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1、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，“Mercury one-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、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
3、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。 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GSM phase2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G
4、SM（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BC
5、H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。 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
6、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
7、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
8、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。 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
9、。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
10、），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. GSM TDMA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
11、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。 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
12、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
13、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ETSI 3GPP标准(05.05.V8.12.0部分，Radio access network; radio transmission and reception (release 1999) 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。 信
14、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
15、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
16、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。 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
17、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。“调制和宽带噪声频谱”测量指标用来保证调制过程不会造成过量的频谱扩展，因为这将对相邻信道用户造成干扰。 将分析仪调谐到要进行测试的频率，然后在调制突发脉冲的部分时间里进行时域选通
18、。用这种方式测量功率，然后分析仪重新调谐到下一个频率或者欲测量的频率偏移。持续这一过程直到所有频偏下的功率都被测量并与允许的限度进行对比。这样作的结果是得到了一组功率随频率变化的点，也就是信号的频谱。然而，由于信号的跳变部分不在选通范围之内，因此没有突发效果产生的频谱成分。 测量结果的限制以dBc表示，所以测量的第一步是读取发射机调谐的中心频率。 3.1.4.2.切换频谱GSM发射机RF功率变化非常快。之前描述的“发射RF载波功率随时间变化关系”测试指标确保功率的变化能够在正确的时间里并且足够快的发生。然而，如果RF功率变化得太快，发射信号中就会产生不希望出现的频谱成分。本测量指标就是用来确保
19、这些成分能够保持在可接受的水平之下。 为进行切换频谱测量，分析仪在零档模式下调谐到多个偏移频率进行测量。本测量中不在时域进行选通控制。 3.1.5.杂散信号测量这些指标对于确保GSM发射机不会向错误的频谱部分发射能量是必需的，那样会对频谱的其他用户造成干扰。 这里讨论人为的杂散信号。将测试装置直接连接到MS的天线连接器进行测量。测量内容包括： Tx和Rx频带杂散 交叉频带杂散 带外杂散 3.1.5.1. GSM Tx和Rx频带杂散Tx频带杂散测量是与落入925 - 960 MHz GSM Tx频带的杂散信号有关的测量。 Rx频带杂散测量是发射机向Rx频带(880 - 915MHz)发射多少能量
20、的度量。这个测量保证Tx杂散不会“阻塞”或者说使邻信道接收机的灵敏度降低（这一规范基于移动台之间的平均距离为1米）。 进行此测量时，通常在分析仪输入之前使用Rx带通滤波器来衰减Tx频带的信号。 3.1.5.2.交叉频带杂散（例如GSM900到DCS1800）在一些国家，GSM900和DCS1800系统是并存的。由于这个原因，ETSI 3GPP标准需要规范交叉频带性能以确保GSM发射机向DCS1800频带或者DCS1800向GSM频带辐射最小的能量。 3.1.5.3.带外杂散信号带外杂散信号是覆盖100KHz 到12.75GHz这一很大频率范围的一系列频谱分析仪测试项目。3GPP标准包括了MS必
21、须遵守的宽带杂散信号限制。 3.2.接收机这部分定义并讨论描述GSM接收机精确度时使用的关键性能参数。 3.2.1.灵敏度灵敏度是接收机性能的基本度量。它规范了在给定的解调信息错误百分比下最小的接收信号电平。所有接收机测量得到的结果都是BER（误比特率）或者其他与之有关的值，即： FER（帧删除率）是在观察的时间段里被删除的帧占总传送帧数的百分比 RBER（残余误比特率）；当帧被删除时，只测量剩余帧的BER。参数RBER定义了这个指标。 BER是收到的错误的比特数与总比特数之比。它的测量如下，测试系统输出一个携带已知比特模式的信号（通常使用伪随机比特序列（PRBS）。PRBS信号一般以PNx表
22、示，其中x是序列中被置换的位数（例如，PN9 = 29-1即511 bits）。 被测接收机试图解调并对这一比特序列进行解码，然后通过一个反回通道（使用一种叫作环形回路的方法）将结果比特数据送回测试系统进行比较。最后由测试系统计算出所需的度量结果。GSM手机就是使用这种环形回路的方法进行测试的。 3.2.2.同信道抑制大多数接收机都要求信道内存在干扰信号时能够维持规定的BER。对于GSM系统，这一参数的测量如下：存在衰落和GMSK调制干扰，同信道测试，信号大于灵敏度20dB。数字调制信号功率设为高于接收机灵敏度20dB，频率位于接收机通带中心，存在GMSK调制干扰（在相同的频率）和经过衰落的特
23、征。将此混合信号注入接收机的天线端。将干扰信号功率设置为使接收机的BER不超过接收机灵敏度规范的额定值。两个信号的功率之差就是干扰比例。 3.2.3.接收机阻塞这个参数是接收机信道外测试参数之一。阻塞测试证明接收机在存在信道外信号时能够正常工作并监视接收机受内部产生的杂散响应影响的程度。接收机阻塞性能体现在三个关键的测试内容上： 杂散干扰抵抗性 互调失真 邻信道选择性 3.2.3.1.杂散干扰抵抗性这是接收机防止单个信道外干扰信号在接收机的输出产生不期望的信道内响应的能力。杂散信号可能来自接收机内部的电源谐波、系统时钟谐波或者LO杂散信号。 3.2.3.2.互调干扰抵抗性当接收机输入端存在不止
24、一个频率的信号时，非线性混频将形成落入接收机通带内的三阶互调产物；本指标就是存在这一失真产物时接收机性能的度量。 3.2.3.3. 邻信道选择性这是当相邻信道存在强信号时接收机处理欲得到的调制信号能力的度量。交替信道选择性是一个类似的测量参数，其中干扰信号距离接收机通带两个RF信道远。 GSM移动RF收发机分析这部分文档分为三个主要部分： 接收机分析 发射机分析 LO相位噪声要求分析 4.1.接收机分析4.1.1 Rx噪声系数/灵敏度接收机灵敏度与接收机的NF有如下关系：灵敏度，S = -174 + 10logBi + S/N + Gimp + NF .1其中：Bi = 接收机带宽( = 18
25、0KHz，对于GSM)S/N =基带信号信噪比Gimp = RF和BB增益 GSM标准规定需要最小-102dBm的灵敏度。已知给定的基带芯片组能够对接收信号正确解码的最差情况是基带S/N等于9dB，再加上2dB的实现余量，从上边的等式1我们可以计算出接收机最差情况下的NF： NF = -174 + 10logBi + S/N + Gimp - SNF = -174 + 10log(180,000) + 9 + 2 - (-102)NF = 8.5 dB已知这个最差情况的NF，接收机设计者就能根据下面这个等式对不同的前端增益和NF划分方案进行研究：NF = 10log(F, Rx. 噪声因数)
26、= 10 log F1 + (F2-1)/G1 + (F3-1)/G1.G2 + . .eq.2其中Fi = 系统划分中第i个模块的噪声因数 i = 1,2,3.尽管等式2表示第一级的增益越高，系统的NF就越低，接收机设计者需要确保第一级不会对其他级产生压缩，这将降低接收机的线性度。 这表明系统的灵敏度是接收机的NF（主要由前端元件决定）和接收机的线性度之间的折衷结果。我们主要研究下面的接收机前端方案： 单LNA + 有源混频器.方案1 双LNA + 有源混频器 .方案2 与方案1相比方案2主要的优点是对每一个单独的LNA的噪声系数和增益的要求被极大地放宽了。方案1中前端LNA需要严格地符合规
27、范以实现与方案2相同的系统NF。 方案2的主要缺点是由于加入了第二个LNA造成成本的升高和潜在的对更多电源电流的需求。 4.1.2. Rx阻塞分析表1.下表为不会使GSM移动台呼叫中断的阻塞信号值. Frequency bandMS Blocking signal levelDescription600KHz |f-fo| 800KHz-43dBmIn band blocking800KHz |f-fo| 1.6MHz-43dBm1.6MHz |f-fo| 3MHz-33dBm3MHz |f-fo|-23dBm900 - 915MHz-5dBmOut of band blocking0.1 -
28、 6000KHz-71/100KHz-1214.2.1.2.杂散辐射表3.下表所示为05.05规范对相应频率偏移处杂散辐射的规定. Offset frequency05.05 specification dBc/BW 1.8MHz-30dBc/30KHz (in band) 6MHz-33dBc/100KHz (in band) 2MHz-60dBc/30KHz (out of band) 5MHz-60dBc/100KHz (out of band) 10MHz-60dBm/300KHz (out of band) 20MHz-63dBm/1MHz (out of band) 30MHz-6
29、5dBc/3MHz (out of band)10 20MHz (i.e. 925 935MHz)-67dBc/100KHz (out of band) 20MHz (i.e. 935 980MHz)-79dBc/100KHz (out of band)为计算满足接收频带内(即925 980MHz)发射噪声要求所需的对相位噪声的要求，进行如下计算，其中Tx输出功率为33dBm 925 935MHz规范中规定在100KHz BW内为-67dBm，转换一下为-117dBc/Hz。相对于33dBm Tx功率，在925 935MHz频段对VCO相位噪声所需规范为- (117dBc/Hz + 33)dBc/Hz = -150dBc/Hz。 类似地 935 980MHz规范中要求在100KHz BW为-79dBm，转换一下得到-162dBc/Hz。 结束语本文可以使新的GSM系统设计者对GSM模块规范以及它们如果影响系统的性能有一个更好的理解。 Maxim Integrated Products提供全球领先的、将GSM收发机技术和其他的如WCDMA、GPRS、EDGE技术整合在一起的集成解决方案。我们的解决方案拥有最小的电流消耗和产品尺寸。 这些解决方案大多数都在Maxim的网站上公布，或者已经在Maxim无线设计向导中作为未来产品进行了声明，Maxim无线设计向导也在网站上。