A GSM基本介绍

在进入手机需求之前，我们在本章中讨论GSM(全球移动通信系统)的概述。

GSM系统是由一组专家指定的，他们作为欧洲电信标准协会(ETSI)的一部分定期会面。GSM目前正真正成为一个全球性的移动通信系统，横跨欧洲、亚洲、非洲和南美洲的大部分地区，仅举几例。

GSM推出后演变成GSM900, DCS1800(也称为PCN)和PCS1900(在美国)。

PCN始于英国，Mercury一对一和Hutchinson (Orange)率先提供了两个使用DCS1800的网络。它已经蔓延到世界其他地区。

2.1. 技术差异

在本节中，我们讨论一个新的GSM工程师经常问的问题。

2.1.1. GSM与CT2和DECT有什么不同?

GSM900和DCS1800是蜂窝系统，而DECT和CT2是无绳系统。GSM(像AMPS和TACS一样)允许用户在很宽的地理区域内拨打和接听电话。该系统使用寄存器记录所有手机的位置，以便将呼叫路由到正确的基站。

像其他无线系统一样，DECT和CT2不包括这种跟踪功能。它们的操作方式与传统的家用无绳电话基本相同(只有当手机在耳机的基站范围内时才能接听电话，而不是在其他位置)。

2.1.2. GSM900, DCS1800和PCS1900有什么不同?

GSM900是原始的GSM系统。它使用900MHz频段(编号为1到124)的频率，专为广域蜂窝操作而设计，允许移动应用的最大输出功率为1W到8W。GSM Cell r us可以测量35公里甚至60公里，这取决于天线方向。

DCS1800是GSM900的改编版本，但以1.8GHz为中心，并且具有更宽的频带，这使得它能够应对更高的用户密度。DCS1800手机的输出功率也较低(最高1W)，因此蜂窝尺寸天生就比GSM900蜂窝小，约为20Km / us(这也会根据天线模式而变化)。

在所有其他方面，GSM900和DCS1800是相同的。此后编写了GSM第二阶段规范，允许将额外的带宽和信道分配给GSM900，以形成现在称为扩展频段GSM (E-GSM)。除此之外，该规范还允许微单元操作，从而使移动设备的低功率控制水平成为可能。

PCS1900(也称为DCS1900)是在美国设计的，工作在1.9GHz左右。它本质上是1.9GHz的GSM技术。

2.2. GSM小区

GSM小区最显眼的部分是基站及其天线塔。在一个共同的天线塔周围划分几个小区是很常见的。该塔将有几个定向天线，每个天线覆盖一个特定的区域。这种多个天线的协同位置有时被称为蜂窝站点，或仅称为基站，或基站收发站(BTS)。

所有的bts都产生一个广播频道(BCH)，该频道一直开着，可以被视为灯塔的信标。小区内的所有手机，无论是否处于通话状态，都接收BCH信号，以便:

• 允许手机找到GSM网络

• 允许网络识别哪个BTS离给定的手机最近

• 允许编码信息，如网络身份(如沃达丰，曼内斯曼等)是已知的

• 允许将消息分页到需要接受电话呼叫的任何移动设备，以及各种其他信息

BCH使用的频率通道在每个小区中是不同的。信道只能被干扰风险较低的远距离基站重复使用。

通话中的手机使用流量信道(TCH)，这是一个双向信道(称为上行链路和下行链路)，用于在手机和基站之间交换语音数据。GSM将上行链路和下行链路分离到不同的频段。

值得注意的是，虽然TCH在上行链路和下行链路中都使用一个频率信道，但BCH仅在下行链路中占用一个信道。上行链路中相应的通道被有效地清除。这可以被移动设备用于非计划或随机访问信道(RACH)。当移动设备想要吸引基站的注意(可能是打电话)时，它可以通过使用这个清晰的频率通道发送RACH来请求注意。

2.3. GSM调制

GSM使用一种叫做0.3GMSK(高斯最小移位键控)的数字调制格式。0.3描述高斯滤波器的带宽与比特率的关系。

GMSK是一种特殊类型的数字调频调制。1和0表示为射频载波移动正负67.708KHz。用两个频率表示1和0的调制技术被称为FSK(频移键控)。在GSM的情况下，选择270.833kbit/sec的数据速率正好是射频频移的四倍。这样可以减少调制频谱，提高信道效率。其中比特率正好是频移的四倍的FSK调制称为MSK(最小频移键控)。在GSM中，通过应用高斯预调制滤波器进一步减小了调制频谱。这减慢了快速的频率转换，否则会将能量传播到相邻的信道中。

0.3GMSK不是相位调制(即信息不是由绝对相位状态传递的，例如QPSK)。传递信息的是频移或相态的变化。GMSK可以从I/Q图中可视化。如果没有高斯滤波器，如果正在传输恒定的1流，MSK将有效地保持在载波中心频率以上的67.708KHz。如果以载波中心频率作为静止相位基准，则67.708KHz信号将导致相位稳定增加。这个相位将以每秒67,708转的速度旋转360度。在一个比特周期(1/270.833KHz)中，相位将在I/Q图中获得四分之一的路径，或90度。1被看作是相位增加了90度。两个1使相位增加180度，三个1使相位增加270度，以此类推。0会导致相同的，相反方向的相变。

确切的相位轨迹是被严格控制的。GSM系统需要使用数字滤波器和I/Q或数字FM调制器来精确地生成正确的轨迹。GSM规范允许理想轨迹的均方根不超过5度，峰值偏差不超过20度。

2.4. TDMA和FDMA

GSM使用时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)。频率被分成两个波段。上行链路用于移动传输，下行链路用于基站传输。每个频带被分成200KHz的槽，称为ARFCN(绝对频率频道数)。GSM在分割频率的同时，也分割了时间。每个ARFCN在8个手机之间共享，每个手机依次使用它。每台移动设备在一个时隙(TS)内使用ARFCN，然后等待下一次轮到它。TS号码和ARFCN的组合称为物理信道。

2.5. 移动电源控制

当手机在小区周围移动时，它的发射功率需要变化。当它靠近基站时，功率水平被设置得很低，以减少对其他用户的干扰。当移动设备远离基站时，其功率水平增加以克服增加的路径损耗。

所有GSM手机都能根据基站的指令以2dB的步进控制其功率。

2.6. 时间提前

GSM采用时分多址(TDMA)技术，因此需要时间提前。由于射频信号从移动设备传输到基站需要有限的时间，因此必须有某种方法确保信号在正确的时间到达基站。

如果没有时序提前，从小区边缘的用户发出的传输突发信号将会延迟到达，并破坏基站旁边的用户发出的信号(除非时隙之间的保护时间大于使用的最长信号传播时间)。通过提前移动的时间，它们的传输在正确的时间到达基站。当移动信号移动时，基站(BTS)将向移动信号发送信号，当移动信号靠近小区中心时减少其授时提前，当移动信号远离小区中心时增加其授时提前。

2.7. GSM TDMA电源突发

由于GSM是TDMA系统，在一个频率对上有8个用户，每个用户必须只在允许的时间打开他们的发射机，并及时关闭他们的发射机，这样他们就不会干扰相邻时隙中的其他用户。

GSM规定了时隙中射频突发的幅值包络线，以及时隙中有用位的有效部分的平坦度。幅值包络具有大于70dB的动态范围，并且需要在时隙的有效部分测量小于±1dB的平坦度。所有这些都发生在一个时隙的577uS周期内。

2.8. 当GSM手机开机时会发生什么

当手机第一次打开时，它会在下行链路中搜索所有124个频道来寻找信号。然后，它将根据接收到的信号强度对通道进行排序，并检查该通道是否为BCH(广播通道)。一旦MS找到一个BCH，它从频率校正信道(FCH)和同步信道(SCH)调整内部频率和定时，然后检查确定BCH是否来自其公共陆地移动网络(PLMN)。这包括将存储在SIM卡上的允许的网络和国家代码与bch上编码的信息进行比较。手机重复这个循环，直到找到一个好的广播频道。如果手机识别出它与上次使用时所在的小区不同，它就需要告诉网络它的位置。网络必须跟踪每个手机的位置，以便将呼叫路由到特定手机的正确小区。这个告诉网络“我在这里”的过程被称为位置更新。

一旦手机与基站同步，确定它可以使用网络，(如果有必要的话，还可以进行位置更新)，它就可以驻扎了。一旦扎营，手机就可以收发电话了。

GSM收发器测量

GSM标准定义了一个只有当每个组件在精确的限制内工作时才能正常工作的r - o通信系统。从本质上讲，移动电话和基站必须传输足够的功率，以足够的保真度来维持可接受的通话质量，而不向分配给其他人的频率频道和时隙传输过多的功率。同样，接收器必须有足够的灵敏度和选择性来获取和解调低电平信号。

GSM移动发送器和接收器的测量源自ETSI 3GPP标准(第05.05.V8.12.0，“R o接入网;R o传输与接收(1999年发行)。

本章概述了测试GSM所需的一些关键发送器和接收器测量，以确保它们符合GSM标准。

3.1. 发射器

性能在三个方面至关重要;在频道内，在频道外，在频带外。

信道测量决定了用户所看到的链路质量。测量包括:

• 相位误差和平均频率误差

• 平均发射射频载波功率

• 发射射频载波功率与时间的关系

信道外测量决定了用户对其他GSM用户的干扰程度。这些包括:

• 频谱由于调制和宽带噪声

• 切换频谱

• Tx和Rx波段杂散

带外测量确定用户对其他非GSM用户(如军事、警察、航空等)的干扰程度。所有其他杂散(谐波、宽带等)都包括在这里。

3.1.1. 相位误差和频率误差

相位误差是GSM中用来表征调制精度的参数之一。相位误差差通常表明发射机电路中的I/Q基带发生器、滤波器、调制器或放大器存在问题。

频率误差测量表明合成器/锁相环性能差(例如，合成器在传输之间转移频率时可能沉降不够快)。在GSM系统中，较差的频率误差会导致目标接收器无法锁定所发射的信号，同时发射机也会对其他用户造成干扰。

为了测量相位和频率误差，可以使用测试集对被测设备的传输输出进行采样，以捕获实际的相位轨迹。然后将其解调，并在数学上推导出理想相位轨迹。其中一个减去另一个会得到一个错误信号。这个信号的平均值(相位/时间)给出了频率误差。该信号的变化是相位误差，并以均方根(rms)和峰值表示。下图演示了这个测试过程:

下图显示了对一个传输突发的测量，以及它与GSM标准设定的限制的关系。

3.1.2. 平均传输输出功率

GSM系统使用动态功率控制来确保每条链路以最小的功率得到充分的维护。这使得整个系统的干扰保持在最低限度，并且在MS的情况下，电池寿命是最大化的。

超出规格的功率测量通常表明功率放大器电路、校准表或电源存在故障。GSM平均输出功率是在GSM突发有用部分测量的。在进行这种测量时，GSM测试设备通过对输入信号进行解调，并对GSM突发的有用部分进行门控，得出正确的定时参考。

3.1.3. 发射射频载波功率与时间的关系

在GSM系统中，发射机必须在时分多址结构内上下倾斜，以防止相邻时隙干扰。如果发射机打开太慢，在突发开始时的数据可能丢失，降低链路质量，如果它们关闭太慢，TDMA帧中下一个时隙的用户将受到干扰。

因此，进行这种测量是为了评估载波功率在时域内相对于规定掩模的包络。它还检查发射机的关闭是否完成。如果发射机未能通过发射射频载波功率与时间的测量，这通常表明单元PA或功率控制回路存在问题。

3.1.4. 相邻信道功率(ACP)

ACP由两个度量定义:

• 频谱由于调制和宽带噪声

• 切换频谱

这两种测量通常组合在一起，称为“输出射频频谱”(ORFS)。

3.1.4.1. 频谱由于调制和宽带噪声

发射机中的调制过程使连续波载波在频谱上扩散。使用“由于调制和宽带噪声引起的频谱”测量来确保调制过程不会造成过度扩展，因为这会对相邻信道用户造成干扰。

为了进行这种测量，将分析仪调谐到一个点频率，然后对调制突发的一部分进行时间门控。然后使用此模式测量功率，然后将分析仪返回到下一个频率或感兴趣的偏移量。这个过程一直持续到所有的偏移量都被测量和检查到允许的限度为止。由此产生的结果是一组频率与功率点，这些点定义了信号的频谱，然而，由于坡道被门控排除，由爆发效应产生的频谱成分不会出现。

该测量的测试极限以dBc表示，因此测量的第一步是取发射机调谐到的中心频率的一个值。

3.1.4.2. 切换频谱

GSM发射机迅速增加射频功率。前面描述的“发射射频载波功率与时间”测量确保该过程在正确的时间发生并且发生得足够快。然而，如果射频功率上升过快，则会在传输中存在不希望的频谱分量。该测量确保这些组件保持在可接受的水平以下。

为了执行由于开关测量的频谱，分析仪被调谐到并在零跨度模式下测量多个偏移频率，在这种情况下没有时间门控。

3.1.5. 虚假的测量

这是确保GSM发射机不会将能量投入到错误的频谱部分的必要条件，因为这会对频谱的其他用户造成干扰。

本文讨论传导杂散。这些是通过将测试集直接连接到ms的天线连接器来测量的。该参数的测量包括:

• Tx和Rx波段杂散

• 交叉带杂散

• 带外假的

3.1.5.1. GSM Tx和Rx波段杂散

Tx波段杂散测量涉及落在925 - 960mhz GSM Tx频段内的杂散。

然而，Rx波段杂散测量是发射机在Rx波段(880 - 915MHz)投入多少能量的测量。此测试确保Tx杂散不会“干扰”或使相邻接收器脱敏(此规范基于移动设备之间的平均距离为1m)。

当进行此测量时，通常在分析仪输入前使用Rx带通滤波器，以衰减Tx波段信号。

3.1.5.2. 交叉带杂散(例如GSM900到DCS1800)

在一些国家，GSM900和DCS1800系统并存。因此，ETSI 3GPP标准要求特定的跨带性能，以确保GSM发射机将最小的能量投入DCS1800频段，反之亦然。

3.1.5.3. 带外假的

带外杂散是频谱分析仪在100KHz到12.75GHz大频率范围内的一系列测量结果。3GPP标准已经写好了宽带杂散限制，而MS必须符合这些限制。

3.2. 接收器

本节定义并讨论GSM接收机定义中使用的一些关键接收机性能参数。

3.2.1. 灵敏度

灵敏度是衡量接收机性能的基本指标。它为解调信息中指定百分比的错误指定最小信号电平。所有接收机测量的报告值都是误码率(BER)或其变体，即:

• 帧擦除率;它是在一个观察周期内被擦除的帧与发送的帧总数的百分比

• RBER(剩余误码率);当帧被擦除时，只测量剩余帧的误码率。这个参数RBER定义了这个度量

误码率是误码率与误码率的比值。测量方法如下。测试系统输出带有已知位模式的信号(通常是伪随机位序列，(PRBS))。PRBS信号通常被标记为PNx，其中x是在序列中被排列的位数(例如PN9 = 2^9 - 1或511位)。

然后，被测试的接收器尝试解调和解码该模式，并通过返回路径(使用称为回环的方法)将结果比特发送回测试系统进行比较。测试系统然后计算所需的度量。GSM手机使用这种环回方法进行测试。

3.2.2. 同频道拒绝

在信道内存在干扰信号时，大多数接收机需要保持指定的误码率。对于GSM，该参数的测量方法如下:

co通道在传感器以上20 dB进行测试;
有了f，
与GMSK调制干扰。

数字调制信号功率设置在接收器灵敏度之上20db，位于接收器通带的中心，并与GMSK调制干扰源(与所需频率相同)和f剖面相结合。然后将合并后的信号注入接收器的天线端口。然后将干扰信号的功率电平设置为标称电平，在该电平上接收器的误码率不得超过接收器灵敏度规格。两个信号之间的功率电平之差即为干扰比。

3.2.3. 接收机阻塞

此参数构成通道外接收器测试之一。阻塞测试在存在信道外信号的情况下验证接收器的正确操作，并监视接收器对内部产生的杂散响应的敏感性。三个关键测试定义了接收器的阻塞性能:

• 虚假的免疫力

• 互调失真

• 相邻信道选择性

3.2.3.1. 虚假的免疫力

它是接收机防止单通道外干扰信号在接收机输出端引起不期望的通道内响应的能力。在接收方内部可能产生伪信号;电源谐波，系统时钟谐波，或LO杂散。

3.2.3.2. 互调免疫

是在失真产品存在的情况下接收器性能的度量，失真产品是在接收器的输入端存在多个音调时产生的，并且非线性混合形成三阶互调产品，这些产品位于接收器的通带内。

3.2.3.3. 相邻信道选择性

这是在相邻信道中存在强信号的情况下，接收机处理所需调制信号的能力的度量。备用信道选择性是一个类似的测试，其中干扰信号是远离接收器通带的两个射频信道。

GSM移动射频收发器的派生

该文件分为三个主要部分，即:

• 接收方分析

• 发射机的分析

• 本相噪声要求分析

4.1. 接收方分析

4.1.1. 噪声系数/灵敏度

接收器灵敏度与接收器NF的关系如下:

敏感性,S = -174 + 10 logbi + S / N + Gimp + NF  ...........[ 1]

地点:

Bi =接收器带宽(GSM = 180KHz)
S/N =基带信噪比
Gimp = RF和BB实现增益

GSM标准规定了最低-102dBm的灵敏度要求。假设基带芯片组正确解码接收到的信号所需的最坏情况下基带信噪比为9dB，实现余量为2dB，那么根据上面的公式[1]，我们可以计算出该接收机最坏情况下的信噪比为:

NF = -174 + 10logBi + S/N + Gimp - S
= -174 + 10log(180,000) + 9 + 2 - (-102)
= 8.5 dB

给定最坏情况下的NF，接收器设计人员可以根据公式研究各种前端增益和NF分区选项:

NF = 10log(F, Rx)噪声系数)= 10log [F1 + (F2-1)/G1 + (F1 -1)/G1]。G2 + ....]…[eq.2]

式中Fi =分区中第i块的噪声因子{i = 1,2,3…}

尽管公式2表明，第一个有源级的增益越高，系统的NF越低，接收器设计者需要确保第一个有源级不会压缩它之后的级，因为这会降低接收器的线性度。

这表明系统灵敏度是接收器NF(由前端组件的选择主导)和接收器线性度之间的折衷。通常会研究以下接收器前端选项:

• 单LNA +主动式混频器.............(选项1)







• 双LNA +主动式混频器.............(选项2)







与方案1相比，方案2的主要优点是，在方案2中，个别LNA噪声系数和增益要求明显放宽。而在选项1中，前端LNA需要严格指定，以实现相同的系统NF。

方案2的主要缺点通常是成本增加，并且由于增加了第二个LNA，可能需要额外的供电电流。

4.1.2. Rx阻塞分析

表1。下表显示了GSM手机在不掉线的情况下预期执行的阻塞信号级别。

频带	阻塞信号电平	描述
600KHz |f-fo| <800千赫	-43年dbm	带内阻塞
800KHz |f-fo| <1.6兆赫	-43年dbm
1.6MHz |f-fo| <3兆赫	-33年dbm
3兆赫| f-fo |	-23年dbm
900 - 915MHz	5 dbm	带外阻塞
0.1 - <915兆赫
980 - 12750MHz	0 dbm

GSM接收机设计人员根据上述带阻塞信号电平规范中列出的标准来指定接收带的压缩点，并使用带外阻塞信号电平来定义滤波器抑制规格，以避免信号路径压缩。

例如，在3MHz偏移(即-23dBm)的频带阻塞设置前端所需的压缩点。假设在接收带的LNA级之前有一个1dB损耗开关和一个2.5dB损耗滤波器，则在LNA级之前放置总计3.5dB损耗。这意味着LNA压缩点在最坏的情况下必须是-26.5 dbm(即-23 - 3.5dBm)。

4.1.3. Rx互调

如果选择的中频滤波器在±800KHz和±1600KHz(该参数测试的偏移频率由GSM 05.05标准指定)具有足够好的衰减，则前端电路主要影响GSM接收机的互调性能。

通常用于确定系统IP3要求的公式为:

IP3 (min) = Pi + (Pi - Pu + C/I)/2

其中Pi =干扰信号电平= -49dBm(来自GSM 05.05规范)

Pu =有用信号电平= GSM灵敏度电平+ 3dB = -102 + 3 = -99dBm

C/I =接收机设计的载波干扰比

• 对于8dB C/I，最小GSM接收机输入截距为:

IP3 (min) = - 49dbm + (99 -49 + 8) /2 = - 20dbm




4.2. 本相噪声要求分析




振荡器相位噪声规格是GSM接收机设计中最关键的部分之一。一般来说，系统设计者将最小允许规格放在通道合成器上，然后指定系统中所有其他vco显着更好(例如8 ~ 10db更好)。这样做使得通道合成器的VCO相位噪声在影响系统性能方面支配任何其他VCO。

4.2.1. GSM射频压控振荡器相位噪声推导

“远出”射频压控振荡器相位噪声(即环路带宽外的相位噪声)由GSM 05.05规范中定义的四个主要因素决定。这些都是:

• 调制频谱(05.05规范见5.2.1.1节)

• 杂散发射(05.05规范见第5.2.1.2节)

• 接收器阻塞(见05.05规范第5.2.1.3节)

• 相邻通道性能(参见05.05规范第5.2.1.4节)

振荡器的同相噪声将通过增加系统带宽内的噪声直接影响系统噪声系数。上述一些规范(特别是那些与远差相位噪声有关的规范)在频率上重叠。因此，系统设计者设计VCO相位噪声以满足给定偏移量(有余量)的最难要求，然后保证满足给定偏移量的所有其他要求。

最坏的情况下相位噪声可以满足每个性能要求，然后可以编译最终通道合成器VCO相位噪声要求。

在下一节中，将展示一些例子，说明如何推导出一些VCO相位噪声要求，以满足由于接收频带中的调制和发射噪声而产生的频谱。

4.2.1.1. 调制频谱[GSM05.05段]

05.05以dBc/BW表示，而压控振荡器相位噪声以dBc/Hz表示。因此，要将dBc/BW转换为dBc/Hz，使用的公式为:

dBc/Hz = 10log(05.05指定的带宽)+ |dBc| 05.05指定的值- [eq.3]例。在200KHz偏移时，由于调制引起的频谱规格为-30dBc/30KHz。根据eq. 3，在最坏的情况下，这转换为200KHz偏移时的VCO相位噪声要求

= [10 log(30,000) + 30] dBc/Hz
= 75 dbc / Hz

上述方法用于计算由于调制规范而满足频谱所需的最小压控振荡器相位噪声。

表2。

频率偏移	dBc / BW	导出相位噪声(dBc/Hz)
±200千赫	30/30khz	-75年
±250千赫	33/30khz	-78年
±400千赫	60/30khz	-105年
±600 - 1200KHz	60/30khz	-105年
±1200 - 1800KHz	60/30khz	-105年
±1800 - 3000KHz	63/100khz	-113年
±3000 - 6000KHz	65/100khz	-115年
比;±6000千赫	71/100khz	-121年

4.2.1.2. 虚假的排放

表3。下表显示了在指定偏移量处的杂散发射的05.05规范。

频率偏移	05.05规格dBc/BW
比;±1.8兆赫	-30dBc/30KHz(带内)
比;±6 mhz	-33dBc/100KHz(带内)
比;±2 mhz	-60dBc/30KHz(带外)
比;±5兆赫	-60dBc/100KHz(带外)
比;±10 mhz	-60dBm/300KHz(带外)
比;±20 mhz	-63dBm/1MHz(带外)
比;±30兆赫	-65dBc/3MHz(带外)
10 ~ 20MHz(即925 ~ 935MHz)	-67dBc/100KHz(带外)
比;20MHz(即935 ~ 980MHz)	-79dBc/100KHz(带外)

为了计算相对于33dBm Tx输出功率满足接收频段(即925 ~ 980MHz)发射噪声所需的相位噪声，进行如下计算:

• 适用于925 ~ 935MHz
  该规格在100KHz BW下为-67dBm，转换为-117dBc/Hz。然而，相对于33dBm Tx功率，925 ~ 935MHz频段的VCO相位噪声要求规格为- (117dBc/Hz + 33)dBc/Hz = - 150dbc /Hz。

类似的

• 适用于935 ~ 980MHz
  规格为-79dBm, 100KHz BW，转换为-162dBc/Hz

结论

新的GSM系统设计人员可以使用本文更好地了解GSM模块规范以及它们如何影响系统性能。

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这些解决方案中的大多数已经在Maxim网站上发布，或者已经在Maxim的无线设计指南中宣布为未来的产品，也在网站上。

这篇文章的类似版本出现在2003年6月的《射频设计》杂志上。