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详解GSM基带跳频和射频跳频

2017-2-15 22:48| 发布者: 00d44| 查看: 1165| 评论: 0

摘要: 基带跳频跳频技术源于军事通信,目的是为了获得较好的保密性和抗干扰能力。跳频分为快速和慢速两种,GSM中的跳频属于慢跳频。跳频方式从时域概念上分为帧跳频和时隙跳频,从载频实现方式上分为射频跳频和基带跳频。 ...

基带跳频

跳频技术源于军事通信,目的是为了获得较好的保密性和抗干扰能力。跳频分为快速和慢速两种,GSM中的跳频属于慢跳频。


跳频方式从时域概念上分为帧跳频和时隙跳频,从载频实现方式上分为射频跳频和基带跳频。


帧跳频:每个TDMA帧频点变换一次,这种方式下,每一个载频可以看做一个信道,在一个小区中帧跳频时BCCH所在的TRX载频上的TCH不能参与跳频,其它不同的载频应有不同MAIO,它是时隙跳频的特例。


时隙跳频:即每个TDMA帧的每个时隙频点变换一次,时隙跳频时
BCCH所在的TRX中的TCH可以参加跳频,但目前只在基带跳频时实现。


射频跳频:TRX的发射TX和接收RX都参与跳频。小区参与跳频频点数可以超过该小区内的TRX数目。


基带跳频:每个发信机工作在固定的频率上,TX不参与跳频,通过基带信号的切换来实现发射的跳频,但其接收必须参与跳频。因此小区跳频频点数不可能大于该小区的TRX数    


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就ERICSSON的设备来说,有X总线的为基带跳频;基带跳频的频点数与载波数是一样的;而综合跳频(射频跳频)的频点数一般比载波数多。移动一般为基带跳频,联通一般用的是综合跳频。联通的可用频点少,在满足容量的基础上面,必须采用综合跳频来降低频点干扰咯。


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基带跳频的技术难点在于如何实现信息数据的高速交换,满足217跳/秒的跳频速度及271kbits/s的数据传输速率。 考虑以无线接口时隙为基础进行数据的交换,交换方法可以是空分、时分、数据包交换。基站在设计中采用了先进的总线技术,以时隙交换为基础实现基带跳频,其具体的实现方法为:每个发射机(TRX)调谐在固定频率,有一个固定的ID号。收发信机的编码器将下行信号编码,形成突发格式数据,编码器根据跳频算法计算本突发应调制的频道(即TRX号),加上有关功率控制等附加信息形成特定的数据包格式,收发信机的编码器在固定的时间(子时隙)内发出数据包。调制器对每个子时隙的数据包的TRX号进行检查,如和本TRX的ID号不同,则收下一子时隙;如相同,则将本子时隙的数据包接收下来,延时一时隙再发射到空间接口,实现了基带跳频。


射频跳频

射频跳频实现的技术难点主要表现在如何实现宽频带内的快速变频和在快速变频的同时如何保证信号的高质量。快速变频与信号的高质量是相互矛盾的。在GSM系统中各个时隙之间的间隙只有二十几微秒,要实现射频跳频,系统必须在时隙之间二十几微秒的保护时间内快速地从一个频点切换到另一个频点。按照以前的技术,在实现快速跳频的同时必然会带来调制精度下降、接收灵敏度恶化、杂散增加以及阻塞性能下降等一系列负作用。


采用紧密频率复用技术时,系统干扰是决定频率复用比的最重要因素。为了降低系统干扰,通常采用的技术是功率控制、非连续发射技术;而为了抗干扰,提高系统在同等干扰条件下的通信质量,通常采用跳频技术。


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因此,跳频是GSM系统抗干扰和提高频率复用度的一项重要技术。 按照GSM规范,慢跳频可以用于GSM通信系统中,跳频是指载波频率在一定范围内,按某种规律跳变。每个小区信道组的跳频功能都能单独激活或关闭。 BCCH由于是广播信道,不参与跳频,TCH信道,SDCCH信道可以使用跳频。基站使用的跳频有两种,基带跳频和射频跳频,各自的实现原理是不相同的。


系统中具有多个相对独立的基带处理单元和载频处理单元,每一个载频处理单元的工作频点固定不变;每一路通信的业务信息由固定的基带单元处理,按照时间顺序和一定的跳频规则,通过总线结构,将处理后待发送的信息传送到工作于不同频点的载频单元处理并发送。这种跳频的实现方式称为“基带跳频”。 


在基带跳频中,每个发信机工作在一个不变的频率,同一话路的突发脉冲,被有控制地送入各个发射机,实现基于基带信号的切换。由于每一个收发信机频率不变,则合路器不需要改变,因此可以用宽带合路器,也可以用空腔合路器。TRX的数目,限制跳频的最大数目。基带跳频的问题是,如果有一个TRX板坏了,则对应的码字丢失,影响通话性能。在另种方式下,每一路业务信息由固定的基带单元和频带单元处理;而频带单元的工作频点由频率合成器提供,在控制单元的控制下,频点可以实现按照一定的规律改变。这种方式称为“频带跳频”或“射频跳频”。 


在射频跳频中,一个发信机处理一个通话的所有突发脉冲所用的频点,是通过合成器频率的改变来实现,而不是经过基带信号的切换来实现,收发信机数目(TRX)不受载频的限制,而取决于小区话务量的大小。由于合成器频率要变化,合路器也要变化,只能用宽带合路器。 这种合成器有大约3db的插入损耗。使用多个合路器级连插入损耗较大,实际应用受到限制。但是,一旦某一TRX发生故障,系统的故障维护功能,会关掉此TRX。



GSM规范并未规定GSM的基站必须使用“基带跳频”或“频带跳频”,基站设备采用的跳频方式将由设备供应商决定;而对于移动终端,因为每个终端只有一套载频单元,所以必然采用频带跳频。


华为基站BTS同时支持两种方式,在基站系统设计中充分考虑到跳频在频率分集和干扰分集的作用,可以同时支持基带跳频和射频跳频这两种实现方式,并在网上获得了规模应用。从实际应用的情况来看,华为自主开发的跳频技术能够提高GSM系统的抗干扰、抗衰落性能,大大提高通话质量,增强紧密复用的组网能力,增加系统容量,具有很强的技术特色。 


射频跳频实现的技术难点主要表现在如何实现宽频带内的快速变频和在快速变频的同时如何保证信号的高质量。快速变频与信号的高质量是相互矛盾的。在GSM系统中各个时隙之间的间隙只有二十几微秒,要实现射频跳频,系统必须在时隙之间二十几微秒的保护时间内快速地从一个频点切换到另一个频点。按照以前的技术,在实现快速跳频的同时必然会带来调制精度下降、接收灵敏度恶化、杂散增加以及阻塞性能下降等一系列负作用。华为的基站是怎样解决这个问题的呢?下面我们从对射频锁相环的分析入手加以说明。 


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锁相环的锁定时间主要由环路带宽决定,带宽越宽锁定时间越短。本振信号的质量主要由参考时钟(鉴相频率)、压控振荡器、环路带宽等因素决定,在环路带宽以内本振的相位噪声取决于参考时钟,在环路带宽以外主要取决于压控振荡器。要将最佳环路带宽变宽只有两条途径,一是降低压控振荡器的性能,这显然不可取;二是提高参考性能。由于GSM系统采用的是200kHz带宽,鉴相频率不可能太高,尤其对于DCS1800系统不可能太小,因此在GSM系统中很难提高环路带宽,即降低频率锁定时间。为了克服以上两个难点,华为公司通过采用一套特有的动态环路带宽及乒乓切换技术,可以很好地解决快速变频与信号质量之间的矛盾。 
  

动态环路带宽技术:工作中环路带宽不是固定的,而是随着系统的需要而变,但系统处于不工作状态时,环路带宽保证变回最佳带宽,使输出信号最佳,保证系统的最佳性能。 


乒乓切换技术:在电路上设计了两个完全相同的振荡器,通过开关对两个本振进行选择,当一个本振工作时,另外一个本振快速锁定到下一个需要的频点上,在两个时隙的中间通过开关切换到另一个本振电路。这样,避免了在时隙的开头和最后出现瞬时的系统性能恶化。 


通过采用特有的动态环路带宽及乒乓切换技术后,实现了900MHz的25MHz带宽、1800MHz的75MHz带宽内的任意跳频,所有跳频指标均超过GSM协议要求。


基带跳频的技术难点在于如何实现信息数据的高速交换,满足217跳/秒的跳频速度及271kbits/s的数据传输速率。 


考虑以无线接口时隙为基础进行数据的交换,交换方法可以是空分、时分、数据包交换。华为基站在设计中采用了先进的总线技术,以时隙交换为基础实现基带跳频,其具体的实现方法为: 
  

每个发射机(TRX)调谐在固定频率,有一个固定的ID号。收发信机的编码器将下行信号编码,形成突发格式数据,编码器根据跳频算法计算本突发应调制的频道(即TRX号),加上有关功率控制等附加信息形成特定的数据包格式,收发信机的编码器在固定的时间(子时隙)内发出数据包。调制器对每个子时隙的数据包的TRX号进行检查,如和本TRX的ID号不同,则收下一子时隙;如相同,则将本子时隙的数据包接收下来,延时一时隙再发射到空间接口,实现了基带跳频。基带跳频对TRX的ID识别实时性要求非常高,在这一点上华为是采用ASIC技术来解决的,可实现高速、可靠的TRX-ID识别功能。


区别

两者的区别是:
1)   基带跳频采用的腔体合成器衰耗小,而射频跳频采用的混合合成器的衰耗大,对基站覆盖范围有一定影响

2)   腔体合成器对频段的要求不如混合合成器灵活,混合合成器的发信机可以使用一组频率,而腔体合成器的发信机仅能使用固定的频率发射。

3)射频跳频比基带跳频具有更高的性能改善和抗同频干扰能力,但其缺点是只有当每小区拥有4个频率以上时效果比较明显;混合合成器要求网网络中各基站必须保持同步,对基站设备性能要求较高。


BTS侧:
对于基带跳频,小区内每个TRX的频率固定,但是用户基带信号在不同时间按一定的规律来变化频率发射。

对于射频跳频,小区内除了BCCH以外的TRX频率随时间变化,但是用户基带信号送到固定的TRX上。

MS侧:
手机只有射频跳频,因为它只有一个接收机。


合成器跳频就是射频跳频。


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