GSM基礎(chǔ)及GSM移動臺無線收發(fā)信機發(fā)分析教案資料

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。GSM基礎(chǔ)及GSM移動臺無線收發(fā)信機發(fā)分析-GSM基礎(chǔ)及GSM移動臺無線收發(fā)信機分析GSM基礎(chǔ)在討論移動電話規(guī)范要求之前，我們在本章對GSM（全球移動通信系統(tǒng)）作一個概述。GSM系統(tǒng)是由一個定期會面的專家團體制定的，這個團體是歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）的一部分。GSM現(xiàn)在已經(jīng)真正成為了一個全球的移動通信系統(tǒng)，覆蓋范圍包括歐洲、亞洲、非洲和南美洲的大部分地區(qū)。GSM投入使用后逐漸發(fā)展成GSM900、DCS1800（也叫做PCN）和PCS1900（美國）。PCN開始于英國，“Mercuryone-to-o

2、ne”和“Hutchinson(Orange)”提供了最早的兩個使用DCS1800的網(wǎng)絡(luò)，此后它開始向世界上其他地區(qū)發(fā)展。2.1.技術(shù)上的差別這部分我們討論新GSM工程師經(jīng)常問到的問題。2.1.1.GSM與CT2和DECT有什么不同？GSM900和DCS1800是蜂窩系統(tǒng)，而DECT和CT2是無繩系統(tǒng)。GSM（像AMPS和TACS一樣）允許用戶在一個很大的地理范圍內(nèi)進行呼叫和接聽電話。系統(tǒng)在寄存器中記錄所有移動臺的位置，使呼叫可以被傳送到正確的基站。DECT和CT2與其他的無繩系統(tǒng)一樣沒有跟蹤能力。它們和傳統(tǒng)家庭無繩電話的工作原理完全相同（這種系統(tǒng)中移動臺只有在聽筒基站的一定范圍內(nèi)才能接收呼叫

3、，在其他的地點不能接收呼叫）。2.1.2.GSM900、DCS1800和PCS1900有什么不同？GSM900是最初的GSM系統(tǒng)。它使用900MHz頻段（編號從1到124），是為大區(qū)制的蜂窩系統(tǒng)設(shè)計的，移動臺最大可以輸出1W至8W的功率。根據(jù)天線的不同類型，GSM小區(qū)半徑可以從35公里到60公里。DCS1800是與GSM900相配合的版本，它以1.8GHz為頻率中心并具有更寬的頻帶，這使它可以應(yīng)對更高的用戶密度。DCS1800移動臺還擁有更低的輸出功率（最高至1W），所以其小區(qū)半徑必然小于GSM900的小區(qū)半徑，約為20Km（半徑也可以根據(jù)天線的類型改變）。GSM900和DCS1800在所有其

4、他方面都是相同的。因此GSMphase2規(guī)范給GSM900分配了額外的帶寬和信道，成為現(xiàn)在稱作擴展頻帶GSM（E-GSM）的系統(tǒng)。除了移動臺擁有更低的功率控制水平外，這一規(guī)范還允許實現(xiàn)微蜂窩系統(tǒng)。PCS1900（也叫做DCS1900）是在美國設(shè)計的，它工作在1.9GHz附近，本質(zhì)上是1.9GHz的GSM技術(shù)。2.2.GSM小區(qū)GSM小區(qū)中最為可見的部分是它的基站和天線塔。通常在一個公共的天線塔周圍劃分成幾個扇形小區(qū)，天線塔有許多定向天線，每一個天線覆蓋一個特定的區(qū)域。這種許多天線所處的同一個位置有時稱為一個小區(qū)站點（cell-site），或者叫做基站，或基站收發(fā)臺（BTS）。所有的BTS都產(chǎn)生

5、一個隨時有效的廣播信道（BCH），這個信道可以看作是一個燈塔信號。小區(qū)中所有的移動臺都要接收BCH信號，無論它們是否在通話當(dāng)中。這樣做的目的是：使移動臺找到GSM網(wǎng)絡(luò)使網(wǎng)絡(luò)知道哪個BTS距離給定的移動臺最近使移動臺獲得像網(wǎng)絡(luò)身份標識這樣的編碼信息（例如vodaphone,Mannesmann等）實現(xiàn)給需要接收電話呼叫的移動臺的消息和其他各種信息的尋呼每個小區(qū)中BCH使用的頻率信道是不同的。信道只能被較遠的小區(qū)重復(fù)使用，因為此時相互干擾的危險性較低。在呼叫當(dāng)中的移動臺使用業(yè)務(wù)信道（TCH），它是一個在移動臺和基站之間交換話音數(shù)據(jù)的雙向信道（稱作上行鏈路和下行鏈路）。GSM將上行鏈路和下行鏈路分開

6、使用不同的頻段。有趣的是，TCH使用上行鏈路和下行鏈路兩個信道，而BCH只占用下行鏈路頻段的信道。相應(yīng)的上行鏈路信道實際是空閑的。移動臺可以使用這一信道作為不定時或隨機接入信道（RACH）。當(dāng)移動臺需要引起基站注意的時候（也許它要進行一次呼叫），可以通過這個空閑的頻率信道發(fā)送一個RACH信號使基站注意到它。2.3.GSM調(diào)制GSM使用一種稱作0.3GMSK(高斯最小頻移鍵控)的數(shù)字調(diào)制方式。0.3表示高斯濾波器帶寬與比特率之比。GMSK是一種特殊的數(shù)字FM調(diào)制方式。給RF載波頻率加上或者減去67.708KHz表示1和0。使用兩個頻率表示1和0的調(diào)制技術(shù)記作FSK（頻移鍵控）。在GSM中，數(shù)據(jù)速

7、率選為270.833kbit/sec，正好是RF頻率偏移的4倍，這樣作可以把調(diào)制頻譜降到最低并提高信道效率。比特率正好是頻率偏移4倍的FSK調(diào)制稱作MSK（最小頻移鍵控）。在GSM中，使用高斯預(yù)調(diào)制濾波器進一步減小調(diào)制頻譜。它可以降低頻率轉(zhuǎn)換速度，否則快速的頻率轉(zhuǎn)換將導(dǎo)致向相鄰信道輻射能量。0.3GMSK不是相位調(diào)制（也就是說不是像QPSK那樣由絕對相位狀態(tài)攜帶信息）。它是由頻率的偏移，或者說是相位的變化攜帶信息。GMSK可以通過I/Q圖表示。如果沒有高斯濾波器，當(dāng)傳送一連串恒定的1時，MSK信號將保持在高于載波中心頻率67.708KHz的狀態(tài)。如果將載波中心頻率作為固定相位基準，67.708

8、KHz的信號將導(dǎo)致相位的穩(wěn)步增加。相位將以每秒67,708次的速率進行360度旋轉(zhuǎn)。在一個比特周期內(nèi)(1/270.833KHz)，相位將在I/Q圖中移動四分之一圓周、即90度的位置。數(shù)據(jù)1可以看作相位增加90度。兩個1使相位增加180度，三個1是270度，依此類推。數(shù)據(jù)0表示在相反方向上相同的相位變化。實際的相位軌跡是被嚴格地控制的。GSM無線系統(tǒng)需要使用數(shù)字濾波器和I/Q或數(shù)字FM調(diào)制器精確地生成正確的相位軌跡。GSM規(guī)范允許實際軌跡與理想軌跡之間存在均方根（rms）值不超過5度、峰值不超過20度的偏差。2.4.TDMA與FDMAGSM使用TDMA（時分多址）和FDMA（頻分多址）。頻率被分

9、成兩個頻段，上行鏈路用于移動臺發(fā)射信號，下行鏈路用于基站發(fā)射信號。每個頻段被分成大小為200KHz的多個頻率片段，稱作ARFCN（絕對頻率信道號）。除了在頻率上分開以外，GSM在時間上也進行區(qū)分。每一個ARFCN都由8個移動臺輪流使用。每個移動臺在一個時隙（TS）內(nèi)使用ARFCN然后等待下一次輪到它時再使用。TS號和ARFCN一起稱作一個物理信道。2.5.GSM移動臺功率控制當(dāng)移動臺在小區(qū)內(nèi)移動時，其發(fā)射機的功率是需要變化的。當(dāng)它靠近基站時，將發(fā)射功率設(shè)置得較低以減少對其他用戶的干擾。當(dāng)移動臺遠離基站時，應(yīng)提高功率以克服增加的路徑損耗。所有GSM移動臺都能夠在基站命令的指揮下以2dB為步進控制

10、自身功率。2.6.定時提前GSM使用時分多址（TDMA），因此需要定時提前。由于無線電信號從移動臺到達基站需要一段有限長的時間，必須有一種方法確保信號在正確的時間到達基站。如果沒有定時提前，位于小區(qū)邊沿的用戶突發(fā)脈沖信號將較晚到達基站并破壞緊鄰基站用戶的信號（除非在時隙之間加入一個比最長的信號傳播時間還要長的保護時間）。通過移動臺的定時提前，發(fā)射信號將在一個準確時間到達基站。當(dāng)移動臺（MS）向小區(qū)中心移動時，基站收發(fā)臺（BTS）會發(fā)出信號通知MS減小其定時提前；當(dāng)移動臺遠離小區(qū)中心時，基站通知移動臺增加定時提前。2.7.GSMTDMA功率突發(fā)GSM是TDMA系統(tǒng)，在每一個頻率對有8個用戶，每一

11、個用戶必須只在允許的時間內(nèi)打開發(fā)射機并及時地關(guān)閉發(fā)射機以避免干擾相鄰時隙的用戶。GSM既規(guī)定了時隙內(nèi)RF突發(fā)脈沖的幅度包絡(luò)也規(guī)定了時隙中有用比特有效部分的平坦性。幅度包絡(luò)的動態(tài)范圍大于70dB，并且在時隙的有效部分內(nèi)具有小于1dB的平坦性。所有這些都發(fā)生在577uS的時隙內(nèi)。2.8.打開GSM移動臺時將發(fā)生什么事情當(dāng)移動臺第一次打開的時候，它搜索下行鏈路所有124個信道的信號。然后它按照收到信號的強度為所有的信道排列順序并檢查某一信道是否為BCH（廣播信道）。一旦MS找到BCH，它將根據(jù)頻率校正信道（FCH）和同步信道（SCH）調(diào)節(jié)其內(nèi)部頻率及時序，然后檢查這個BCH是否來自屬于它的公共陸地移

12、動網(wǎng)絡(luò)(PLMN)。在此過程中要將SIM卡中存儲的許可網(wǎng)絡(luò)和國家代碼與BCCH中的編碼信息進行比較。移動臺重復(fù)上述步驟直到它找到一個良好的廣播信道。如果移動臺發(fā)現(xiàn)它所處的小區(qū)與上次使用時所處的小區(qū)不同，它需要告訴網(wǎng)絡(luò)它所處的位置。網(wǎng)絡(luò)必須知道每一個移動臺的位置以便將呼叫正確地發(fā)送到移動臺所在的小區(qū)。這個告訴網(wǎng)絡(luò)“我在這里”的過程叫做定位更新。移動臺與基站一旦同步，即確定了它可以使用網(wǎng)絡(luò)（如果需要還要進行定位更新），移動臺從此就駐扎（camp）在此小區(qū)中。移動臺駐扎以后就可以發(fā)出和接收呼叫了。GSM收發(fā)機測試GSM標準定義了一個無線通信系統(tǒng)，只有當(dāng)系統(tǒng)中每一個組成部分都在精確的限度內(nèi)工作時整個系

13、統(tǒng)才能夠良好的工作。本質(zhì)上說，移動臺和基站必須發(fā)射足夠的功率、具有充分保真度的信號以維持一個具有可接受質(zhì)量的通話，而且不能向分配給其他用戶的頻率信道和時隙輻射過量的功率。類似地，接收機必須具有足夠的靈敏度和選擇性以獲取并解調(diào)一個微弱的信號。GSM移動臺發(fā)射機和接收機測試源于ETSI3GPP標準(05.05.V8.12.0部分，Radioaccessnetwork;radiotransmissionandreception(release1999)本章給出發(fā)射機和接收機一些關(guān)鍵測量指標的概述，它們在測試系統(tǒng)是否符合GSM標準時是必須。3.1.發(fā)射機三個頻率區(qū)域的性能是十分關(guān)鍵的：信道內(nèi)、信道外和

14、頻帶外。信道內(nèi)測試確定用戶感覺到的鏈路質(zhì)量。測試包括：相位誤差和平均頻率誤差平均發(fā)射RF載波功率發(fā)射RF載波功率隨時間的變化信道外測試確定用戶給其他GSM用戶帶來多少干擾，包括：調(diào)制和寬帶噪聲頻譜切換頻譜Tx和Rx帶內(nèi)雜散信號帶外測試確定用戶給無線電頻譜的非GSM用戶（如軍事、公安、航空等）帶來了多少干擾。所有其他的雜散信號（諧波、寬帶信號等等）都包含在這一項里。3.1.1.相位誤差與頻率誤差相位誤差是GSM中用來表示調(diào)制精確度的參數(shù)之一。相位誤差較大通常表示發(fā)射機電路中的I/Q基帶發(fā)生器、濾波器、調(diào)制器或者放大器存在問題。頻率誤差表示頻率合成器或鎖相環(huán)的性能不夠好（例如，在兩次發(fā)射信號之間頻

15、率切換時合成器不能夠很快的穩(wěn)定下來）。在GSM系統(tǒng)中，糟糕的頻率誤差可能使目標接收機不能鎖定發(fā)射信號，同時發(fā)射機也可能給其他用戶造成干擾。為了測量相位和頻率誤差，可以用一個測試裝置對被測設(shè)備的發(fā)射輸出信號進行采樣來獲得實際的相位軌跡。對采樣信號解調(diào)然后以數(shù)學(xué)方法得到理想的相位軌跡。從一個軌跡減去另一個軌跡得到誤差信號。這個信號的平均斜率（相位/時間）就是頻率誤差。信號的變化就是相位誤差，用均方根（rms）和峰值表示。下圖所示即為此測試過程：下圖所示為一個發(fā)射突發(fā)脈沖的測量結(jié)果以及它與GSM標準規(guī)定的限度之間的關(guān)系。3.1.2.平均發(fā)射輸出功率GSM系統(tǒng)使用動態(tài)功率控制確保每一個鏈路具有足夠并且

16、是最小的功率。這樣可以使整個系統(tǒng)的干擾保持最小。對于MS來說，可以最大限度地延長電池的壽命。超出規(guī)范的功率測量結(jié)果通常表示功率放大器電路、校準表格或者供電電源有問題。GSM平均輸出功率是在GSM突發(fā)脈沖的有用部分測量的。進行測量的時候，GSM測試設(shè)備通過解調(diào)輸入信號獲得正確的參考時序，并控制選通GSM突發(fā)脈沖的有用部分。3.1.3.發(fā)射RF載波功率隨時間的變化在GSM系統(tǒng)中，發(fā)射機必須按照TDMA時序結(jié)構(gòu)快速變化發(fā)射功率以避免對相鄰時隙造成干擾。如果發(fā)射機開啟太慢，突發(fā)脈沖最開始的數(shù)據(jù)就可能丟失，降低了鏈路的質(zhì)量；如果關(guān)閉得太慢，TDMA幀中下一個時隙的用戶將受到干擾。因此，本測試就是根據(jù)規(guī)定

17、的功率變化模式評估載波功率在時域內(nèi)的變化，同時還可以證實發(fā)射機的關(guān)閉是完好的。如果發(fā)射機沒有通過發(fā)射RF載波功率隨時間變化關(guān)系的測試，通常說明PA單元或者功率控制環(huán)路存在問題。3.1.4.鄰信道功率(ACP)ACP由兩個指標定義：調(diào)制和寬帶噪聲頻譜切換頻譜這兩個測量指標通常一起被稱作“輸出RF頻譜”（ORFS）。3.1.4.1.調(diào)制與寬帶噪聲頻譜發(fā)射機中的調(diào)制過程使連續(xù)載波發(fā)生頻譜擴展。“調(diào)制和寬帶噪聲頻譜”測量指標用來保證調(diào)制過程不會造成過量的頻譜擴展，因為這將對相鄰信道用戶造成干擾。將分析儀調(diào)諧到要進行測試的頻率，然后在調(diào)制突發(fā)脈沖的部分時間里進行時域選通。用這種方式測量功率，然后分析儀重

18、新調(diào)諧到下一個頻率或者欲測量的頻率偏移。持續(xù)這一過程直到所有頻偏下的功率都被測量并與允許的限度進行對比。這樣作的結(jié)果是得到了一組功率隨頻率變化的點，也就是信號的頻譜。然而，由于信號的跳變部分不在選通范圍之內(nèi)，因此沒有突發(fā)效果產(chǎn)生的頻譜成分。測量結(jié)果的限制以dBc表示，所以測量的第一步是讀取發(fā)射機調(diào)諧的中心頻率。3.1.4.2.切換頻譜GSM發(fā)射機RF功率變化非?？?。之前描述的“發(fā)射RF載波功率隨時間變化關(guān)系”測試指標確保功率的變化能夠在正確的時間里并且足夠快的發(fā)生。然而，如果RF功率變化得太快，發(fā)射信號中就會產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的頻譜成分。本測量指標就是用來確保這些成分能夠保持在可接受的水平之下。為

19、進行切換頻譜測量，分析儀在零檔模式下調(diào)諧到多個偏移頻率進行測量。本測量中不在時域進行選通控制。3.1.5.雜散信號測量這些指標對于確保GSM發(fā)射機不會向錯誤的頻譜部分發(fā)射能量是必需的，那樣會對頻譜的其他用戶造成干擾。這里討論人為的雜散信號。將測試裝置直接連接到MS的天線連接器進行測量。測量內(nèi)容包括：Tx和Rx頻帶雜散交叉頻帶雜散帶外雜散3.1.5.1.GSMTx和Rx頻帶雜散Tx頻帶雜散測量是與落入925-960MHzGSMTx頻帶的雜散信號有關(guān)的測量。Rx頻帶雜散測量是發(fā)射機向Rx頻帶(880-915MHz)發(fā)射多少能量的度量。這個測量保證Tx雜散不會“阻塞”或者說使鄰信道接收機的靈敏度降低

20、（這一規(guī)范基于移動臺之間的平均距離為1米）。進行此測量時，通常在分析儀輸入之前使用Rx帶通濾波器來衰減Tx頻帶的信號。3.1.5.2.交叉頻帶雜散（例如GSM900到DCS1800）在一些國家，GSM900和DCS1800系統(tǒng)是并存的。由于這個原因，ETSI3GPP標準需要規(guī)范交叉頻帶性能以確保GSM發(fā)射機向DCS1800頻帶或者DCS1800向GSM頻帶輻射最小的能量。3.1.5.3.帶外雜散信號帶外雜散信號是覆蓋100KHz到12.75GHz這一很大頻率范圍的一系列頻譜分析儀測試項目。3GPP標準包括了MS必須遵守的寬帶雜散信號限制。3.2.接收機這部分定義并討論描述GSM接收機精確度時使

21、用的關(guān)鍵性能參數(shù)。3.2.1.靈敏度靈敏度是接收機性能的基本度量。它規(guī)范了在給定的解調(diào)信息錯誤百分比下最小的接收信號電平。所有接收機測量得到的結(jié)果都是BER（誤比特率）或者其他與之有關(guān)的值，即：FER（幀刪除率）是在觀察的時間段里被刪除的幀占總傳送幀數(shù)的百分比RBER（殘余誤比特率）；當(dāng)幀被刪除時，只測量剩余幀的BER。參數(shù)RBER定義了這個指標。BER是收到的錯誤的比特數(shù)與總比特數(shù)之比。它的測量如下，測試系統(tǒng)輸出一個攜帶已知比特模式的信號（通常使用偽隨機比特序列（PRBS）。PRBS信號一般以PNx表示，其中x是序列中被置換的位數(shù)（例如，PN9=29-1即511bits）。被測接收機試圖解調(diào)

22、并對這一比特序列進行解碼，然后通過一個反回通道（使用一種叫作環(huán)形回路的方法）將結(jié)果比特數(shù)據(jù)送回測試系統(tǒng)進行比較。最后由測試系統(tǒng)計算出所需的度量結(jié)果。GSM手機就是使用這種環(huán)形回路的方法進行測試的。3.2.2.同信道抑制大多數(shù)接收機都要求信道內(nèi)存在干擾信號時能夠維持規(guī)定的BER。對于GSM系統(tǒng)，這一參數(shù)的測量如下：存在衰落和GMSK調(diào)制干擾，同信道測試，信號大于靈敏度20dB。數(shù)字調(diào)制信號功率設(shè)為高于接收機靈敏度20dB，頻率位于接收機通帶中心，存在GMSK調(diào)制干擾（在相同的頻率）和經(jīng)過衰落的特征。將此混合信號注入接收機的天線端。將干擾信號功率設(shè)置為使接收機的BER不超過接收機靈敏度規(guī)范的額定值

23、。兩個信號的功率之差就是干擾比例。3.2.3.接收機阻塞這個參數(shù)是接收機信道外測試參數(shù)之一。阻塞測試證明接收機在存在信道外信號時能夠正常工作并監(jiān)視接收機受內(nèi)部產(chǎn)生的雜散響應(yīng)影響的程度。接收機阻塞性能體現(xiàn)在三個關(guān)鍵的測試內(nèi)容上：雜散干擾抵抗性互調(diào)失真鄰信道選擇性3.2.3.1.雜散干擾抵抗性這是接收機防止單個信道外干擾信號在接收機的輸出產(chǎn)生不期望的信道內(nèi)響應(yīng)的能力。雜散信號可能來自接收機內(nèi)部的電源諧波、系統(tǒng)時鐘諧波或者LO雜散信號。3.2.3.2.互調(diào)干擾抵抗性當(dāng)接收機輸入端存在不止一個頻率的信號時，非線性混頻將形成落入接收機通帶內(nèi)的三階互調(diào)產(chǎn)物；本指標就是存在這一失真產(chǎn)物時接收機性能的度量。3

24、.2.3.3.鄰信道選擇性這是當(dāng)相鄰信道存在強信號時接收機處理欲得到的調(diào)制信號能力的度量。交替信道選擇性是一個類似的測量參數(shù)，其中干擾信號距離接收機通帶兩個RF信道遠。GSM移動RF收發(fā)機分析這部分文檔分為三個主要部分：接收機分析發(fā)射機分析LO相位噪聲要求分析4.1.接收機分析4.1.1Rx噪聲系數(shù)/靈敏度接收機靈敏度與接收機的NF有如下關(guān)系：靈敏度，S=-174+10logBi+S/N+Gimp+NF.1其中：Bi=接收機帶寬(=180KHz，對于GSM)S/N=基帶信號信噪比Gimp=RF和BB增益GSM標準規(guī)定需要最小-102dBm的靈敏度。已知給定的基帶芯片組能夠?qū)邮招盘栒_解碼的最

25、差情況是基帶S/N等于9dB，再加上2dB的實現(xiàn)余量，從上邊的等式1我們可以計算出接收機最差情況下的NF：NF=-174+10logBi+S/N+Gimp-SNF=-174+10log(180,000)+9+2-(-102)NF=8.5dB已知這個最差情況的NF，接收機設(shè)計者就能根據(jù)下面這個等式對不同的前端增益和NF劃分方案進行研究：NF=10log(F,Rx.噪聲因數(shù))=10logF1+(F2-1)/G1+(F3-1)/G1.G2+.eq.2其中Fi=系統(tǒng)劃分中第i個模塊的噪聲因數(shù)i=1,2,3.盡管等式2表示第一級的增益越高，系統(tǒng)的NF就越低，接收機設(shè)計者需要確保第一級不會對其他級產(chǎn)生壓縮

26、，這將降低接收機的線性度。這表明系統(tǒng)的靈敏度是接收機的NF（主要由前端元件決定）和接收機的線性度之間的折衷結(jié)果。我們主要研究下面的接收機前端方案：單LNA+有源混頻器.方案1雙LNA+有源混頻器.方案2與方案1相比方案2主要的優(yōu)點是對每一個單獨的LNA的噪聲系數(shù)和增益的要求被極大地放寬了。方案1中前端LNA需要嚴格地符合規(guī)范以實現(xiàn)與方案2相同的系統(tǒng)NF。方案2的主要缺點是由于加入了第二個LNA造成成本的升高和潛在的對更多電源電流的需求。4.1.2.Rx阻塞分析表1.下表為不會使GSM移動臺呼叫中斷的阻塞信號值.FrequencybandMSBlockingsignallevelDescription600KHz|f-fo|800KHz-43dBmInbandblocking800KHz|f-fo|1.6MHz-43dBm1.6MHz|f-fo|3MHz-33dBm3MH