（通信与信息系统专业论文）gsmr干扰时域测试系统研究.pdf

b 北京交通。学硕士学位论文 摘要 摘要 铁路全球移动通信系统( g s m r ：g l o b a ls y s t e mm o b i l ef o rr a i l w a y ) 是一种 基于目前世界上最成熟、最通用的公共无线移动通信系统g s m 平台上的数字无线 通信网络，是我国未来的铁路无线专用移动通信网，因此为了优化g s m r 网络， 提高整个网络的安全性能，提高我国铁路的运营效率，需要具备测试干扰源位置 的测试系统，通过排查干扰源的位置以净化网络，增强网络安全性能。 传统的无线通信干扰源定位系统一般都依托于频谱分析仪，用车载式的、方 向性较好的天线+ 频谱分析仪，分析干扰源信号的频域特性，提取接收信号中的 干扰信号，同时朝着干扰源的信号来波方向进行逐步逼进，在逼进过程中不断地 实时地修j 下天线的指向，最后得到干扰源的具体位置。这种定位方法操作方法简 单，但其缺点是设备笨重、投资过高、工作量大且实时性不够，为了解决传统无 线干扰源的定位方法的缺陷，我们提出了用时域的方法解决无线干扰源定位。 文中除了提出根据时域特性对干扰源定位的方法以外，主要针对这种方法介 绍了g s m r 干扰时域测试系统的设计。设计的介绍主要包括两部分，一部分是硬 件的介绍，另一部分是软件的介绍。 整个硬件系统由天线、射频接收机、中频包络检波器以及a d 采样控制系统 构成。文中全面地阐述了这些部分之间的联系和工作状态，并对其实现的功能有 大致的描述。然后，详细介绍了笔者的在此部分中承担的主要工作中频检波 器，其中包括了检波、滤波和放大文中对这三部分的原理、参数设置以及电路 设计方法都有了详细地描述，也描述了方案的修改过程。通过比较分析各种方案 之间的优缺点，选出了其中较好的方案，并通过仿真和实测对电路的可行性进行 了验证。 在软件部分，对上位机的应用程序的各部分功能进行了介绍，对以太网通信 和与g p s 通信功能的实现进行了详细阐述。在g s m r 干扰时域测试系统中，上位 机的控制起到了指导性的作用，它直接对a d 采样电路进行控制。在上位机软件 的设计中包括了接收频道、采样速率、增益控制的设置，同时也包括了采集数据 图形的实时显示和保存数据的功能。文中对这些功能的实现和设置方式展开了介 绍，并且对以太网传输测试数据和控制数据进行了分析。在此部分的最后，对串 口接收g p s 数据的关键技术进行了描述，并简单叙述了上位机控制软件中显示地 理位置信息的功能。 关键词：干扰源；定位：检波；滤波；放大；以太网；串口通信 分类号：t n 9 2 ；t n 9 1 b 北京交通人学硕+ 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：g s m r ( g l o b a ls y s t e mm o b i l ef o rr a i l w a y ) i sb a s e do ng s m w h i c hi s t h em o s tp o p u l a t ea n dm a t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi nt h ew o r l d g s m rh a s b e e nd e c i d e dt ob et h ef u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf o rr a i l w a yi nc h i n a , s o f o r o p t i m i z i n g t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，m a k i n gt h et o t a ln e t w o r ks a f e ra n d i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo f0 1 1 1 r a i l w a y , w es h o u l dd e s i g ns o m er e l a t ed e v i c e s t of i n d o u tt h ed i s t u r b i n gs i g n a l st h a ta r e n tf r o mg s m rs y s t e m m a n a g i n gt h e s ed i f f i c u l t i e s t om a k et h en e t w o r kc l e a n e r , w e 1 1g e tas a f e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o r r a i l w a 脚s m i l c o n v e n t i o n a l d i s t u r b a n c e - l o c a t i n gs y s t e m i s g e n e r a l l yb a s e do n as p e c t r u m a n a l y z e r m i x e ds i g n a l sw i l lb ea n a l y z e di nf r e q u e n c y - d o m a i na n dd i s t u r b i n gs i g n a l s w i l lb ee x t r a c t e df r o mm i x e ds i g n a l sb yu s i n gas p e c t r u ma n a l y z e ra n da na n t e n n aw j t l la g o o dd i r e c t i o n ，w h i c hi sf i x e di na na u t o m o b i l e m e a n w h i l e ，m o d i f yt h ed i r e c t i o n so f d i s t u r b i n gs o u r c e s ，a n df i n a l l yg e tt h el o c a t i o n si n d e t a i lo ft h ed i s t u r b a n c e s ，t h i s p r o c e s si sv e r ys i m p l ea n dc o r r e c t , h o w e v e r , t e s t i n gd e v i c e sa r ev e r yh e a v ya n d e x p e n s i v ea n do p e r a t o r sc o r r e l a t i v e l y s h o u l d d om u c hw o r k ，t oi m p r o v et h e s e l i m i t a t i o n s ，w e 1 1b r i n gf o r w a r dan e wm e t h o d ，m a n a g i n gt h es i g n a l si nt i m e d o m a i n ，t o l o c a t ed i s t u r b i n gs o u r c e s a d d i t i o n a l l y , a c c o r d i n gt ot h i sn o w m e t h o d ，t h ed e s i g n i n go f s y s t e mf o rm e a s u r i n g i n t e r f e r i n gs o u r c e si nt i m ed o m a i ni sm a i n l yd i s c u s s e d t h i sd e s i g n i n g i si n t r o d u c e di n t w op a r t ss e p a r a t e l y ；o n ei st h ei n t r o d u c t i o no fh a r d w a r e ，a n o t h e ri st h ei n t r o d u c t i o no f s o f t w a r e t h eh a r d w a r eo fs y s t e mc o n s i s t so fa n t e n n a ，1 l fr e c e i v e r , i fe n v e l o pd e t e c t o ra n d a ds a m p l i n gs y s t e m t h e i rr e l a t i o n s h i pi sd i s c u s s e dt o t a l l y , a n dd e s c r i b e st h e i r f u n c t i o n s t h e n ，i fe n v e l o pd e t e c t o r , w h i c hi sd e s i g n e db yt h ea u t h o r , i n c l u d i n g d e t e c t i n g , f i l t e r i n ga n da m p l i f y i n g ，i si n 仃o d u c e di nd e t a i l i t sp r i n c i p l e ，p a r a m e t e r s e t t i n g sa n dc i r c u i td e s i g nm e t h o da r ed e s c r i b e di nd e t a i la n da l s ot h ep r o c e s so f r e v i s i o n w i t ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fv a r i o u s p r o g r a m s ，t h eb e t t e ro n ei ss e l e c t e d ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ec i r c u i ti sv a l i d a t e db y s i m u l a t i n g 1 1 1 es o f t w a r ef u n c t i o no fs y s t e mi s i n t r o d u c e d ，e s p e c i a l l y o ne t h e r n e t c o m m u n i c a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nf o rt h eg p s t h ec o m p u t e rw i t hs o f t w a r ec a n b 北京交通人学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e i v et h ew a v e f o r md a t aa n dc o n t r o lt h e ds a m p l i n gc i r c u i t t h i ss o f t w a r el n c l u d e d t h es e t t i n g so ff r e q u e n c y , s a m p l i n gr a t ea n dg a i n i ta l s oi n c l u d e st h ea c q u i s i t i o no f r e a l t i m ed a t ad i s p l a y i n ga n dg r a p h i c sd a t ap r e s e r v a t i o n i nt h i sp a p e r , t h er e a l i z a t i o no f t h e s ef u n c t i o n si sd i s c u s s e d ，a n dt h ee t h e r n e t t r a n s m i s s i o nt e s td a t aa n dc o n t r o ld a t a w e r ea n a l y z e d i nt h ef i n a lp a r t ，t h ek e yt og p st e c h n o l o g y ，t h es e r i a ld a t ar e c e i v i n g ， h a sb e e nd e s c r i b e d ，a n db r i e f l yd e s c r i b et h ep cc o n t r o ls o f t w a r et od i s p l a yg e o g r a p h i c i n f o t i n a t i o nf u n c t i o n s k e y w o r d s ：d i s t u r b i n gs o u r c e s ；l o c a t e ；d e t e c t i o n ；f i l t e r i n g ；a m p l i f i c a t i o n ；e t h e m e t ； s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n ； c l a s s n o ：t n 9 ；t n 9 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：0 争谎 签字日期：d 胡年1 善月t 日 导师签名司挑 签字日期：h 岬年f l 月 北京交通人学硕士学位论文 独创性卢明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者躲兰诜签字嗍泖7 年，胡上日 致谢 论文的最终完成，得益于老师、同学和朋友的指导和帮助。 衷心感谢指导老师周克生副教授的教育和培养。在研究生阶段的学习和论文 写作过程中，从基础知识的学习和科研能力的培养，到论文的选题、深入、提文， 周克生老师在每一个环节都以他敏锐的视角、渊博的知识和对科学研究的严谨态 度对我做了关键性的指引。师从周老师近3 年，在学习、科研及生活方面给予我 的教导、帮助和表率将使我受益终身。我将永远铭记周老师的教诲。 在这两年半的研究生阶段，实验室的每一位老师都给了我很大的帮助，使我 对电磁兼容理论的理解更加深刻，对实际测量仪器的操作更加熟练。衷心感谢沙 斐老师、周克生老师、闻映红老师、王凤兰老师、朱云老师、王国栋老师，他们 平易近人、学识丰富、治学严谨和思维敏锐，为我创造了良好的实验室环境并提 供了许多帮助。 感谢电磁兼容实验室的陈嵩、盂东林师兄，他们在我论文的完成过程中和平 时的学习上都给了我很大的帮助，尤其是陈嵩师兄，在整个科研项目的开发过程 和论文的思路写作过程中都给了我极大的帮助，在此致以特别感谢。 感谢曲璐、李静、李潇、尹成、杭晨哲、翟杰、苏立轩、陈家奎、许洪岩、 杨光等同学给予我无私的帮助，同时感谢张晓燕等师妹师弟们营造的良好的实验 室氛围，大家一起讨论，发现问题、解决问题，共同进步，与他们相处的快乐日 子令我今生难忘。 衷心感谢我的父母家人对我的关心和支持，没有你们在背后默默的支持就不 会有现在的研究生生活，在今后的工作生活中，我一定好好工作，刻苦钻研，决 不辜负你们的期望。 最后，再次衷心感谢所有帮助我的老师、同学和朋友! j e 京交通人学硕十学位论文绪论 1 1g s m r 综述 1 绪论 1 1 1g s m r 从g s m 的衍生 g s m r 是一种基于目前世界最成熟、最通用的公用无线通信系统g s m 平台 上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式的无线通信系统。所以说到g s m r 系 统，就一定要提到g s m 系统。为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要种公共 的系统，1 9 8 2 年北欧国家向欧洲邮政电信会议( c e p t ) 提交了一份建议书，要求 制定9 0 0 m h z 频段的公共电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信 标准协会( e t s i ) 技术委员会下的“移动通信特别小组( g r o u ps p e c i a lm o b i l e ) ” 简称“g s m , 由该小组来制定有关的标准和建议书。1 9 8 7 年5 月g s m 成员国就数 字系统采用窄带时分多址( 1 i m a ) 、规则脉冲激励线性预测r p e l t p 话音编码和 高斯滤波最小频移键控( g m s k ) 调制方式达成一致意见。同年，欧洲1 7 个国家 的运营者和管理者签署了谅解备忘录( m o u ) ，相互达成履行规范的协议。与此同 时还成立了m o u 组织，致力于g s m 标准的发展。1 9 9 0 年完成了g s m 9 0 0 的规范 制定，共产生大概1 3 0 项的全面协议书，不同建议书经分组而成为一套1 2 系列的 e t s ig s m 标准建议书。1 9 9 1 年在欧洲开通了第一个系统，同时m o u 组织为该系 统设计和注册了市场商标，将g s m 更名为“全球移动通信系统( g l o b a ls y s t e mf o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) ”。从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。1 9 9 2 年，大多数欧洲g s m 运营者开始商用业务。此后，g s m 系统在全球迅速发展， 全球绝大多数移动运营商都采用了g s m 制式。到2 0 0 3 年3 月g s m 网络已经覆盖 近2 0 0 个国家，4 5 0 家运营商经营g s m 网络，总用户数超过8 亿。我国自从1 9 9 2 年在嘉兴建立和开通第一个g s m 演示系统，并于1 9 9 3 年正式开放业务以来，取 得了惊人的发展，现今，中国移动通信也成为世界上用户最多，网络规模最大的 移动通信运营商。 而g s m r ( g s m - r a i l w a y ) 是由在g s m 蜂窝系统上增加了调度信号功能和适 合高速环境下使用的要素组成，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信的 要求。由于g s m r 可实现跨国界的高速和一般列车之间的通信，能将现有的铁路 通信应用融合到单一的网络平台中，以减少集成和运行费用。在g s mp h a s e 2 + 中 添加了高级语音呼叫业务( a s c i ) 特性，能灵活地提供专网中所需的语音调度服 务，如v b s 、v g c s 和e m l p p 。 g s m r 针对铁路列车调度、列车控制、支持高速列车等特点，为铁路运营提 供定制的附加功能的一种经济高效的综合无线通信系统。g s m r 系统很多技术借 北京交通人学硕士学位论文 绪论 鉴了公网的g s m 技术，保留了g s m 的大体结构，使得从一开始g s m r 系统就 是一个成熟可靠的系统，它的绝大多数软硬件都已在现网中得到检验。不仅如此， 由于两者都工作在9 0 0 m h z 频段，因此在无线网络规划方面也基本相同，g s m r 系统的规划设计也可借助于己成熟的g s m 系统工具，可以方便快捷地为用户提供 网络设计安装。它同样采用g s m 中的蜂窝系统。g s m r 基于g s m 的基础结构及 其提供的电信业务，提供了铁路特有的基础业务，并以此作为一个信息化的平台， 使得用户可以在这个信息平台上轻松的开发各种各样的铁路应用。 1 1 2g s m r 的发展历程及其在中国的发展状况 g s m r 最早在欧洲发展起来，1 9 9 3 年，国际铁路联盟u i c 与欧洲电信组织 e t s i 协商，确定了欧洲各国铁路下一代无线通信以g s mp h a s e - 2 为标准的g s m r 技术。1 9 9 7 年2 4 个国家的3 2 个铁路组织签署了g s m r 谅解备忘录。1 9 9 9 年， 第一个g s m r 网络在瑞典铁路建成。 截至2 0 0 2 年底，我国铁路营运里程己达7 1 5 0 0 k m ，居世界第三位，预计到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程达到9 0 0 0 0 k m 左右。在这样庞大的铁路交通运输网中，需 要选择一种新的铁路数字移动通信技术。 我国从1 9 9 4 年就开始对专用移动通信技术进行跟踪研究，当时研究的重点是 对g s m r 和陆上集群无线电通信( t e t r a ) 系统进行比较。由于g s m r 具有更 适合铁路运输特点的功能优势、更成熟的技术以及更符合通信信号一体化技术发 展的需要，更重要的是g s m r 支持铁路移动通信的可持续发展，因此2 0 0 0 年底 我国正式确定将g s m r 作为铁路未来发展的方向【2 】。 2 0 0 3 年1 2 月，铁道部与华为公司签订了大秦铁路g s m r 工程合作框架。华 为公司承建大同至秦皇岛铁路的g s m r 系统工程，为全长6 0 0 余公里的晋煤东运 主干线提供综合通信服务保障。一时间，g s m r 这项针对铁路通信所设计和使用 的技术在经历了多年的争议之后，终于在中国落地。p 】 2 0 0 4 年3 月，铁道部与北电网络签署了青藏铁路g s m r 网络的试用协议。该 实验网络覆盖长达1 8 6 公里的铁路线，是亚洲第一条采用g s m r 来传输用于列车 控制的安全数据的试验网，并采用双网覆盖的解决方案来增强系统的可靠性，而 无需传统的模拟系统作为后备支持。北电网络提供先进的无线网络设备，其中包 括i n 、m s c 、b s c 和b t s ，并将g p r s 引入g s m r 网络中。g p r s 是g s m r 的 重要组成部分，可支持数据传输应用和面向无线局域网( w l a n ) 等全新的位置 特定服务和应用。该项目己于2 0 0 4 年的1 1 月中旬完成g s m r 系统的建设和测试 工作，2 0 0 5 年4 月完成g p r s 系统的建设工作。 大秦铁路和青藏铁路g s m r 工程的建设和试验的丌展，加快了g s m r 系统 北京交通人学硕十学位论文 绪论 在中国的实现和发展，加快铁路信息化建设的步伐，促进铁路现代化的发展，提 高铁路的竞争能力，使铁路更好地为社会提供运输服务。虽然我国的g s m r 尚处 于初期建设阶段，但是随着高速铁路建设的迅速发展，对铁路信息化水平要求不 断提升，大规模部署g s m r 将是迟早的事情，同时对g s m r 的网络规划及优化 工作也是一个重大的考验，其主要面临的问题也就是网络i 日j 协调和抗干扰问题。 1 1 3g s m r 干扰 在g s m - r 系统中，干扰将引起误码增加、话音质量下降、数据传输差错增加。 干扰严重时，会使无线信道干扰电平达到门限值而阻塞，引起频谱资源的浪费。 g s m r 移动通信系统作为铁路专用移动通信系统，与公众移动通信系统不同的是 它要求系统具有更高的可靠性和o o s 来保障列车的安全运行。因此，在g s m r 移动通信网络建设中应特别注意解决干扰问题，以便g s m r 网络更好地发挥作用。 在分析g s m r 移动通信系统中的干扰时，首先应明确中国铁路g s m r 系统 的合法工作频率。中国铁路g s m r 系统工作在8 8 5 8 8 9 9 3 0 9 3 4 m h z 频段范围内， 单行链路共4 m h z 带宽。该频段为铁路g s m r 系统与中国移动公众移动通信系统 按地域公用，铁路g s m r 系统使用该频段的地域范围是：在直辖市、省会城市和 计划单列市的城区，g s m r 系统协调的覆盖范围应小于铁路轨道两侧各2 k m ：在 其他地域协调的覆盖范围应小于铁路轨道两侧各6 k m 。 从上述可以看出，由于中国铁路g s m r 系统使用的频段比较特殊，所受到干 扰的可能性就比较复杂，不过也不外乎下面几种可能的干扰： 同频道干扰 时隙干扰 邻频道干扰 码间干扰 互调干扰 那么，如何判定这些干扰，又如何查找这些干扰，就都是本文将要讨论的问 题。【4 】 1 2g s m r 干扰源定位时域方法 传统上寻找干扰源的方式是先列出怀疑的干扰设备。然后再至高点测试，定 出方向和范围，再驱车测试。在前面已估计的范围的主要进行慢速行驶，发现强 干扰以后进行下行定点测试。测试的仪器主要是基于频谱分析仪与定向天线。测 试信号，不经处理直接将信号输入到频谱分析仪中，利用频谱分析仪能较准确的 分析出接收信号的频谱特性，并且可以简便地测量信号的频率、功率、谐波含量、 调交品质、信号失真、噪音或干扰。如果干扰覆盖了期望接收的信号，那么频谱 北京交通人学硕士学位论文绪论 分析仪上的显示将相对明显。这种传统的无线定位方式操作简单，分析结果也较 准确。但是，在测试过程中，寻找一个至高点测试并不容易，而且有些地方并不 能驱车测试( 尤其是铁路沿线) 。而且，测试设备昂贵且笨重，测试量大。同时由 于数据处理是利用频域来分析，所以将信号通过f 丌从时域信号转换成频域信号 需要较长的处理时间，定位的实时性不高。在这种背景下，我们提出了用时域的 方法。该方法的总体思路是快速、粗略地判定是否存在干扰信号，并以g p s 为辅 助工具，得到各个测试点的坐标，设计一个合适的算法计算干扰源的大概位置。【5 】 1 3本课题研究的意义 前面已经提出了g s m r 系统是由g s m 系统演化而来，它加入了许多针对铁 路运行的功能( 见图1 1 ) 。 亍一 i 列车支持通信 l ， l 车站本地通信 li i 广域逼信 ii 旅客业务 i7 臣j 三 玉 j 幽1 1g s m r 功能幽 g s m rf u n c t i o n 当网络存在干扰时，不论是上行干扰还是下行干扰，都将给整个网络的j 下常 运行带来非常大的损失，尤其是g s m r 系统，这个中国铁路的无线专用网，它的 安全性和效率将直接关系到我国的铁路事业、人民的人身安全和国门经济，所以 高效，准确地定位干扰源十分必要的。在测试阶段碰到干扰情况或已在运行中遭 投诉存在干扰问题，我们通过定位干扰源找出干扰源的具体位置，排除故障，优 化网络，积累经验，提高运营效率，提高g s m r 系统的安全性能。【6 】 1 。4论文的结构与主要工作 本文从理论出发，对g s m r 时域干扰测量方法进行了分析与研究：阐述了测 4 北京交通人学硕十学位论文绪论 试系统的结构和一些设计中的技术细节；然后通过实测情况对干扰测量的时域 方法进行了评估。全文具体结构如下： 第一章绪论 阐述选题背景和课题研究的意义，提出了用一种新的方法来定位无线干扰源。 第二章g s m r 系统时域特性 本章主要论述了g s m r 调制的原理，从而可以在时域上对信号进行分析。在 时域上，所分时隙代表了各个信道，每个时隙都用突发脉冲的形式进行信息传输。 并通过对突发脉冲结构的分析，简单阐明了分辨干扰原则。 第三章g s m r 干扰与定位 本章主要介绍了g s m r 系统中可能出现的干扰，分析了各干扰类型出现的原 因，以及g s m r 系统中判别干扰的原则。提出了一种定位干扰源的方法，以适应 观察时域波形定位的要求。最后分析了这种定位方法理论上的不确定度。 第四章g s m r 干扰时域测试系统设计 本章大概介绍了g s m r 干扰时域测试系统的大体功能和运行机制。对笔者在 g s m r 干扰时域测试系统中工作的主要部分进行了详细阐述，其中包括中频检波 电路和上位机控制程序。 第五章总结与展望 对笔者作出的工作进行了总结，并针对工作的不足之处提出了改进意见。最 后，对以后的工作方向提出了展望。 北京交通人学硕十学位论文g s - i - r 系统时域特性 2 g s m r 系统时域特性 2 1g s m r 调制信号 2 1 1频分多址( f d m a ) 技术 频分，有时也称之为信道化，就是把整个可分配的频谱划分为许多单个无 线信道( 发射和接收载频对) ，每个信道可以传输一路话音或控制信息。在系统控 制下，任何一个用户都可以接入这些信道中的任何一个。 2 1 2时分多址( t d m a ) 技术 时分多址( t d m a ) 是在一个宽带的无线载波上，按时间( 或称为时隙) 划 分为若干个时分信道，每一个用户占用一个时隙，只在这一个制定的时隙内收发 信号，故称为时分多址。 t d m a 是一种较复杂的结构，最简单的情况是在单路载频上将时间划分成 许多不同的时隙，每个时隙传输一路猝发式信息。t d m a 中关键的部分是用户部 分，给每一个用户分配一个时隙( 在呼叫时开始分配) ，用户与基站之间进行同步 通信，并对时隙进行计数。当自己的时隙到来时，手机就启动接收和解调电路， 对基站发来的猝发式信息进行解码。同样，当用户要发送信息时，首先将信息进 行缓存，等待自己的时隙到来。在时隙开始后，再将信息以加倍的速率发射出去， 然后又开积累下一次猝发式传输。【7 】 2 1 3t d m a 帧结构 g s m r 同g s m 一样，在无线接口上综合了f d m a 和t d m a 两种接入技术， 用于把通信媒介分割成多条独立信道，以提高系统利用率。g s m r 无线路径上的 传输单位是由调制b i t 组成的脉冲串，成为 b u r s t ”。“b u r s t ”是有限长度，占据有限 频谱信息，它在一个时间和频率窗口上发送，称这个窗口为“s l o t ”。更准确地说“s l o t ” 的中心频率位于系统频带上2 0 0 k h z 的间隔上，并且以0 5 7 7 m s 的时间周期重复， 或者精确地说以1 5 2 6 m s 重复。这个由频域和时域构成的空间“s l o t ”就是f d m a 与 t d m a 在g s m r 中的应用。 幽2 it d m a 帧结构 t d m af r a m es t r u c t u r e 由于每个“s l o t 时白j 间隔都相同，我们定义这个固定时间间隔为时隙( t i m e s l o t ) 。每一个t d m a 帧含8 个时隙，共占4 6 1 5 m s ，每个时隙含1 5 6 2 6 个码元， 占0 5 7 7 m s 。 北京交通人学硕十学位论文g s m r 系统时域特性 幽2 2 b u r s t 立体图 b u r s t3 - dp a t t e m 2 1 4突发脉冲序列( b u r s t ) t d m a 信道上个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。b u r s t 是指m s 与基 站间一个载频上8 个时隙中任一时隙内发送的信息比特流，约为1 5 6 2 5 b i t 。其结 构在前面也有了初步的介绍，下图表示了b u r s t 时域波形： 时问 幽2 3 b u r s t 平面图 b u r s t2 - dp a t t e r n 突发脉冲序列分为五种类型：普通突发脉冲序列，空闲突发脉冲序列、频率 校币突发脉冲序列、同步突发脉冲序列和接入突发脉冲序列。以上5 种突发脉冲 序列由于其所起的作用不同，因此其结构和内容也不同，现具体介绍如下： j 7 j ( 1 ) 普通突发脉冲序列：它有2 个5 8 b i t 的分组用于消息字段，具体地有2 个5 7 b i t 用于消息字段来发送用户数据或话音，再加上2 个偷帧标志位，它用于表 北京交通人学硕十- 产位论文 6 s m r 系统时域特性 示所传送的是业务消息还是信令消息，如用来区分t c h 和f a c c h 。当t c h 信道 需用做f a c c h 信道来传送信令时，它所用的8 个半突发脉冲序列相应的偷帧位须 置为1 。此外，该突发脉冲序列还包含前后两个3 个b i t 的尾比特和8 2 5 b i t 的保护 自j 隔。它的训练序列放在中自j ，为2 6 b i t 。 尾比特数据 训练序列数据尾比特保护间 隔 3 b i t5 7 b i t 加12 6 b i tl5 7 b i t 加3 b i t 8 2 5 b i t 密 密 ( 2 ) 接入突发脉冲序列( r a c h ) ：用于随机接入过程中，它是基站在上行方 向上解调所需的第一个突发脉冲。它包含首部8 b i t 和尾部3 b i t 的尾比特，6 8 2 5 b i t 的保护间隔，4 1 b i t 用于同步信息的训练序列及3 6 b i t 用来加密的数据序列。该突发 脉冲序列只规定了一种固定的训练序列，受干扰的可能性很小，其训练序列和保 护间隔都比普通脉冲要长，这是为了适应移动台首次接入( 或切换到另一个b t s ) 后不知道时间提前量( t a ) 的缺陷并提高系统的能力而设定的。 ( 3 ) 频率校正突发脉冲序n ( f c c h ) ：它用于移动台的频率同步，相当于一个 未调载波。该序列有1 4 2 个固定比特用于频率同步，它的结构十分简单，固定比 特全部为0 ，当使用调制技术后，其结果是一包络信息为递减的纯j 下弦波。它应用 在f c c h 信道上来使移动台找到并且解调出同一小区内的同步突发脉冲序列，当 移动台通过该突发脉冲序列知道该小区的频率后，才能在此信标频道上读出在同 一物理信道上的随后的突发脉冲序列的信息来( 如s c h 及b c c h ) ，保护间隔和尾 比特同普通突发脉冲序列相同。 尾比特数据尾比特保护自j 隔 ( 4 ) 同步突发脉冲序列：它用于移动台的时间同步，其训练序列尾为固定已 知的6 4 b i t ，2 个3 9 b i t 的信息字段。它用于s c h 信道，属于下行方向。由于它是 第一个需被移动台解调的突发脉冲，因而它的训练序列较长且容易被检测。 北京交通人学硕十学位论文g s m - r 系统时域特性 尾比特 数据数据 尾比特保护间隔 3 b i t 3 9 b 加6 4 b i t 同3 9 b i t 加 3 b i t8 2 5 b i t 密 少 密 ( 5 ) 空闲突发脉冲序列：该序列不携带任何信息，格式与普通突发脉冲序列 相同，其中加密比特改为具有一定比特模型的混合比特。 尾比特尾比特保护倒隔 3 b i t 1 4 2 b i t 调制 3 b i t8 2 5 b i t 通过分析以上各种突发脉冲序列的格式，我们得到每个突发脉冲序列的头部 和尾部构成基本相同，都为3 b i t 尾比特+ 1 4 2 b i t 数据比特+ 3 b i t 尾比特+ 8 2 5 b i t 保 护间隔组成，主要区别是中间部分的数据成分，f c c h 突发脉冲序列和r a c h 突 发脉冲序列比较特殊，结构比较简单，判定突发干扰脉冲序列比较简单，而其他 的突发脉冲序列数据部分结构较复杂，数据序列和训练序列存在较大的随机性， 不易判定，我们通过分析信道一定的多帧结构来作为判断的辅助工具。 下面以手机开机为例说明突发脉冲的应用： 频率校正突发接收下行信道信息，完成手机频率校正功能。 同步突发接收下行信道信息，完成手机帧同步功能。 常规突发接收下行信道上的系统消息。 接入突发在上行信道上完成手机接入申请功能。 普通突发在双向信道上完成鉴权后进入空闲状态。 空闲突发上下行没有消息传送时，发送空闲脉冲。 2 2g m s k 调制与解调 2 2 1g m s k 调制 1 9 7 9 年由日本国际电报电话公司提出的g m s k 调制方式有较好的功率频谱 特性，较忧的误码性能，特别是带外辐射小，很适用于工作在v h f 和u h f 频段 的移动通信系统，越来越引起人们的关注。g a u s s i a nf i l t e r e dm i n i m u ms h i rk e y i n g ， 高斯滤波最小频移键控，这是g s m r 系统采用的调制方式。数字调制解调技术是 数字峰窝移动通信系统空中接1 2 1 的重要组成部分。g m s k 是从m s k ( 最小移频键控) 发展起来的一种技术。m s k 调制实际上是调制指数为o 5 的二进制调频，具有包 络恒定、占用相对较窄的带宽和能进行相干解调的优点。但是m s k 的带外辐射较 高，影响了频谱效率。为了抑制带外辐射、压缩信号功率，可在m s k 调制器i j i 加 入预调制滤波器。g m s k 的基本原理是让基带信号先经过高斯滤波器滤波，使基 带信号形成高斯脉冲，之后进行m s k ( 最小频移键控) 调制( 见图2 4 ) 。g m s k 提 高了数字移动通信的频谱利用率和通信质量。 北京交通人学硕十学位论文g s m - r 系统时域特性 塑叫而赢订瓜赢丽竺擎口 【_ j i - j 幽2 4 g m s k 调制方式 g m s km o d u l a t i o n 为了更好地理解g m s k 调制，我们先分析m s k 调制。m s k ( 最小频移键控) 调制是调制指数为0 5 的二进制调频，基带信号为矩形波形，频偏为 2 4 = - l = r 2 ，信号的数学表达式为： 口( f ) =删2 垦嘶川钧瓦 ( 2 1 ) 墨( f ) _ j 叫呼+ 氓o ) 】( 鹞) 式中，q ，哆表示1 ，o 码的两个角载频；口( o ) 为m s k 己调波初相；毛：印 为一个码元( 比特) 能量，4 为信号幅度。 由式( 2 1 ) 可得， 嘛( f ) = j 叫呼+ 删= j 孺叫z 砥雒+ 删 凶铒 ( 2 2 ) 比较式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) ，表明m s k 信号的瞬时相位口( f ) 由两项组成，即 g ( t ) = + _ a c a t + 口( o ) ( 2 3 ) 也即 口( f ) = 罢；f + 口( o )( o f 瓦) ( 2 4 ) 1 6 由于矾= 1 2 ，因此 ) 轰h ( o f 瓦) q 5 ) 即 e ( t ) = 妒即) ( 锝) 嘲， 专h ( 空号) 在码元符号转换时刻，即f = 瓦时，有 0 ( 2 6 ) 北京交通人学硕十学位论文 g s m r 系统时域特性 曰( 瓦) = 鲁+ p ( o ) ( 传号) 一詈坝o ) ( 空号) ( 2 7 ) 式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 结果表明，每个码元符号( 已调波) 所持的相位，是在 此码元上一个转换时刻的“初始”相位口( o ) 基础上，以线性增( 传号时) 或线性减 ( 空号时) ，到该码元结束时增或减的相位量为+ 石2 或一万2 若像图2 4 那样，在m s k 调制之前加入高斯滤波器，其单位冲激响应为： ( f ) = 坚唧( ( 一三f ) 2 ) ( 2 8 ) 式中，口是与高斯滤波器的3 d b 带宽b b 有关的参数，其值为： 口忍：j 半。o 5 8 8 7 ( 2 9 ) 从而，预调制滤波器的输出为： x c t ) = s ( f ) 4 = 巳g ( t 一月瓦) ( 2 1 0 ) 由于滤波形成的高斯脉冲包络无陡峭的边沿，亦无拐点，所以经调制后的已 调波相位路径在m s k 的基础上进一步得到平滑，它把m s k 信号的相位路径的尖 角平滑掉了( 见图2 5 ) ，因此频谱特性优于m s k 和s f s k 。 页? ) 3 x 1 2 t ，2 一万，2 - 3 目 1 2 r j2 f 式( 2 1 0 ) 中，g ( t ) 为高斯预调制滤波器的脉冲响应： g ( f ) = 6 ( f ) ( f ) = f 1 睡 ( f ) 打 r - 专譬毛a 忙 2 卜 北京交通人学硕十学位论文g s m r 系统时域特性 当b b t b 取不同值时，烈t ) 的波形如图2 6 所示，其中t b 为码元传输速度。 图2 6 高斯滤波器的矩形脉冲响应 r e c t a n g u l a rp u l s er e s p o n s eo f g a u s s i a nf i l t e r 根据不同的调制需要选择不同的b b t b 值。在g s m r 信号调制中一般选用b b t b = 0 3 。 因此，g m s k 调制信号的表达式为： s 。sp 轰阻如哪一争h 眩 式中，a n 为输入数据，瓦为传输速率，q 为载波角频率。 通过计算机仿真得到g m s k 调制的功率谱密度，如图2 6 所示为不同的b b t b 所得到的g m s k 调制功率谱密度的比较。其中横坐标为归一化频差( f - f c ) t b ，纵坐 标为功率谱密度，参变量b b t b 为高斯低通滤波器的归一化3 d b 带宽b n 与码元长 度t b 的乘积。b b t b = o 鞠曲线是m s k 信号的功率谱密度。g m s k 信号的功率谱密 度随b b t b 值的减小变得紧凑起来。【8 】 2 2 2g m s k 解调 g m s k 调制是将输入信号经过高斯滤波器预滤波并经m s k 调制而得到的，因 此g m s k 信号