Вопросы самоконтроля

1. В чём состоит сущность процесса модуляции?

2. Перечислите основные виды модуляции?

3. Как отличаются требования к модуляторам в аналоговых и цифровых системах?

4. Чем отличается модулированный сигнал от немодулированного? Дайте определение «выделенной полосе частот», «внеполосным излучениям».

5. Проведите сравнение разных видов амплитудной модуляции.

6. Что такое однополосная модуляция? В чём состоит её преимущества?

Раздел 3. Абонентское оборудование аналоговых и цифровых сотовых систем связи

Тема 3.1. Мобильная станция аналогового стандарта сотовой связи Требования к знаниям

Студент должен

знать:

• структуру радиоинтерфейса;

• классификацию оборудования по максимальной выходной мощности;

• состав и назначение устройств структурной схемы мобильной станции системы сотовой связи стандарта NMT-450i;

• функциональную схему мобильной станции стандарта NMT-450i.

• уметь:

• объяснить работу мобильной станции в различных режимах (включение, инициализация, режим ожидания, режим установления связи, режим ведения связи);

• объяснить алгоритмы работы при установлении связи.

• Практическая работа № 3 Изучение структурной и функциональной схемы сотового телефона стандарта NMT-450i

Содержание учебного материала

Функциональная схема MS

Мобильная станция является элементом автоматизированной адап­тивной самонастраивающейся системы, работающей по определенно­му алгоритму. В отличие от обычных радиотелефонов MS включает более интеллектуальный процессорный блок PROCESSOR (NP5), который объединяет группы обработки и контроля (LCU), оператив­ного управления (OCU) и микропроцессор (МР). Алгоритм работы MS определяется программным обеспечением, заложенным в микро­процессор (МР) блока NP5.

Сравните структурную и функциональную схемы MS, найдите на функциональной схеме устройства, рассмотренные в структурной схеме рис.8.

В состав структурной группы ОСУ блока NP5 входят функциональные узлы: 1- коммутаторы цепей электропитания (КЦП);

2- коммутаторы трактов приема и передачи (КТ1, КТ2);

3 - анализатор аудиосигнала (ААС);

4 - устройство сопряжения дисплея с блоком МР (УС).

В состав структурной группы LCU блока NP5 входят функцио­нальные узлы:

1 - кодек адресных кадров (КОДЕК);

2 - запоминающее устройство адресов (ППЗУА);

3 - запоминающее устройство уровней выходной мощности (ППЗУУ);

4 - запоминающее устройство частот (ППЗУЧ).

Радиоприемник

Радиоприемник (NR2) является супергетеродинным приемником с двойным преобразованием частоты. При первом преобразовании час­тота радиосигнала преобразуется в первую промежуточную частоту fпч1 = 21,4 МГц. В качестве первого гетеродина используется ГУН — генератор управляемый напряжением (RX VCO).

Формирование частоты первого гетеродина

Для формирования частоты первого гетеродина fг1 ГУН охвачен кольцом фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Кольцо ФАПЧ включает импульсно-фазовый детектор (ИФД1) и тракт деления частоты ГУН, состоящий из делителей в Р/(Р + 1) и m раз. На входы ИФД1 кольца ФАПЧ подаются соответственно:

• стабильные колебания от опорного кварцевого генератора (ОКГ) с частотой foкr= 12,8f МГц через делитель в R. раз;

• колебания f rун = fr1 через регулятор уровня" (РУ) и делители в Р/(Р+1) и m раз.

Делитель в m раз является делителем с переменным коэффициен­том деления (ДПКД). Коэффициент деления m может изменяться по сигналам, поступающим из блока МР, ППЗУЧ и ППЗУУ. Таким образом, частота первого гетеродина определяется как fг1 = [p/(p + 1)]m12,8/R МГц. При скачкообразном изменении коэффициента деления m частота fг1 изменяется сопряжённо с изменением частоты приема fnp. При этом значение первой промежуточной частоты оста­ется неизменным и равным fпч1 = 21,4 МГц.

Выделение fпч1 осуществляется кварцевым фильтром. Выбор зна­чения fп_Ч1 и использование кварцевого фильтра обеспечивают требуемую избирательность приема по зеркальному каналу.

Формирование частоты второго гетеродина

Второе преобразование частоты осуществляется с помощью второ­го гетеродина, являющегося кварцевым автогенератором с частотой fг2= 20,945 МГц. Таким образом, при втором преобразовании частота f пч1 понижается до значения f пч2 = f пч1 – f г2= 21,4 -20,945 = 0,455 МГц. Колебания с частотой f пч2 выделяются двумя кварцевыми фильтрами, настроенными на частоту f пч2 = 455 кГц. Этим обеспечивается изби­рательность по соседнему каналу приема. В тракте второго преобразо­вания частоты обеспечивается также основное усиление сигнала. С выхода второго кварцевого фильтра колебания fпч2 подаются на дву­сторонний ограничитель амплитуд (ОА), обеспечивающий устранение паразитной амплитудной модуляции сигнала.

Выходы радиоприемника

С первого выхода ОА колебания с частотой f пч2 поступают на одноканальный частотный детектор (ОЧД) и далее после усиления в приемный тракт модулированных сигналов RX AUDIO NA5. С второго выхода ОА колебания fпч2 подаются в устройство сложения (УС), где складываются с колебаниями f пч2, поступающими с выхода 2 усилителя первой фильтрации. В результате сложения формируется напряжение с частотой биений f б, которое поступает в блок МР. Это напряжение в дальнейшем используется для контроля наличия сигнала в тракте приема для подавления шумов на выходе тракта RX AUDIO NA5.

С первого выхода тракта ОА колебание f пч2 после усилителя также поступает в таймер NA5 RX радиостанции.

Радиопередатчик

Радиопередатчик (NT2) MS включает:

- перестраиваемый частотно-модулированный генератор (ПЧМГ), включенный в кольцо фазовой автоматической подстройки частоты, кон­структивно размещаемый в блоке синтезатора фиксированных частот (NS2);

- тракт радиочастоты передатчика NT2, обеспечивающий усиление, контроль и регулировку выходной мощности радиосигнала.

Перестраиваемый частотно-модулированный генератор (ПЧМГ) работает в кольце фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ).

Формирование частоты передатчика

Рабочая частота передатчика формируется следующим образом. Колебания ПЧМГ, усиленные в групповом усилителе, через развязы­вающий делитель (РД) подаются на делители в Р/(Р+1) и п раз и далее на импульсно-фазовый детектор (ИФД2). На другой вход ИФД2 поступают эталонные колебания от опорного кварцевого генератора (ОКГ) через делитель. в R раз с частотой f окг = 128/R МГц. На выходе ИФД2 формируется управляющее напряжение UУ, которое через фильтр нижних частот (ФНЧ) подается на ПЧМГ и определяет его частоту f пчмг = [p/(p + 1)]п-12,8/R МГц. Номинал рабочей частоты ПЧМГ изменяется дискретно по командам, поступающим из блока МР и ППЗУЧ на ДПКД в n раз.

Модуляция радиопередатчика

Модулирующие сигналы с выхода тракта ТХ AUDIO NA5 через фильтр нижних частот (ФНЧ) и регулятор уровня (РУ) поступают на вход ПЧМГ, будут изменять его частоту относительно ее среднего значения f пчмг = [p/(p + 1)]п-12,8/R МГц с девиацией Δf дев.

Формирование частотных групп

Коэффициенты деления m иn синтезатора выбираются таким образом, чтобы разнос частот приема и передачи был равен 10 МГц. Коэффициент деления R обеспечивает перевод частот приема и пере­дачи из частотной группы, выделяемой для одной BS в частотную группу, выделяемую для другой BS при перемещении MS из соты в соту.

Коэффициент деления Р/(Р+1) обеспечивает дискретную пере­стройку частот приема и передачи синтезатора с минимальным шагом сетки частот Δf с = 25 кГц или Δf с = 20 кГц.

Дискретная регулировка мощности

Дискретная регулировка мощности радиосигнала в тракте радио­частоты (NT2) осуществляется по командам, поступающим из блока МР в ППЗУ уровней в соответствии с командами, получаемыми по тракту приема. Регулятор мощности (РМ) NT2 обеспечивает дискрет­ное изменение выходной мощности радиопередатчика. Контроль вы­ходной мощности осуществляется с помощью измерительной цепи, соединяющей блок МР и выход тракта передачи.

Тракт модулированных сигналов

Приемный тракт модулированных сигналов RX AUDIO NA5 объе­диняет:

• тракты выделения пилот-тона, цифрового FFSK сигнала и звукового сигнала;

• модем цифрового FFSK сигнала;

• таймер.

Тракт выделения пилот-сигнала

Тракт выделения пилот - сигнала включает полосовые фильтры (ПФ1...ПФ4), настроенные соответственно на частоты fпт= 3955; 3985; 4015; 4045 Гц и корректор девиации (КД1), обеспечивающий коррек­цию девиации частоты измерительного сигнала (пилот - тона). На выходе корректора девиации выделяется соответствующий сигнал с частотой fm.

Тракт выделения аналогового сигнала

Тракт выделения звукового (аналогового) сигнала включает режекторный фильтр (РФ), преграждающий путь пилот-тону, канальный фильтр (КФ), выделяющий сигнал в полосе 0,3...3,4 кГц, корректор АЧХ (КОР1), уменьшающий коэффициент передачи в области верх­них звуковых частот на величину в 6 дБ/октаву, экспандер, обес­печивающий расширение динамического диапазона звукового сигнала, коммутатор тракта (КТ1), отключающий тракт приема от интерфейса пользователя, схему регулировки и усиления звукового сигнала.

Тракт выделения цифрового сигнала

Тракт выделения цифрового FFSK сигнала включает часть схемы выделения звукового сигнала до корректора АЧХ включительно, по­лосовой фильтр (ПФ) и амплитудный ограничитель сигнала (АО).

Модем цифровых FFSK сигналов включает демодулятор и моду­лятор частотно-манипулированных сигналов. Сигналы, после огра­ничителя АО поступают на вход демодулятора со скоростью В=1200Бод, преобразуются в последовательность нулей и единиц (адресный кадр), которая далее подается в блок NP5 для фазирова­ния и декодирования.

Таймер радиостанции

Таймер MS обеспечивает формирование временных отрезков с помощью колебаний частот f1 = 321 МГц, f₂ = 7,2 МГц, f3 = 455 кГц. Колебания частот f1, f₂ формируются с помощью кварцевого автогене­ратора fкг = 3,696 МГц и делителей частоты. Колебания частоты f₃ поступают из блока NR2. Временные отрезки, формируемые тайме­ром, обеспечивают:

• периоды передачи адресных кодограмм в зависимости от их структу­ры;

• периоды междуроуминговых задержек времени (f зад. = 4 с);

• периоды функционального отключения MS для экономии источни­ков питания.

Тракт модулирующих сигналов

Передающий тракт модулирующих сигналов ТХ AUDIO NA5 объединяет тракты введения и коррекции сигналов звуковой частоты, цифровых FFSK сигналов и пилот-тона.

Тракт звуковых (аналоговых) сигналов

Тракт введения и коррекции сигналов звуковой частоты содержит регулятор уровня (РУ2) микрофонного сигнала, компрессор (КОМП), обеспечивающий сжатие сигнала, корректор АЧХ (КОР2), обеспечи­вающий подъем АЧХ в области верхних частот на величину 6 дБ/октаву, первый ограничитель (ОГР1), канальный фильтр (КФ2) с полосой 0,3...3,4 кГц, режекторный фильтр (РФ2), второй ограни­читель (ОГР2), коммутатор тракта (КТ2), отключающий тракт от радиопередатчика.

Корректоры АЧХ (КОР1, КОР2) в трактах RX AUDIO NA5 и ТХ AUDIO NA5 обеспечивают преобразование ЧМ колебаний в фазоманипулированные (ФМ) колебания в трактах радиочастоты приема и передачи.

Тракт цифровых сигналов

Тракты введения цифровых FFSK сигналов и пилот-тона в блоке ТХ AUDIO NA5 представляют коммутаторы трактов (КТЗ, КТ4), обеспечивающие подключение соответствующих сигналов ко входу радиопередатчика. Для исключения шунтирования выходов трактов модулирующих сигналов применяется схема суммирования (Z) с об­щим выходом.

Работа мобильной станции в различных режимах.

Включение радиостанции.

Включение радиостанции осуществляется клавишей «вызов» группы функциональных клавиш на интерфейсе пользователя. Это обеспечивает подачу напряжения 12 В на коммутатор цепей питания КЦП1 блока NP5. Сигнализация включения индицируется белым цветом. Дальнейшее распределение питающих напряжений осуществ­ляется коммутаторами КЦП2...КЦП5 по командам, поступающим из блока МР в зависимости от режима работы MS.

Оценка качества канала

Оценка качества канала осуществляется непрерывно и независимо от того в каком режиме (роуминга, вызова, трафика) работает MS. Качество канала оценивается на основе измерения уровней сигнала и помехи (шума) и вычисления соотношения сигнал/шум. Качество канала считается высоким, если параметр у= PJP_m будет превышать некоторое пороговое значение у_пор в процессе работы MS. Для этого от BS на частоте радиоприема f_np постоянно поступает специальный измерительный сигнал (нуль-сигнал или пилот-тон).

Измерительные сигналы

Сотовая ССПС стандарта NMT-450i использует четыре варианта пилот-тонов с частотами соответственно f_nT 1 = 3955 Гц; f_nT 2 = 3985 Гц; fnт 3 = 4015 Гц; fп_T 4 = 4045 Гц. Каждый из измерительных сигналов используется в своей группе сот (кластеров), в которых рабочие частоты базовых станций не повторяются. Это устраняет опасность возникновения взаимных помех между соседними BS. Нуль-сигнал, излучаемый BS на выходе радиоприемника NR2, выде­ляется соответствующим полосовым фильтром ПФ1...ПФ4 и через корректор девиации КД1 и коммутатор КТ4 транзитом поступает в тракт радиопередатчика для передачи в обратную сторону. Измерение уровня нуль-сигнала и вычисление параметра связности g осуществ­ляется в блоке МР по сигналу, поступающему с выхода корректора девиации КД1. Такая же оценка качества одновременно проводится и на BS, принимающей нуль-сигнал по обратному каналу. Данные оценки хранятся в блоке ППЗУ.

Регулировка выходной мощности передатчика

Регулировка выходной мощности MS осуществляется по командам блока МР, подаваемым на ППЗУ.

Команды управления далее поступают на регулятор мощности (РМ) радиопередатчика NT2. Одновременно блок МР осуществляет контроль выходной мощности передатчика.

Режим роуминга

Переход MS в режим роуминга осуществляется:

• при вхождении в новую соту в процессе перемещения;

• по истечению периода, задаваемого таймером после предыдущей процедуры роуминга;

• о заявке на роуминг абонента MS;

• при установлении связи.

Процедура роуминга

При нахождении MS в режиме дежурного приема процедура роуминга проводится по каналу вызова. Переход MS на канал вызова происходит автоматически после окончания разговора и нажатии пользователем функциональной клавиши «освобождение». Команда «освобождение» поступает в блок МР. Из блока МР на делители в m и n раз блока синтезатора NS2 поступают команды на перестройку приемника и передатчика на канал вызова в соответствии с зональной информацией, хранящейся в ППЗУЧ блока NP5. Одновременно на коммутаторы КТ1, КТ2 трактов RX AUDIO NA5 и ТХ AUDIO NA5 из блока МР подаются команды на отключение интерфейса пользова­теля. Таким образом, MS в процессе перемещения оказывается посто­янно готовой к приему кодограммы роуминга или вызова. Переход на канал «вызова» индицируется зеленым цветом индикатора интерфей­са. При приеме адресной кодограммы роуминга цифровая информа­ция поступает на МОДЕМ блока RX AUDIO NA5. Время начала и окончания кодограммы фиксируется в блоке МР по наличию сигнала, поступающего из детектора D блока RX AUDIO NA5. Прием кодо­граммы роуминга или вызова индицируется желтым цветом. После обработки (демодуляции) в МОДЕМЕ адресный кадр поступает в КОДЕК блока NP5, где дешифруется для выделения конкретных адресных команд в кодовых полях кадра. При искажении кодограммы осуществляется также обнаружение и исправление ошибок. При по­вторной регистрации кодограммы, в которой присутствует адрес но­вой BS, блок NP5 регистрирует «опознавание» новой BS.

Для актуализации своих данных в новой соте MS передает по обратному каналу «вызова» ответную кодограмму роуминга (квитан­цию). Это осуществляется следующим образом. По команде блока МР, подаваемой в КОДЕК, кодер формирует адресный кадр, содер­жащий данные MS. Адресный кадр последовательно поступает на модулятор МОДЕМА, с выхода которого модулирующая последова­тельность со скоростью передачи В = 1200 Бод поступает в блок ТХ AUDIO NA5 на регулятор уровня РУЗ. Коммутатор КТЗ переходит в замкнутое состояние по команде блока МР и кодограмма далее посту­пает на вход ПЧМГ радиопередатчика. Время передачи кодограммы-квитанции определяется таймером MS.

Если время, задаваемого таймером, после предыдущей процедуры роуминга истекло (4 мин), то MS сама выступает инициатором роу­минга.

Процесс начинается по команде, поступающей из таймера в блок МР, который управляет синтезатором NS2 и MS переходит с канала вызова на свободный канал трафика. Одновременно по команде МР КОДЕК и ППЗУА формируют кадр роуминга, в котором присутству­ют данные MS. Кадр роуминга поступает на МОДЕМ, где формиру­ется кодограмма роуминга. Модулирующая последовательность посту­пает в тракт ТХ AUDIO NA5 на элемент РУЗ и далее на вход ПЧМГ радиопередатчика NT2.

В ответной кодограмме, поступающей от BS, актуализируются данные идентификации новой соты и зоны обслуживания (адреса BS и ЦКПС), которые записываются в ППЗУА блока NP5.

При долговременном отсутствии процедуры роуминга (например, MS была отключена или находилась в зоне тени) на индикаторах интерфейса пользователя по команде блока МР включается сигнали­зация «обслуживание» и «авария». Команда на роуминг формируется блоком МР в соответствии с данными таймера. Пользователь MS может с помощью функциональной клавиши «исходящий вызов» подать команду на принудительный роуминг. Команда поступает в блок МР. Далее процесс роуминга происходит по вышеописанному алгоритму.

Режим установления связи

В данном режиме MS передает и принимает кодограммы «вызова», которые отличаются от кодограмм роуминга наличием адреса вызыва­емого абонента и дополнительных команд управления.

При вызове мобильного или стационарного абонента процесс передачи кодограмм вызова происходит по свободному каналу трафи­ка, на который переходит MS после набора номера (адреса) вызыва­емого абонента. Набор номера сопровождается отображением инфор­мации на дисплее MS. По окончании записи номера вызываемой MS блок МР подает команду на КОДЕК, который формирует адресный кадр «вызова» и подает его на модулятор МОДЕМА. Далее прохожде­ние кодограммы «вызова» проходит аналогично типовому процессу передачи кодограммы роуминга.

В ответной кодограмме, поступающей через BS, обслуживающую данную соту, содержится цифровая информация необходимая для функционирования системы (адреса вызывающей и вызываемой MS, ЦКПС, BS), а также адрес канала трафика, на который должна перестроится MS для ведения разговора (или подтверждается выбран­ный вызывающей MS канал трафика). Для перехода на новый канал трафика блок МР считывает данные из ППЗУЧ и подает команду на синтезатор сетки частот NS2 для изменения коэффициентов деления шипи перестройки трактов приемопередатчика на рабочие частоты нового канала трафика.

В процессе обмена кодограммами в MS и BS одновременно изме­ряются уровни нуль-сигнала и в кодограммы вводится информация о необходимости увеличения или уменьшения выходной мощности ра­диопередатчиков.

При вызове MS другой MS или абонентом сети ТФОП процесс установления связи происходит по следующему алгоритму. При при­еме кодограммы вызова вызываемая MS одновременно измеряет уро­вень нуль-сигнала, принимаемого от BS. В ответной кодограмме MS передает свои данные, информацию о необходимости увеличения или уменьшения уровня сигнала и подтверждает предлагаемый канал трафика. Оценка качества канала трафика между вызываемой MS и BS осуществляется по установленному алгоритму. После завершения процедуры вызова на канале вызова MS переходит на предложенный канал трафика, на котором процедуры обмена кодограмм и оценки качества канала по уровню нуль-сигнала повторяются.

Режим трафика

Переход MS в режим трафика осуществляется по командам, по­ступающим из блока МР. В трактах RX AUDIO NA5 и ТХ AUDIO NA5 включаются коммутаторы КТ1 и КТ2. Тракты обработки пилот-сигнала остаются включенными. Передача и прием речевой информа­ции осуществляется с помощью микрофона (ВМ) и телефона (BF) интерфейса пользователя. Параллельно осуществляется непрерывный контроль качества канала трафика с помощью нуль-сигнала.

При передаче (приеме) кодограмм «вызова» одновременно с про­цессом установления связи на рабочих частотах трафика каждый раз осуществляется и процедура роуминга.

В режиме трафика в MS блок МР подает команды на коммутаторы КТ1, КТ 2, которые подключают интерфейс пользователя к трактам RX AUDIO NA5 и ТХ AUDIO NA5. Тракты приема и передачи нуль-сигнала с помощью коммутатора КТ4 остаются включенными для постоянного анализа качества канала в процессе ведения разговора.

При ухудшения качества- канала во время разговора ниже порого­вого уровня MS переходит на качественный канал трафика по коман­де блока МР синхронно с BS (скип-коммутация). При этом все коммутации в трактах сохраняются за исключением перестройки син­тезатора сетки частот NS2 и разговор абонентов не прерывается. Процесс скип-коммутации для абонента, ведущего разговор, оказыва­ется практически незамеченным. Не состоявшаяся скип-коммутация (при отсутствии свободного качественного канала трафика на BS) индицируется красным цветом на интерфейсе пользователя (авария).

Мобильная станция для окончания переговора абонентов при необходимости ставится в скиповую очередь. При появлении свобод­ного канала на BS в сторону MS передается кодограмма вызова и предлагается канал трафика.

В процессе ведения разговора MS, перемещаясь, может выйти из зоны электромагнитного покрытия одной BS в зону другой BS. Про­цесс трафика при этом не прекращается и MS обслуживается первой BS, если параметр связности g будет выше порогового значения.

Соседние BS при этом своими приемниками-анализаторами не­прерывно оценивают параметр g на частоте передачи MS. В случае ухудшения параметра g ЦКПС подает команду на ту BS, у которой параметр связности g наилучший и новая BS автоматически предос­тавляет MS канал трафика без изменения номинала частоты , а старая BS снимается с обслуживания разговора (скип-коммутация между сотами). Таким образом, с помощью скип-коммутации в пределах зоны обслуживания осуществляется эстафетная передача MS от одной соты в другую.

При работе MS в условиях пересеченной местности (высотная и плотная застройка) возможны кратковременные глубокие замирания радиосигнала в месте приема. Это проявляется в виде сильных шумов в телефоне. Устранение этого эффекта достигается работой системы шумоподавления MS. Контроль наличия сигнала на входе приемника осуществляется МП по сигналу «биений» на выходе схемы сравнения (СС) тракта fn.,2 радиоприемника. При снижении уровня сигнала ниже порогового значения и появлении шумов напряжение «биений» про­падает. Блок МР подает команду на выключение коммутатора КТ1 в тракте RX AUDIO NA5. Выход тракта при этом отключается от интерфейса пользователя на период замирания сигнала.