Оборудование систем мобильной связи. Учебное пособие

Федеральное агентство связи

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования «Московский технический университет связи и

информатики»

С.И. Дингес

Оборудование систем мобильной связи

Учебное пособие

Москва 2016

План УМД 2016/2017 уч.г.

УДК 621.396.61.001.2(075.8)

Рецензенты:

Р.Ю. Иванюшкин, к.т.н, доцент МТУСИ; О.А. Шорин, д.т.н, профессор, Генеральный директор ЗАО НИРИТ

Дингес Сергей Иванович, к.т.н, доцент каф. РОС

Оборудование систем мобильной связи: Учебное пособие/ МТУСИ. -М., 2016. -48 с.

Рассмотрены принципы построения и функционирования радиооборудования, используемого в системах связи мобильной связи (СМС). Изложены общие принципы построения и функционирования радиооборудования СМС различного назначения, выполненного в соответствии с различными стандартами, схемотехника устройств, входящих в состав таких систем.

Учебное пособие ориентировано на студентов, обучающихся по направлениям подготовки: 11.04.02, 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи; 11.03.01 Радиотехника

Илл. 40, табл. 8. Библиография 13 назв.

2

3

1.Основные тракты приемопередающего устройства

Вприемопередающем устройстве систем связи можно выделить четыре основных тракта, показанные на рис. 1.1:

∙Тракт приема (Receiver Section), называемый часто коротко «приемник». Для обозначения этого тракта в специальной литературе используется аббревиатура Rx;

∙Тракт передачи (Transmitter Section) коротко называемый «передатчик». Этот тракт обозначается аббревиатурой Тx;

∙Тракт синтеза частот (Synthesizer Section), в котором формируются опорные колебания, необходимые для преобразования частот в приемопередатчике, его перестройки по рабочим каналам. В тракте синтеза частот происходит процесс получения одного или нескольких колебаний требуемых номиналов путем преобразования системной опорной частоты fo.

∙Цифровой тракт (тракт основной полосы, тракт немодулированного сигнала, информационный тракт) (Baseband Section), называемый специалистами, как правило, "бейсбенд тракт". В нем осуществляются низкочастотные операции, связанные с цифровой обработкой передаваемой информации (digital baseband processing) перед подачей ее на модулятор и принимаемой информации после ее демодуляции. Здесь же происходят вспомогательные операции, обеспечивающие функционирование устройства и системы в целом.

4

Тракты приема, передачи и синтеза частот могут быть объединены в радиочастотный (РЧ) блок (RF Section, RF), в котором происходят операции преобразования, фильтрации и усиления сигналов на несущих и промежуточных частотах. Более подробно взаимодействие РЧ и бейсбенд трактов будет рассмотрено далее.

Устройства разделения трактов УРТ служат для подключения антенны к трактам приема и передачи и защиты тракта приема от сильных сигналов с выхода собственного тракта передачи. В этих устройствах для разделения трактов в системах с частотным дуплексированием (FDD) используется дуплексный фильтр (дуплексер), в системах с временным дуплексированием (TDD) - используется переключатель "прием-передача".

Взаимодействие РЧ и информационных блоков устройств осуществляется с помощью ряда связей путем обмена сигналами различного рода через интерфейс РЧ/ББ (RF/BB).

Причем в РЧ блоке сигналы вырабатываются и подаются на информационный блок в аналоговой форме, а в информационном блоке они перед соответствующей обработкой преобразуются в цифровую форму с помощью специальных АЦП. Сигналы же, формируемые в информационном блоке, перед подачей на РЧ блок преобразуется ЦАП. Наиболее важные связи РЧ и информационного блоков показаны на рисунке выше и используются для осуществления следующих функций:

∙Управление синтезатором частоты. Информация о номиналах рабочих частот, как правило, хранится в ЗУ информационного тракта. При необходимости она вместе с командой о перестройке посылается в тракт синтеза частот, изменяя номиналы формируемых в нем частот.

∙Автоматическая подстройка частоты AFC (Automatic Frequency Control).

∙Измерение выходной мощности передатчика (Measurements of UE Transmitted Power).

∙Управление выходной мощностью передатчика (UE Transmitted Power Control).

∙Формирование огибающей излучаемого сигнала (Power Ramping) в соответствии с определенной временной маской.

∙Автоматическая регулировка усиления AGC (Automatic Gain Control) приемного тракта.

∙Измерение уровня принимаемого сигнала RSSI (Received Signal Strength Indication).

∙Управление потребляемой мощностью РЧ блока с целью ее уменьшения. Для этого в информационном блоке вырабатывается ряд специальных сигналов, переводящих отдельные блоки и узлы РЧ блока в режим пониженного энергопотребления (Power Down Mode) на время, когда они не используются в работе устройства.

∙Подтверждение получения команд РЧ блоком; аварийная сигнализация. Последняя функция является особенно важной для РЧ блоков базовых станций в связи с необходимостью обеспечения их длительного бесперебойного функционирования.

Входной РЧ блок RFFE

Часть приемопередатчика, расположенная между антенной и функциональными узлами, осуществляющими преобразование РЧ сигналов, принято выделять в так называемый

входной РЧ блок (Radio Frequency Front End, RF front-end). Как правило, во входной РЧ блок включают компоненты, находящиеся на входе РЧ блока, работающие на канальных, несущих частотах (рис. 1.2).

5

Выбор и

Тракт МШУ приема

настройка

Дуплексеры,

антенн

ключи

У М

Тракт

передачи

Управление

Входной РЧ блок УМ

(RF front-end)

Рис. 1.2. Типовая структура входного РЧ блока

Функционально законченный входной РЧ блок выполняет несколько основных задач:

∙Выбор рабочего диапазона частот;

∙Разделение трактов приема и передачи;

∙Выбор необходимой антенны;

∙Подключение антенны к необходимым трактам;

∙Фильтрация сигналов;

∙Усиление РЧ сигнала.

Таким образом, функционально законченный входной РЧ блок - та часть радиооборудования, которая производит обработку радиочастотных входных сигналов на входе антенны. По сути дела, входной РЧ блок формирует эфирный интерфейс (air interface) для осуществления радиосвязи в системе.

Устройства разделения трактов

Внастоящее время в большинстве РЧ блоков современных абонентских устройств АУ используется единственная многодиапазонная антенна, работающая совместно с несколькими разнодиапазонными трактами приема и передачи. Тракты приема и передачи как в абонентском оборудовании, так и на базовых станциях должны быть подключены к этой антенне и при этом разделены друг от друга. Нельзя допустить попадания сигнала передатчика на вход приемного устройства, чтобы избежать любого нарушения функционирования и даже разрушения приемника в ситуациях, когда передатчик излучает мощный выходной РЧ сигнал. Для обеспечения одновременной работы приемника и передатчика на одну антенну используются различного рода устройства разделения трактов УРТ.

Всистемах с временным дуплексированием TDD (time division duplex) частоты приема и передачи оборудования одинаковы. Разделение трактов приема и передачи происходит путем использования ими различных таймслотов, поэтому стандартным устройством подключения приемопередатчика к антенне является переключатель,

называемый “ переключателем прием-передача” ( Transmit-Receive Switch, Tx/Rx Switch).

Когда устройство получает данные, переключатель подключает к антенне тракт приема, когда устройство передает данные, переключатель подключает УМ передатчика (рис. 1.3).

6

разделения частот (Frequency Separator) используется для разделения трактов, работающих в двух ("Di") различных частотных диапазонах, например GSM900 и GSM1800. Различие в использовании этих устройств поясняет рис. 1.4, на котором приведена структура двухдиапазонного УРТ с использованием диплексера и дуплексеров.

ИС, применяемые в устройствах мобильной связи

ИС, используемые в устройствах ССПО, можно условно разделить на три группы:

∙высокочастотные аналоговые ИС, применяемые в РЧ трактах устройств ССПО;

∙низкочастотные аналоговые ИС (analog baseband processing);

∙цифровые ИС, используемые для цифровой обработки сигналов (digital signal processing).

Таблица 1.1 Примерная классификация ИС по степени объединения функций

8

РЧ блок (RF Section, Transceiver)

Синтезатор частот

(Frequency Synthesizer)

УМ (PA)

Рис. 1.5. Варианты интеграции узлов РЧ блока

Производимые ИС значительно различаются по степени интеграции. Их комплектация (содержимое) варьируется от отдельных элементов до законченных систем обработки сигналов, что дает значительную свободу разработчикам РЧ оборудования (рис. 1.5.).

2. Основные показатели качества приемопередатчиков мобильной связи

Частотные и спектральные характеристики приемопередатчиков

f

(Guard band, Middle sub-band)

Диапазон (Band) - полоса частот, выделенная для функционирования системы

Рис. 2.1. Основные частотные и спектральные характеристики радиооборудования мобильной связи

9

В регламентирующих документах современных систем связи термин «полоса частот» (Band) принято относить ко всему спектру частот – диапазону, отведенному для функционирования системы связи определенного стандарта (рис. 2.1). Так, например, полоса частот, используемая системами стандарта GSM900, занимает два поддиапазона: нижний

(Lower frequency sub-band) 890 - 915 МГц и верхний (Upper frequency sub-band) 935 - 960

МГц вместе с защитным интервалом (Guard band) между ними, называемым зачастую «средним поддиапазоном» (Middle sub-band). А термин «канал» (Channel) относится к полосе частот, занимаемой в системе только одним пользователем, т.е. 200 кГц в GSM.

Канальная мощность (Channel Power) Канальная область (In-channel)

Диапазон (Band) - полоса частот, выделенная для системы

Рис. 2.2. Канальные, внеканальные и внеполосные области частот

Таким образом, качество приемопередатчика обычно определяется его параметрами в трех частотных областях: канальной или внутриканальная (in-channel), внеканальной

(out-of-channel) и внеполосной (out-of-band) (рис. 2.2).

Внутриканальные параметры определяют качество связи с оценкой следующих основных характеристик:

∙фазовая ошибка сигнала (Phase error),

∙средняя частотная ошибка (mean frequency error),

∙средняя переданная мощность РЧ несущей (Mean transmitted RF carrier power),

∙зависимость переданной мощности РЧ несущей от времени (Transmitted RF carrier power versus time).

Внеканальные параметры определяют величину помех, создаваемых данным радиооборудованием другим пользователям системы:

∙Спектр, обусловленный модуляцией и широкополосным шумом (Spectrum due to modulation and wideband noise);

∙Спектр, обусловленный процессами коммутации (Spectrum due to switching);

∙Побочные составляющие в диапазонах приема и передачи (Tx and Rx band spurious). Внеполосные параметры определяют величину помех, создаваемых оборудованием другим пользователям радиоспектра. При этом производят, например, оценку перекрестных (cross band spurious) и широкополосных помех (Wideband Spurious).

Нормативными документами Международного Союза Электросвязи ITU [5, 6] введены следующие определения:

Нежелательные излучения (unwanted emissions): состоят из внеполосных и побочных излучений.

10