专利名称：Gsm移动通信实验箱的制作方法
专利说明
一、技术领域本实用新型是一个GSM移动通信实验箱，属移动通信教学的实验装置。使用本实验箱，可完成移动通信教学中的一系列实验。
本实用新型的目的旨在填补《移动通信》教学实验设备方面的空白，提供一种与移动通信教学相配合的实验箱，利用现代电子技术，实现ETSI(欧洲电信标准协会)的GSM900/1800MHz的无线接口协议，实现GSM模拟基站功能，从而可以完成移动通信教学中的多项实验。
三
发明内容
本实用新型是提供一个GSM移动通信实验箱，可完成移动通信教学中的数字信号调制及解调、GMSK调制及解调、信道编码及解码、突发脉冲数据流的交织及解交织、高频信号载波发生、高频信号放大、高频增益控制和高频信号放大等功能性实验；可以实现模拟基站的功能，完成实验箱与手机之间的通讯联系，完成手机入网、手机主呼和手机被呼等系统级实验。
本实用新型的技术方案是射频单元分别与公用天线、频谱分析单元、基带单元相连接；基带单元分别与射频单元和中央控制单元相连接；中央控制单元分别与人机接口单元、基带单元及频谱分析单元相连接；频谱分析单元，分别与人机接口单元、中央控制单元及射频单元相连接。射频单元用高集成度的系列芯片组来实现收发功能，其发射和接收部分均采用锁相环频率合成技术，保证了信号频率的准确度和稳定性。人机接口单元采用高速DSP芯片实现显示加速，并用高速单片机实现了对屏幕显示的控制及以串口方式与中央控制单元进行双向数据通讯。基带单元采用专用芯片来实现GMSK调制和解调，并采用高速DSP芯片实现GSM手机信号的信道编解码和交织，频分双工时分多址，以串口方式来形成TDMA的帧和时隙。频谱测试卡采用高速浮点DSP芯片和FPGA并结合快速傅立叶变换算法实现对手机发射功率的频谱分析。
本实用新型的优点如下所述实验箱的中央控制模块实现了ETSI的GSM900/1800MHz无线接口协议之网络层和数据链路层协议，基带传输模块实现了GSM900/1800MHz无线接口协议之物理层协议，可以完成移动通信教学中的数字信号调制解调实验、GMSK(高斯滤波最小频移键控)调制解调实验，信道编解码实验(包括线性分组码、卷积码的编解码实验)、突发脉冲数据流的交织解交织实验等，通过与示波器及逻辑分析仪等辅助设备相配合，可以观察到数字信号经调制后的正交模拟信号、经信道编码后的突发脉冲序列的形成、突发脉冲序列的交织解交织等一系列波形。
实验箱的射频模块采用了锁相环频率合成技术，实现了将低频正交模拟信号调制为900MHz的射频信号，可以完成移动通信教学中的高频信号载波发生、高频信号放大、高频增益控制、高频调制、高频信号发射等实验，通过与示波器及逻辑分析仪等辅助设备相配合，可以观察到高频调制各个过程中的各类信号波形。
实验箱通过各个模块以及专用SIM卡的配合，实现了模拟基站的功能，可以完成手机入网、手机主呼和手机被呼等系统级实验，通过发射由实验箱产生的GSM信号，可以建立实验箱和手机之间的通讯联系，并且可以通过实验箱内的频谱卡提供手机发射功率的频谱特性。
实验箱制造成本低廉，易于大范围的推广应用。
通过使用本实验箱来完成移动通信教学的各项实验，可以极大地丰富教学手段，提高教学质量，同时可以使学生对教学内容有强烈的感性认识，对提高广大学生的实验动手能力，实现素质教育的目的，有巨大的推动作用。
四
图1GSM实验箱技术方案框图图2射频单元接收部分框图，虚线框部分属于射频单元图3射频单元发射部分框图，虚线框部分属于射频单元图4频谱分析部分框图图5处于接收时基带单元工作框图，虚线框内为DSP内部结构图6处于发射时基带单元工作框图，虚线框内为DSP内部结构图7射频单元电路图图8频谱分析单元电路图图9基带单元原理图五、具体实施方案射频单元参照图2、图3和图7，射频单元接收部分是通过电容C48与可控衰减器U8的1脚电连接，U8的8脚与C74相连，C74的另一端与混频器U7的7脚相连，U7的2脚与本振放大U6的6脚相连，U7的5脚与低通滤波器相连，本振放大U6的3脚与L13电感耦合器相连，本振U5的11脚与L13另一端相连，中频放大U9一端与低通滤波器相连，另一端与中频放大U10相连，中频放大U10输出一端经R18 C72通过IF_OUT接口与频谱分析单元相连，输出一端另一路径R17 C68与对数放大器及限幅单元U11的16脚相连，U11的8脚通过R22C63与U12的15脚相连，U12的17、18脚与A/D转换单元相连，射频单元发射部分由U1可编程频率合成器U1的11脚通过L3 C16与不平衡一平衡转换器T1的5脚相连，正交调制单元U4的2、1和16脚分别与J1相连，U4的5、6脚通过C17、C18分别与T1的3、1脚相连。
射频单元接收部分各功能块说明如下可控衰减器U8接收信号从RX_IN经电容C48耦合至U8的1脚，经U8后从8脚输出。U8是一种可以根据控制电压的不同对输入信号作不同衰减的器件。控制端为3脚，控制电压由基带部分的BU8提供。本振U5本振为一锁相环，根据通信信道由中央处理单元设置输出频率。本振放大U6本振信号从U5的11脚经电感耦合器到达放大管U6的3脚。因为混频器需要大功率的本振信号，经U6放大后从6脚输出至混频器。混频器U7本振信号(从2脚输入)和射频信号(从7脚输入)，在U7中混频后从5脚输出。混频器U7的混频输出频谱中无本振和信号的频率成分，且组合频率成分很少。在GSM实验箱中，混频输出本振信号一次谐波和信号一次谐波，经低通滤波器得到很纯净的中频分量。低通滤波器混频器输出的信号经低通滤波器后，取出中频信号。中频放大U9，U10经低通滤波后的中频信号经两级中放后分成两路一路(IF_OUT接口)去频谱分析单元，观察接收信号的频谱成分，以便能知道接收信号的质量；另一路去对数放大器。对数放大器及限幅单元U11从16脚输出的中频信号在U11中一方面经对数放大器产生与接收信号强度成正比的电压值，由此电压值可以知道信号的强弱；同时此信号作为频谱单元的定时信号。另一方面，中频信号经限幅放大从8脚输出去正交解调单元。正交解调单元U12从15脚输入的中频信号经正交解调单元，产生模拟的同相正交基带信号，从17脚和18脚输出去A/D转换单元。
现对射频单元发射部分功能单元说明如下(参考基带和中央控制电路原理图)信道码及突发形成单元BU1及GMSK调制单元BU8参见基带单元的介绍。载波形成单元U1U1为可编程频率合成器，根据中央处理单元的控制信号(主要是数据，数据与通信信道有关)。U1从11脚输出相应的载波。可控衰减器U3可控衰减器U3对发射信号进行衰减。它的控制信号来自基带部分BU8的35脚，控制衰减量是根据接收信号的强度判断移动台距离基站的远近来定的，远则衰减小或不衰减，近则衰减大，以减小辐射干扰。不平衡—平衡转换器T1正交调制单元要求载波差分输入。因此锁相环U1产生的载波必须经过T1转换才能符合要求。正交调制单元U4正交调制单元U4将从2、1和16脚输入的差分基带信号调制到从5脚和6脚输入的载波上去，调制方式为正交调制。最终信号从11脚输出，作为发射信号。频谱分析单元参照图4和图8，频谱分析单元由PJ与PU8相连，PU8放大器通过PR2与A/D转换器PU4的NINA端相连，PU2中断形成片选择码的32脚与PU7A的2脚相连，4脚与U11的VLOG端相连，PU1、PU3为DSP芯片，分别与PU2及显示相连，PU5、PU6电平转换器分别与PU4、PU1相连。
GSM实验箱中之所以要做频谱分析部分，是考虑到GSM无线接口协议中对邻道干扰的规定。通过观察功率谱可以看出一个移动台信号质量的好坏，从而判断移动台是否发生故障。
它的工作原理如下(参考射频和频谱分析部分电路原理图)接收信号经下变频后，经低通滤波器得到中频信号，由IF_OUT通过射频线连到PJ处，作为频谱分析的主体。此信号经3级放大(射频部分的U9，U10和频谱分析部分的PU8)，然后送入A/D转换器PU4(从PU4的24脚输入)。同时中频信号经过对数放大器U11(射频部分)后，从U11的6脚输出与信号大小成比例的脉冲波，脉冲宽度为577us(时隙宽度)，脉冲间隔为4.615ms(帧长)。此信号到达频谱分析部分的比较器PU7A的4脚(PWR)，经PU7A整形后，从PU2的32脚输入作为突发到来的中断请求信号。PU1接到中断请求后，向A/D转换器发片选信号。片选信号经PU2译码后，产生时钟给A/D转换器，A/D转换器即输出取样量化的数据。此数据是突发的采样数据。数据经PU5，PU6电平转换后到达DSP。在DSP中进行FFT计算，得到功率谱，再对功率谱进行平滑和平均后，从117脚输出至显示单元。基带单元参见图9由GMSK解调与信道解码单元BUI(DSP芯片)，分别与BU2存储器，BU3程序加载寄存器，BU10BU11和BU6为电平转换器，BU8为GMSK调制与I|Q信号差分形成单元，分别与BU12及BU10相连。
基带单元的核心BU1是TI公司的高速DSP芯片。基带单元处于接收状态的工作原理由于GSM系统是TDMA方式工作的，所以接收和发射部分并非一直处于工作状态。BU8的接收部分由27、24脚控制其是否工作。当需要接收时，此时BU1输出一个低电平信号给这两个引脚，启动自动接收操作。GMSK解调和信道解码单元BU1在GSM实验箱中，GMSK解调和信道解码均在BU1中由软件完成。BU1(DSP)的最小系统由BU2和BU3组成。其中BU2为16位随机存储器；BU3为程序加载寄存器。它还有一些外围辅助器件如BU10，BU11，和BU6均起电平转换作用，BU1需要与BU8和中央处理单元CU1通信。
当接收的信号由BU8完成A/D转换后从18脚输出数字数据流，同时分别从20、21脚输出接收数据帧同步信号和数据时钟信号。此三种信号经电平转换后分别到达DSP的45、43和41脚。在帧同步和时钟信号的作用下数据串行输入DSP。CPU接收完一个突发的全部数据后，进行GMSK解调，信道解码(包括解交织，解卷积等)恢复出原始数据。随后CPU控制HPI(主机接口)将数据经BU6进行电平转换，传给中央处理单元。基带单元处于发射状态时的工作原理信道码及突发形成BU1在GSM实验箱中，信道编码，交织，映射及突发形成均在BU1中由软件完成。处于发射状态时，DSP的CPU根据中央控制单元的指令(包括指令和发射的数据)，将相应的原始数据进行信道编码。如发送同步控制信息，则将原始比特经奇偶码和卷积码编码后，加上训练序列及尾比特，形成同步突发序列。在突发形成控制的作用下，在指定时隙将数据发送给BU8进行GMSK调制。GMSK调制单元BU8发射时，在中央控制单元的控制下，由DSP(BU1)发出控制信号使BU8的发射部分处于工作状态。经过编码的发射数据经2脚进入BU8，在BU8中进行GMSK调制，形成I，Q信号，从41和39脚输出。I，Q信号差分形成BU12由BU8形成的模拟I，Q信号，经BU12后形成I，Q信号，去正交单元BU12。中央控制单元中央控制单元是由以CU1(89C55)为主组成的单片机系统，用于完成与基带单元、人机接口单元和射频单元的数据交换及控制。另外还实现模拟基站的位置更新、移动台主呼、基站主呼等的所有流程。
权利要求1.一个GSM移动通信实验箱，其特征在于由分别与公用天线、频谱分析卡、基带单元电连接的射频单元，与射频单元和中央控制单元电连接的基带单元，与人机接口单元、基带单元及频谱分析卡电连接的中央控制单元，与人机接口单元、中央控制单元及射频单元连接的频谱分析卡组成。
2.权利要求1所述移动通信实验箱，其特征在于射频单元接收部分是通过电容C48与可控衰减器U8的1脚电连接，U8的8脚与C74相连，C74的另一端与混频器U7的7脚相连，U7的2脚与本振放大U6的6脚相连，U7的5脚与低通滤波器相连，本振放大U6的3脚与L13电感耦合器相连，本振U5的11脚与L13另一端相连，中频放大U9一端与低通滤波器相连，另一端与中频放大U10相连，中频放大U10输出一端经R18 C72通过IF_OUT接口与频谱分析单元相连，输出一端另一路径R17C68与对数放大器及限幅单元U11的16脚相连，U11的8脚通过R22 C63与U12的15脚相连，U12的17、18脚与A/D转换单元相连，射频单元发射部分由U1可编程频率合成器U1的11脚通过L3、C16与不平衡——平衡转换器T1的5脚相连，正交调制单元U4的2、1和16脚分别与J1相连，U4的5、6脚通过C17、C18分别与T1的3、1脚相连。
3.权利要求1所述的移动通信实验箱，其特征在于频谱分析单元由PJ与PU8相连，PU8放大器通过PR2与A/D转换器PU4的24脚相连，PU2中断形成片选择码的32脚与PU7A的2脚相连，4脚与射频单元的U11的6脚相连，PU1为DSP芯片，分别与PU2及显示相连，PU5、PU6电平转换器分别与PU4、PU1相连。
4.权利要求1所述移动通信实验箱，其特征在于基带单元由GMSK解调与信道解码单元BU1(DSP芯片)，分别与BU2存储器，BU3程序加载寄存器，BU10、BU11和BU6为电平转换器，BU8为GMSK调制与I、Q信号差分形成单元，分别与BU12及BU10相连。
专利摘要本实用新型提供了一种GSM移动通信实验箱。有射频单元、频谱分析卡、基带单元、中央控制单元组成。实现了ETSI的GSM900/1800MHz无线接口协议，及模拟基站的部分功能。可以完成移动通信中的数字信号正交调制和解调、GMSK调制和解调、信道编解码、交织及解交织、频分双工时分多址、高频信号调制及解调、手机发射功率频谱测试等原理性教学实验及手机入网、手机主呼、手机被呼等系统级教学实验。
文档编号H04B17/00GK2531593SQ0127340
公开日2003年1月15日 申请日期2001年12月17日 优先权日2001年12月17日
发明者杨宏伟, 高金萍, 蒋小磊, 张晖, 彭闯, 肖忠, 周海, 陈林华 申请人:湖北众友科技实业股份有限公司