GSM系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的優(yōu)化

2019-11-03 08:59:26

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供稿：網(wǎng)友

朱江黎福海

湖南大學(xué) 長沙410082

　　摘要文章研究主要目的是提高現(xiàn)有GSM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信質(zhì)量，文中將結(jié)合低端的RF硬件電路和空間數(shù)據(jù)通信方式進(jìn)行分析，通過對底層電路RF性能和參數(shù)分析；同時在高端信號傳輸?shù)倪^程中，通過對基站、蜂窩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和空間衰減分析，提出新的信號調(diào)制方式，在不影響現(xiàn)有GSM通信系統(tǒng)的前提下，減小鄰道干擾，降低誤碼率，提高通信質(zhì)量，為將來GSM移動通信系統(tǒng)升級尤其是基站的增設(shè)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供一定的技術(shù)參考。

　　關(guān)鍵詞接收天線低噪聲放大器混頻器基站

　　1 引言

　　中國陸地公共蜂窩數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)中，GSM通信系統(tǒng)采用900MHz頻段和1.8GHz頻段,本文針對900MHz頻段進(jìn)行重點(diǎn)討論,結(jié)合一些 GSM射頻電路,對各自在數(shù)據(jù)通信方面的影響進(jìn)行分析，同時考慮現(xiàn)有蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，小區(qū)信道配置規(guī)律，針對數(shù)據(jù)傳輸過程中信號調(diào)制做出分析和改進(jìn)。

　　2 GSM系統(tǒng)移動終端硬件結(jié)構(gòu)

　　GSM系統(tǒng)移動終端主要是指現(xiàn)有的移動電話（也包括一些車載系統(tǒng)），一般分為基帶和射頻兩大部分，基帶部分包括基帶數(shù)字信號處理，語音信號編解碼，LCD顯示，馬達(dá)等振動電路，和一些輸入輸出接口電路；射頻系統(tǒng)由射頻接收和射頻發(fā)射兩部分組成。射頻接收電路完成接收信號的接受、放大、解調(diào)等功能；射頻發(fā)射電路主要完成基帶信號的調(diào)制、載頻、功率控制等功能。

　　3 移動終端射頻硬件分析

　　傳統(tǒng)機(jī)型都采用二次變頻，若接收機(jī)射頻電路中有兩個混頻電路。

　　二次變頻接收機(jī)有二個混頻器。過去的手機(jī)基本上都屬于這種電路結(jié)構(gòu)。在這種接收機(jī)電路中，RXI/Q解調(diào)是鎖相解調(diào)，參考信號來自基準(zhǔn)頻率信號，一般為13MHz或者26MHz。這種采用二次變頻的方法在第一次混頻，多采用71MHz。這種模式成本很高；需要很多的分立的元件對手機(jī)的布板就是個很大的考驗(yàn)；存在鏡像干擾的問題；在多模多頻的情況下，如中國就是采用900MHz和1800MHz，國外用850MHz和1900MHz，手機(jī)還需要4倍多的中頻率濾波器和VCO。

　　采用DSP技術(shù)的數(shù)字中頻接收電路。它保證了高的集成度；也沒有中頻濾波器，中頻鎖相環(huán)路，消除了鏡像干擾，200KHz中頻濾波很好的帶寬選擇性，由于每信道為200KHz，消除了直流分量和低頻干擾。可以防止本振的自身耦合和混頻器對接受信號的干擾。不過增加了一個數(shù)字混頻器。對手機(jī)的PCB布板很有利，手機(jī)主板都是用的6層板，翻蓋用4層板，F(xiàn)PC用3-5層，LDO出來的電源線分別有35-25mil線寬，信號線采用的4 mil線寬，I/Q信號線就采用的8mil或者16 mil線寬，從天線開關(guān)出來向耦合器和天線走的布線就考慮到線寬，走向，雖然有匹配網(wǎng)絡(luò)來滿足50歐姆功率傳輸功率匹配，盡量減小回波損耗，對于理論的1.5的駐波比也很難達(dá)到。一開始的走向就要盡量堆圓角，這時的S參數(shù)特性最好，來減小對外部的EMI干擾，手機(jī)空間很小，很多的布線規(guī)則，如本振的底下不要走線，數(shù)模地要分開，時鐘信號要與敏感的信號線分開等，盡量避免FPC對射頻部分的干擾，都不能兼顧，翻蓋機(jī)的FPC在EMC問題中很突出，以為其中往LCD內(nèi)送的DATA信號很多都是方波信號，其邊沿有很高的頻率分量，對RF接收是很大的干擾，而且FPC本身的機(jī)械形狀也應(yīng)該盡量的直，如果要彎曲的地方布線也盡量的推圓角，來減少對外界的輻射干擾。在RF部分能夠留出足夠的空間的，則充分進(jìn)行EMC分析和微帶線耦合考慮，而且最后硬件電路板中都要加屏蔽蓋，一般有兩塊屏蔽蓋，一部分蓋在基帶（主要是含數(shù)字信號的線路）上面，一塊是蓋在以RF（主要是含模擬信號的線路）上面，用來隔離數(shù)字和模擬信號，但是很多在接地的方式時候都沒有充分考慮數(shù)字和模擬并聯(lián)單點(diǎn)分開接地，無公共阻抗耦合。

　　4 基本站小區(qū)信道分配原理及對數(shù)據(jù)通信的影響

　　對于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，每個基站位于每個小區(qū)的中央位置，每個小區(qū)有幾個不同的信道，但是具體信道的多少和基站天線的方向性和組網(wǎng)方式有關(guān)，因?yàn)榭偟男诺罃?shù)有限，所以采用頻率復(fù)用技術(shù)，指在不同的地理區(qū)域上用相同的載波頻率進(jìn)行覆蓋。這些區(qū)域必須隔開足夠的距離，以致所產(chǎn)生的同頻道及鄰頻道干擾的影響可忽略不計(jì)。如果采用無方向性天線，即全向天線建議采用7組頻率復(fù)用方式，其7組頻率可從12組中任選，但相鄰頻率組盡量不在相鄰小區(qū)使用。但是隨著今后移動用戶的增加，小區(qū)的密度將會受到更大的挑戰(zhàn)，當(dāng)被迫增加基站時就會帶來一個新的技術(shù)問題，那就是同信道在物理空間上位置留得不夠?qū)霈F(xiàn)相鄰信道干擾大于-60dBm。而且在移動臺跨區(qū)時，會有功率檢測，在空間上移動時，也會有功率檢測來控制發(fā)射功率大小。這樣對于鄰信道干擾是更大挑戰(zhàn)。

　　5 GMSK調(diào)制在GSM系統(tǒng)中的優(yōu)缺點(diǎn)分析

　　GMSK調(diào)制方式的改進(jìn)，為獲取良好的通信質(zhì)量（QOS），提高系統(tǒng)的冗余量，矛盾在于在移動通信系統(tǒng)中降低鄰道干擾和減小誤碼率之間有不可同時兼顧的矛盾。GMSK是從MSK前面加了Gaussian-LPF。高斯濾波器是進(jìn)行預(yù)調(diào)制，這樣可以讓數(shù)字信號的頻譜進(jìn)一步衰減，減小對相鄰頻段（鄰近信道）干擾。改良后高斯濾波器時域函數(shù)為：ｈ（ｔ）=exp（），σ=，BT=0.3，B為下降3dB帶寬，T為每位碼元周期。在不同的BT值得時系統(tǒng)通信質(zhì)量不同。

　　6 對于降低鄰道干擾和減小誤碼率矛盾的解決

　　GSM采用TDMA方式，每信道8個時隙，每個時隙分配一個用戶，保持原有系統(tǒng)兼容性，T不能隨意更改。現(xiàn)在國內(nèi)很多采用BT=0.3的GMSK調(diào)制方式，要求是鄰道干擾<60dB，BT值的減小鄰道干擾將減小，首先必須承認(rèn)一個事實(shí)就是BT值還是能進(jìn)一步減小，比如，日本就是的BT=0.25的GMSK。種種上述問題，希望研究出一定的動態(tài)調(diào)節(jié)功能，在這里主要是動態(tài)調(diào)節(jié)B，將B定為B（x）；本文主要討論從減小鄰道干擾方法入手，這樣B（x）的值就要下調(diào)，同樣BER受到影響。

　　7 信號碼元分析

　　GSM的傳輸速率是270Kb/s，單位碼元時間為3.69us。

　　由觀察得知，當(dāng)BT乘積越小時，在一個位元區(qū)間內(nèi)前面位的相位函數(shù)對本位干擾大，在一個位元區(qū)間的信號會受到更多臨近碼元的干擾，相位是增函數(shù)，不管是BT等于0.1，0.2, 0.25還是0.3，θ0（ｔ）對于后面兩位的相位干擾要大于對前面位的干擾。當(dāng)B（x）T乘積越小時，每一個碼元會受到更多的鄰近碼元的干擾，如果當(dāng)前碼元是X（0），它將最容易受X（-1）到X（-3），的影響。考慮7位數(shù)據(jù)傳輸情況，即X（-3），X（-2），X（-1），X（0），X（1），X（2），X（3）。下面構(gòu)造一相位表，此矩正列為128，即7位二進(jìn)制數(shù)據(jù)碼元的不同組合即從0000000-->1111111，行數(shù)為采樣點(diǎn)數(shù)暫設(shè)為32。Pij則為矩正相應(yīng)的元素，其中1 ≤i≤32，1 ≤j≤128，對應(yīng)相位設(shè)置為θ'x（ｔ）

　　對于X（i），i ≤-1時其相位累積影響設(shè)為是θｒ，通過θ（ｔ）公式得出θｒ的相位累積因影響最終可認(rèn)為是ｋ×（2π），ｋ≥１，ｋ為整數(shù)，在實(shí)際工程中可多次運(yùn)算求ｋ具體數(shù)值，所以調(diào)制信號的相位為θx（ｔ）=θ'Ｘ（ｔ）＋θｒ（ｔ）＋θζ，（Ｘ-1）ＴＢ≤ｔ≤ＸＴＢ其中θζ為經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)償較正，主要是針對外界干擾。因?yàn)閷τ诤撩撞ㄍㄐ哦裕髿鉁囟龋瑵穸榷紩艽蟪潭壬嫌绊懲ㄐ刨|(zhì)量，而且這些因素在一段時間內(nèi)相對穩(wěn)定，針對由相對速度造成的多譜勒效應(yīng)引起的相位誤差突變性小，2GHz的毫米波波長大約是6-10cm，由于水汽分子有電偶極矩，氧分子有磁偶極矩，一般如果將通信裁波近似的看成TEM波的話，其在空氣中的衰減主要是和磁偶極矩，電偶極矩相互作用而成。這樣通過查相位表和經(jīng)驗(yàn)值仍能一定程度還原出原始數(shù)據(jù)，對于一連串的傳輸?shù)膸袷絹碚f，我們可以用8位的方式來處理，比如8位bit的幀。所以還在B(x)T減小時，對于GPRS系統(tǒng)中的64位超幀，如果接收處理的DSP有足夠的速度，我們甚至可將相位估計(jì)進(jìn)一步拓長，值得注意的一點(diǎn)是采用相位表時間應(yīng)該是靈活的運(yùn)用，在不需要過多考慮碼間串?dāng)_的時候我們還是不必要采用，也就是B（x）的值到底降到多少，也有不同，在鄉(xiāng)村用戶密度小，我們甚至可以放寬BT=0.3的標(biāo)準(zhǔn)，很簡單的原因是MSK就是GMSK中LPF帶寬取無窮極限的一種情況，它的BER性能是最優(yōu)，所以在BT值下降時在一定程度是能保證通信質(zhì)量。

　　8 結(jié)束語

　　本文內(nèi)容主要是在移動通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，分析了現(xiàn)有GSM系統(tǒng)中底層硬件結(jié)構(gòu)，和上層通訊方式的優(yōu)缺點(diǎn)。分析在采用數(shù)字中頻時。兼顧基站布局，和移動網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，天氣因素的空間損耗，在信號調(diào)制上做出分析，為GSM系統(tǒng)在技術(shù)上升級提供支持，為解決以后GSM通信系統(tǒng)中面臨用戶增多，信道相互干擾加大，在不同的氣候等干擾環(huán)境下保證通信質(zhì)量。

　　
----《中國數(shù)據(jù)通信》