno (eixo horizontal),
um
sawtooth-like waveform
appears. sawtooth-like onda aparece. One of the two possible
zero-crossings indicates the phase Um dos dois possíveis
cruzamentos zero-indica a fase
difference between the
transmitter and receiver carriers, while the other is the same
carrier diferença entre o transmissor e receptor
transportadores, enquanto o outro é a mesma transportadora
but rotated 180
degrees. mas rodada de 180 graus. The ambiguity is easily resolved
by using the slope of the line A ambigüidade é facilmente
resolvido usando o declive da linha
traversing the zero-crossings,
which is a function of the direction of the sweep.
atravessando o cruzamento-zero, que é uma função da direção do
sweep.
In very low SNRs, the PEF regions
around the zero-crossings tend to exhibit noisy behavior, Em
SNRs muito baixo, o PFE regiões em torno do zero-travessias tendem a apresentar
comportamento ruidoso,
thus making the process of
detecting zero-crossings rather difficult. tornando assim o
processo de detecção de zero-cruzamentos bastante difícil. Fortunately, one can
rely Felizmente, pode contar uma
on the minimum and maximum of the
PEF to compute the approximate zero-crossing of the no
mínimo e máximo do PFE para computar a aproximar-zero travessia do
proper slope by interpolating
between two end-points. bom declive por interpolação entre
dois end-points.
We obtained the results in Figure
9, by computing the PEF using 32 slices; thus, we have been
Foram obtidos os resultados na Figura 9, calculando a PFE utilizando 32
fatias; assim, temos sido
able to resolve the carrier phase
to within ± 6 degrees. capaz de
resolver a transportadora fase de ± 6
graus. Finer resolutions
are possible through Finer resoluções são possíveis através
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A Demodulation Algorithm for
Global System Mobile Communications Um algoritmo de
demodulação Sistema Global de Comunicações Móveis
increased quantization that
yields better BER performance but at the cost of increased
quantização que gera aumento da RIC melhor desempenho, mas à custa do
aumento da
computation
complexity. computação complexidade. The computer-simulated BER curve
in Figure 10 indicates that a A simulação por computador RIC
curva na Figura 10 indica que uma
quantization of 16 slices is
adequate in meeting our bit error probability objective at 10
quantização de 16 fatias é suficiente para satisfazer o nosso objectivo
bit probabilidade de erro de 10
-4
-4
.
.
However, for an extra margin in
bit-energy-to-noise density ratio (Eb/No), we implemented No
entanto, por uma margem extra de energia em pouco-a-ruído densidade
ratio (Eb / N), implementamos
the carrier phase recovery using
32 slices. a transportadora fase recuperação utilizando 32
fatias. Figure 11
shows a typical recovered eye pattern Figura 11 mostra um
padrão típico recuperado olho
after carrier phase and frequency
correction. depois da transportadora fase e freqüência
correcção. When compared to the original
results in Figure Quando comparados aos resultados original
na Figura
4, we note a slight increase in
inter-symbol interference as well as timing jitter. 4,
observamos um ligeiro aumento de inter-símbolo interferência, bem como
calendário jitter.
Error
Erro
Probability
Probabilidade
1E+00 1E
+00
1E-01
1E-01
1E-02
1E-02
1E-03
1E-03
1E-04
1E-04
1E-05
1E-05
Eb/No (dB) Eb
/ No (dB)
0
0
2
2
4
4
6
6
8
8
10
10
12
12
14
14
16
16
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A Demodulation Algorithm for
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Wireless Test Set (WTS)
Implementation Wireless Test Set (LETA) Implementação
The main objective of the WTS
project is to develop software that flexibly emulates the O
principal objectivo do projecto é desenvolver LETA software que emula o
flexível
control channel behavior of
cellular phones. controle canal comportamento de telefones
celulares. Table 2 lists the control
channels, highlighting A Tabela 2 enumera os canais
controle, evidenciando
the ones containing information
that we have analyzed using our test set. contendo as
informações que temos analisados usando nosso teste set. Error prevention,
Erro prevenção,
detection, and
correction-encoding schemes are applied to the various channels
depending detecção e correcção, esquemas de codificação são
aplicados aos diversos canais consoante
upon the significance of the
channel function. sobre a importância da função do
canal.
Figure 12 shows the test setup we
used to develop and test the elements of the wireless test
Figura 12 mostra a configuração do teste é utilizado para desenvolver e
testar os elementos do teste sem fio
set software that processes the
downlink, that is, base transceiver station (BTS)-to-handset,
definir processos de software que o descendente, isto é, base transceiver
station (BTS)-a-microtelefone,
broadcast control channels, and
control channels. Difusão controle canais, canais e
controle. We generated the broadcast
control Estamos a emissão gerada controle
channel signals with our HP8922
GSM test set, which emulates the appropriate functions of
canal sinais HP8922 GSM teste com o nosso conjunto, que simula as funções
de
the BTS and the
network. Serviço do Blogger e de rede. We then sampled this RF signal
using a snapshot digitizer. Nós então amostrar este sinal RF
usando um instantâneo Digitizer. The
O
digitized representation is
demodulated using our algorithm. representação é
digitalizado desmodulado usando nosso algoritmo.
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The demodulated data is then
processed by the remaining wireless test set software to O
desmodulado dados é então processado pelo restante ensaio conjunto software para
celular
deinterleave, decode, and
descramble the channel, and then extract the control channel
deinterleave, descodificar e Descramble o canal e, em
seguida, extrair o canal de controlo
contents.
conteúdo.
Using the arrangements shown in
Figure 12 and the software architecture shown in Figure
Usando o regime indicado na Figura 12 e da arquitetura do software
apresentado na Figura
13, we successfully processed all
of the common and dedicated control channels. 13, nós
conseguimos processar todas as comuns e dedicado controle canais.
Channel
Channel
contents such as cell identity,
location of the broadcast control channel, signal strength, and
conteúdo, como a célula identidade, local de emissão controle canal,
sinal, e
the frame network that is used in
the network synchronization, are displayed on the computer o
quadro de rede que é utilizado na rede de sincronização, são exibidas no
computador
screen.
tela.
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Summary
Resumo
We have presented an overview of
a GMSK software demodulation solution that is suitable Temos
apresentado uma visão geral do GMSK software demodulação uma solução que seja
adequada
for processing the GSM air
interface and has been successfully applied to the GSM testbed
GSM para a transformação da interface aérea e tem sido aplicado com
sucesso para o GSM experimental
system, by demonstrating the
retrieval of handset identification and other system parameters.
sistema, demonstrando a recuperação da microtelefone identificação e
outros parâmetros de sistema.
The work opens new opportunities
within the realm of cellular telephony and is the O trabalho
abre novas oportunidades no domínio da telefonia celular e é o
foundation to support the
evolution to wider-band systems, including code division multiple
fundação para apoiar a evolução para sistemas de banda mais
ampla, incluindo código divisão múltipla
access (CDMA) and
third-generation (3G) wireless. acesso (CDMA) e de terceira
geração (3G) wireless.
The authors would also like to
thank the tremendous efforts put on by the entire team (in
Os autores também gostariam de agradecer ao enorme esforço por colocar
toda a equipe (em
alphabetical order): Joseph
Carusone, Matthew Class, Matt Cotton, Thomas Eslabon, and
ordem alfabética): Joseph Carusone, Matthew classe, Matt Algodão, Thomas
Eslabon, e
Bryce Sellers.
Bryce Sellers.
References
Referências
[1] Mehrotra, A., GSM
System Engineering , Artech House Publishers, Norwood, 1997.
[1] Mehrotra, A., GSM System Engineering, Artech House
Publishers, Norwood, 1997.
[2] Rappaport, T.,
Wireless Communications , Prentice Hall, New Jersey, 1996.
[2] Rappaport, T., Wireless Communications, Prentice Hall,
New Jersey, 1996.
[3] Feher, K., Wireless
Digital Communications Modulations and Spread Spectrum Appli-
[3] Feher, K., Wireless Digital Communications modulações e
Spread Spectrum appli -
cations, Prentice Hall, New
Jersey, 1995. catiões, Prentice Hall, New Jersey, 1995.
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Gary L. Do is a systems engineer
with the Advanced Technology Gary L. Não é um engenheiro com os
sistemas de Tecnologia Avançada
Center at TRW's Electromagnetic
Systems Strategic Business Unit TRW's Center em sistemas
electromagnéticos Unidade Estratégica de Negócios
in Sunnyvale,
California. em Sunnyvale, Califórnia. His areas of interest and
expertise include Suas áreas de interesse e especialização
incluem
RF, wireless communication
systems, digital systems, signal pro- RF, sistemas de
comunicação sem fio, sistemas digitais, sinal pró -
cessing, array processing,
algorithm development, and frequency cessamento, matriz de
transformação, algoritmo desenvolvimento, ea freqüência
synthesis.
síntese. He holds a Bachelor of Science
degree in Electrical Ele detém o título de bacharel em
Elétrica
Engineering from the University
of California at San Diego, plus a Engenharia da
Universidade da Califórnia em San Diego, mais uma
Master of Science degree from the
University of Southern Califor- Mestrado em Ciências na
Universidade de Southern Califor -
nia and a PhD from the University
of California at Davis — also in nia e um PhD pela
Universidade da Califórnia em Davis - também em
Electrical
Engineering. Engenharia Elétrica.
E-mail:
gary.do@trw.com E-mail: gary.do @ trw.com
Raleigh D. (RD) Baker is Deputy
Manager of the Communica- D. Raleigh (RD) Baker é o Vice-Gerente
da comuni -
tions Systems Development (CSD)
department at TRW's Electro- ções Sistemas Desenvolvimento
(CSD) no departamento da TRW Electroencefalógrafos
magnetic Systems Strategic
Business Unit in Sunnyvale, Califor- Sistemas magnéticos
Unidade Estratégica de Negócios em Sunnyvale, Califor -
nia, and is a program manager for
the CSD's broadband, wireless, nia, e é um gestor de
programa para o CDS da banda larga, sem
fios,
and network analysis programs and
initiatives. análise de rede e programas e
iniciativas. He joined TRW in
Ingressou na TRW
1992 and holds a Bachelor of
Science degree in Ocean Engineering 1992 e detém o título de
bacharel em Engenharia Oceânica
from California State University
at Long Beach and a Master of de California State University
em Long Beach e um Mestre de
Science degree in Electrical
Engineering from George Washington Ciência grau em
Engenharia Elétrica pela George Washington
University.
Universidade.
E-mail:
rd.baker@trw.com E-mail: rd.baker @ trw.com