[互联网]通信终端设备GSM数字移动电话机.ppt
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1、通信终端设备GSM数字移动电话机,目的:通过GSM数字移动电话机理论学习 1.了解蜂窝移动通信系统发展,3G移动通信的特点及蜂窝移动通信系统的发展趋势 2.熟悉GSM数字蜂窝移动通信系统的主要技术指标要求 3.掌握GSM数字移动电话机特点、组成,熟悉组成部分的功能作用及电路原理、工作过程 4.学会识图、用图方法,GSM移动电话机、分析方法,熟悉所需仪表正确使用和各种波形、参数的测量方法 5.简单分析手机常见电路故障。授课主要内容:1.移动通信概述 2.GSM移动通信系统的相关技术 3.GSM数字蜂窝移动通信系统 4.GSM移动电话机 5.GSM移动电话机功能电路及作用 6.西门子3508型数字
2、移动电话机主要电路原理及工作过程,第一章 移动通信概述 1.1 移 动 通 信 概 念,移动通信是指通信的双方至少有一方是在运动中进行信息的传输和交换。例如在运动中的人与汽车、轮船、飞机等移动体之间的通信,分别构成陆地、海上和空中的移动通信。移动通信系统是指包括通信双方设备在内的整体。移动通信网是现代通信的重要组成部分。它不仅可以传送语音信息,而且还具有数据终端功能,能够快速而可靠地进行多种信息交换,如数据、传真、图像等通信业务。作为现代通信领域的一种新兴通信手段,移动通信系统具有的可移动性优势是其他通信系统(如固定电话网)无法比拟的。移动通信系统主要有:公用陆地蜂窝移动通信系统、无线寻呼系统
3、、集群移动通信系统和卫星移动通信系统等。移动通信采用无线接入技术,无线电通信是移动通信的基础。现代移动通信技术集中了无线通信和有线通信的最新技术成果,其进步和发展基于计算机、新材料和新工艺等技术的发展,集合了当前最前沿的技术并还在不断研究发展。,第一章 移动通信概述 1.2 移 动 通 信 的 主 要 特 点,移动通信必须利用无线电波进行信息传输(通常是发送时,将信息流上变频,转换为电磁波信号;接收时,将电磁波信号转换为电信号,下变频,还原信息)。移动通信是在复杂的干扰环境中运行(受到天电、工业、广播电台、电视台及本系统邻道信号、其它使用不同多址技术通信系统相互干扰和射频信号在传播时的快、慢衰
4、落等)。移动通信可利用的频谱资源有限,而移动通信业务量需求却与日俱增(要在频率的利用上采用新的技术如多址技术、调制技术等)。移动通信系统的网络结构多种多样,网络管理和控制必须有效(如本地网、省网、国家网、地区(域)网、国际系统网等)。移动通信设备(主要是移动台)必须适于在移动的(如温度、湿度、粉尘、冲击、振动和光线变化、电磁环境巨列波动等)环境中使用。,第一章 移动通信概述 1.3 移动通信发展阶段及技术标准划分,移动通信在20世纪80年代以前是指采用大区制的公用汽车电话系统。移动通信系统的发展和应用技术体制划分,从引进蜂窝技术开始,被分成以下几代移动通信系统:第一代移动通信系统(简称1G):
5、采用调频信号进行通话,以模拟式蜂窝网为主要特征。20世纪70年代中期至80年代初开始商用化,北美AMPS、欧洲TACS两大系统,另外还有北欧NMT及日本的HCMTS。使用无线频段为800/900MHz(早期曾使用450MHz)。重点是解决用户扩容问题。第二代移动通信系统(简称2G):以数字化通话为主,兼顾低速数据通信,以数字蜂窝网为主要特征。20世纪90年代初正式走向商用。其中最具代表性的有欧洲时分多址(TDMA)GSM和北美的码分多址(CDMA)IS95两大系统,能传输9.6Kb/S以下的数据业务。第三代移动通信系统(简称3G):数字宽带、高速率传输,提供移动多煤体业务,比2G有更大的系统容
6、量、更好的通信质量。是国际电信联盟(ITU)于1997年至1999年组织制定的国际移动通信系统(IMT2000)标准,本世纪初投入商用,目前全球已有上亿用户。第四代移动通信系统(4G或称为“后3G”,新一代移动通信系统):为解决系统更大大容量、更高速数据传输、更大宽带和更高频谱利用率为主要特征.采用的QAM、OFMA、智能天线等主要技术。,第一章 移动通信概述 1.4 95年以前世界主要数字移动技术标准,第一章 移动通信概述 1.5 中 国 移 动 通 信 的 发 展,我国民用移动通信事业起步于军事移动通信,其发展可大致分以下几个阶段:第一阶段(1987年-2001年底)建设和使用移动模拟电话
7、网时期:自1987年始,各省(市自治区)先后分别引进摩托罗拉(称A网系统)和爱立信(称B网系统)两大公司生产的、TACS体制的窄带模拟蜂窝移动通信系统。第二阶段(从1994年起)建设和使用GSM数字移动电话网时期:GSM数字移动电话,也称“全球通”移动通信系统。由于其规化早,网络覆盖范围广和密度大,移动用户如今发展到近4亿,约占全国总移动用户数的80%,是移动通信最主要系统。国内GSM网络工作在900MHz(简称G网)和1800MHz(也称DCS网络,简称D网)两个无线频带。GSM系统由“中国移动”和“中国联通”两家通信公司运营。中国移动公司同时使用900MHz和1800MHz两个无线频段,使
8、用电话号段为134139;中国联合通信集团公司目前仅使用GSM系统900MHz无线频段,使用电话号段130132。第三阶段(从2001年底)为建设和投入使用IS-95b技术标准CDMA移动电话网时期:IS-95b技术标准的CDMA移动电话也称cdma One或窄带CDMA(简称C网)。它是一种直接序列扩频通信系统,系统带宽为1.25MHz,无线工作频率800MHz,由“中国联通”独家运营,使用电话号段为133。开发和使用2.5G阶段(2003年始):是针对2G的GSM和CDMA窄带数字移动通信系统,数据传输数率低(9.6kb/s),不能适应高速数据、图像等通信传输要求,逐步提高数据传输速率,向
9、3G的过渡阶段。基于2G系统,GSM系统采用分组交换(GPRS)技术(理论数据传输速率可以达到115.2Kbps);CDMA系统采用增加带宽的CDMA 1x技术(其理论数据可达到153.6 Kbps)来提高信息的传输速率,以满足部分高速数据通信的需求。因采用GPRS和CDMA 1x技术后的数据传输速率高于2G而低于3G故被称为2.5G。,第一章 移动通信概述 1.6 3G 三个技术标准比较(一),WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA都提供在静止状态下2Mb/s数据传输速率,同属宽带CDMA技术,在一个更宽的频带上扩展信号,从而减少多径和衰减带来传播问题,具有更大的容量,具有较强的抗衰
10、落和抗干扰能力。但三者一些关键技术仍存在较大差别,在性能上也有所区别。双工模式 WCDMA与CDMA2000采用FDD模式,上行和下行传输使用两个对称频带,在用于非对称的分组交换数据业务(如互联网)时频谱利用率低。TD-SCDMA采用TDD模式,上行和下行传输使用同一频带,上下行时隙在话音与数据传输时可进行成对或非成对的灵活分配,频谱利用率高。FDD模式较TDD模式抗衰落和抗多普勒性能好,支持移动终端在250Km/h正常通信,而TDD只能维持120Km正常通信。码片速率与载波带宽 WCDMA码片速率为3.84Mchip/s,具有5MHz载波带宽;CDMA2000 1x(单载波,码片速率1.22
11、88Mchip/s)与CDMA2000 3x(三载波,码片1.22883=3.6864Mchip/s)区别在载波不同,分别有1.25MHz和3.75MHz带宽;TD-SCDMA 单载波码片速率1.28Mchip/s,采用三载波设计,每载波具有1.6MHz带宽。载波带宽越高,支持用户数就越多,网塞可能性越小,WCDMA具有较好的优势。,第一章 移动通信概述 1.6 3G 三个技术标准比较(二),智能天线技术 TD-SCDMA上采用。是一组安装在基站的双向天线,通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性,并可同时获取基站和移动台之间各个链路方向特性。可减小小区间及小区内的干扰。越区切换
12、技术 WCDMA与CDMA2000采用越区“软切换”(即越区是先与新基站连通,后与原基站中断)技术。对信道占用资源较大;TD-SCDMA采用越区“接力切换”技术,通过智能天线定位的用户方位和距离信息判断出用户进入切换区时,由所在基站控制器通信切换基站做好准备,完成接力切换。接力切换是一种改进的硬切换技术,可提高切换成功率,与软切换相比可减少切换时对邻近基站信道占用时间。与2G兼容性 WCDMA由GSM网络过渡而来,虽然可保留GSM核心网络,但须重建WCDMA接入网,并不可重用GSM基站设备。CDMA2000 3x从CDMAIS-95、CDMA1x过渡而来,可以保留原有CDMAIS-95设备。T
13、D-SCDMA系统建设只需在GSM网络上增加TD-SCDMA设备即可。WCDMA在升级过程中成本最高。,第一章 移动通信概述 1.7 数 字 移 动 电 话 机,作为通信的重要终端,移动电话机是构成移动通信系统三大(交换、基站、移动台)子系统中不可缺少的移动台部分。数字移动电话机是一种重要的个人用通信工具。是集现代通信技术、计算机技术、新材料和新制造工艺为一体的完美结合。通过移动电话机除可以完成接打电话、发短(彩)信、上网、下载、语音服务等多项通信功能外,还能提供电话簿、和弦铃声、拍照、游戏、和PAD个人数字助理办公及娱乐、多煤体等服务。按使用环境和体积大小的不同,可分为车载机、便携机和手持机
14、三种。而手持机(简称手机)是被使用最多的一种移动电话机。根据使用网络:可分为模拟单模与数字单模手机、模数双模与数数双模(卡)手机;按使用显示屏:可分为单色屏和彩色屏、单屏和双屏;按面板外形结构:可分为直板式、翻盖式和滑盖式手机;按操作方式:可分为按键式、触屏式手机;按工作频率:可分为单频、双频与多频手机;按其使用功能:可分为以话音为主,能发短信功能简单的普通机;带拍摄、彩信传送和多合弦放送音乐的中挡机;集通信、多煤体与商务通功能于一体的智能高挡手机。,第一章 移动通信概述 1.8 移动电话机发展趋势,手机电脑与电脑手机区别越来越模糊,电脑及其强大功能在手机中的嵌入和运用将大大扩展移动电话机的用
15、途,极大提升移动电话的功能和和作用。移动电话机内的处理器运行速度将更快(已经从AMR7内核进化到AMR9,甚至AMR11(还有采用双核机)处理速度超过台式电脑的奔2,达到300MHz);存储器容量将更大,(达到2G);功能将越来越强大,通话主要功能将迅速下降,而非话业务功能的作用将日益增强,蓝牙通信、GPS卫星定位、对MP3、MP4和USB接口支持、多煤体存储卡的支持、微型硬盘、摄像、手机电视等。手机芯片的集成度更高,已经开发出单芯片手机,依靠不同功能芯片开发多功能、多模式的手机速度越来越快。随着3G移动系统的推出,随着带宽增大,数据传输速加快,射频信号处理方式、逻辑电路处理能力都有较大变化。
16、高端与低端手机并存,新颖、高端、多功能和智能化的移动电话机与功能简单或单一用于通话的的低端移动电话将并存。在体积上超轻、超薄、超小型化或可观看视频图像的大屏幕、个性化的移动电话机将会日渐增多.,第一章思考与练习题,1.现代移动通信主要是采用什么信号进行通信?它采用了哪些技术?2.移动通信的主要特点?3.移动通信技术标准的划分及主要特征?4.中国现有几个移动运营商?分别可提供哪些网络业务?其无线工作频率是多少?5.第三代移动通信系统采用的什么多址方式?有几个主要技术标准?6.无线通信的接入方式有几种?,第二章 数字移动通信系统的相关技术 2.1 多 址 技 术,频分多址(FDMA),时分多址(T
17、DMA),码分多址(CDMA),多址技术是指无线接入的方式,简单讲是指移动通信存在多个系统时,移动台区分外系统而只与本系统基站产生呼叫联络或基站区分外系统移动台而只与本系统移动台间产生呼联时,发生在无线频段的一种寻址方式。,第二章 数字移动通信系统的相关技术 2.2 GSM移动电话采用的数字调制技术,数字调制的目的是把数字信号变换成模拟信号,在移动通信中将其上变频,以便在在无线信道中传输。数字调制是指用数字基带信号对载波波形的某些参量进行控制,使的载波参量随数字基带信号的变化而变化。数字调制根据已调信号的结构形式可分为线性调制和恒定包络调制两种。线性调制,已调信号为基带信号与载波信号的乘积,已
18、调信号频谱结构和基带信号结构相同,只是搬移了一个频率位置;非线性(恒定包络)调制中,已调信号的频谱结构和基带信号的频谱结构不再相同,这时的已调信号通常不能简单表示为基带信号与载波信号的乘积关系,其频谱也不再是简单的频谱搬移。,第二章 数字移动通信系统的相关技术 2.3 移动通信系统对数字调制技术的要求,必须具有优良的频谱特性和抗干扰、抗衰落性能即在衰落条件下获得所要求的误码率(BER),载噪比(C/N)和载干比(C/I)。采用恒定包络数字调制技术(避开线性要求,可使用高效率C类放大器即可获得较大的射频输出又可降低移动台的功耗)。为减小信号占用带宽和防止对相邻信道干扰,功率谱要具有快速高频滚降频
19、谱特性(即功率谱除要压缩主辨宽度外,旁辨要很小,保证带外辐射必须降低到所需-60 至-70db)。在规定频带内提供高传输速率(以(b/s)Hz-1为单位(以提高频带利用率)。成本低,易于实现。,第二章 数字移动通信系统的相关技术 2.4 数字调制功率谱图要求,要求:已调波功率谱主瓣占有尽可能多的信号能量,且波瓣窄,具有 快速滚降特性;另外要求带外衰减大:旁瓣小,这样对其他通路干扰就小。,第二章 数字移动通信系统的相关技术 2.5 2FSK调制信号的产生与波形,图中,开关K受二进制信号“0”和“1”控制,当来“1”电平时,K置于上端,载波f1 输出。当来“0”电平时,K置于下端,载波f2输出。二
20、进制信号“0”和“1”类似于键控制着开关K 的转换,可不断输出对应的两个不同频率载波信号。但输出的两个不同载波信号f1 与f2在相邻处存在着相位连续或不连续两种可能性,即会出现下图所示的相位不连续DP2FSK与相位连续CP2FSK。,第二章 数字移动通信系统的相关技术 2.6 CP2FSK与DP2FSK波形,第二章 数字移动通信系统的相关技术 2.7 相位不连续DP2FSK功率谱及带宽,结论:相位不连续DP2FSK功率谱直接通过基带信号频谱在频率轴上搬移描述,带宽B2FSK较大,在考虑带通滤波器时,为基带信号B带宽的(5-7)倍,频带利用率较低,每Hz只有1/(57)(Baud/Hz)。,第二
21、章 数字移动通信系统的相关技术 2.8 相位连续CP2FSK功率谱及带宽,RB=B是基带信号的带宽,c=(1+2)/2称为标称频率;h=|2-1|/RB为调制指数,第二章 数字移动通信系统的相关技术 几种调制信号带宽比较表,从中可以发现,相位连续2FSK信号在选择较小的调制指数h时,信号所占的频带较窄,甚至有可能小于2ASK信号频带,说明此时频带利用率较高。这种小频偏的2FSK方式,广泛用于窄带信道系统数字移动无线电台中。,第二章 数字移动通信系统的相关技术 2.9 最小移频键控(MSK),MSK是2FSK(连续相位CPFSK时)的一种改进形式,是调制指数h=0.5,载波相位在相邻码元的交界处
22、保持连续的相位键控调制的特殊情况。在电路结构形式上是两路正交连续相位2FSK调制的叠加,且正交信号有最小频差。对于给定频带,它能给2FSK传输更高速的数据,频带利用率高,又称快速移频键控(FFSK)。MSK的波形表达式 SMSK(t)=cosc+k kTbt(k+1)Tb(23)式中:为附加相位函数;Tb是码元宽度;ak是第K个码元中的数据(双极性码),取值为1;k是第K个码元的相位常数,在时间kTbt(k+1)Tb 中保持不变(即在相邻码元交替时相位连续)。表达式中 为直线方程中斜率;k为直线方程中截距,k=n。为了方便,假定:相位常数(0)=0,“+”号对应于“1”码,“一”号对应于“O”
23、码。当t0时,附加相位函数(t)可写为,(Tb)-(0)=,(t)=,(24),+k,得出后MSK相位网格图,第二章 数字移动通信系统的相关技术 2.10 MSK相位网格图,相位网格图中,正斜率直线表示传“1”码时的相位轨迹,负斜率直线表示传0”码时的相位轨迹。在每一码元时间内,相对于前一码元载波相位不是增加,2,就是,减少/2。在Tb的奇数倍上取 2两个值,偶数倍上取O、。例如,图中粗线路径所对应的信息序列为11010100。,第二章 数字移动通信系统的相关技术 2.11 MSK调制器方框图,利用三角等式并注意到sink=0 时,式(2-3)可写为SMSK(t)=AaI(t)cos()cos
24、ct-aQ(t)sin()sinct=AI(t)cosct-Q(t)sinct(25)其中:I(t)=aI(t)cos();Q(t)=aQ(t)sin();aI(t)=cosk;aQ(t)=akcosk 得出下框图,MSK调制器波形图,第二章 数字移动通信系统的相关技术 2.12 MSK信号波形图,例:GSM系统的GMSK调制器数字调制信号速率为270.833Kp/s,求频偏(即模拟I/Q基带信号带宽)是多少?答:因标称频率c=(1+2)/2;rb=RB为传输速率;调制指数h=|2-1|/RB=2fd/rb=0.5 频偏fd=rb/4=1/(4Tb)代入fd=rb/4=1/(4Tb)=270.
25、833Kb/4=67.708KHz,第二章 数字移动通信系统的相关技术 2.13 MSK信号功率谱图与频偏的计算,第二章 数字移动通信系统的相关技术 2.14 高斯最小频移键控(GMSK)调制,GMSK是为了解决MSK使信号带外辐射功率高(如在归一化频率(C)/TB=1.5时,MSK功率谱密度大约在-30db),不能降至-60 至-70db,消除对相邻信道(用户)干扰影响,进行改进的MSK。即在MSK调制器输入端接入高斯低通滤波器对输入数据进行平滑处理。与GSM相比,主辨功率增大,旁辨功率减小,输出不用带通滤波器,可获得非常好的恒包络调制信号。,第二章 数字移动通信系统的相关技术 2.15 G
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