1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。GSM基礎及GSM移動臺無線收發信機發分析-GSM基礎及GSM移動臺無線收發信機分析GSM基礎在討論移動電話規范要求之前，我們在本章對GSM（全球移動通信系統）作一個概述。GSM系統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會（ETSI）的一部分。GSM現在已經真正成為了一個全球的移動通信系統，覆蓋范圍包括歐洲、亞洲、非洲和南美洲的大部分地區。GSM投入使用后逐漸發展成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的網絡，此后它開始向世界上其他地區發展。2.1.技術上的差別這部分我們討論新GSM工程師經常問到的問題。2.1.1.GSM與CT2和DECT有什么不同？GSM900和DCS1800是蜂窩系統，而DECT和CT2是無繩系統。GSM（像AMPS和TACS一樣）允許用戶在一個很大的地理范圍內進行呼叫和接聽電話。系統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與其他的無繩系統一樣沒有跟蹤能力。它們和傳統家庭無繩電話的工作原理完全相同（這種系統中移動臺只有在聽筒基站的一定范圍內才能接收呼叫

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。它使用900MHz頻段（編號從1到124），是為大區制的蜂窩系統設計的，移動臺最大可以輸出1W至8W的功率。根據天線的不同類型，GSM小區半徑可以從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），所以其小區半徑必然小于GSM900的小區半徑，約為20Km（半徑也可以根據天線的類型改變）。GSM900和DCS1800在所有其

4、他方面都是相同的。因此GSMphase2規范給GSM900分配了額外的帶寬和信道，成為現在稱作擴展頻帶GSM（E-GSM）的系統。除了移動臺擁有更低的功率控制水平外，這一規范還允許實現微蜂窩系統。PCS1900（也叫做DCS1900）是在美國設計的，它工作在1.9GHz附近，本質上是1.9GHz的GSM技術。2.2.GSM小區GSM小區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，天線塔有許多定向天線，每一個天線覆蓋一個特定的區域。這種許多天線所處的同一個位置有時稱為一個小區站點（cell-site），或者叫做基站，或基站收發臺（BTS）。所有的BTS都產生

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。小區中所有的移動臺都要接收BCH信號，無論它們是否在通話當中。這樣做的目的是：使移動臺找到GSM網絡使網絡知道哪個BTS距離給定的移動臺最近使移動臺獲得像網絡身份標識這樣的編碼信息（例如vodaphone,Mannesmann等）實現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中BCH使用的頻率信道是不同的。信道只能被較遠的小區重復使用，因為此時相互干擾的危險性較低。在呼叫當中的移動臺使用業務信道（TCH），它是一個在移動臺和基站之間交換話音數據的雙向信道（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送一個RACH信號使基站注意到它。2.3.GSM調制GSM使用一種稱作0.3GMSK(高斯最小頻移鍵控)的數字調制方式。0.3表示高斯濾波器帶寬與比特率之比。GMSK是一種特殊的數字FM調制方式。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的調制技術記作FSK（頻移鍵控）。在GSM中，數據速

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調制稱作MSK（最小頻移鍵控）。在GSM中，使用高斯預調制濾波器進一步減小調制頻譜。它可以降低頻率轉換速度，否則快速的頻率轉換將導致向相鄰信道輻射能量。0.3GMSK不是相位調制（也就是說不是像QPSK那樣由絕對相位狀態攜帶信息）。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。如果將載波中心頻率作為固定相位基準，67.708

8、KHz的信號將導致相位的穩步增加。相位將以每秒67,708次的速率進行360度旋轉。在一個比特周期內(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。數據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。數據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無線系統需要使用數字濾波器和I/Q或數字FM調制器精確地生成正確的相位軌跡。GSM規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射信號，下行鏈路用于基站發射信號。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移動臺功率控制當移動臺在小區內移動時，其發射機的功率是需要變化的。當它靠近基站時，將發射功率設置得較低以減少對其他用戶的干擾。當移動臺遠離基站時，應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，位于小區邊沿的用戶突發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，發射信號將在一個準確時間到達基站。當移動臺（MS）向小區中心移動時，基站收發臺（BTS）會發出信號通知MS減小其定時提前；當移動臺遠離小區中心時，基站通知移動臺增加定時提前。2.7.GSMTDMA功率突發GSM是TDMA系統，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打開發射機并及時地關閉發射機以避免干擾相鄰時隙的用戶。GSM既規定了時隙內RF突發脈沖的幅度包絡也規定了時隙中有用比特有效部分的平坦性。幅度包絡的動態范圍大于70dB，并且在時隙的有效部分內具有小于1dB的平坦性。所有這些都發生在577uS的時隙內。2.8.打開GSM移動臺時將發生什么事情當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，它將根據頻率校正信道（FCH）和同步信道（SCH）調節其內部頻率及時序，然后檢查這個BCH是否來自屬于它的公共陸地移

12、動網絡(PLMN)。在此過程中要將SIM卡中存儲的許可網絡和國家代碼與BCCH中的編碼信息進行比較。移動臺重復上述步驟直到它找到一個良好的廣播信道。如果移動臺發現它所處的小區與上次使用時所處的小區不同，它需要告訴網絡它所處的位置。網絡必須知道每一個移動臺的位置以便將呼叫正確地發送到移動臺所在的小區。這個告訴網絡“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絡（如果需要還要進行定位更新），移動臺從此就駐扎（camp）在此小區中。移動臺駐扎以后就可以發出和接收呼叫了。GSM收發機測試GSM標準定義了一個無線通信系統，只有當系統中每一個組成部分都在精確的限度內工作時整個系

13、統才能夠良好的工作。本質上說，移動臺和基站必須發射足夠的功率、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一個微弱的信號。GSM移動臺發射機和接收機測試源于ETSI3GPP標準(05.05.V8.12.0部分，Radioaccessnetwork;radiotransmissionandreception(release1999)本章給出發射機和接收機一些關鍵測量指標的概述，它們在測試系統是否符合GSM標準時是必須。3.1.發射機三個頻率區域的性能是十分關鍵的：信道內、信道外和

14、頻帶外。信道內測試確定用戶感覺到的鏈路質量。測試包括：相位誤差和平均頻率誤差平均發射RF載波功率發射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：調制和寬帶噪聲頻譜切換頻譜Tx和Rx帶內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中用來表示調制精確度的參數之一。相位誤差較大通常表示發射機電路中的I/Q基帶發生器、濾波器、調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的性能不夠好（例如，在兩次發射信號之間頻

15、率切換時合成器不能夠很快的穩定下來）。在GSM系統中，糟糕的頻率誤差可能使目標接收機不能鎖定發射信號，同時發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備的發射輸出信號進行采樣來獲得實際的相位軌跡。對采樣信號解調然后以數學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：下圖所示為一個發射突發脈沖的測量結果以及它與GSM標準規定的限度之間的關系。3.1.2.平均發射輸出功率GSM系統使用動態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。超出規范的功率測量結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突發脈沖的有用部分測量的。進行測量的時候，GSM測試設備通過解調輸入信號獲得正確的參考時序，并控制選通GSM突發脈沖的有用部分。3.1.3.發射RF載波功率隨時間的變化在GSM系統中，發射機必須按照TDMA時序結構快速變化發射功率以避免對相鄰時隙造成干擾。如果發射機開啟太慢，突發脈沖最開始的數據就可能丟失，降低了鏈路的質量；如果關閉得太慢，TDMA幀中下一個時隙的用戶將受到干擾。因此，本測試就是根據規定

17、的功率變化模式評估載波功率在時域內的變化，同時還可以證實發射機的關閉是完好的。如果發射機沒有通過發射RF載波功率隨時間變化關系的測試，通常說明PA單元或者功率控制環路存在問題。3.1.4.鄰信道功率(ACP)ACP由兩個指標定義：調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.調制與寬帶噪聲頻譜發射機中的調制過程使連續載波發生頻譜擴展?！罢{制和寬帶噪聲頻譜”測量指標用來保證調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。將分析儀調諧到要進行測試的頻率，然后在調制突發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、新調諧到下一個頻率或者欲測量的頻率偏移。持續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，因此沒有突發效果產生的頻譜成分。測量結果的限制以dBc表示，所以測量的第一步是讀取發射機調諧的中心頻率。3.1.4.2.切換頻譜GSM發射機RF功率變化非?？?。之前描述的“發射RF載波功率隨時間變化關系”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生。然而，如果RF功率變化得太快，發射信號中就會產生不希望出現的頻譜成分。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發射機不會向錯誤的頻譜部分發射能量是必需的，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的測量。Rx頻帶雜散測量是發射機向Rx頻帶(880-915MHz)發射多少能量的度量。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系統是并存的。由于這個原因，ETSI3GPP標準需要規范交叉頻帶性能以確保GSM發射機向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、用的關鍵性能參數。3.2.1.靈敏度靈敏度是接收機性能的基本度量。它規范了在給定的解調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果都是BER（誤比特率）或者其他與之有關的值，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的百分比RBER（殘余誤比特率）；當幀被刪除時，只測量剩余幀的BER。參數RBER定義了這個指標。BER是收到的錯誤的比特數與總比特數之比。它的測量如下，測試系統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（例如，PN9=29-1即511bits）。被測接收機試圖解調

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

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是接收機信道外測試參數之一。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視接收機受內部產生的雜散響應影響的程度。接收機阻塞性能體現在三個關鍵的測試內容上：雜散干擾抵抗性互調失真鄰信道選擇性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生不期望的信道內響應的能力。雜散信號可能來自接收機內部的電源諧波、系統時鐘諧波或者LO雜散信號。3.2.3.2.互調干擾抵抗性當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的三階互調產物；本指標就是存在這一失真產物時接收機性能的度量。3

24、.2.3.3.鄰信道選擇性這是當相鄰信道存在強信號時接收機處理欲得到的調制信號能力的度量。交替信道選擇性是一個類似的測量參數，其中干擾信號距離接收機通帶兩個RF信道遠。GSM移動RF收發機分析這部分文檔分為三個主要部分：接收機分析發射機分析LO相位噪聲要求分析4.1.接收機分析4.1.1Rx噪聲系數/靈敏度接收機靈敏度與接收機的NF有如下關系：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標準規定需要最小-102dBm的靈敏度。已知給定的基帶芯片組能夠對接收信號正確解碼的最

25、差情況是基帶S/N等于9dB，再加上2dB的實現余量，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，接收機設計者就能根據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)=10logF1+(F2-1)/G1+(F3-1)/G1.G2+.eq.2其中Fi=系統劃分中第i個模塊的噪聲因數i=1,2,3.盡管等式2表示第一級的增益越高，系統的NF就越低，接收機設計者需要確保第一級不會對其他級產生壓縮

26、，這將降低接收機的線性度。這表明系統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主要的優點是對每一個單獨的LNA的噪聲系數和增益的要求被極大地放寬了。方案1中前端LNA需要嚴格地符合規范以實現與方案2相同的系統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