Gsm移動通信實驗箱的製作方法
2023-09-12 23:56:35 4
專利名稱：Gsm移動通信實驗箱的製作方法
專利說明
一、技術領域本實用新型是一個GSM移動通信實驗箱，屬移動通信教學的實驗裝置。使用本實驗箱，可完成移動通信教學中的一系列實驗。
本實用新型的目的旨在填補《移動通信》教學實驗設備方面的空白，提供一種與移動通信教學相配合的實驗箱，利用現代電子技術，實現ETSI(歐洲電信標準協會)的GSM900/1800MHz的無線接口協議，實現GSM模擬基站功能，從而可以完成移動通信教學中的多項實驗。
三
發明內容
本實用新型是提供一個GSM移動通信實驗箱，可完成移動通信教學中的數位訊號調製及解調、GMSK調製及解調、信道編碼及解碼、突發脈衝數據流的交織及解交織、高頻信號載波發生、高頻信號放大、高頻增益控制和高頻信號放大等功能性實驗；可以實現模擬基站的功能，完成實驗箱與手機之間的通訊聯繫，完成手機入網、手機主呼和手機被呼等系統級實驗。
本實用新型的技術方案是射頻單元分別與公用天線、頻譜分析單元、基帶單元相連接；基帶單元分別與射頻單元和中央控制單元相連接；中央控制單元分別與人機接口單元、基帶單元及頻譜分析單元相連接；頻譜分析單元，分別與人機接口單元、中央控制單元及射頻單元相連接。射頻單元用高集成度的系列晶片組來實現收發功能，其發射和接收部分均採用鎖相環頻率合成技術，保證了信號頻率的準確度和穩定性。人機接口單元採用高速DSP晶片實現顯示加速，並用高速單片機實現了對屏幕顯示的控制及以串口方式與中央控制單元進行雙向數據通訊。基帶單元採用專用晶片來實現GMSK調製和解調，並採用高速DSP晶片實現GSM手機信號的信道編解碼和交織，頻分雙工時分多址，以串口方式來形成TDMA的幀和時隙。頻譜測試卡採用高速浮點DSP晶片和FPGA並結合快速傅立葉變換算法實現對手機發射功率的頻譜分析。
本實用新型的優點如下所述實驗箱的中央控制模塊實現了ETSI的GSM900/1800MHz無線接口協議之網絡層和數據鏈路層協議，基帶傳輸模塊實現了GSM900/1800MHz無線接口協議之物理層協議，可以完成移動通信教學中的數位訊號調製解調實驗、GMSK(高斯濾波最小頻移鍵控)調製解調實驗，信道編解碼實驗(包括線性分組碼、卷積碼的編解碼實驗)、突發脈衝數據流的交織解交織實驗等，通過與示波器及邏輯分析儀等輔助設備相配合，可以觀察到數位訊號經調製後的正交模擬信號、經信道編碼後的突發脈衝序列的形成、突發脈衝序列的交織解交織等一系列波形。
實驗箱的射頻模塊採用了鎖相環頻率合成技術，實現了將低頻正交模擬信號調製為900MHz的射頻信號，可以完成移動通信教學中的高頻信號載波發生、高頻信號放大、高頻增益控制、高頻調製、高頻信號發射等實驗，通過與示波器及邏輯分析儀等輔助設備相配合，可以觀察到高頻調製各個過程中的各類信號波形。
實驗箱通過各個模塊以及專用SIM卡的配合，實現了模擬基站的功能，可以完成手機入網、手機主呼和手機被呼等系統級實驗，通過發射由實驗箱產生的GSM信號，可以建立實驗箱和手機之間的通訊聯繫，並且可以通過實驗箱內的頻譜卡提供手機發射功率的頻譜特性。
實驗箱製造成本低廉，易於大範圍的推廣應用。
通過使用本實驗箱來完成移動通信教學的各項實驗，可以極大地豐富教學手段，提高教學質量，同時可以使學生對教學內容有強烈的感性認識，對提高廣大學生的實驗動手能力，實現素質教育的目的，有巨大的推動作用。
四
圖1GSM實驗箱技術方案框圖圖2射頻單元接收部分框圖，虛線框部分屬於射頻單元圖3射頻單元發射部分框圖，虛線框部分屬於射頻單元圖4頻譜分析部分框圖圖5處於接收時基帶單元工作框圖，虛線框內為DSP內部結構圖6處於發射時基帶單元工作框圖，虛線框內為DSP內部結構圖7射頻單元電路圖圖8頻譜分析單元電路圖圖9基帶單元原理圖五、具體實施方案射頻單元參照圖2、圖3和圖7，射頻單元接收部分是通過電容C48與可控衰減器U8的1腳電連接，U8的8腳與C74相連，C74的另一端與混頻器U7的7腳相連，U7的2腳與本振放大U6的6腳相連，U7的5腳與低通濾波器相連，本振放大U6的3腳與L13電感耦合器相連，本振U5的11腳與L13另一端相連，中頻放大U9一端與低通濾波器相連，另一端與中頻放大U10相連，中頻放大U10輸出一端經R18 C72通過IF_OUT接口與頻譜分析單元相連，輸出一端另一路徑R17 C68與對數放大器及限幅單元U11的16腳相連，U11的8腳通過R22C63與U12的15腳相連，U12的17、18腳與A/D轉換單元相連，射頻單元發射部分由U1可編程頻率合成器U1的11腳通過L3 C16與不平衡一平衡轉換器T1的5腳相連，正交調製單元U4的2、1和16腳分別與J1相連，U4的5、6腳通過C17、C18分別與T1的3、1腳相連。
射頻單元接收部分各功能塊說明如下可控衰減器U8接收信號從RX_IN經電容C48耦合至U8的1腳，經U8後從8腳輸出。U8是一種可以根據控制電壓的不同對輸入信號作不同衰減的器件。控制端為3腳，控制電壓由基帶部分的BU8提供。本振U5本振為一鎖相環，根據通信信道由中央處理單元設置輸出頻率。本振放大U6本振信號從U5的11腳經電感耦合器到達放大管U6的3腳。因為混頻器需要大功率的本振信號，經U6放大後從6腳輸出至混頻器。混頻器U7本振信號(從2腳輸入)和射頻信號(從7腳輸入)，在U7中混頻後從5腳輸出。混頻器U7的混頻輸出頻譜中無本振和信號的頻率成分，且組合頻率成分很少。在GSM實驗箱中，混頻輸出本振信號一次諧波和信號一次諧波，經低通濾波器得到很純淨的中頻分量。低通濾波器混頻器輸出的信號經低通濾波器後，取出中頻信號。中頻放大U9，U10經低通濾波後的中頻信號經兩級中放後分成兩路一路(IF_OUT接口)去頻譜分析單元，觀察接收信號的頻譜成分，以便能知道接收信號的質量；另一路去對數放大器。對數放大器及限幅單元U11從16腳輸出的中頻信號在U11中一方面經對數放大器產生與接收信號強度成正比的電壓值，由此電壓值可以知道信號的強弱；同時此信號作為頻譜單元的定時信號。另一方面，中頻信號經限幅放大從8腳輸出去正交解調單元。正交解調單元U12從15腳輸入的中頻信號經正交解調單元，產生模擬的同相正交基帶信號，從17腳和18腳輸出去A/D轉換單元。
現對射頻單元發射部分功能單元說明如下(參考基帶和中央控制電路原理圖)信道碼及突發形成單元BU1及GMSK調製單元BU8參見基帶單元的介紹。載波形成單元U1U1為可編程頻率合成器，根據中央處理單元的控制信號(主要是數據，數據與通信信道有關)。U1從11腳輸出相應的載波。可控衰減器U3可控衰減器U3對發射信號進行衰減。它的控制信號來自基帶部分BU8的35腳，控制衰減量是根據接收信號的強度判斷移動臺距離基站的遠近來定的，遠則衰減小或不衰減，近則衰減大，以減小輻射幹擾。不平衡—平衡轉換器T1正交調製單元要求載波差分輸入。因此鎖相環U1產生的載波必須經過T1轉換才能符合要求。正交調製單元U4正交調製單元U4將從2、1和16腳輸入的差分基帶信號調製到從5腳和6腳輸入的載波上去，調製方式為正交調製。最終信號從11腳輸出，作為發射信號。頻譜分析單元參照圖4和圖8，頻譜分析單元由PJ與PU8相連，PU8放大器通過PR2與A/D轉換器PU4的NINA端相連，PU2中斷形成片選擇碼的32腳與PU7A的2腳相連，4腳與U11的VLOG端相連，PU1、PU3為DSP晶片，分別與PU2及顯示相連，PU5、PU6電平轉換器分別與PU4、PU1相連。
GSM實驗箱中之所以要做頻譜分析部分，是考慮到GSM無線接口協議中對鄰道幹擾的規定。通過觀察功率譜可以看出一個移動臺信號質量的好壞，從而判斷移動臺是否發生故障。
它的工作原理如下(參考射頻和頻譜分析部分電路原理圖)接收信號經下變頻後，經低通濾波器得到中頻信號，由IF_OUT通過射頻線連到PJ處，作為頻譜分析的主體。此信號經3級放大(射頻部分的U9，U10和頻譜分析部分的PU8)，然後送入A/D轉換器PU4(從PU4的24腳輸入)。同時中頻信號經過對數放大器U11(射頻部分)後，從U11的6腳輸出與信號大小成比例的脈衝波，脈衝寬度為577us(時隙寬度)，脈衝間隔為4.615ms(幀長)。此信號到達頻譜分析部分的比較器PU7A的4腳(PWR)，經PU7A整形後，從PU2的32腳輸入作為突發到來的中斷請求信號。PU1接到中斷請求後，向A/D轉換器發片選信號。片選信號經PU2解碼後，產生時鐘給A/D轉換器，A/D轉換器即輸出取樣量化的數據。此數據是突發的採樣數據。數據經PU5，PU6電平轉換後到達DSP。在DSP中進行FFT計算，得到功率譜，再對功率譜進行平滑和平均後，從117腳輸出至顯示單元。基帶單元參見圖9由GMSK解調與信道解碼單元BUI(DSP晶片)，分別與BU2存儲器，BU3程序加載寄存器，BU10BU11和BU6為電平轉換器，BU8為GMSK調製與I|Q信號差分形成單元，分別與BU12及BU10相連。
基帶單元的核心BU1是TI公司的高速DSP晶片。基帶單元處於接收狀態的工作原理由於GSM系統是TDMA方式工作的，所以接收和發射部分並非一直處於工作狀態。BU8的接收部分由27、24腳控制其是否工作。當需要接收時，此時BU1輸出一個低電平信號給這兩個引腳，啟動自動接收操作。GMSK解調和信道解碼單元BU1在GSM實驗箱中，GMSK解調和信道解碼均在BU1中由軟體完成。BU1(DSP)的最小系統由BU2和BU3組成。其中BU2為16位隨機存儲器；BU3為程序加載寄存器。它還有一些外圍輔助器件如BU10，BU11，和BU6均起電平轉換作用，BU1需要與BU8和中央處理單元CU1通信。
當接收的信號由BU8完成A/D轉換後從18腳輸出數字數據流，同時分別從20、21腳輸出接收數據幀同步信號和數據時鐘信號。此三種信號經電平轉換後分別到達DSP的45、43和41腳。在幀同步和時鐘信號的作用下數據串行輸入DSP。CPU接收完一個突發的全部數據後，進行GMSK解調，信道解碼(包括解交織，解卷積等)恢復出原始數據。隨後CPU控制HPI(主機接口)將數據經BU6進行電平轉換，傳給中央處理單元。基帶單元處於發射狀態時的工作原理信道碼及突發形成BU1在GSM實驗箱中，信道編碼，交織，映射及突發形成均在BU1中由軟體完成。處於發射狀態時，DSP的CPU根據中央控制單元的指令(包括指令和發射的數據)，將相應的原始數據進行信道編碼。如發送同步控制信息，則將原始比特經奇偶碼和卷積碼編碼後，加上訓練序列及尾比特，形成同步突發序列。在突發形成控制的作用下，在指定時隙將數據發送給BU8進行GMSK調製。GMSK調製單元BU8發射時，在中央控制單元的控制下，由DSP(BU1)發出控制信號使BU8的發射部分處於工作狀態。經過編碼的發射數據經2腳進入BU8，在BU8中進行GMSK調製，形成I，Q信號，從41和39腳輸出。I，Q信號差分形成BU12由BU8形成的模擬I，Q信號，經BU12後形成I，Q信號，去正交單元BU12。中央控制單元中央控制單元是由以CU1(89C55)為主組成的單片機系統，用於完成與基帶單元、人機接口單元和射頻單元的數據交換及控制。另外還實現模擬基站的位置更新、移動臺主呼、基站主呼等的所有流程。
權利要求1.一個GSM移動通信實驗箱，其特徵在於由分別與公用天線、頻譜分析卡、基帶單元電連接的射頻單元，與射頻單元和中央控制單元電連接的基帶單元，與人機接口單元、基帶單元及頻譜分析卡電連接的中央控制單元，與人機接口單元、中央控制單元及射頻單元連接的頻譜分析卡組成。
2.權利要求1所述移動通信實驗箱，其特徵在於射頻單元接收部分是通過電容C48與可控衰減器U8的1腳電連接，U8的8腳與C74相連，C74的另一端與混頻器U7的7腳相連，U7的2腳與本振放大U6的6腳相連，U7的5腳與低通濾波器相連，本振放大U6的3腳與L13電感耦合器相連，本振U5的11腳與L13另一端相連，中頻放大U9一端與低通濾波器相連，另一端與中頻放大U10相連，中頻放大U10輸出一端經R18 C72通過IF_OUT接口與頻譜分析單元相連，輸出一端另一路徑R17C68與對數放大器及限幅單元U11的16腳相連，U11的8腳通過R22 C63與U12的15腳相連，U12的17、18腳與A/D轉換單元相連，射頻單元發射部分由U1可編程頻率合成器U1的11腳通過L3、C16與不平衡——平衡轉換器T1的5腳相連，正交調製單元U4的2、1和16腳分別與J1相連，U4的5、6腳通過C17、C18分別與T1的3、1腳相連。
3.權利要求1所述的移動通信實驗箱，其特徵在於頻譜分析單元由PJ與PU8相連，PU8放大器通過PR2與A/D轉換器PU4的24腳相連，PU2中斷形成片選擇碼的32腳與PU7A的2腳相連，4腳與射頻單元的U11的6腳相連，PU1為DSP晶片，分別與PU2及顯示相連，PU5、PU6電平轉換器分別與PU4、PU1相連。
4.權利要求1所述移動通信實驗箱，其特徵在於基帶單元由GMSK解調與信道解碼單元BU1(DSP晶片)，分別與BU2存儲器，BU3程序加載寄存器，BU10、BU11和BU6為電平轉換器，BU8為GMSK調製與I、Q信號差分形成單元，分別與BU12及BU10相連。
專利摘要本實用新型提供了一種GSM移動通信實驗箱。有射頻單元、頻譜分析卡、基帶單元、中央控制單元組成。實現了ETSI的GSM900/1800MHz無線接口協議，及模擬基站的部分功能。可以完成移動通信中的數位訊號正交調製和解調、GMSK調製和解調、信道編解碼、交織及解交織、頻分雙工時分多址、高頻信號調製及解調、手機發射功率頻譜測試等原理性教學實驗及手機入網、手機主呼、手機被呼等系統級教學實驗。
文檔編號H04B17/00GK2531593SQ0127340
公開日2003年1月15日 申請日期2001年12月17日 優先權日2001年12月17日
發明者楊宏偉, 高金萍, 蔣小磊, 張暉, 彭闖, 肖忠, 周海, 陳林華 申請人:湖北眾友科技實業股份有限公司