GSM系统数据通信的优化

朱江 黎福海

湖南大学 长沙410082

　　摘 要 文章研究主要目的是提高现有GSM系统的数据通信质量，文中将结合低端的RF硬件电路和空间数据通信方式进行分析，通过对底层电路RF性能和参数分析；同时在高端信号传输的过程中，通过对基站、蜂窝网的结构和空间衰减分析，提出新的信号调制方式，在不影响现有GSM通信系统的前提下，减小邻道干扰，降低误码率，提高通信质量，为将来GSM移动通信系统升级尤其是基站的增设和网络优化提供一定的技术参考。

　　关键词 接收天线 低噪声放大器 混频器 基站

　　1 引言

　　中国陆地公共蜂窝数字蜂窝移动通信网中，GSM通信系统采用900MHz频段和1.8GHz频段,本文针对900MHz频段进行重点讨论,结合一些 GSM射频电路,对各自在数据通信方面的影响进行分析，同时考虑现有蜂窝移动网络结构，小区信道配置规律，针对数据传输过程中信号调制做出分析和改进。

　　2 GSM系统移动终端硬件结构

　　GSM系统移动终端主要是指现有的移动电话（也包括一些车载系统），一般分为基带和射频两大部分，基带部分包括基带数字信号处理，语音信号编解码，LCD显示，马达等振动电路，和一些输入输出接口电路；射频系统由射频接收和射频发射两部分组成。射频接收电路完成接收信号的接受、放大、解调等功能；射频发射电路主要完成基带信号的调制、载频、功率控制等功能。

　　3 移动终端射频硬件分析



　　传统机型都采用二次变频，若接收机射频电路中有两个混频电路。


　　二次变频接收机有二个混频器。过去的手机基本上都属于这种电路结构。在这种接收机电路中，RXI/Q解调是锁相解调，参考信号来自基准频率信号，一般为13MHz或者26MHz。这种采用二次变频的方法在第一次混频，多采用71MHz。这种模式成本很高；需要很多的分立的元件对手机的布板就是个很大的考验；存在镜像干扰的问题；在多模多频的情况下，如中国就是采用900MHz和1800MHz，国外用850MHz和1900MHz，手机还需要4倍多的中频率滤波器和VCO。


　　采用DSP技术的数字中频接收电路。它保证了高的集成度；也没有中频滤波器，中频锁相环路，消除了镜像干扰，200KHz中频滤波很好的带宽选择性，由于每信道为200KHz，消除了直流分量和低频干扰。可以防止本振的自身耦合和混频器对接受信号的干扰。不过增加了一个数字混频器。对手机的PCB布板很有利，手机主板都是用的6层板，翻盖用4层板，FPC用3-5层，LDO出来的电源线分别有35-25mil线宽，信号线采用的4 mil线宽，I/Q信号线就采用的8mil或者16 mil线宽，从天线开关出来向耦合器和天线走的布线就考虑到线宽，走向，虽然有匹配网络来满足50欧姆功率传输功率匹配，尽量减小回波损耗，对于理论的1.5的驻波比也很难达到。一开始的走向就要尽量堆圆角，这时的S参数特性最好，来减小对外部的EMI干扰，手机空间很小，很多的布线规则，如本振的底下不要走线，数模地要分开，时钟信号要与敏感的信号线分开等，尽量避免FPC对射频部分的干扰，都不能兼顾，翻盖机的FPC在EMC问题中很突出，以为其中往LCD内送的DATA信号很多都是方波信号，其边沿有很高的频率分量，对RF接收是很大的干扰，而且FPC本身的机械形状也应该尽量的直，如果要弯曲的地方布线也尽量的推圆角，来减少对外界的辐射干扰。在RF部分能够留出足够的空间的，则充分进行EMC分析和微带线耦合考虑，而且最后硬件电路板中都要加屏蔽盖，一般有两块屏蔽盖，一部分盖在基带（主要是含数字信号的线路）上面，一块是盖在以RF（主要是含模拟信号的线路）上面，用来隔离数字和模拟信号，但是很多在接地的方式时候都没有充分考虑数字和模拟并联单点分开接地，无公共阻抗耦合。

　　4 基本站小区信道分配原理及对数据通信的影响



　　对于蜂窝网络，每个基站位于每个小区的中央位置，每个小区有几个不同的信道，但是具体信道的多少和基站天线的方向性和组网方式有关，因为总的信道数有限，所以采用频率复用技术，指在不同的地理区域上用相同的载波频率进行覆盖。这些区域必须隔开足够的距离，以致所产生的同频道及邻频道干扰的影响可忽略不计。如果采用无方向性天线，即全向天线建议采用7组频率复用方式，其7组频率可从12组中任选，但相邻频率组尽量不在相邻小区使用。但是随着今后移动用户的增加，小区的密度将会受到更大的挑战，当被迫增加基站时就会带来一个新的技术问题，那就是同信道在物理空间上位置留得不够将会出现相邻信道干扰大于-60dBm。而且在移动台跨区时，会有功率检测，在空间上移动时，也会有功率检测来控制发射功率大小。这样对于邻信道干扰是更大挑战。

　　5 GMSK调制在GSM系统中的优缺点分析



　　GMSK调制方式的改进，为获取良好的通信质量（QOS），提高系统的冗余量，矛盾在于在移动通信系统中降低邻道干扰和减小误码率之间有不可同时兼顾的矛盾。GMSK是从MSK前面加了Gaussian-LPF。高斯滤波器是进行预调制，这样可以让数字信号的频谱进一步衰减，减小对相邻频段（邻近信道）干扰。改良后高斯滤波器时域函数为：ｈ（ｔ）=exp（），σ=，BT=0.3，B为下降3dB带宽，T为每位码元周期。在不同的BT值得时系统通信质量不同。

　　6 对于降低邻道干扰和减小误码率矛盾的解决



　　GSM采用TDMA方式，每信道8个时隙，每个时隙分配一个用户，保持原有系统兼容性，T不能随意更改。现在国内很多采用BT=0.3的GMSK调制方式，要求是邻道干扰<60dB，BT值的减小邻道干扰将减小，首先必须承认一个事实就是BT值还是能进一步减小，比如，日本就是的BT=0.25的GMSK。种种上述问题，希望研究出一定的动态调节功能，在这里主要是动态调节B，将B定为B（x）；本文主要讨论从减小邻道干扰方法入手，这样B（x）的值就要下调，同样BER受到影响。

　　7 信号码元分析



　　GSM的传输速率是270Kb/s，单位码元时间为3.69us。


　　由观察得知，当BT乘积越小时，在一个位元区间内前面位的相位函数对本位干扰大，在一个位元区间的信号会受到更多临近码元的干扰，相位是增函数，不管是BT等于0.1，0.2, 0.25还是0.3，θ0（ｔ）对于后面两位的相位干扰要大于对前面位的干扰。当B（x）T乘积越小时，每一个码元会受到更多的邻近码元的干扰，如果当前码元是X（0），它将最容易受X（-1）到X（-3），的影响。考虑7位数据传输情况，即X（-3），X（-2），X（-1），X（0），X（1），X（2），X（3）。下面构造一相位表，此矩正列为128，即7位二进制数据码元的不同组合即从0000000-->1111111，行数为采样点数暂设为32。Pij则为矩正相应的元素，其中1 ≤i≤32，1 ≤j≤128，对应相位设置为θ'x（ｔ）

　　对于X（i），i ≤-1时其相位累积影响设为是θｒ，通过θ（ｔ）公式得出θｒ的相位累积因影响最终可认为是ｋ×（2π），ｋ≥１，ｋ为整数，在实际工程中可多次运算求ｋ具体数值，所以调制信号的相位为θx（ｔ）=θ'Ｘ（ｔ）＋θｒ（ｔ）＋θζ，（Ｘ-1）ＴＢ≤ｔ≤ＸＴＢ其中θζ为经验补偿较正，主要是针对外界干扰。因为对于毫米波通信而言，大气温度，湿度都会很大程度上影响通信质量，而且这些因素在一段时间内相对稳定，针对由相对速度造成的多谱勒效应引起的相位误差突变性小，2GHz的毫米波波长大约是6-10cm，由于水汽分子有电偶极矩，氧分子有磁偶极矩，一般如果将通信裁波近似的看成TEM波的话，其在空气中的衰减主要是和磁偶极矩，电偶极矩相互作用而成。这样通过查相位表和经验值仍能一定程度还原出原始数据，对于一连串的传输的帧格式来说，我们可以用8位的方式来处理，比如8位bit的帧。所以还在B(x)T减小时，对于GPRS系统中的64位超帧，如果接收处理的DSP有足够的速度，我们甚至可将相位估计进一步拓长，值得注意的一点是采用相位表时间应该是灵活的运用，在不需要过多考虑码间串扰的时候我们还是不必要采用，也就是B（x）的值到底降到多少，也有不同，在乡村用户密度小，我们甚至可以放宽BT=0.3的标准，很简单的原因是MSK就是GMSK中LPF带宽取无穷极限的一种情况，它的BER性能是最优，所以在BT值下降时在一定程度是能保证通信质量。

　　8 结束语



　　本文内容主要是在移动通讯系统设计中，分析了现有GSM系统中底层硬件结构，和上层通讯方式的优缺点。分析在采用数字中频时。兼顾基站布局，和移动网络特点，天气因素的空间损耗，在信号调制上做出分析，为GSM系统在技术上升级提供支持，为解决以后GSM通信系统中面临用户增多，信道相互干扰加大，在不同的气候等干扰环境下保证通信质量。
----《中国数据通信》