4. Мобильные станции

data-ad-format="link">

Мобильные станции — MS (Mobile Station) — (мобильные телефоны, сотовые радиотелефоны и т.д) в пределах каждого класса модели в определенном стандарте сотовой мобильной связи различаются между собой не только количеством сервисных услуг, но и параметрами приемно-передающих трактов, конструкцией, внешним видом, блоком управления и т.п.
 
На мировом рынке существует большое количество и многообразие мобильных станций, однако все они имеют следующие типовые блоки (рис. 4.1):
 
- блок управления, в который входят дисплей и клавиатура (иногда туда включают микрофон и телефон);

>> Ретранслятор GSM - усилитель мобильной связи , продажа и установка.

- приемо-передающий блок;
- антенный блок с коммутатором каналов и диапазонов;
- логический блок (мозговой центр MS) включает цифровой сигнальный процессор DSP (Digital Signal Processor), иногда называемый CPU (Central Processing Unit), со своей оперативной и постоянной памятью (DSP Memory), часто в его состав включают эквалайзер, канальный и речевой кодеки, ADC, DAC и др.;
- идентификационный пользовательский модуль SIM-карта (Subscriber Identity Module)
Типовые блоки мобильной станции
Рис. 4.1. Типовые блоки мобильной станции

4.1. Структурная схема мобильной станции.
 
Структурная схема цифровой мобильной станции, в данном случае цифрового мобильного радиотелефона, работающего в стандарте GSM, представлена на рис. 4.2. Как было отмечено выше (рис. 4.1), все четыре основных блока (и SIM-карта) на рис. 4.2 развернуты более подробно по основным каскадам.
Структурная схема цифрового радиотелефона (MS) стандарта GSM 900
Рис. 4.2. Структурная схема цифрового радиотелефона (MS) стандарта GSM 900

Рассмотрим основные блоки мобильной станции MS стандарта GSM.

 
Антенный блок
 
Антенный блок включает:
 
- собственно антенну (в простейшем случае четвертьволновый вибратор (штырь), имеющей длину / - Х/4 = 33,7/4 = 8,425 см, при этом антенна выполняет функции передающей и приемной антенны (следует отметить, что антенну выполняют часто в виде спиральной укороченной антенны, по основным параметрам аналогичную стандартной полуволновой антенне);
 
- антенный переключатель — электронный коммутатор, управляемый из CPU и подключающий вход антенны либо на выход передатчика, либо на вход приемника.
 
В системах стандарта GSM передатчик и приемник работают не одновременно и режим передачи осуществляется только в течение 1/8 длительности кадра. Это значительно уменьшает расход энергии аккумуляторной батареи и увеличивает время функционирования как в режиме передачи (разговор), так и в режиме приема (ожидание). Кроме того, это приводит к снижению требований к высокочастотному фильтру приемника.

Приемо-передающий блок Передатчик
 
Рассмотрим основные блоки передатчика (ПРД), их назначение и функции.
 
- Речевой сигнал, преобразованный микрофоном (Мк) в электрический аналоговый сигнал и усиленный усилителем низкой частоты (УНЧ), поступает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП —ADC —Analog-to-Digital Converter), на выходе которого речевой сигнал преобразуется в цифровую форму и далее передача сигнала речи производится в цифровой форме.
 
- Кодер речи осуществляет кодирование речевого сигнала, то есть преобразование сигнала (имеющего цифровую форму) по определенным законам с целью сокращения его избыточности, то есть с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи.
 
- Кодер канала добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; с той же целью информация подвергается определенной переупаковке (перемежению); кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от CPU.
 
- I/Q генератор предназначен для формирования модулирующего сигнала из сформированного цифрового сигнала при непосредственном управлении от CPU.
 
- Фазовый модулятор реализует гауссовскую манипуляцию с минимальным частотным сдвигом (GMSK — Gaussian Minimum Shift Keying), то есть реализует перенос цифрового сигнала в область радиочастотного канала. В стандарте GSM с модуляцией GMSK произведение ВТЬ, определяющее частоту среза предмодуляционного гауссовского фильтра, равно ВТЬ = 0,3 (где В — полоса частотного спектра, Тъ — длительность бита сообщения). Такое значение произведения ВТЬ достигается путем сложной аппаратурной реализации для увеличения требуемого отношения СИ (сигнал/помеха) и уменьшения влияния условий распространения радиоволн и неидеаль-ности аппаратуры. При GMSK обеспечивается высокий КПД усилителя мощности и приемлемая помехоустойчивость: вероятность ошибки Ре = 10_3 при C/N = 30 дБ (С IN — сигнал/шум).
 
- Смеситель (СМП) предназначен для переноса сигнала на выходе фазового модулятора с частотой /ФМ в диапазон частот 890...915 МГц под действием сигнала, поступающего с синтезатора частот (ftr), управляемого из CPU.
 
- Фильтр сосредоточенной селекции (ФСС) (обычно выполняемый на кремниевом фильтре) настраивается на одну из выбираемых CPU несущих частот и реализует фильтрацию высших гармоник для уменьшения межканальных влияний.
 
- Усилитель мощности (УМ) не только усиливает высокочастотный сигнал с выхода ФСС, но и под действием команд из CPU меняет коэффициент усиления (то есть используется режим нелинейного усиления), тем самым в зависимости от расстояния между мобильной MS и базовой BTS станциями выходная мощность передатчика MS автоматически регулируется: чем ближе MS к BTS, тем меньше мощность передатчика MS, тем меньше излучаемая антенной MS мощность.
 
- Высокочастотный сигнал с выхода усилителя мощности через фильтр сосредоточенной селекции (ФСС) поступает в антенный коммутатор (АК) и в случае передачи речевого сигнала CPU переключает АК в режим передачи.
 
Следует отметить, что тракт: фазовый модулятор — смеситель - ФСС - УМ - ФСС — очень часто называют модемом GMSK (так как этот тракт в настоящее время реализован в виде однокристальной СБИС) и он используется в нескольких Европейских стандартах.
 
Таким образом, аналоговая часть передатчика выполняет обычные функции переноса информации кодированного цифрового сигнала в область несущей частоты выбранного частотного канала передачи, а цифровая часть — с активным участием CPU — обработку и передачу информации (речь и т.п) в цифровой форме с добавлением информационных потоков управления, защиты, адреса и т.п.
Рассмотрим основные каскады приемника, их назначение и функции.
 
- Высокочастотный сигнал в диапазоне 935...960 МГц принимается антенной и через антенный коммутатор (включаемый CPU в режиме приема) поступает в высокочастотный фильтр (обычно фильтр поверхностной акустической волны (ФПАВ) — керамический фильтр), усиливается в высокочастотном малошумящем усилителе (МШУ).
 
- Первый смеситель СМ1 позволяет сдвинуть сигнал в более низкочастотную область, при этом на второй вход СМ1 гетеродинный сигнал подается с синтезатора частот (управляемого от CPU), фильтр сосредоточенной селекции на ПАВ (ФСС1) выделяет сигнал на первой промежуточной частоте и далее этот сигнал усиливается в тракте усилителей первой промежуточной частоты УПЧ1.
 
- Сигнал первой промежуточной частоты поступает на вход второго смесителя СМ2 (на второй вход СМ2 подается сигнал гетеродина 2 (генератор частот), далее ФСС2 на ПАВ выделяет сигнал второй промежуточной частоты, который усиливается УПЧ2 и поступает в блок демодуляции.
 
- Блок демодуляции. В блоке сигнал вначале демодулируется в фазовом демодуляторе (ФДМ), при этом на вход канального эквалайзера он поступает в виде цифрового видеосигнала; (назначение канального эквалайзера состоит в компенсации той разности хода между составляющими радиолучами при многолучевом распространении радиоволн, которая приводит к межсимвольной интерференции (эквалайзер по своей сути — это адаптивный фильтр, настраиваемый таким образом, чтобы сигнал на его выходе был по возможности в большей степени очищен от межсимвольных искажений, содержащихся во входном сигнале)); далее цифровой сигнал попадает в декодеры канала и речевого сигнала.
 
Декодер канала реализует процесс, обратный кодированию, и с учетом закодированной в кодере канала управляющей информации и речевого закодированного сигнала, декодирует весь поток информации.
 
Декодер речи декодирует цифровой поток речевой информации для дальнейшего преобразования ее из цифровой формы в аналоговую в цифро-аналоговом преобразователе (ЦАП).
 
Далее электрический сигнал аналоговой речевой информации подается на телефон. Таким образом, завершается прием информации, переданной базовой станцией BTS мобильной MS.
 
Управляющим устройством в MS является центральный управляющий процессор CPU, который имеет свою оперативную и постоянную память (МЕМ) и выполняет широкий спектр функций, которые будут рассмотрены ниже.
 
Синтезатор частот (СЧ), являющийся задающим генератором колебаний высокой частоты (а именно, несущей частоты, зависящей от условий передачи или приема) для передачи информации по радиоканалу. Синтезатор используется в работе как передающего устройства (при передаче сигнала СЧ -> СМП в блок фазового модулятора), так и приемного (при передаче сигнала СЧ -> СМ, при этом СЧ играет роль первого гетеродина), переключаясь в разные области выделенной полосы частот для передачи и приема. Кроме указанных основных функций, СЧ, под действием управляющих сигналов от CPU, реализует процесс скачков по частоте (frequency hopping), при этом в стандарте GSM используются медленные скачки с переключением по частоте в каждом очередном кадре. Учитывая, что в кадре каждому физическому каналу соответствует один слот, то для любого из физических каналов такая частота скачков эквивалентна смене частотных каналов с частотой слотов.
SIM-карта, придается к MS в виде съемного модуля, взаимодействует с CPU и определяет процедуру аутентификации MS.
 
В заключение данного параграфа следует отметить, что структурная схема MS (рис. 4.2) является существенно упрощенной. На ней не показаны схемы контроля мощности на передачу и прием и управление ею, схема управления частотой синтезатора частот для работы на определенном частотном канале, не развернуты схемы (даже на уровне структурных схем) кодеков каналов и речевых сигналов, возможные устройства шифрования/дешифрования сообщений.
 
MS стандарта GSM включает также так называемый детектор речевой активности (VAD — Voice Activity Detector), который используется для реализации экономного расходования энергии источника питания (при уменьшении средней мощности излучения антенны MS), снижения уровня помех, неизбежно создаваемых для других станций при работающем передатчике, а также включает работу передатчика на излучение только в определенные интервалы времени, когда абонент говорит (то есть когда микрофон посылает аналоговые речевые сигналы в тракт передачи). На время паузы (абонент молчит) в приемный тракт дополнительно вводится так называемый комфортный шум. При необходимости в MS могут входить отдельные терминальные устройства (например, факсимильный аппарат), переключаемые через специальные адаптеры с использованием соответствующих интерфейсов.

 

Основы сотовой связи стандарта GSM. 
       1. ВВЕДЕНИЕ В СТАНДАРТ GSМ. 
       2. ОРГАНИЗАЦИЯ СОТОВОЙ СЕТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSМ. 
       3. АНТЕННЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       4. МОБИЛЬНЫЕ СТАНЦИИ.
               4.1. Структурная схема мобильной станции.
               4.2. Особенности преобразования речевых сигналов в стандарте GSM.
               4.3. Кодирование речевых сигналов.
               4.4. Кодер канала. 
               4.5. GМSК-модуляция. 
               4.6. Высокочастотные тракты в мобильной станции. 
               4.7. Эквалайзер в мобильной станции. 
               4.8. SIМ-карта в мобильной станции. Аутентификация и идентификация          
               4.9. Управление мощностью в системах стандарта GSМ.
       5. БАЗОВЫЕ СТАНЦИИ.
       6. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА GSM. 
       7. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       8. УСЛУГИ, ФРОД И БЕЗОПАСНОСТЬ В СИСТЕМАХ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.
       9. УПРАВЛЕНИЕ СЕТЯМИ СВЯЗИ В СТАНДАРТЕ GSM.
     10. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ СОТОВОЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ.