Лабораторная работа № 4 оборудование подвижных и базовых станций, центра коммутации.
1. Цель работы
Изучить блок-схемы подвижной станции (абонентского радиотелефонного аппарата), базовой станции и центра коммутации.
2. Задание
Изучить блок-схему подвижной станции (ПС).
Ознакомиться с оборудованием отдельных узлов ПС.
Изучить блок-схему базовой станции (БС).
Изучить блок-схему центра коммутации.
Составить отчет.
3. Краткая теория вопроса
Р
ассмотрение
элементов системы сотовой связи начнем
с подвижной
станции -
наиболее простого по функциональному
назначению устройства, и к тому же
единственного элемента системы, который
не только реально доступен пользователю,
но и находится у него в руках в буквальном
смысле этого слово.
Блок-схема подвижной станции приведена на рис. 1.
Рис. 1.Блок-схема подвижной станции.
В состав ПС входят:
блок управления;
примопередающий блок;
антенный блок.
Примопередающий блок, в свою очередь, включает передатчик, приемник, синтезатор частот и логический блок.
Наиболее прост по составу антенный блок: он включает собственно антенну – в простейшем случае четвертьволновый штырь – и коммутатор прием-передача. Последний для цифровой станции может представлять собой электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника, поскольку, подвижная станция цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно.
Функционально несложен и блок управления. Он включает микротелефонную трубку – микрофон и динамик, клавиатуру и дисплей. На лицевой стороне аппарата имеется небольшой дисплей, обычно жидкокристаллический, на котором отображаются набираемый номер телефона, пункты меню и другая информация. Из верхней части аппарата выступает антенна длиной 20 … 60 мм; в некоторых типах аппаратов она дополнительно выдвигается на 50 … 150 мм. Все управление производится при помощи клавиш (кнопок) наборного поля: с их помощью можно включить и выключить аппарат, набрать нужный номер, записать информацию в память и прочесть записанное ранее, изменить режим работы аппарата и т.п. На лицевую сторону аппарата выводится динамик (в верхней части) и микрофон (в нижней части), так что аппарат прикладывается к уху, как трубка обычного телефона. В верхней части аппарата обычно располагается световой индикатор (светодиод), отображающий режим работы (режим ожидания, вызов, включено), и источник звукового сигнала (звонок). Некоторые типы аппаратов имеют отдельные кнопки включения/выключения и регулировки громкости звука. На тыльной стороне при помощи защелки крепится источник питания – аккумуляторная батарея. Типовое время работы полностью заряженной батареи составляет: в режиме разговора до 2 … 5 ч; в режиме ожидания вызова до 20 … 50 ч; типовое время заряда батареи 1 … 3 ч. В нижней части аппарата обычно имеются гнезда для подключения портативного зарядного устройства, позволяющего заряжать батарею, не отключая ее от аппарата и не выключая последнего.
Чтобы позвонить с предварительно включенного аппарата, в простейшем случае абонент набирает с помощью клавиш нужный номер, проверяет правильность набора по отображению номера на дисплее и нажимает клавишу вызова («Send» или «Yes»). После соединения и ответа вызываемого абонента он обычным образом ведет разговор, а по окончании его нажимает клавишу отбоя («End» или «No»). При получении вызова, о чем абонент оповещается звуковым сигналом (звонком), он манипулирует теми же клавишами.
Абонентский аппарат, предоставляет также и много дополнительных возможностей, отметим некоторые из них.
Аппарат в большинстве случаев может быть использован в качестве электронной записной книжки, часов, календаря, калькулятора – электронная записная книжка вмещает обычно около 100 телефонных номеров с комментариями (именами владельцев номеров) в нее может быть внесена и любая другая информация, например адрес или номер паспорта. Информация из электронной записной книжки может быть высвечена на дисплее. По номеру телефона, внесенному в электронную записную книжку, можно позвонить, не набирая его по цифрам, а вызвав из памяти по номеру записи или по имени владельца. На дисплее могут отображаться время суток и текущая дата, причем счет времени не сбивается при выключении аппарата или при снятии батареи, а формат предоставления времени и даты выбирается абонентом. В некоторых аппаратах часы могут выполнять функцию будильника, и последний также срабатывает при выключенном аппарате. Практически все современные аппараты имеют систему меню, с помощью которой производится выбор параметров и вариантов работы аппарата. Во всех аппаратах на дисплее отображаются уровень принимаемого сигнала и степень разряда аккумуляторной батареи, в большинстве из них имеется подсветка дисплея и клавиатуры. Абонент имеет возможность по своему усмотрению регулировать громкость звука в телефоне и громкость звонка, выбирать тип звонка и т.п.
Предусмотрены меры, направленные на предотвращение несанкционированного пользования аппаратом. Процедура аутентификации, выполняемая при установлении связи практически исключает возможность появления «двойников», по крайней мере, в цифровых стандартах, за счет использования достаточно совершенных алгоритмов аутентификации. Кроме того, в абонентских аппаратах обычно предусматривается возможность блокировки: в этом случае для того, чтобы пользоваться аппаратом, абонент после его включения должен, прежде всего, ввести код, значение которого он может установить по своему усмотрению. Имеется также возможность блокировки клавиатуры, чтобы избежать непреднамеренной выдачи команд при случайном нажатии клавиш, а также установки назначенного абонентом пароля для ввода и отмены запретов на определенные категории вызовов.
Приемопередающий блок значительно сложнее.
В состав передатчика входят:
аналого-цифровой преобразователь (АЦП) – преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона и вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме, вплоть до обратного цифро-аналогового преобразования;
кодер речи осуществляет кодирование сигнала речи – преобразование сигнала, имеющего цифровую форму, по определенным законам с целью сокращения его избыточности, т.е. с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи;
кодер канала – добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче речи по линии связи; с той же целью информация подвергается определенной переупаковке (перемежению); кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока;
модулятор – осуществляет перенос информации кодированного сигнала на несущую частоту.
Приемник по составу в основном соответствует передатчику, но с обратными функциями входящих в него блоков:
демодулятор выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий информацию;
декодер канала выделяет из входного потока управляющую информацию и направляет ее на логический блок, принятая информация проверяется на наличие ошибок и выявленные ошибки по возможности исправляются; до последующей обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке;
декодер речи восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде;
цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика;
эквалайзер служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствие многолучевого распространения; по существу он является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой информации; блок эквалайзера не является, вообще говоря, функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать.
Иногда, для сочетания кодера и декодера употребляют наименование кодек (например, канальный кодек, речевой кодек).
Помимо собственно передатчика и приемника, в приемопередающий блок входит логический блок и синтезатор частот. Логический блок – это по сути микрокомпьютер со своей оперативной и постоянной памятью, осуществляющий управление работой подвижной станции. Синтезатор является источником колебаний несущей частоты, используемой для передачи информации по радиоканалу. Наличие гетеродина и преобразователя частоты обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные участки спектра (так называемое дуплексное разделение по частоте).
В заключение можно отметить еще несколько моментов. Блок-схема рис. 1 является существенно упрощенной. На ней не показаны усилители, селектирующие цепи, генераторы сигналов синхрочастот и цепи их разводки, схемы контроля мощности на передачу и прием, и управления ею, схема управления частотой генератора для работы на определенном частотном канале и т.п. Для обеспечения конфиденциальности передачи информации в некоторых системах возможно использование режима шифрования; в этих случаях передатчик и приемник подвижной станции включают соответственно блоки шифрования и дешифровки сообщений. В подвижной станции системы GSM предусмотрен специальный съемный модуль идентификации абонента (Subscriber Identity Module - SIM).
Подвижная станция системы GSM включает также так называемый детектор речевой активности (Voice Activity Detektor), который в интересах экономного расходования энергии источника питания (уменьшения средней мощности излучения), а также снижения уровня помех, неизбежно создаваемых для других станций при работающем передатчике, включает работу передатчика на излучение только на те интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемный тракт дополнительно вводится так называемый комфортный шум. В необходимых случаях в подвижную станцию могут входить отдельные терминальные устройства, например факсимальный аппарат, в том числе подключаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.
Если представить блок-схему аналоговой подвижной станции, то она будет проще рассмотренной цифровой за счет отсутствия блоков АЦП/ЦАП и кодеков, но сложнее за счет более громоздкого дуплексного антенного переключателя, поскольку аналоговой станции приходится одновременно работать на передачу и на прием.