GSM系統數據通信的優化

2019-11-03 08:59:26

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供稿：網友

朱江黎福海

湖南大學長沙410082

　　摘要文章研究主要目的是提高現有GSM系統的數據通信質量，文中將結合低端的RF硬件電路和空間數據通信方式進行分析，通過對底層電路RF性能和參數分析；同時在高端信號傳輸的過程中，通過對基站、蜂窩網的結構和空間衰減分析，提出新的信號調制方式，在不影響現有GSM通信系統的前提下，減小鄰道干擾，降低誤碼率，提高通信質量，為將來GSM移動通信系統升級尤其是基站的增設和網絡優化提供一定的技術參考。

　　關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字蜂窩移動通信網中，GSM通信系統采用900MHz頻段和1.8GHz頻段,本文針對900MHz頻段進行重點討論,結合一些 GSM射頻電路,對各自在數據通信方面的影響進行分析，同時考慮現有蜂窩移動網絡結構，小區信道配置規律，針對數據傳輸過程中信號調制做出分析和改進。

　　2 GSM系統移動終端硬件結構

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

　　3 移動終端射頻硬件分析

　　傳統機型都采用二次變頻，若接收機射頻電路中有兩個混頻電路。

　　二次變頻接收機有二個混頻器。過去的手機基本上都屬于這種電路結構。在這種接收機電路中，RXI/Q解調是鎖相解調，參考信號來自基準頻率信號，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的布板就是個很大的考驗；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，手機還需要4倍多的中頻率濾波器和VCO。

　　采用DSP技術的數字中頻接收電路。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。不過增加了一個數字混頻器。對手機的PCB布板很有利，手機主板都是用的6層板，翻蓋用4層板，FPC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，雖然有匹配網絡來滿足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的駐波比也很難達到。一開始的走向就要盡量堆圓角，這時的S參數特性最好，來減小對外部的EMI干擾，手機空間很小，很多的布線規則，如本振的底下不要走線，數模地要分開，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，翻蓋機的FPC在EMC問題中很突出，以為其中往LCD內送的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本身的機械形狀也應該盡量的直，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字和模擬并聯單點分開接地，無公共阻抗耦合。

　　4 基本站小區信道分配原理及對數據通信的影響

　　對于蜂窩網絡，每個基站位于每個小區的中央位置，每個小區有幾個不同的信道，但是具體信道的多少和基站天線的方向性和組網方式有關，因為總的信道數有限，所以采用頻率復用技術，指在不同的地理區域上用相同的載波頻率進行覆蓋。這些區域必須隔開足夠的距離，以致所產生的同頻道及鄰頻道干擾的影響可忽略不計。如果采用無方向性天線，即全向天線建議采用7組頻率復用方式，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使用。但是隨著今后移動用戶的增加，小區的密度將會受到更大的挑戰，當被迫增加基站時就會帶來一個新的技術問題，那就是同信道在物理空間上位置留得不夠將會出現相鄰信道干擾大于-60dBm。而且在移動臺跨區時，會有功率檢測，在空間上移動時，也會有功率檢測來控制發射功率大小。這樣對于鄰信道干擾是更大挑戰。

　　5 GMSK調制在GSM系統中的優缺點分析

　　GMSK調制方式的改進，為獲取良好的通信質量（QOS），提高系統的冗余量，矛盾在于在移動通信系統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。高斯濾波器是進行預調制，這樣可以讓數字信號的頻譜進一步衰減，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值得時系統通信質量不同。

　　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，保持原有系統兼容性，T不能隨意更改。現在國內很多采用BT=0.3的GMSK調制方式，要求是鄰道干擾<60dB，BT值的減小鄰道干擾將減小，首先必須承認一個事實就是BT值還是能進一步減小，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調節功能，在這里主要是動態調節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，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BT乘積越小時，在一個位元區間內前面位的相位函數對本位干擾大，在一個位元區間的信號會受到更多臨近碼元的干擾，相位是增函數，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位數據傳輸情況，即X（-3），X（-2），X（-1），X（0），X（1），X（2），X（3）。下面構造一相位表，此矩正列為128，即7位二進制數據碼元的不同組合即從0000000-->1111111，行數為采樣點數暫設為32。Pij則為矩正相應的元素，其中1 ≤i≤32，1 ≤j≤128，對應相位設置為θ'x（ｔ）

　　對于X（i），i ≤-1時其相位累積影響設為是θｒ，通過θ（ｔ）公式得出θｒ的相位累積因影響最終可認為是ｋ×（2π），ｋ≥１，ｋ為整數，在實際工程中可多次運算求ｋ具體數值，所以調制信號的相位為θx（ｔ）=θ'Ｘ（ｔ）＋θｒ（ｔ）＋θζ，（Ｘ-1）ＴＢ≤ｔ≤ＸＴＢ其中θζ為經驗補償較正，主要是針對外界干擾。因為對于毫米波通信而言，大氣溫度，濕度都會很大程度上影響通信質量，而且這些因素在一段時間內相對穩定，針對由相對速度造成的多譜勒效應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驗值仍能一定程度還原出原始數據，對于一連串的傳輸的幀格式來說，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進一步拓長，值得注意的一點是采用相位表時間應該是靈活的運用，在不需要過多考慮碼間串擾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，在鄉村用戶密度小，我們甚至可以放寬BT=0.3的標準，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，所以在BT值下降時在一定程度是能保證通信質量。

　　8 結束語

　　本文內容主要是在移動通訊系統設計中，分析了現有GSM系統中底層硬件結構，和上層通訊方式的優缺點。分析在采用數字中頻時。兼顧基站布局，和移動網絡特點，天氣因素的空間損耗，在信號調制上做出分析，為GSM系統在技術上升級提供支持，為解決以后GSM通信系統中面臨用戶增多，信道相互干擾加大，在不同的氣候等干擾環境下保證通信質量。

　　
----《中國數據通信》