GSM通信系统的组成Word文件下载.docx
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(1)总线接口负责同外部设备的通信,包括A/D,
D/A。
(2)射频接口负责将模拟信号(I/Q)转换成数字信
号将数字转换成模拟信号(I/Q)。
I/Q设备:
键盘输入、功能翻盖开关输入、话筒输入、液晶显
示屏输出、听筒输出、振铃输出手机状态指示灯输出
这些都是人与手机之间的I/O。
射频部分的接收通路
(RX)和发送通路(TX)是手机与基站间的I/O。
其它的集成电路都是为这五大类服务。
有电源、同步时钟等。
输入输出接口部分
输入输出接口部分由模拟接口、数字接口、人机接口三部分
话音模拟接口:
包括A/D、D/A变换等。
数字接口:
主要是数字终端适配器。
人机接口:
包括显示器、键盘、振铃器、听筒、话筒。
手机原理方框图如下页,概括了GSM手机全部的工作原理
手机结构图
射频部分逻辑/音频部分
频
数字接口
双频手机射频电路技术参数
一、GSM900/DCS1800双频手机的特点
双频手机与现阶段普及型的单频手机相比,有下面的特点:
根据基站的控制信令,双频手机即可以工作在900MHz频段网络,也可以工作在1800MHz频段网格,当一个网络繁忙或信号质量差时,双频手机可自动切换到另一个频段的网络上工作,而且这种切换基本上不影响话音质量。
另外,从近来国际上手机的发展趋势和FTA(fulltypeapproval)认证的情况来看,双频手机在将来会是主流产品。
双频手机在两个不同的工作频段上,其基带部分信源编码、信道编码的算法和处理、信令处理的方法和帧格式、调制解调方式、信道间隔等均相同,与单频手基在电路结构上的差别在于射频前段和相对应的控制软件。
二、GSM900/1800双频手机RF部分的主要技术指标和设计要求
死类机,阶段2增强型(classIVphaseIIphase)E---GSM900MHz部分的主要RF指标如下:
工作方式:
TDMA-----TDD
工作频率:
上行Tx(反向)880MHz---915MHz,下行Rx(正向)925MHz---960MHz
双工频率间隔:
45MHz,载波间隔:
200KHz
每载波时系数:
8(当前全速率)/16(今后半速率)
每帧长度:
4.615ms,每时隙长:
577us
传输速率:
270.833kbps(即在每时隙上传156.25bits)
调制方式:
采用I/Q正交GMSK调制
静态参考灵敏度:
由于-102Db/RBER(ResiodualBER)<
2%
动态范围:
-47dBm-----110dBm
频率误差:
<
1*10-7,相位误差的均方根值<
5度,相差峰值:
<
20度
射频输出功率:
5级(33dBm)----19级(5dBm),级差:
=2Db,共有15个功率等级。
DCS1800二类手机(classII)部分的主要RF指标:
工作频率:
上行Tx:
1710MHz----1785MHz,下行Rx:
1805MHz----1880MHz,
首发频率间隔:
95MHz
静态接收参考灵敏度:
-100dBm/RBER<
发射单元频率误差:
Fe<
1*10-7,相位误差均方根值<
5度,峰值<
200
3级(24dBm)----15级(0dBm),共有13级功率;
步进=2Db
其余设计要求与GSM900相同。
二、双频手机RF部分基本工作原理
3.1RF部分基本组成部分框图
3.2GSM900下行链路接收机单元
有蜂窝小区基站发出的已调载波通过Um无线接口,传到手机天线端。
在接收时隙接收到的信号先通过首发隔离器,在经过GSM900MHz的LNA(低噪声放大器),将微伏量级的弱信号放大。
放大后的信号经过GSN900的第一RF混频器接收机选择性指标。
然后信号经过具有AGC功能的第一中屏信号进行窄带(200KHz)滤波,以虑除带外噪声,保证接收机选择性指标。
然后信号经过具有AGC功能的第一中频放大器放大,再经过第二混频器和第二中频滤波器。
在这之后,输出的信号又具有AGC功能的第二中频放大器进行放大。
放大后的信号进入I/Q正交解调器解调,正交解调后的模拟I、Q信号平衡输出到后面的基带、音频部分等待作进一步的信道译码和倍源译码处理。
DCS1800MHz频段接收单元的信号处理过程与GSM900相同,只时工作频段不同而已。
接收机中AGC的作用是:
当条线端的RF信号电平在大范围内变化时,保证I/Q输出信号的电平基本不变;
在监听时隙探测相邻小区基站的下行广播信号强度,配合完成越区切换功能。
3.3上行链路发射单元
由基带部分传输过来的I、Q正交模拟基带信号,在发射时隙期间双端平衡输入到中频I/Q正交调制器,调制后的中频信号经a过发射中频声表面(SAM)窄带滤波器(200kHz),滤波后的信号经过上变频后,再经过35MHz,带宽的900MHz发射滤波器输出的信号先通过功激励级放大以达到末级RF功放(PA)所需的激励电平。
最后再经过功率放大器PA和收发隔离器,通过天线把已调载波发射出去。
PA部分APC控制电路的作用是:
保证RF功率电平等级满足5dBm-33dBm的变化要求,以避免在多用户组网时发生“远近”干扰。
DCS1800MHz频段发射单元的信号处理过程与GSM900相同,只是工作频段不同而已。
3.4频率合成器单元
该单元与FM电台中采用的频合器相类似,主要差别在于增加了AFC电路。
四、接受单元电路设计
在满足技术要求的前提下,可以有几种不同的接收机RF解决方案:
(1)3次变频方案:
采用此法频率合成器实现复杂,中频频点多,容易产生组合干扰,一般不采用。
(2)2次变频方案:
为简化电路,第2中频频点选取手机的基准时钟频率13MHz或其2分频6.5MHz。
这种方案在早期的接收机中广泛采用。
例:
摩托罗拉GC87、诺基亚8110、爱立信GH/G5388、摩托罗拉8200。
该方案复杂程度适中,而且还可获得高的选择性,中频放大器的增益分配比较容易实现,不易产生自激。
(3)一次变频方案:
随着IC器件和SAW滤波器指标的提高,这种方案在目前的手机电路中广泛采用。
它可以简化电路,从而降低制造成本,而选择性指标仍可满足技术要求。
目前许多双频手机采用了这种方案。
(4)零中频直接解调的方案:
因为目前AD变换器和DSP的技术水平还不能满足实时处理数百MHz高频信号的要求,而且噪声、选择性和功耗指标也难以保证,所以,在目前采用这种方案是不现实的。
4.1计算机理论灵敏度和估算实用灵敏度
根据噪声功率的计算公式:
PN=KTB(w)
上式中:
K为波尔兹曼常数,其值为:
1.3810-23;
T为工作温度(K),一般取常温3000K(27C);
B为带宽(Hz),对于GSM体制,取200KHz。
结果为:
噪声功率:
1gPN/1Mw=101gPN+30=-121dBm
上述计划处结果为在理想情况下的噪声功率,在实际应用中,还要考虑前端失配的影响(约1dB),收发隔离器的影响(约2dB),接收机NF(约2dB),基带部分的解调门限(约9dB/RBER<
2%=。
基于上述考虑,我们可以估算出约为:
实用灵敏度=-121+1+2+2+9=-107dBm
对于DCS1800频段,它的实用灵敏度约为:
DCS1800频段的实用灵敏度=-121+1+2+2+9=-105dBm
4.2下行链路接收机增益分配计算
ETSGSM11.10技术规范中要求手机的参考灵敏度为-102dBm/RBER<
2%(DCS1800)。
从生产的角度考虑手机的设计者应将该项指标略为提高,可分别选为-106dBm和104dBm,将模拟I/Q路单端输出的交流电平值设计为500mVpp(177mV有效值),这样,整个GSM接收通道的电压增益为:
GPtotal=201g177/2241g-1(-106/20)
=201g(177/0.00112)=104dB
各单元增益分配的结果如下(已包含SAW滤波器):
前端LNA放大器为16dB,第一混频器为8dB,IF放大器和解调器为80dB(AGC控制范围约70dB)。
对于DCS1800频段,由于工作频率上升,RF前端的噪声系数和增益指标会变得差一些,这时接收机各单元的增益分配如下:
LNA的增益为14dB,第一混频器为8dB,IF放大器和解调器增益为80dB,整个DCS1800接收通道的增益为102dB。
4.3LNA(低噪声放大器)技术要求
NF:
1.5dB-2.5dB
GP:
15dB--20dB,LNA一般由一级放大器来完成,其增益不能太高,否则,整机抗阻塞和互调指标难以达到。
功耗:
4mA(FET管),1-2mA(双极型管)。
具有键控式AGC控制功能(通过偏置控制来实现)。
LNA的NF、CP和输入、输出阻抗匹配对于收机整机指标将产生决定性影响。
4.4第一混频器技术要求
(1)要采用RF平衡输入,IF平衡输出的有源混频器,以提供足够的增益降低串话的干扰。
(2)?
?
6dB--8dB?
GP?
8dB
(3)本振电平:
-5dBm-0dBm,过高的本振电平会产生手机功耗加大,EMC性能变差的问题。
4.5第1中频频点和IFSAW滤波器选择时应考虑的因素
(1)高阶组合干扰频率点数越少越好,有利于抑制镜像干扰频率(选高本振、高中频);
(2)同时兼顾GSM900和DCS1800频的要求
IF频率点选得过低时,易产生本振干扰有用信号;
IF频率点选得过高时,中放增益难以保证,易自激、不稳定;
(3)IFSAW滤波器的技术指标,一般IF频点在200MHz-400MHz之间选取;
(4)IFSAW滤波器插损小于8db、带宽200KHZ
4.6中频放大器设计技术要求
(1)功率增益:
约70Db;
(2)AGC可控范围:
约70dB、步进间隔2Db,AGC的控制范围和控制斜率会影响手机的越区切换;
(3)双端输入阻抗能与IFSAW滤波器的输出阻抗相匹配。
4.7I/Q正交解调器设计要求
(1)平衡输入、输出;
(2)输出直流偏置电平:
1V,交流电平:
1Vpp;
(3)I/Q路输出幅度平衡:
+/-1.5dB,I/Q路输出相位平衡:
小于4;
(4)具有差分直流偏置校正功能;
五发射单元方案设计
发射单元可以采用几种不同的电路方案:
(1)采用双中频:
该方案的优点是选择性指标容易保证,带外抑制指标比较高,频差Fe和相差Pe指标比较好,缺点是PLL要复杂一些,易产生互调干扰。
(2)采用单中频:
这种方案的优点是PLL电路简单,不易产生互调干扰,Fe和Pe指标比较好,缺点是选择性指标比采用双中频的方案要差一些。
(3)采用直接调制到RF的方案(即无中频):
该方案的优点是电路简单,缺点是选择性指标比较差,Fe和Pe指标难以保证。
(4)末级Tx-VCO采用上变频:
其优点是电路相对简单,缺点是Fe和Pe指标稍差。
(5)末级TX-VCO采用PLL-VCO:
其优点是Fe和Pe指标容易保证,缺点是电路要相对复杂一些.
(6)采用开环控制的PA:
此方案的优点是可以省去定向耦合器、功率检测和比较电路,外围电路相对简单一些。
该方法的缺点是要在PA的供电回路中采用一个大电流(1dmax>
6A)的MOS开关管(其作用是相当于一个有源降压电阻),而该管在使用中的故障率比较高,从而造成手机无法开机的故障。
(7)采用闭环控制的PA:
优点是PA直接和电池连接,而不用MOS管,故稳定性、可靠性比较高,缺点是需要用定向耦合器、功率检测和比较电路,电路要复杂一点。
采用发射单中频,末级TX-VCO采用PLL-VCO,PA闭环控制的方案较为理想。
5.1中频正交I/Q调制器技术要求
(1)中频频点选择200MHZ-400MHZ之间;
(2)Q输入直流偏置电平:
1V-1.5VI/Q输入交流电平:
1VPP(平衡输入);
(3)调制后,I、Q路的幅度平衡小于+/-0.3dB,相位平衡度小于4;
(4)IF输出电平:
0DBM-5dbm
5.2RF变频器和PA设计技术要求
(1)供电电压:
DC:
3,1V—4。
5V(标称工作电压:
DC3,6V);
(2)RF变频吕本振电平:
-3dBm--+3dBm;
(3)PA效率:
PAE(poweraddedefficiency):
45%---50%,APC控制方式:
闭环检测控制;
(4)调制频谱、开关频谱、功率等级指标均应满足ETSGSMII.10技术规范中的要求;
(5)PA输出I/Q幅度平衡度:
±
0.5Db,相位误差均方根值:
5,峰值<
20;
(6)PA最大设频输出功率:
考虑到后面的定向耦合器和收发隔离器的影响,对于GSM900四类机颖能达到35Db,对于DCS1800二类机应能达到26dBm。
六、频率合成器设计
基于前面的考虑,收发信机均采用一次变频技术获得较高的性能价格比。
再采用这种方法的条件下,又有下面的几种方案可供选择:
GSM900和DCS1800辆频段的手法信机采用不同的中频频点:
缺点是PLL电路复杂,两频段的中放部分不能共用,一般不宜采用。
再同一频段内(同在GS,900或DCS1800)接受中频和发射中频采用不同的频点:
采用此法PIL电路和控制相对复杂一些。
GSM900和DCS1800辆频段的收发信机共用中频部分:
采用此法可使电路简化,降低成本,提高可靠性。
在不同的频段内,收发中频频点均相同:
采用此法的理论依据是GSM900/DCS1800均采用TDMA体制。
采用该法可使整个PLL电路和控制最为简单、实用。
6.1IF和RF频率合成器鉴相频率的选择
因为RF是一个固定的频点,故IF鉴相频率可取得比较高,可在几百kHz到几MHz之间选择,以提高IF批率合成器的频谱质量。
RF频率合成器的鉴相频率应答于信道载波间隔,对于GSM而言,鉴相频率可取200KHz(ΔCH)获100KMz(0.5ΔCH),一般取200KMz。
6.2锁定时间
根据GSM通信体制的要求,锁定时间需同时满足下列两个条件:
(1)按帧(时隙不变)进行跳频:
217跳/秒,根据GSMTDMA的帧结构,要求Tlock<
T帧---T时隙=7时隙长=7*0.577=4ms。
(3)GSM技术规范中要求,具有相同帧号的上行帧和下行帧之间,在时间上相差3个时隙(上行帧滞后),同时要求手机能在这三个时隙的时间内,进行信道的切换和调谐,故锁定时间应满足:
Tlock<
3时隙=3*0.577=1.73ms
综合起来,RF频率合成器的锁定时间应小于:
1.73ms
七、GSM900/DCS1800双频手机RF部分解决放方案的方框图
下面为关于图2的基点说明:
1、接受机采用一次变频方案,LNA的AGC控制采用监控控制方式,即通过控制LNA的偏置电流来实现。
GSM900和DCS1800这两个频段的接收部分仅是RF调谐器不同,中频以后的部分相同。
2、发射单元采用一次变频方案,GSM900和DCS1800辆频段在IF之前的部分是相同的。
采用了PLL控制发射VCO的方案,该方案比上变频的方案的方案能获得更好的频率误差,特别是相位误差指标。
3、为简化电路,可是发射中频等于接收中频,其值根据具体情况可在200MHz---400MHz之间选择。
4为使双频段调谐其的VCO易于实现GSM900的第一本帧采用高本振,DCS1800频段则采用的本振。
第一本振的工作频率可用下式来计算:
E----GSM900接收状态:
925+FIF----960+FIFMHz
E----GSM900发射状态:
880+FIF----915+FIFMHz
DCS1800接收状态:
1805-FIF---1880-FIFMHz
DCS1800发射状态:
1710-FIF---1785-FIFMHz
上式中FIF代表中频频率。
5、为保证手机的EMC性能和降低功耗,LNA\接收中频放大和解调、调制器、PA、PLL、TX---VCO这些单元的供电宜采用单独的电源供电。
三、GSM手机的测试
GSM手机的测试依据ETSIGSM11.10中建议的方法。
以ETSI的GSM规范为蓝本,各手机生产厂家均定义了各自的手机测试项目及其标准。
3.1主要的射频测试有:
Phase1
GSM900
Phase2
GSM900
Phase1
DCS1800
上行(MHz)
890--915
880--915
1710--1785
下行(MHz)
935--960
925--960
1805--1880
ARFCN频道
1--124
0--124
512--885
收发频道间隔
45MHz
95MHz
收发时间间隔
3个时隙
调制数据速率
270.833kb/s
帧时长
4.615ms
时隙时长
576.9µ
s
位时长
3.692µ
调制
0.3GMSK
信道宽度
200kHz
TDMA复用
8
BTS最大功率
320W--2.5W
320W--0.03
20W--2.5W
1W-2.5W
手机最大功率
20W--0.8W
8W--0.8W
1W--0.25W
语音编码器速率
13kb/s
对手机来说下列射频指标是重要的:
发射功率(峰值和连续波);
发射相频差;
调制后的射频输出频谱;
频道转换的射频输出频谱;
发射功率时间曲线;
突发脉冲计时;
常态BER;
快速BER;
IQ调谐;
射频输入输出频率;
射频输出电平;
典型的驻波比;
GSM信号相位误差<
4°
peak,<
1°
rms;
GSM信号频率误差<
0.02ppm+参考时基.(880to960MHz)<
0.01ppm+参考时基(1880to1990MHz);
GSM信号幅度平坦度:
在突发脉冲的有用部分<
0.3Db。
3.2手机的话音控制能力和GSM功能测试
手机的话音控制能力和GSM功能测试包括:
移动台首发;
基站首发;
移动台通话;
移动台释放;
信道指定;
切换;
SAACH报告;
功率变化;
前置时间变化;
BCH结构;
TCH信道;
跳频TCH信道;
ARFCN及突发脉冲类型的灵活控制;
时隙的灵活控制;
语音声频回声;
语音编码和解码。
3.3手机测试仪器
手机生产厂家一般使用Rohde&
Schwarz和Agilent公司的手机测试仪进行自动测试。
为提高手机的产量,使用多通道的手机测试平台。
对于GSM手机测试,Rohde&
Schwarz提供的测试仪有CMD55,CMD200(可用于GPRS&
EDGE测试),CMD300(可用于GSM,GPRS,EDGE和WCDMA测试)。
其对应的测试平台是TS7100,可用于人工及机械手自动测试。
Agilent公司手机测试的经典仪器是HP8922系列。
1999年Agilent推出了8960测试仪。
它采用了Agilent的减少指令的并行处理技术(RIPP),可同时进行发射机和接收机测试,较之8922快10至30倍。
它对应的测试平台是TS5500。
8960仪器的使用:
如何在移动台上进行测量
3.3.1.建立呼叫
1.按下兰色的shift键
2.按下绿色的preset键
3.连接移动台
4.打开移动台并等待其稳定
注意:
如果移动台无法稳定下来请检查移动台是否正在使用测试仪默认的pgsm信元频带
5.在移动台上按下1,2,3然后按下Send发送
6.检查ActiveCellStatus:
(活动信元状态:
)域中是否显示Connected(已连接)
呼叫处理
MS主叫:
若一MS处于激活且空闲状态,客户A要建立一个呼叫,他只要拨被叫客户号码,再按“发送”键,MS便开始启动程序。
首先,MS通过随机接入控制信道(RACH)向网路发第一条消息,既接入请求消息,MSC会分配它一专用信道,查看A客户的类别并标注此客户忙。
若网路容许此MS接入网路,则MSC发证实接入请求消息。
接着,
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- GSM 通信 系统 组成