GSM基础及GSM移动台无线收发信机分析

第1页共17页GSM基础及GSM移动台无线收发信机分析GSM基础在讨论移动电话规范要求之前，我们在本章对GSM（全球移动通信系统）作一个概述。GSM系统是由一个定期会面的专家团体制定的，这个团体是欧洲电信标准协会（ETSI）的一部分。GSM现在已经真正成为了一个全球的移动通信系统，覆盖范围包括欧洲、亚洲、非洲和南美洲的大部分地区。GSM投入使用后逐渐发展成GSM900、DCS1800（也叫做PCN）和PCS1900（美国）。PCN开始于英国，“Mercuryone-to-one”和“Hutchinson(Orange)”提供了最早的两个使用DCS1800的网络，此后它开始向世界上其他地区发展。2.1.技术上的差别这部分我们讨论新GSM工程师经常问到的问题。2.1.1.GSM与CT2和DECT有什么不同？GSM900和DCS1800是蜂窝系统，而DECT和CT2是无绳系统。GSM（像AMPS和TACS一样）允许用户在一个很大的地理范围内进行呼叫和接听电话。系统在寄存器中记录所有移动台的位置，使呼叫可以被传送到正确的基站。DECT和CT2与其他的无绳系统一样没有跟踪能力。它们和传统家庭无绳电话的工作原理完全相同（这种系统中移动台只有在听筒基站的一定范围内才能接收呼叫，在其他的地点不能接收呼叫）。2.1.2.GSM900、DCS1800和PCS1900有什么不同？GSM900是最初的GSM系统。它使用900MHz频段（编号从1到124），是为大区制的蜂窝系统设计的，移动台最大可以输出1W至8W的功率。根据天线的不同类型，GSM小区半径可以从35公里到60公里。第2页共17页DCS1800是与GSM900相配合的版本，它以1.8GHz为频率中心并具有更宽的频带，这使它可以应对更高的用户密度。DCS1800移动台还拥有更低的输出功率（最高至1W），所以其小区半径必然小于GSM900的小区半径，约为20Km（半径也可以根据天线的类型改变）。GSM900和DCS1800在所有其他方面都是相同的。因此GSMphase2规范给GSM900分配了额外的带宽和信道，成为现在称作扩展频带GSM（E-GSM）的系统。除了移动台拥有更低的功率控制水平外，这一规范还允许实现微蜂窝系统。PCS1900（也叫做DCS1900）是在美国设计的，它工作在1.9GHz附近，本质上是1.9GHz的GSM技术。2.2.GSM小区GSM小区中最为可见的部分是它的基站和天线塔。通常在一个公共的天线塔周围划分成几个扇形小区，天线塔有许多定向天线，每一个天线覆盖一个特定的区域。这种许多天线所处的同一个位置有时称为一个小区站点（cell-site），或者叫做基站，或基站收发台（BTS）。所有的BTS都产生一个随时有效的广播信道（BCH），这个信道可以看作是一个灯塔信号。小区中所有的移动台都要接收BCH信号，无论它们是否在通话当中。这样做的目的是：使移动台找到GSM网络使网络知道哪个BTS距离给定的移动台最近使移动台获得像网络身份标识这样的编码信息（例如vodaphone,Mannesmann等）实现给需要接收电话呼叫的移动台的消息和其他各种信息的寻呼每个小区中BCH使用的频率信道是不同的。信道只能被较远的小区重复使用，因为此时相互干扰的危险性较低。第3页共17页在呼叫当中的移动台使用业务信道（TCH），它是一个在移动台和基站之间交换话音数据的双向信道（称作上行链路和下行链路）。GSM将上行链路和下行链路分开使用不同的频段。有趣的是，TCH使用上行链路和下行链路两个信道，而BCH只占用下行链路频段的信道。相应的上行链路信道实际是空闲的。移动台可以使用这一信道作为不定时或随机接入信道（RACH）。当移动台需要引起基站注意的时候（也许它要进行一次呼叫），可以通过这个空闲的频率信道发送一个RACH信号使基站注意到它。2.3.GSM调制GSM使用一种称作0.3GMSK(高斯最小频移键控)的数字调制方式。0.3表示高斯滤波器带宽与比特率之比。GMSK是一种特殊的数字FM调制方式。给RF载波频率加上或者减去67.708KHz表示1和0。使用两个频率表示1和0的调制技术记作FSK（频移键控）。在GSM中，数据速率选为270.833kbit/sec，正好是RF频率偏移的4倍，这样作可以把调制频谱降到最低并提高信道效率。比特率正好是频率偏移4倍的FSK调制称作MSK（最小频移键控）。在GSM中，使用高斯预调制滤波器进一步减小调制频谱。它可以降低频率转换速度，否则快速的频率转换将导致向相邻信道辐射能量。0.3GMSK不是相位调制（也就是说不是像QPSK那样由绝对相位状态携带信息）。它是由频率的偏移，或者说是相位的变化携带信息。GMSK可以通过I/Q图表示。如果没有高斯滤波器，当传送一连串恒定的1时，MSK信号将保持在高于载波中心频率67.708KHz的状态。如果将载波中心频率作为固定相位基准，67.708KHz的信号将导致相位的稳步增加。相位将以每秒67,708次的速率进行360度旋转。在一个比特周期内(1/270.833KHz)，相位将在I/Q图中移动四分之一圆周、即90度的位置。数据1可以看作相位增加90度。两个1使相位增加180度，三个1是270度，依此类推。数据0表示在相反方向上相同的相位变化。实际的相位轨迹是被严格地控制的。GSM无线系统需要使用数字滤波器和I/Q或数字FM调制器精确地生成正确的相位轨迹。GSM规范允许实际轨迹与理想轨迹之间存在均方根（rms）值不超过5度、峰值不超过20度的偏差。第4页共17页2.4.TDMA与FDMAGSM使用TDMA（时分多址）和FDMA（频分多址）。频率被分成两个频段，上行链路用于移动台发射信号，下行链路用于基站发射信号。每个频段被分成大小为200KHz的多个频率片段，称作ARFCN（绝对频率信道号）。除了在频率上分开以外，GSM在时间上也进行区分。每一个ARFCN都由8个移动台轮流使用。每个移动台在一个时隙（TS）内使用ARFCN然后等待下一次轮到它时再使用。TS号和ARFCN一起称作一个物理信道。2.5.GSM移动台功率控制当移动台在小区内移动时，其发射机的功率是需要变化的。当它靠近基站时，将发射功率设置得较低以减少对其他用户的干扰。当移动台远离基站时，应提高功率以克服增加的路径损耗。所有GSM移动台都能够在基站命令的指挥下以2dB为步进控制自身功率。2.6.定时提前GSM使用时分多址（TDMA），因此需要定时提前。由于无线电信号从移动台到达基站需要一段有限长的时间，必须有一种方法确保信号在正确的时间到达基站。如果没有定时提前，位于小区边沿的用户突发脉冲信号将较晚到达基站并破坏紧邻基站用户的信号（除非在时隙之间加入一个比最长的信号传播时间还要长的保护时间）。通过移动台的定时提前，发射信号将在一个准确时间到达基站。当移动台（MS）向小区中心移动时，基站收发台（BTS）会发出信号通知MS减小其定时提前；当移动台远离小区中心时，基站通知移动台增加定时提前。2.7.GSMTDMA功率突发GSM是TDMA系统，在每一个频率对有8个用户，每一个用户必须只在允许的时间内打开发射机并及时地关闭发射机以避免干扰相邻时隙的用户。GSM既规定了时隙内RF突发脉冲的幅度包络也规定了时隙中有用比特有效部分的平坦性。幅度包络的动态范围大于70dB，并且在时隙的有效部分内具有小于±1dB的平坦性。所有这些都发生在577uS的时隙内。第5页共17页2.8.打开GSM移动台时将发生什么事情当移动台第一次打开的时候，它搜索下行链路所有124个信道的信号。然后它按照收到信号的强度为所有的信道排列顺序并检查某一信道是否为BCH（广播信道）。一旦MS找到BCH，它将根据频率校正信道（FCH）和同步信道（SCH）调节其内部频率及时序，然后检查这个BCH是否来自属于它的公共陆地移动网络(PLMN)。在此过程中要将SIM卡中存储的许可网络和国家代码与BCCH中的编码信息进行比较。移动台重复上述步骤直到它找到一个良好的广播信道。如果移动台发现它所处的小区与上次使用时所处的小区不同，它需要告诉网络它所处的位置。网络必须知道每一个移动台的位置以便将呼叫正确地发送到移动台所在的小区。这个告诉网络“我在这里”的过程叫做定位更新。移动台与基站一旦同步，即确定了它可以使用网络（如果需要还要进行定位更新），移动台从此就驻扎（camp）在此小区中。移动台驻扎以后就可以发出和接收呼叫了。GSM收发机测试GSM标准定义了一个无线通信系统，只有当系统中每一个组成部分都在精确的限度内工作时整个系统才能够良好的工作。本质上说，移动台和基站必须发射足够的功率、具有充分保真度的信号以维持一个具有可接受质量的通话，而且不能向分配给其他用户的频率信道和时隙辐射过量的功率。类似地，接收机必须具有足够的灵敏度和选择性以获取并解调一个微弱的信号。GSM移动台发射机和接收机测试源于ETSI3GPP标准(05.05.V8.12.0部分，Radioaccessnetwork;radiotransmissionandreception(release1999))本章给出发射机和接收机一些关键测量指标的概述，它们在测试系统是否符合GSM标准时是必须。3.1.发射机三个频率区域的性能是十分关键的：信道内、信道外和频带外。第6页共17页信道内测试确定用户感觉到的链路质量。测试包括：相位误差和平均频率误差平均发射RF载波功率发射RF载波功率随时间的变化信道外测试确定用户给其他GSM用户带来多少干扰，包括：调制和宽带噪声频谱切换频谱Tx和Rx带内杂散信号带外测试确定用户给无线电频谱的非GSM用户（如军事、公安、航空等）带来了多少干扰。所有其他的杂散信号（谐波、宽带信号等等）都包含在这一项里。3.1.1.相位误差与频率误差相位误差是GSM中用来表示调制精确度的参数之一。相位误差较大通常表示发射机电路中的I/Q基带发生器、滤波器、调制器或者放大器存在问题。频率误差表示频率合成器或锁相环的性能不够好（例如，在两次发射信号之间频率切换时合成器不能够很快的稳定下来）。在GSM系统中，糟糕的频率误差可能使目标接收机不能锁定发射信号，同时发射机也可能给其他用户造成干扰。为了测量相位和频率误差，可以用一个测试装置对被测设备的发射输出信号进行采样来获得实际的相位轨迹。对采样信号解调然后以数学方法得到理想的相位轨迹。从一个轨迹减去另一个轨迹得到误差信号。这个信号的平均斜率（相位/时第7页共17页间）就是频率误差。信号的变化就是相位误差，用均方根（rms）和峰值表示。下图所示即为此测试过程：下图所示为一个发射突发脉冲的测量结果以及它与GSM标准规定的限度之间的关系。3.1.2.平均发射输出功率GSM系统使用动态功率控制确保每一个链路具有足够并且是最小的功率。这样可以使整个系统的干扰保持最小。对于MS来说，可以最大限度地延长电池的寿命。超出规范的功率测量结果通常表示功率放大器电路、校准表格或者供电电源有问题。GSM平均输出功率是在GSM突发脉冲的有用部分测量的。进行测量的时候，GSM测试设备通过解调输入信号获得正确的参考时序，并控制选通GSM突发脉冲的有用部分。第8页共17页3.1.3.发射RF载波功率随时间的变化在GSM系统中，发射机必须按照TDMA时序结构快速变化发射功率以避免对相邻时隙造成干扰。如果发射机开启太慢，突发脉冲最开始的数据就可能丢失，降低了链路的质量；如果关闭得太慢，TDMA帧中下一个时隙的用户将受到干扰。因此，本测试就是根据规定的功率变化模式评估载波功率在时域内的变化，同时还可以证实发射机的关闭是完好的。如果发射机没有通过发射RF载波功率随时间变化关系的测试，通常说明PA单元或者功率控制环路存在问题。3.1.4.邻信道功率(ACP)ACP由两个指标定义：调制和宽带噪声频谱切换频谱这两个测量指标通常一起被称作“输出RF频谱”（ORFS）。3.1.4.1.调制与宽带噪声频谱发射机中的调制过程使连续载波发生频谱扩展。“调制