引言

第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)即GSM通信系統(tǒng)是世界上用戶數(shù)量最大的移動(dòng)通信系統(tǒng)，它擁有較強(qiáng)大的升級(jí)功能和完善的基礎(chǔ)設(shè)施。GSM系統(tǒng)一開始就是從數(shù)字化的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)采用了模塊化結(jié)構(gòu)，若需要提供新業(yè)務(wù)，只要進(jìn)行版本升級(jí)，增加部分必要的模塊，不需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行大的更換，也不用進(jìn)行大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)重新規(guī)劃，具有很大的便利性。但是隨著通信技術(shù)的發(fā)展，通信和信號(hào)處理系統(tǒng)越來越復(fù)雜，各種新技術(shù)的發(fā)展對(duì)通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生了重大的影響。通信系統(tǒng)復(fù)雜性的增加使得分析與設(shè)計(jì)所需的時(shí)間和費(fèi)用也迅速上升，為了節(jié)約人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，就需要前期進(jìn)行系統(tǒng)仿真和調(diào)試。近年來對(duì)GSM通信系統(tǒng)的研究主要集中在GSM無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化、鏈路干擾分析以及其硬件實(shí)現(xiàn)的研究上，這些因素對(duì)GSM通信系統(tǒng)的性能影響分析非常重要。本課題重點(diǎn)研究了GSM通信系統(tǒng)的電路實(shí)現(xiàn)問題，目的有兩個(gè)：其一是為了表明EDA軟件電路仿真能夠快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)；其二是可以基于所建立的系統(tǒng)平臺(tái)，分析系統(tǒng)的性能，并進(jìn)一步研究系統(tǒng)升級(jí)時(shí)的電路規(guī)劃問題。

基于SystemView的GSM系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

SystemView是美國(guó)Elanix公司推出的，基于Windows環(huán)境的用于系統(tǒng)仿真分析的可視化軟件工具。它界面友好，使用方便。使用它，用戶可以用圖符(Token)去描述自己的系統(tǒng)，無需與復(fù)雜的程序語(yǔ)言打交道，不用寫代碼即可完成各種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。

使用SystemView進(jìn)行系統(tǒng)仿真，一般要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟：

(1)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；

(2)從各種功能庫(kù)中選取、拖動(dòng)可視化圖符，按設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖組建系統(tǒng)；

(3)設(shè)置、調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模擬參數(shù)設(shè)置；

(4)設(shè)置觀察窗口，分析模擬數(shù)據(jù)和波形。

1、GSM系統(tǒng)發(fā)射機(jī)電路設(shè)計(jì)

GSM系統(tǒng)采用的調(diào)制方式為GMSK(高斯濾波最小頻移鍵控)，其歸一化帶寬BbTb=0.3。調(diào)制速率為1/T=(1625/6)Kb/s，即近似為 270.8 33 Kb/s。GMSK調(diào)制是下述兩者之間的折中選擇：相當(dāng)高的無線頻譜效率(1 b/Hz數(shù)量級(jí))和合理的解調(diào)復(fù)雜性。

GMSK信號(hào)就是通過在FM調(diào)制器前加入高斯低通濾波器(稱為預(yù)調(diào)制濾波器)而產(chǎn)生的，如圖1所示。

利用SystemView軟件設(shè)計(jì)的GMSK調(diào)制電路如圖2所示。

(1)信號(hào)源為270.833 kHz的PN碼發(fā)生器(圖符0)，該頻率為GSM系統(tǒng)信道數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率，該信號(hào)經(jīng)過采樣(圖符30)以后用來模擬一路GSM基帶信號(hào)。

(2)圖符1為高斯低通濾波器。

(3)調(diào)制部分由增益圖符2首先對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行放大，然后送入調(diào)制器圖符3進(jìn)行調(diào)制，圖符4用于模擬插入損耗。然后經(jīng)過兩次放大(圖符42和圖符5)和射頻濾波(圖符6)之后完成整個(gè)調(diào)制過程。

2、GSM系統(tǒng)接收機(jī)電路設(shè)計(jì)

GMSK信號(hào)的解調(diào)可采用正交相干解調(diào)，也可采用鑒相器或差分檢測(cè)器。GSM規(guī)范也沒有規(guī)定必須采用哪一種算法，但對(duì)信道譯碼糾錯(cuò)以后所測(cè)的總性能是有要求的。當(dāng)采用同步解調(diào)和相干檢測(cè)時(shí)，接收端一需要提供一個(gè)與發(fā)射端調(diào)制載波同頻同相的相干載波，這個(gè)過程叫做載波提取或載波同步。可采用直接法和插入導(dǎo)頻法實(shí)現(xiàn)。直接法一般通過LC振蕩電路實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

GMSK的非相干解調(diào)主要有一比特延遲差分檢測(cè)器和二比特延遲差分檢測(cè)器，其原理分別如圖4和圖5所示。兩者數(shù)據(jù)處理過程相似，以一比特延遲差分檢測(cè)器為例說明其工作過程如下：GMSK信號(hào)首先經(jīng)中頻濾波，其輸出信號(hào)與延遲和移相后的中頻信號(hào)相乘，然后采用低通濾波器濾除和頻信號(hào)，對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行判決即可得到原始數(shù)據(jù)。

利用SystemView軟件設(shè)計(jì)的GMSK解調(diào)電路如圖6所示。其中采用的解調(diào)方法是相干解調(diào)法。

(1)射頻接收部分由圖符13圖符15組成，首先由增益圖符13完成接收信號(hào)的射頻放大，然后由固定增益衰減器(圖符14)引入插入損耗后經(jīng)圖符15進(jìn)行射頻濾波，完成整個(gè)射頻接收部分。

圖符17和圖符21之間的圖符為混頻部分，用于完成信號(hào)頻譜的向下搬移。然后送入解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)。其中圖符23為L(zhǎng)C諧振電路，用于載波的提取，其對(duì)應(yīng)的電路如圖3所示。

3、GSM系統(tǒng)性能分析

完成了GSM通信系統(tǒng)的發(fā)射和接收電路設(shè)計(jì)之后，要想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的分析，還要對(duì)信號(hào)傳輸?shù)耐ǖ佬诺肋M(jìn)行建模和設(shè)計(jì)。根據(jù)移動(dòng)通信信道帶寬有限、干擾較大以及存在衰落的基本特征，本文采用130 dB的信道衰減因子，然后加入熱噪聲模擬高斯信道的特性，并加入頻帶濾波器模擬帶限特性。利用SystemView軟件設(shè)計(jì)的信道如圖7所示。

按照?qǐng)D2，圖6和圖7的電路設(shè)計(jì)，仿真的結(jié)果如圖8所示。其中圖8(a)為GSM系統(tǒng)輸入(脈沖整形后的數(shù)字信號(hào)源)信號(hào)波形;圖8(b)為GSM接收器解調(diào)輸出的信號(hào)波形。

從仿真結(jié)果上看，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的波形基本上是一致的，可見信號(hào)源經(jīng)過發(fā)送端的調(diào)制;然后經(jīng)過有擾衰落信道的傳輸;最后在接收端進(jìn)行混頻和解調(diào)后正確恢復(fù)了原來信號(hào)源的信息，該GSM系統(tǒng)能夠正常地工作。仿真結(jié)果證明了整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正確性。

結(jié)論

首先從理論上分析了GSM系統(tǒng)的工作原理，在此基礎(chǔ)上，利用SystemView動(dòng)態(tài)分析工具設(shè)計(jì)了GSM系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)電路，通過波形分析驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的合理性及功能。本文的虛擬無線電設(shè)計(jì)方法避開了復(fù)雜的硬件搭建，實(shí)現(xiàn)功能的軟件化，把現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)途徑從基于硬件的、面向用途的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中解放出來，不需編程，只需模塊的連接，設(shè)計(jì)方便、快捷，極大地減輕了工作量。在設(shè)計(jì)過程中可以方便地更改參數(shù)，以達(dá)到通信系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。