41

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ,

МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе

«Изучение архитектуры и принципа

функционирования мобильной станции стандарта GSM»

по дисциплине «Системы мобильной связи»

специальности «Информационные сети связи»

Разработали:

проф. Емельянов В.В.

ст.преп. Лимаренко П.В.

2012

Лабораторная работа

ИЗУЧЕНИЕ АРХИТЕКТУРЫ И ПРИНЦИПА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МОБИЛЬНОЙ СТАНЦИИ СТАНДАРТА GSM

1 Цель работы

- изучить архитектуру мобильной станции (MS);

- изучить процедуру преобразования речевого сигнала;

- изучить назначение и функции узлов, входящих в состав MS;

- углубить и закрепить знания по преобразованию речевых сигналов в стандарте GSM и функциями MS.

2 Методические указания по организации самостоятельной работы студентов

При подготовке к проведению лабораторной работы необходимо изучить теоретический материал, который соответствует теме лабораторной работы, по конспекту лекций и литературе [3, 4, 5].

Изучить назначение узлов MS и их функции. Изучить этапы прохождения информационного сигнала по трактам передатчика и приемного устройства.

Разобраться с процедурой обработки речевого сигнала в передающем и приемном устройствах.

Необходимо ответить на контрольные вопросы и задания

3 Мобильная станция GSM

3.1 Классы мобильных станций

Единственным элементом системы сотовой связи, который не только реально доступен пользователю, но и находится у него в руках в буквальном смысле этого слова, является ее мобильная (подвижная) станция – MS (Mobile Station) [3, 4].

Мобильные станции отличаются друг от друга как функциями, основными и дополнительными, так и электрическими параметрами, то есть, прежде всего, максимальной мощностью уровня передачи, что влияет на размеры станции, и время работы аккумуляторов [3, 4].

В таблице 1 показаны классы MS, которые объединены в стандарте GSM в диапазонах 900 мГц (GSM-900), 1800мГц (DCS-1800). Классы MS определены в зависимости от максимальной мощности передатчика. Исторически самыми старыми и самыми тяжелыми были MS, предназначенные для установки в автомобилях с антенной, которая монтируется снаружи автомобиля. Следующим этапом в эволюции MS были переносные модели. Относительно высокая мощность автомобильных и портативных станций привела к тому, что они используются и сейчас, а именно там, где местность покрыта крупными ячейками (например, сельская местность). Переносные станции могут быть также приспособлены к монтажу в автомобилях. Последней, наиболее популярной сейчас генерацией подвижных станций есть карманные станции. Маленькие, удобные и легкие терминалы с интегрированной антенной, достаточно удобные для малосотовых городских территорий. Конечным оборудованием системы GSM может быть также беспроводной телефонный автомат и беспроводная коммутационная станция (используется, например, на кораблях, в поездах и т.п.). Мобильные станции могут также использоваться для неразговорных целей, например для передачи результатов измерений.

Большинство MS, которые сейчас продаются – это карманные терминалы, предназначенные для передачи речевых сигналов.

Важным применением терминалов системы GSM является передача данных, т.е. сигналов с компьютерных модемов и телефакса. С точки зрения приспособления к передаче данных, терминалы системы GSM делятся на три типа, в зависимости от места установки модуля, реализующего адаптивные функции TAF (англ. Terminal Adaptation Functions), которые необходимы для передачи данных (рис. 1):

- МТ0 (Mobile Terminal type 0) – это простейший случай, в котором как функции внешнего устройства, так и адаптивные функции интегрированы в одном устройстве. Терминалы МТ0 существуют только для передачи речи;

- МТ1 (Mobile Terminal type 1) – это вариант, в котором терминал, который имеет ISDN-овский интерфейс "S". К нему могут быть подсоединены любые внешние устройства ISDN. Внешние устройства, имеющие модемный интерфейс, могут взаимодействовать с терминалом МТ1 через ISDN-овский адаптер терминала ТА (Terminal Adapter) – в этом случае адаптивные функции распределяются между МТ1 и ТА;

- МТ2 (Mobile Terminal type 2) – это вариант, в котором адаптивные функции TAF полностью интегрированы с терминалом и взаимодействуют с внешним устройством через классический модемный интерфейс.

Таблица 1

Класс станции	GSM 900		DCS 1800
	Мощность передатчика	Типы станций	Мощность передатчика	Типы станций
1	20 Вт (43 дБм)	возимые и носимые	1 Вт (30 дБм)	карманные
2	8 Вт (39 дБм)	возимые и носимые	0,25 Вт (24 дБм)	карманные
3	5 Вт (37 дБм)	карманные	—	—
4	2 Вт (33 дБм)	карманные	—	—
5	0,8 Вт (29 дБм)	карманные	—	—

Рисунок 1 – Типы мобильных терминалов с точки зрения возможности передачи данных

3.2 Архитектура мобильной станции

Мобильные станции – MS (Mobile Station) – (мобильные телефоны, сотовые радиотелефоны) в пределах каждого класса модели в определенном стандарте сотовой мобильной связи различаются между собой не только количеством сервисных услуг, но и параметрами приемно-передающих трактов, конструкцией, внешним видом, блоком управления и т.п. [3, 4, 5]

На мировом рынке существует большое количество и многообразие мобильных станций, однако все они имеют следующие типовые блоки (рис. 2):

- блок управления, в который входят дисплей и клавиатура (иногда туда включают микрофон и телефон);

- приемо-передающий блок, в который входят приемник и передатчик;

- антенный блок с коммутатором каналов и диапазонов;

- логический блок (мозговой центр MS) включает цифровой сигнальный процессор DSP (Digital Signal Processor), иногда называемый CPU (Central Processing Unit), со своей оперативной и постоянной памятью (DSP Memory), часто в его состав включают эквалайзер, канальный и речевой кодеки, ADC, DAC и др.;

- идентификационный пользовательский модуль SIM-карта (Subscriber Identity Module).

Рисунок 2 – Типовые блоки мобильной станции

Структурная схема цифровой мобильной станции, в данном случае цифрового мобильного радиотелефона, работающего в стандарте GSM, представлена на рис. 3. Как было отмечено выше (рис. 2), все четыре основных блока (и SIM-карта) на рис. 3 развернуты более подробно по основным каскадам.

Рисунок 3 – Структурная схема цифрового радиотелефона (MS) стандарта GSM 900

Рассмотрим основные блоки мобильной станции MS стандарта GSM.

Антенный блок

Антенный блок включает:

• собственно антенну (в простейшем случае четвертьволновый вибратор (штырь), имеющей длину  см, при этом антенна выполняет функции передающей и приемной антенны (следует отметить, что антенну выполняют часто в виде спиральной укороченной антенны, по основным параметрам аналогичную стандартной полуволновой антенне);

• антенный переключатель – электронный коммутатор, управляемый из CPU и подключающий вход антенны либо на выход передатчика, либо на вход приемника.

В системах стандарта GSM передатчик и приемник работают не одновременно и режим передачи осуществляется только в течение 1/8 длительности кадра. Это значительно уменьшает расход энергии аккумуляторной батареи и увеличивает время функционирования как в режиме передачи (разговор), так и в режиме приема (ожидание). Кроме того, это приводит к снижению требований к высокочастотному фильтру приемника.

Приемо-передающий блок

Передатчик

Рассмотрим основные блоки передатчика (ПРД), их назначение и функции.

Речевой сигнал, преобразованный микрофоном (Мк) в электрический аналоговый сигнал и усиленный усилителем низкой частоты (УНЧ), поступает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП – ADC – Analog-to-Digital Converter), на выходе которого речевой сигнал преобразуется в цифровую форму и далее передача сигнала речи производится в цифровой форме.

Кодер речи осуществляет кодирование речевого сигнала, то есть преобразование сигнала (имеющего цифровую форму) по определенным законам с целью сокращения его избыточности, то есть с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи, но при сохранении приемлемого качества передачи речи.

Основная задача кодера канала – помехоустойчивое кодирование сигнала речи, т.е. такое его кодирование, которое позволяет обнаруживать и в значительной степени исправлять ошибки, возникающие при распространении сигнала по радиоканалу. Помехоустойчивое кодирование осуществляется за счет введения в состав передаваемого сигнала довольно большого объема избыточной (контрольной) информации.

В сотовой связи помехоустойчивое кодирование реализуется в виде трех процедур – блочного кодирования, сверточного кодирования и перемежения.

Генератор предназначен для формирования модулирующего сигнала из сформированного цифрового сигнала при непосредственном управлении от CPU.

Модулятор реализует гауссовскую манипуляцию с минимальным частотным сдвигом (GMSK – Gaussian Minimum Shift Keying), то есть реализует перенос цифрового сигнала в область радиочастотного канала. В стандарте GSM с модуляцией GMSK произведение , определяющее частоту среза предмодуляционного гауссовского фильтра, равно (где – полоса частотного спектра, – длительность бита сообщения). Такое значение произведения достигается путем сложной аппаратурной реализации для увеличения требуемого отношения (сигнал/помеха) и уменьшения влияния условий распространения радиоволн и неидеальности аппаратуры. При GMSK обеспечивается высокий КПД усилителя мощности и приемлемая помехоустойчивость: вероятность ошибки при дБ (–сигнал/шум).

Смеситель (СМ_П) предназначен для переноса выходного сигнала модулятора с частотой в диапазон частот 890...915 МГц под действием сигнала, поступающего с синтезатора частот, управляемого из CPU.

Фильтр сосредоточенной селекции (ФСС) (обычно выполняемый на пьезокерамическом фильтре) настраивается на одну из выбираемых CPU несущих частот и реализует фильтрацию высших гармоник для уменьшения межканальных влияний.

Усилитель мощности (УМ) не только усиливает высокочастотный сигнал с выхода ФСС, но и под действием команд из CPU меняет коэффициент усиления (то есть используется режим нелинейного усиления), тем самым в зависимости от расстояния между мобильной MS и базовой BTS станциями выходная мощность передатчика MS автоматически регулируется: чем ближе MS к BTS, тем меньше мощность передатчика MS, тем меньше излучаемая антенной MS мощность.

Высокочастотный сигнал с выхода усилителя мощности через фильтр сосредоточенной селекции (ФСС) поступает в антенный коммутатор (АК) и в случае передачи речевого сигнала CPU переключает АК в режим передачи.

Следует отметить, что тракт: модулятор – смеситель – ФСС – УМ – ФСС – очень часто называют модемом GMSK (так как этот тракт в настоящее время реализован в виде однокристальной СБИС) и он используется в нескольких Европейских стандартах.

Таким образом, аналоговая часть передатчика выполняет обычные функции переноса информации кодированного цифрового сигнала в область несущей частоты выбранного частотного канала передачи, а цифровая часть – с активным участием CPU – обработку и передачу информации (речь и т.п.) в цифровой форме с добавлением информационных по­токов управления, защиты, адреса и т.п.