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GSM手机原理、测试及维修简明教程
Simple Training Course about GSM Handset
一、GSM数字移动通信发展史
1．1 GSM系统历史背景
GSM数字移动通信系统是由欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的，它是在蜂窝系统的基础上发展而成。
蜂窝系统的概念和理论二十世纪六十年代就由美国贝尔实验室等单位提了出来，但其复杂的控制系统，尤其是实现移动台的控制直到七十年代随着半导体技术的成熟，大规模集成电路器件和微处理器技术的发展以及表面贴装工艺的广泛应用，才为蜂窝移动通信的实现提供了技术基础。直到1979年美国在芝加哥开通了第一个AMPS(先进的移动电话业务)模拟蜂窝系统，而北欧也于1981年9月在瑞典开通了NMT(Nordic 移动电话)系统，接着欧洲先后在英国开通TACS系统，德国开通C－450系统等。见下表。
1991年欧洲主要蜂窝系统
国家 系统 频带 建立日期 用户数(千)
英国TACS90019851200
瑞典、挪威
芬兰、丹麦NMT450
9001981
19861300
法国Radiocom2000
NMT450,900
4501985
1989300
90
意大利RTMS
TACS450
9001985
199060
560
德国C-4504501985600
瑞士NMT9001987180
荷兰NMT450
9001985
1989130
奥地利NMT
TACS450
9001984
199060
60
西班牙NMT
TACS450
9001982
199060
60
蜂窝移动通信的出现可以说是移动通信的一次革命。其频率复用大大提高了频率利用率并增大系统容量，网络的智能化实现了越区转接和漫游功能，扩大了客户的服务范围，但上述模拟系统有四大缺点：
*各系统间没有公共接口
*很难开展数据承载业务
*频谱利用率低无法适应大容量的需求
*安全保密性差，易被窃听，易做“假机”。
尤其是在欧洲系统间没有公共接口相互之间不能漫游，对客户之间造成很大的不便。
GSM数字移动通信系统史源于欧洲。早在1982年，欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营，例如北欧多国的NMT（北欧移动电话）和英国的TACS（全接入通信系统），西欧其它各国也提供移动业务。当时这些系统是国内系统，不可能在国外使用。为了方便全欧洲统一使用移动电话，需要一种公共的系统，1982年北欧国家向CEPT（欧洲邮电行政大会）提交了一份建议书，要求制定900MHz频段的公共欧洲电信业务规范。在这次大会上就成立了一个在欧洲电信标准学会（ETSI）技术委员会下的“移动特别小组＼Group Special Mobile）简称“GSM”，来制定有关的标准和建议书。
1986年在巴黎，该小组对欧洲各国及各公司经大量研究和实验后所提出的8个建议系统进行了现场实验。
1987年5月GSM成员国就数字系统采用窄带时分多址TDMA、规则脉冲激励线性预测RPE一LTP话音编码和高斯滤波最小移频键控GMSK调制方式达成一致意见。同年，欧洲17个国家的运营者和管理者签署了谅解备忘录（MoU），相互达成履行规范的协议。与此同时还成立了MoU组织，致力于GSM标准的发展。
1990年完成了GSM900的规范，共产生大约130项的全面建议书，不同建议书经分组而成为一套12系列。
1991年在欧洲开通了第一个系统，同时MoU组织为该系统设计和注册了市场商标，将GSM更名为“全球移动通信系统”（Globa1 system for Mobile communications）。从此移动通信跨入了第二代数字移动通信系统。同年，移动特别小组还完成了制定1800MHz频段的公共欧洲电信业务的规范，名为DCSI800系统。该系统与 GSM900具有同样的基本功能特性，因而该规范只占GSM建议的很小一部分，仅将GSM900和DCSI800之间的差别加以描述，绝大部分二者是通用的，二系统均可通称为GSM系统。
1992年大多数欧洲GSM运营者开始商用业务。到1994年5月已有50个GSM网在世界上运营，10月总客户数已超过400万，国际漫游客户每月呼叫次数超过500万，客户平均增长超过50％。
1993年欧洲第一个DCSI800系统投入运营。到1994年已有6个运营者采用了该系统。
1．2 GSM系统技术规范
GSM系统技术规范中只对功能和接口制定了详细规范，未对硬件做出规定。这样做目的是尽可能减少对设计者限制，又使各运营者有可能购买不同厂家的设备。 GSM系统技术规范共分12章：
系列01 概述
02 业务方面
03 网路方面
04 MS-BS接口与协议
05 无线路径上的物理层
06 话音编码规范
07 MS的终端适配器
08 BS-MSC接口
09 网路互通
10 业务互通
11 设备和型号认可规范
12 操作和维护
这些系列规范都是由ETSI组建的不同工作组和专家组编写而成的。1988年春天完成第一阶段标准的第一个版本，以支撑当时的投标活动。后来修改过几次，1990年以后除了传真方面的规范外，其它很少作改动，1992年底基本冻结。第二阶段标准到1993年底也基本完成了主要部分，并与1994年底冻结，为了提高系统的性能，从1994年6月又开始考虑第2＋阶段的有关标准的定义，后并入第二阶段标准。
GSM规范版本演进
当前的GSM规范版本是第二阶段增强版本(GSM Phase 2+)，出现于1997年。下面看一看GSM规范各个版本之间的演进特点：
Phase 1:
在1991年发表之时，GSM仅仅提供最基本的电话和紧急呼叫服务。在随后的几年之中，也逐渐地增加了数据、短消息业务和有限的附加业务(呼叫转移、呼叫限制等)。
Phase 2:
在1995年，不断修订的GSM规范再次被冻结，形成第二阶段版本，次年，符合第二阶段版本要求的手机也开始面世。第二阶段规范的主要特征是：
· G3传真；
· 半速率话音；
· 增强全速率话音；
· 分层小区结构；
· 改进的小区选择与重选机制；
· 改进的加密算法；
· 更多的补充业务(主叫号码显示/多方通话/呼叫等待/通话保留/呼叫等待等)；
Phase 2+:
第二阶段以后的标准修订工作仍然在继续，但是新的版本不叫做第三阶段而是叫做第二阶段增强版本，意指移动通信朝第三代的演进(注：2000年7月ETSI宣布Phase 2+终止，着手进行3GPP工作，3GPP即：3rd Generation Partnership Project)。Phase 2+并不是一个单一的版本，而是每年都有一个版本公布。Phase 2+的主要特征是：
· 14.4kbps数据；
· HSCSD-High Speed Circuit Switched Data;
· GPRS-General Packet Radio Service;
· SIM Application Toolkit;
· Voice Group Call Service;
· CAMEL(Intelligent Network);
技术的发展使人们着手规划第三代移动通信。GPRS是GSM网络朝着第三代移动通信演进的第一步。在这一步中，最重要的意义在于两点：一是在GSM网络中引入分组交换能力，二是将速率提高到100kbit/s以上。
GPRS是GSM Phase2+ (1997年)规范实现的内容之一，是一种基于GSM的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。
于是我们可以看出移动通信演进的脉络：在第二代的数字移动网络(如GSM)中引入分组交换能力，并提升速度(在GPRS中一个MS终端可以占用一个载波的8个时隙进行数据传输)，培育移动数据通信/移动互联网业务市场，在业务的基础上，分阶段进行网络演进，将GSM网络升级到第三代系统。
二、GSM通信系统
2．1 GSM通信系统的组成
GSM蜂窝移动通信系统主要是由交换网路子系统（NSS）、无线基站子系统(BSS)和移动台（MS）三大部分组成，如下图所示。其中NSS与BSS之间的接口为“A”接口，BSS与MS之间的接口为“Um”接口。在模拟移动通信系统中，TACS规范只对Um接口进行了规定，而未对A接口做任何的限制。因此，各设备生产厂家对A接口都采用各自的接口协议，对Um接口遵循TACS规范。也就是说，NSS系统和BSS系统只能采用一个厂家的设备，而MS可用不同厂家的设备。
2．2 基站子系统（BSS）
基站子系统是由下列部份所构成:
2．2．1. MS(Mobil Station):移动台/移动用户
移动台是用户端的设备总称,它可以是车载型,便携型,手持型。在移动端有一个物理设备,我们称它为"SIM卡"(用户识别卡),有关用户的所有资料都储存在这片卡片里,而这张卡片可在任何的移动台上使用。
对基站而言,基站可利用SIM卡来识别移动用户,而这种方法可以保证合法的移动用户使用移动通信网路资源。在SIM卡中还有两个重要的识别码,一是个人识别码(PIN),可以防止SIM卡在未经授权而遭盗用,另一个是国际移动台设备识别码(IMEI),这是移动台本身独一无二的编码,它是由型号许可证代码加上出产厂商有关的产品号码所构成.网路系统对IMEI进行检查是有其必要性,网路可经由这种检查方式,关掉故障及非法移动台,并可藉由这种方式来确定被盗移动位置且将其阻断。
2．2．2. BS(Base Station)基站
BS在GSM通信系统中是固定部份和无线部份的介面,通过空中的无线传输,MS可以和BS相互连接。BS也具有某些交换功能,它能把无线信道的传输内容传送到MSC与BS间的PCM信道上,反过来,MSC也可以将内容藉由BS传送到某一个MS。
BS是由基站收发信台(BTS)和基站控制器(BSC)所组成,它是把控制与传输功能结合起来.BTS与BSC可设置在同一地点或者是分开设置也可以,完全是视网路规划来决定。
2．2．3 BSC(Base Station Controller)基站控制器
BSC(Base Station Controller) 基站控制器可控制一个或多个BTS,它主要负责管理无线网路资源,小区域资料管理,功率控制,定位和切换等功能是一个非常强的传输控制点。
2．2．4 BTS(base Tranreciver Station) 基站收发信台
BTS(base Tranreciver Station) 基站收发信台：是一个无线接囗设备,它完全由BSC控制主要负责无线传输,完成无线与有线的转换,无线分集,无线信道加密,跳频等功能.
因此我们可知道,BSS监视著无线部份的连接,管理分配无线频道.也控制著连接无线频率的娈化(跳频)和射频功率的变化.同样的信道和数字化语音的编码及资料传输速率的调配都由BSS来进行。
BTS与BSC之间距离如果小于10公尺,则彼此间的信道可直接连接(称为组合方式),否则就须用Abis接口连接起来(称远程连接)
2．3 网路子系统（NSS）
NSS主要负责交换功能,用户资料及通信所需的所有资料库。NSS分成六个功能部份：
1.移动交换中心(MSC)；
2.用户所属位置寄存器(HLR)；
3.拜访位置寄存器(VLR)；
4.权限鉴别中心(AUC)；
5.设备识别暂存器(EIR)；
6.操作与维护中心(OMC)。
各功能单元简述如下：
2．3．1 MSC:移动交换中心
MSC是移动网路中的主要核心,它提供了重要的交换功能,将移动用户与传统固定用户相互连接,它可完成网路连接,公共信道的信号系统和重要的计费功能。
MSC能从三个暂存器中取得用户呼叫过程中所须的所有资料,这三个暂存器就是HLR,VLR,AUC。
2．3．2 VLR:拜访位置寄存器
VLR是一个数据库，储存由它区MSC所管理的用户进入本MSC所管理区的移动用户之全部有关资料（例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的服务等）,这使的移动用户即使到达非原所属之MSC也能正常使用移动电话。我们可以把VLR看成一个动态的资料库,随时登录来访者的用户资料,它随时可与用户相关的HLR做资料交换,如果用户进入了另一个VLR,则原VLR所储存的用户资料则被删除.
2．3．3 HLR:所属位置暂存器
HLR也是一个数据库，是用来储存管理移动用户资料,每一个移动用户都应在所属HLR进行注册与登记才能使用, 它主要存储两类信息：一是有关客户的参数；二是有关客户目前所处位置的信息，以便建立至移动台的呼叫路由，例如MSC、VLR地址等。
2．3．4 AUC: 鉴权中心
AUC用于产生和储存为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数（随机号码RAND，符合响应SRES，密钥Kc）的功能实体。无线通信是极易受到侵入,因此GSM特别采用了防护措失,如移动用户的身份,对呼叫进行保密所需之鉴别权限及通信传输过程之加密。
2．3．5 EIR:设备识别暂存器
EIR也是一个数据库，存储有关移动台设备参数。主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。移动通信系统可拒绝某些移动台IMEI使用移动通信,而这些移动台IMEI号码就储存在EIR。
EIR中存有三种名单:
白名单-包括已分配给可参与营运的GSM各国的所有设备识别序列号码
黑名单-包括所有应被禁用的设备识别号码
灰名单-包括有故障的及未经认证的移动台
2．3．6 OMC:操作维护中心
OMC由两个单元构成。OMC-SC(操作维护中心-交换部份)它用于MSC和有关VLR的操作与维护。OMC-M(操作维护中心-移动部份)它的功能是对整个BSS移动部份的维护与操作。
三、GSM关键技术
3．1保密措施
许多人都知道,GSM的保密方式非常严谨,密码不易被盗,为何原因呢?主要是GSM加强了好几道保密关卡:在接入无线通信网路方面对用户进行鉴别;对通信内容进行加密;对移动设备采用设备识别;对用户识别码是采用临时识别码来加以保密;对SIM卡用PIN码来进行保密。
3．1．1.系统提供三参数组
系统会提供用户三参数组来对用户进行鉴别与加密,而产生三参数组的是在GSM系统中的AUC。每个用户在登记注册使用时就被分配到一个客户号码也就是电话号码和用户识别(IMSI)码。IMSI是经由SIM卡写卡机写进用户的SIM卡中,在此同时写卡机也产生了一个唯一的对应此IMSI的用户鉴别键-Ki,此鉴别键分别被储存在用户SIM卡和AUC中。而在AUC中有个随机码产生器,用以产生一个不可预测的随机数目(RAND)。RAND和Ki再经由AUC中的A8算法(也叫加密算法)产生了一个Kc(密匙)。RAND和Ki又经由AUC中的A3算法再产生一个SRES。
用户的三参数就是RAND,Kc,SRES。这三参数组会传送给HLR,存储在该用户的资料库中。通常AUC一次会产生5组三参数传送给HLR,HLR会自动的将之储存。HLR可储存10组参数,当MSC/VLR向HLR要求传送三参数组时,HLR便一次性的向VLR传送五组三参数。VLR会一组一组的使用,当用到剩2组时VLR会再向HLR要求传送三参数组。
3．1．2 鉴别权力
鉴别用户的使用权目的是保护网路系统,防止非法用户盗用。当移动用户开机要求接入系统,VLR会藉由控制信道将三参数中的其中一个参数-随机参数(RAND)传送给用户,SIM卡收到RAND后,便将RAND与SIM卡储存的用户鉴别键Ki经由A3算法得出一个SRES,并传送回VLR。
VLR收到移动用户端送来的SRES,会将此SRES与AUC送来的SRES做比较。由于是同样的RAND和同样的Ki,经由各自却相同的A3算法,便会得出相同的SRES。VLR比较两个SRES是否相同,如果比较结果相同便允许移动用户接入系统,否则便会认定是非法用户而拒绝接入系统。在这里要注意的是,VLR传给移动用户的RAND不是每次都一样,故产生出来的SRES便就每次都不一样。
移动用户每次在登记,拨电话,位置更新时都会执行鉴别的动作。
3．1．3 加密
GSM通信系统的加密是指Radio传输上的加密。它是BTS和MS之间的通信不被非法侵入(如监听)。在上面所述的鉴别权力过程中,当移动用户计算SRES时,同时也进行另一算法-A8算法,利用A8算法计算出秘密匙-Kc。而VLR也会同时向MS发送出加密命令-M,此命令会使BTS和MS两端均开始使用Kc。MS收到加密命令后会将加密命令M与Kc,TDMA的Frame_序列号一起经由A5算法来对无线通信进行加密。在BTS这一边,会把Radio部份所收到的加密信号,TDMA/Frame_No及Kc,经由A5算法来解密,然后传送到BSC,MSC。而加密的对象包括语音,资料和有关移动用户的参数。
3．1．4设备识别码
每个移动设备都会有一个移动设备识别码：当移动设备在接入网之前必需经过欧洲型号认证中心认可后,会分配到一个六位数字 ,而这六位数便占用了IMEI15位数字的前六位数字。设备识别码的作用就是确认使用中的移动设备不是盗用的或是非法的设备。设备的识别是在设备识别暂存器(EIR)中进行完成。
设备识别码的作用就是确保系统中使用的移动台设备不是盗用的或非法的。设备的识别是在设备识别寄存器EIR中完成。
EIR中存有三种名单:
白名单一包括已分配给可参与运营的GSM各国的所有设备识别序列号码。
黑名单一包括所有应被禁用的设备识别码。
灰名单一包括有故障的及未经型号认证的移动台设备,由网路运营者决定。
3.1.5 临时识别码(TMSI)
临时识列码的设置是为了防止非法个人或团体通过监听无线路径上的信令交换而窃得移动客户真实的客户识别码(IMSI)或跟踪移动客户的位置。
客户临时识别码(TMSI)是由MSC/VLR分配,并不断地进行更换,更换周期由网路运营者设置。更换的频次越快,起到的保密性越好,但对客户的SIM卡寿命有影响。
客户识别码保密程序:每当MS用IMSI向系统请求位置更新、呼叫尝试或业务起动时,MSC/VLR对它进行鉴权。允许接入网路后,MSC/VLR产生一个新的TMSI通过给IMSI分配TMSI的命令将其传送给移动台,写入客户SIM卡.此后,MSC/VLR和MS之间的命令交换就使用TMIS,客户实际的识别码IMSI便不再在无线路径上传送。
3.1.6 PIN码
在GSM系统中,客户签约等信息均被记录在一个客户识别模块(SIM)中,此模块称作SIM卡。SIM卡插到某个GSM终端设备中,便视作自己的电话机,通话的计费账单便记录在此客户卡户名下。为防止帐单上产生计费讹误,保证入局呼叫被正确传送，设置了PIN码操作(类似计算机上的Password功能)。PIN码是由4-8位数字组成,其位数由客户自己决定。如客户输入了一个错误的PIN码,它会给客户一个提示,重新输入,若连续3次输入错误,SIM卡就被闭锁,即将SIM卡拔出或关掉手机电源也无济于事。闭锁后,还有个“个人解码"是由8位数字组成,若连续I0次输入错误,SIM卡将再一次闭锁,这时只有到SIM卡管理中心,由SIM卡管理中心予以解
3．2 BTS和MS间Um接口
BTS与MS之间的Um接口称为空间接口(即无线信道)，它采用LAPDm信令。该接口包括三层协议：
第一层为物理层，该层通过无线信道发送或接收各种编码信息，主要提供了信息传送所需要的时分复用(TDM)帧结构；
第二层为链路层，是介于第三层和第二层之间的传送媒体，其功能是将第三层信令无差错地传送给第一层；
第三层为网络层，主要提供3种网络管理功能：
(1)RR--无线资源管理(Radio Resource)，包括寻呼(Paging)、加密模式设定(cipher mode setting)、信道分配、切换、测试报告；
(2)MM--移动性管理(mobilitymanagement)，包括鉴权(authentication)、位置更新 (locationupdating)、国际移动用户识别码的附着或分离(IMSIattach/detach)、周期性登记(periodic registration)；
(3)CM--呼叫连接管理(call connection management)，包括呼叫建立、补充业务、双音多频DTMF、短消息业务(short message scrvice)。
3.2.1 空间接口的无线特性
由于数字移动通信的迅猛发展，信息在空间传送所需要的频带已成为制约业务发展的关键问题所在。如何利用好有限的频率资源以及与采用新的频率资源进行合理的投资，从而规划好移动通信网络，是每个运营商现在就必须面对的问题。
3.2.1.1工作频段
陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz频段:
上行：890-915 MHz (移动台发、基站收)
下行：935-960 MHz (基站发、移动台收)
随著业务的发展,可视需要向下扩展,或向1.8GHz频段的DCS1800过渡,即1800MHz频段:
上行：1710-1785 MHz (移动台发、基姑收)
下行：1805-1880 MHz (基站发、移动台收)
3.2.1.2频道间隔
相邻两频道间隔为200kHz，每个频道采用时分多址接入(TDMA)方式,分为8个时隙,即8个信道(全速率)。每信道占用带宽200kHz/8-25kHz,同模拟网TACS制式每个信道占用的频率带宽。从这点看二者具有同样的频谱利用率。
将来GSM采用半速率话音编码后,每个频道可容纳16个半速率信道。
3.2.1.3 无线信道复用
根据频率规划和容量要求，每个基站都分配有若干个载频，每个基站无线覆盖区内的手机都能共享所分配的频率资源，而且不同手机可在同一个载频上分享不同的时间进行通信，这就是所谓的时分多址接入(即TDMA)。
在GSM中,无线路径上是采用时分多址(TDMA)方式。每一频率(频道)上可分成8个时隙,每一时隙为一个信道,因此,一个频道最多可有8小移动客户同时使用。
3.3 TDMA技术
3.3.1 TDMA系统特性
1.每载频多路。如前所述,TDMA系统形成频率时间矩阵,在每一频率上产生多个时隙,这个矩阵中的每一点都是一个信道,在基站控制分配下,可为任意一移动客户提供电话或非话业务；
2.突发脉冲序列传输。移动台信号功率的发射是不连续的,只是在规定的时隙内发射脉冲序列；
3.传输速率高,自行适应均衡。每载频含有时隙多,则频率间隔宽,传输速率高。但数字传输带来了时间色散,使时间延迟扩展量加大,则务必采用自行适应均衡技术；
4.传输开销大。由于TDMA分成时隙传输,使得收信机在每一突发脉冲序列上都得重新获得同步。为了把一个时隙和另一个时隙分开，保护时间也是必须的。因此,TDMA系统通常比FDMA系统需要更多的开销；
5.对于新技术是开放的。例如当话音编码算法的改进而降低比特速率时,TDMA系统的频道很容易重新配置以接纳新技术；
6.共用设备的成本低。由于每一载频为许多客户提供服务,所以TDMA系统共用设备的每客户平均成本与FDMA系统相比是大大降低了；
7.移动台较复杂。它比FDMA系统移动台完成更多的功能,需要复杂的数字信号处理技术。
3.3.2 TDMA 频道
TDMA频道概念:
空间接口泛指手机和基站所建立的连接。该接口采用TDMA技术，即每个载频携带一个TDMA帧，每一帧包括8个时隙(即信道)。从手机至基站定义为上行链路，从基站至手机为下行链路，而信道(即时隙)则根据不同的用途可分为物理信道和逻辑信道。
(1)物理信道
——一个载频所携带的TDMA帧中的一个时隙就是一个物理信道，每个载频(即一个TDMA帧)可含8个时隙，在一个时隙中所传送的信息称为一个“burst”(突发)，每个时隙长度为577μs。该时隙中的数据则以546μs的“burst”突发脉冲信号发射出去，这样8个“burst”是按顺序以TDM(时分复用)方式在同一个载频上发射的，而多个TDMA帧可形成一个复帧。例如，在上行链路上，某一手机A与基站收发信机所建立的联系,是基于一个TDMA时隙的。当该手机发送完一个“burst”后，它必须停止发送一段时间，使其他手机(如B利用与A手机相同频率的其他“burst”与基站建立联系)。由于信息是成帧传给基站的，每一个帧所含的8个TDMA“burst”信息均发给同一个基站收发信机，以及手机离基站的远近不同等原因，一个TDMA帧中的各个“burst”之间需要一定的保护时间，这样8个“burst”的长度总合应小于一个TDMA帧的时间长度。
(2)逻辑信道
——由于基站和手机之间需传送大量的用户数据和各种不同的控制信令，因此根据所传信息的不同，定义了各种不同的逻辑信道，这些信道可按照一定的规则映射到物理信道上。逻辑信道分为控制(或信令)信道和业务信道(TCH)两类。逻辑信道根据不同的特殊功能分为以下几种：
信道划分：
CCH 控制信道BCCH
广播控制信道(仅下行)BCCH - Broadcast Control Channel;
SCH - Synchronizing Channel;
FCH - Frequency Control Channel;
CCCH;
公共控制信道RACH - Random Access Channel;
PCH/AGCH - Paging Control Channel/Access Grant Control Channel;
CBCH - Cell Broadcast Channel
DCCH;
专用控制信道SDCCH - Standalone Dedicated Control Channel;
FACCH - Fast Associated Control Channel;
SACCH - Slow Associated Control Channel
TCH 业务信道Voice Channels;
Data Channels;
(1)业务信道
——用于基站和手机间的语音或数据的交换。根据语音编码器速率的不同可分为全速率和半速率两种业务信道。全速率语音编码器以13kb/s的速率工作(半速率语音编码器以6.5kb/s速率工作)。在进入无线信道发射前，语音数据信息还需要经过信道编码(包括分组编码和卷积编码)，对数据流进行必要的检错和纠错，并经过交织编码(速率为22.8kb/s，半速率信道编码速率为11.4kb/s)，再加上填充比特，形成33.6kb/s的数据流，最后经过GMSK调制，在无线信道上就形成了一个由8个时隙组成的总速率为270.833kb/s的TDMA帧，通过无线电波发射出去。在上行和下行频道上,以点对点(BTS对一个MS,或反之)方式传播。
(2)控制信道
用于传送信令或同步资料。根据所需完成的功能又分为广播、公共和专用(独立或伴随)3种控制信道。
广播信道(BCH)分为频率校正信道(FCCH)、同步信道(SCH)广播控制信道(BCCH)。
公共控制信道(CCCH)分为寻呼信道(PCH)、随机接入信道(RACH)和允许接入信道(ACCH)。
专用控制信道(DCCH)分为独立专用控制信道(SDCCH)、慢速伴随控制信道(SACCH)和快速伴随控制信道(SACCH)。
A.广播频道
--频率校正频道(FCCH):携带用于校正MS频率的消息,下行频道,点对多点(BTS对多个MS)方式传播。
--同步频道(SCH):携带MS的Fram同步(TDMA Fram号)和BTS的识别码(BSIC)的信息,下行频道,点对多点方式传播。
--广播控制频道(BCCH):广播每个BTS的通用信息(小区域特定信息)。下行,点对多点方式传播。
B.公共控制频道(CCCH)
--寻呼频道(PCH):用于寻呼(搜索)MS。下行,点对多点方式传播。
--随机接入频道(RACH):MS通过此频道申请分配一个独立专用控制频道(SDCCH),可作为对寻呼的响应或MS主叫/登记时的接入。上行频道,点对点方式传播。
--允许接人频道(AGCH):用于为MS分配一个独立专用控制信道(SDCCH).下行频道,点对点方式传播。
C.专用控制频道(DCCH)
--独立专用控制信道(SDCCH):用在分配TCH之前呼叫建立过程中传送系统信令。例如登记和鉴别权限在此频道上进行。上行和下行频道,点对点方式传播。
--慢速链路控制频道(SACCH):它与一个TCH或一个SDCCH相关,是一个传送连续信号的连续数据信息,如传送移动台接收到的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告。这对实现移动台与切换功能是必要的。它还用于MS的功率管理和时间调整。上行和下行频道,点对点方式传播。
--快速随路控制频道(FACCH):它与一个TCH相关,工作于借用模式,即在话音传输过程中如果突然需要以比SACCH所能处理的高得多的速度传送信号消息,则借用20ms的语音(数据)来传送.这一般在切换时发生,由于语音译码器会重复最后20ms的语音,因此这种中断不被用户查觉。
3.3.3 TDMA 帧（FRAME）
GSM是一个TDMA系统，系统中最小的时间单位是数据比特单元，每个比特长为3。69μs。每个手机用来收发一次信息的时间，也就是一个时隙，由156。25个数据比特组成。由于每个频点上有八个用户，因此每帧由八个时隙组成。用户每帧得到一个时隙。每帧的时间是4。615ms，几个帧可以组成一个更大的帧结构，被称为复帧：有两种大小的复帧结构：26帧的复帧和51帧的复帧。TCH使用26帧的复帧结构。BCH使用成对的51帧的复帧结构（实际上是102帧的结构）。一个超帧是由51个或26个复帧组成。
在TDMA中,每个载频被定义为一个TDMA Frame,相当于FDMA系统中的一个频道。每个Frame包括8个时槽(TS0一7),要有TDMA Frame号(Frame Number),这是因为GSM的特性之一是用户保密性好,是通过在发送信息前对信息进行加密的实现。计算加密序列的算法是以TDMA Frame号为一个输入参数,因此每一Frame都必须有一个Frame号。有了TDMA Frame号,移动台就可判断控制频道TS0上传送的是哪一类逻辑频道。
TDMA Frame号是以3.5小时(2715648个TDMA Frame)为周期循环编号的,每2715648个TDMA Frame为一个超高Frame,每一个超高Frame又可分为2048个超Frame,一个超Frame持续时间为6.12s,每个超Frame又是由复Frame组成。复Frame分为两种类型
26Frame的复Frame--它包括26个TDMA Frame,持续时长120ms。51个这样的复Frame组成一个超Frame。这种复Frame用于携带TCH(和SACCH加FACCH)。
51Frame的复Frame--它包括51个TDMA Frame,持续时长3060/13ms.26个这样的复Frame组成一个超Frame。这种复帧用于携带BCH和CCCH。
3.3.4 突发脉冲序列（Burst）
TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发脉冲序列。共有五种类型。
①普通突发脉冲序列（NB）：用于携带TCH及除RACHA，SCH和FCCH以外的控制信道上的信息。“57个加密比特”是客户数据或话音，再加“1”个比特用作借用标志。借用标志是表示此突发脉冲序列是否被FACCH信令借用。“26个训练比特”是一串已知比特，用于供均衡器产生信道模型（一种消除时间色散的方法）。
“TB”尾比特总是000帮助均衡器判断起始位和中止位。“GP”保护间隔，8.25个比特（相当于大约30ms），是一个空白空间。由于每载频最多8个客户，因此必须保证各自时隙发射时不相互重迭。尽管使用了时间调整方案，但来自不同移动台的突发脉冲序列彼此间仍会有小的滑动，因此8.25个比特的保护可使发射机在GSM建议许可范围内上下波动。
② 频率校正突发脉冲序列（FB）：用于移动台的频率同步，它相当于一个带频移的未调载波。此突发脉冲序列的重复称FCCH，它的“固定比特”全部是0，使调制器发送一个未调载波。“TB”和“GP”同普通突发脉冲序列中的“TB”和“GP”。
③ 同步突发脉冲序列（SB）：用于移动台的时间同步，它包括一个易被检测的长同步序列并携带有TDMA帧号和基站识别码（BSIC）信息。这种突发脉冲序列的重复称为SCH。
④ 接入突发脉冲序列（AB）：用于随机接入，它有一个较长的保护间隔，这是为了适应移动台首次接入（或切换到另一个BTS）后不知道时间提前量而设置的。移动台可能远离BTS，这意味着初始突发脉冲序列会迟一些到达BTS，由于第一个突发脉冲序列中没有时间调整，为了不与下一时隙中的突发脉冲序列重叠，此突发脉冲序列必须短一些。
⑤ 空闲突发脉冲序列（DB）：此突发脉冲序列在某些情况下由BTS发出，不携带任何信息。它的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恃模型的混合比特。
3.4 基站与移动台间的时间调整
由于在空中接口采用了TDMA技术，那么某一移动台必须在指配给它的时隙内发送，而在其余时间又必须保持寂静，否则它会干扰使用同样载频上不同时隙的另一些移动客户。
收发之间是间隔3个时隙。假如某移动台占用了时隙2（TS2），可它在呼叫期间向远离基站方向移动，因此从基站发出的信息，将会越来越迟地到达移动台。与此同时移动台的应答信息，也会越来越迟地到达基站。如果不采取措施，该时延长至使该移动台在TS2发送的信息与基站在TS3接受到的另一个呼叫信息重迭起来。所以，在呼叫进行期间，必须监视呼叫到达基站的时间，并由系统向移动台发送指令，随着移动台离开基站的距离，逐步指示移动台提前发送的时间，这就是时间的调整。
时间调整的提前是0～63个比特之间的任意值。如0个比特就表示不必调整，表明MS和BTS在一起。63个比特是调整的最大量，也就是BTS与BS之间最长距离。
GSM系统最大覆盖范围是：
3.7ms ´ 63 ´ 3 ´ 108m／s = 70km
3.7ms：每个比特的时长；63：时间调整的最大比特数；3 ´ 108m／s ：电波速度。
其覆盖半径是35km。
当一个特定连接建立时，BTS不断测量自己脉冲时隙与收到的MS时隙之间的时间偏移量。基于这个测量，它可以向MS提供要求的时间提前量，并在SACCH上以每秒2次的频度通知MS。
3.5 话音编码
由于GSM系统是一种全数字系统，话音或其它信号都要进行数字化处理，因而第一步要把话音模拟信号转换成数字信号（即1和0的组合）。
通信电路上采用的PCM编码，采用的是A律波形编码，分为3步：
--- 采样。在某瞬间测量模拟信号的值。采样速率8kHz/s。
--- 量化。对每个样值用8个比特的量化值来表示对应的模拟信号瞬间值，即为样值指配256（28）个不同电平值中的一个。
--- 编码。每个量化值用8个比特的二进制代码表示，组成一串具有离散特性的数字信号流
用这种编码方式，数字链路上的数字信号比特速率为64kbit／s （8kbit／s ´ 8）。如果GSM系统也采用此种方式进行话音编码，那么每个话音信道是64kbit／s，8个话音信道就是512kbit／s。考虑实际可使用的带宽，GSM规范中规定载频间隔是200kHz。因此要把它们保持在规定的频带内，必需大大地降低每个话音信道的编码的比特率，这就要靠改变话音编码的方式来实现。
声码器编码可以是很低的速率（可以低于5kbit／s，虽然不影响话音的可懂性，但话音的失真性很大，很难分辨是谁在讲话。波形编码器话音质量较高，但要求的比特速率相应的较高。因此GSM系统话音编码器是采用声码器和波形编码器的混合物--- 混合编码器，全称为线性预测编码-长期预测编码-规则脉冲激励编码器（LPC-LTP-RPE编码器）。LPC+LTP为声码器，RPE为波形编码器，再通过复用器混合完成模拟话音信号的数字编码，每话音信道的编码速率为13kbit／s。
3．6 信道编码
采用数字传输时，所传信号的质量常常用“接收比特中有多少是正确的”来表示，并由此引出比特差错率(BER)概念。BER表明总比特率中有多少比特被检测出错误，差错比特数目或所占的比特要尽可能小。然而，要把它减小到0，那是不可能的，因为路径是在不断变化的。这就是说必须允许存在一定数量的差错，但还必须能恢复出原信息，或至少能检测出差错，这对于数据传输来说特别重要，对话音来说只是质量降低。
移动通信的传输信道属变参信道，它不仅会引起随机错误，而更主要的是造成突发错误。随机错误的特点是码元间的错误互相独立，即每个码元的错误概率与它前后码元的错误与否是无关的。突发错误则不然，一个码元的错误往往影响前后码元的错误概率。或者说，一个码元产生错误，则后面几个码元都可能发生错误。因此，在数字通信中，要利用信道编码对整个通信系统进行差错控制。信道编码，能够检出和校正接收比特流中的差错。这是因为加入一些冗余比特，把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特，但有效地减少差错。差错控制编码可以分为分组编码和卷积编码两类。
分组编码是把信息序列以k个码元分组，通过编码器将每组的k元信息按一定规律产生r个多余码元(称为检验元或监督元)，输出长n＝k十r的一个码组。因此，每个码组的r个检验元仅与本组的信息元有关而与别组无关。分组码用(n，k)表示，n表示码长，k表示信息位数目，R＝k／n称为分组编码的效率，也称编码率或码率。
卷积编码就是将信息序列以ko个码元分段，通过编码器输出长为no的一段码段。但是该码的no - ko个检验码不仅与本段的信息元有关，而且也与其前m段的信息元有关，故卷积码用(no，ko，m)表示，称No＝(2n十1)no为卷积编码的编码约束长度。与分组编码一样，卷积编码的编码效率也定义为R＝ko／no，对于具有良好纠、检错性能并能合理而又简单实现的大多数卷积码，总是ko＝l或是(no - ko)＝l，也就是说它的编码效率通常只有l／5，1／4，1／3，1／2，2／3，3／4，4／5……。
在GSM系统中，上述两种编码方法均在使用。首先对一些信息比特进行分组编码，构成一个“信息分组十奇偶(检验)比特”的形式，然后对全部比特做卷积编码，从而形成编码比特。这两次编码适用于话音和数据二者，但它们的编码方案略有差异。采用“两次”编码的好处是：在有差错时，能校正的校正(利用卷积编码特性)，能检测的检测(利用分组编码特性)。
一般认为：分组编码提供纠错和检错；卷积编码提供信道保护。而数据交织则起到了减小由于无线环境对各个“burst”干扰所造成的数据丢失的作用，信道编码还将业务信道(逻辑信道)和信令信道(逻辑信道)映射到物理信道上(时隙)。每个无线信道(载频)上有8个逻辑信道编码器,每个时隙对应一个逻辑信道编码器。
GSM系统首先是把话音分成20ms的音段,这20ms的音段通过话音编码器被数字化和话音编码，产生260个比特流。每个信道编码器从编码器收到一个260bit(抽样时长为20ms，速率为133kb/s)的语音分组，260bit语音分组经分组编码和卷积编码，对数据进行检错和冗余，变为456bit数据分组(速率为22.8kb/s并分为8组，其中前4组(每组57bit)与前一个20ms抽样语音分组中的后4组进行数据交织，形成4个“burst”(每个“burst”含114bit)；而后4组(每组57bit)与后一个20ms抽样语音分组中的前4组进行数据交织，也形成4个“burst”(每个“burst”含114bit)，这样共形成8个“burst”。在不考虑跳频时，根据指定的TDMA帧中的一个固定时隙，经过无线信道中8个连续帧发送出去。
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从以上信道编码器的工作流程可以看出，数据交织将引起话音的延迟。因为原来一个20ms语音分组(抽样信息)经交织后在实际的无线信道上需要40ms才能传完，而交织给系统带来的好处是，它提高了纠错解码的性能。针对数据交织引起话音的延迟，可利用GSM收信机信道均衡器。在发送端每个TDMA“burst”中均含有一个训练序列，在另一端收信机能与该训练序列同步，并据此对多径衰落，接收信号强度和数据定时误差进行评价。均衡器利用评价结果调整接收机信号增益和数据定时提前(Timing Advance)，调整后不仅会减少失真造成的影响，而且还可以恢复部分数据。均衡器还能补偿多径造成的延迟，且在每个TDMA“burst”完成。
四、GSM蜂窝系统
无线通信主要依靠电波传播,而传播中的电波功率与传播距离是成平方反比,也就是说(1/(距离平方)),加上地面反射及站点之间障碍物的干扰,最后的移动用户接收功率大概就为(1/(距离4次方))。
蜂窝系统的一个问题是频率与移动台数量,在固定频率范围内,可使用的通信频道是有限的,也就是说移动台数目是有限的,为解决这个问题,蜂窝系统采用频率重覆使用方式,也就是说某发射台A与某发射台B使用相同频率,但只要他们发射范围彼此距离够远,就不会互相有所影响,因此提供不同发射范围的移动台用户,但却是同一个频率。
GSM所设计的是中等规模蜂窝,发射半径是在1公里到10公里之间,低于或高于此范围,相对会有所影响。
蜂窝系统的另一个问题是蜂窝切换速度,也就是移动台从某个蜂窝切换至另一个蜂窝过程速度.这点也须依靠移动台(手机)来配合完成,移动台会测量相邻的蜂窝,以便决定是否执行动态越区切换。
4.1 频道管理
由于无线通信的频道比用户数目少的多,所以系统提供双向通话的频道是必要时才提供。在移动通信网中,频道的占用和释放必须是动态且及时的。
在GSM系统中寻找移动用户是一件不容易的事,当用户不在通话的时候,用户端(移动台)会锁住(守听)一个特殊频道来等待电话的打入,此频道所带的信息,称为"寻呼信息",此信息的作用在指示移动台(手机)用户是在那一个蜂窝小区内。
任何无线呼叫的建立,无论是移动台发向基地台或基地台发向移动台,都要使移动台获得一个频道而接入系统,也就是移动台发出或接入呼叫的过程是在一个专用频道中完成,这个频道就叫做"专用频道",而这个频道是双向的。
由以上所述,我们可以知道:移动台有两个状态
空闲状态(待机):移动台监听"广播频道",此时没有自己的频道。
专用状态:为了通话的需要,此时移动台分配到了一个双向频 道,可与基地台做双向沟通(可通话)。因此移动台接入过程就是从空闲状态转为专用状态。
4.2 GSM 功能
4.2.1 话音功能
GSM最重要的功能是电话服务功能,而这项服务须保证GSM用户在任何地点能与其他有线或无线用户通话,且通话是双向的。
从电话服务演生出的另一话音功能是语音信箱。声音信息被储存,使呼叫不通时,用户可将声音存入GSM用户的语音信箱,而GSM用户也能接入语音信箱听取留言。
4.2.2数据传输服务
提供给固定(有线)用户和ISDN用户的大部份服务,GSM都提供,包括分组交换数据网所提供的服务。GSM数据用户可以和PSTN(public Switch Telephone Network)用户相连接,也可与ISDN用户相连。
4.2.3 短消息服务
何谓短消息服务,简单的例子就是B.B.Call。一个几十个words长度的信息,可以被小屏幕终端来接收。GSM已设计支持这种服务,移动台(手机)可以用于通话又可用于寻呼功能。
GSM能够传送包括送往移动台和移动台送出的短消息(SMS-MT/PP-Mobil Terminating Short Message Service and SMS-MO/PP-Mobil Orinamting Short Message Service)。
另一种消息服务是"蜂窝广播短消息服务"(SMS-CB-Cell Broadcast Short Message Service),这种服务是基地台在每隔一段固定时间对移动台送出广播讯息,例如天气预报,股票行情,重要新闻等。
4．3 GSM用户通话过程
从交换系统观点来看移动台,其用户通话处理过程如下:
第一:检查身份
检查GSM用户的身份和可使用的服务,此时用户有几种状态,一种是“ 禁止呼出”(BAOC-Barring of all Outgoing Calls),另一种是“禁止国际电话呼出”(BOIC-Barring of Outgoing International Calls),以及“除了所属国家外禁止国际电话呼出”(BOIC-exHC:Barring of Outgoing International Calls except those directed toward the home PLMN country)。
第二:呼入的过程
在无任何呼入限制外,电话应是正常的完成接续,而有几种状态呼入是被拒绝的：“禁止呼入”(BAIC-Barring of All Incoming Calls),“当漫游超出所属移动网国家时禁止呼入”(BIC-Roam:Barring of Incoming Calls when roaming outside the home PLMN country)。另一种是不算呼叫失败的呼入电话-“呼叫转移”(CFU-Call Forwarding Unconditional),交换系统会将电话转移到固定或移动用户等。
第三:障碍
在信号连接过程有可能遇到障碍,此时有两种可能,一是停止呼叫动作的连接,且送信号音,一是接到第三方,即“当移动用户不能连接时的呼叫转移”(CFNRC-Call Forwarding on mobil subscriber Not Reachable)。
第四:被叫用户忙
呼叫过程有可能被叫忙线,而这种情况被叫通常经由事先设定,通知交换系统,采取那种处理方法,最基本是停止呼叫连接动作而送“忙线音”,如被叫有设定“忙线转移”(CFB-Call Forwarding on mobil subscriber Busy),则此通电话将接到另一用户上.如被叫设定“呼叫等待”CW-Call Waiting),则待被叫按功能键将其接入。
第五:闭塞
如没有上述问题,且被叫用户空闲,仍然存在两种可能性:呼叫完成或不能完成.被叫可能不想接电话,可能不在。此时GSM用户可申请“主叫用户号码显示”(CLIP-Call Line identification Presentation),藉由此功能,被叫可看到主叫号码,因而可决定是否接此通电话。当然主叫用户也可藉由申请“限制主叫显示”(CLIR-Call Line Indentification Restriction)功能,则被叫就无法看到主叫用户号码。被叫还可申请“不应答转移”(CFNRY-Call Forwarding on No Reply),当被叫不接电话时,就可将这通电话转到另一个电话号码。
4．4 呼叫处理
4．4．1 MS主叫
若一MS处于激活且空闲状态，客户A 要建立一个呼叫，他只要拨被叫B 客户号码，再按“发送”键，MS便开始启动程序。
首先，MS通过随机接入控制信道（RACH）向网路发第一条消息，既接入请求消息，MSC会分配它一专用信道，查看A客户的类别并标注此客户忙。若网路容许此MS接入网路，则MSC发证实接入请求消息。
接着，MS发呼叫建立消息及B客户号码，MSC根据此号码将主叫与被叫所在MSC连通，并将被叫号码送至被叫所在MSC（B客户为移动客户时）或送入固定网（PSTN）转界交换机（B客户为固定客户时）中进行分析。
一旦通往B客户的链路准备好，网路便向MS发呼叫建立证实，并给它分配专用业务信道TCH。至此，呼叫建立过程基本完成，MS等待B客户的证实信号。
4．4．2 MS被叫
若MS作被叫，以PSTN的固定客户A呼叫GSM的移动客户B的呼叫建立过程为例。B客户号码为139HlH2H3ABCD。
A客户(如北京固定网某客户)拨打B客户(如上海数字移动某客户)，拨MSISDN(0139HlH2H3ABCD)号码。本地交换机根据A客户所拨B客户号码中国内目的地代码(139)可以与GSM网的GMSC(GSM网入口交换机)间建立链路，并将B客户MSISDN号码传送给GMSC。GMSC分析此号码，根据HlH2H3ABCD，应用查询功能向B客户的HLR发MSISDN号码，询问B客户漫游号码(MSRN)。
HLR将B客户MSISDN号码转换为客户识别码(IMSI)，查询B客户目前所在的业务区MSC(如他已漫游到广州)，向该区VLR发被叫的IMSI，请求VLR分配给被叫客户一个漫游号码MSRN，VLR 把分配给被叫客户的MSRN号码回送给HLR，由HLR发送给GMSC。GMSC有了MSRN，就可以把入局呼叫接到B客户所在的MSC(北京-广州)。GMSC与MSC的连接可以是直达链路，也可 由汇接局转接。VLR查出被叫客户的位置区识别码(LAI)之后，MSC将寻呼消息发送给位置区内所有的BTS，由这些BTS通过无线路径上的寻呼信道(PCH)发送寻呼消息，在整个位置区覆盖范围内进行广播寻呼。守候的空闲MS接收到此寻呼消息，识别出其IMSI码后，发送应答响应。
五、GSM手机
根据技术的发展，ETSI在其GSM规范中给出了GSM手机的两种形式：单频手机和双频手机。
双频手机与普及型的单频手机相比，有下面的特点：根据基站的控制信令，双频手机即可以工作在900MHz频段网络，也可以工作在1800MHz频段网格，当一个网络繁忙或信号质量差时，双频手机可自动切换到另一个频段的网络上工作，而且这种切换基本上不影响话音质量。另外，从近来国际上手机的发展趋势和FTA(full type approval)认证的情况来看，双频手机在将来会是主流产品。双频手机在两个不同的工作频段上，其基带部分信源编码、信道编码的算法和处理、信令处理的方法和帧格式、调制解调方式、信道间隔等均相同，与单频手机在电路结构上的差别在于射频前端和相对应的控制软件。
5．1 GSM900／1800双频手机RF部分的主要技术指标
四类机，阶段2增强型(class IV phase Ⅱ pluse )E—GSM900MHz部分的主要RF指标如下：
工作方式： TDMA—TDD
工作频率： 上行Tx(反向)880MHz-915MHz，
下行Rx(正向)925MHz—960MHz
双工频率间隔： 45MHz，载波间隔：200kHz
每载波时隙数： 8(当前全速率)／16(今后半速率)
每帧长度： 4．615ms，每时隙长：577μs
传输速率： 270．833kbps(即在每时隙上传156．25bits)
调制方式： 采用I／Q正交GMSK调制
静态参考灵敏度： 优于-102dB/RBER(Resiodual BER)＜2％
动态范围： -47dBm—110dBm
频率误差： <1×10-7，相位误差的均方根值<5°，相位误差峰值：<20°
射频输出功率： 5级(33dBm)--19级(5dBm)，级差：Δ＝2dB，共有15个功率等级
DCS1800二类手机(class Ⅱ)部分的主要RF指标：
工作频率： 上行Tx：1710MHz--l785MHz，
下行Rx：1805MHz—1880MHz
收发频率间隔： 95MHz
静态接收参考灵敏度： -100dBm/RBER＜2％
发射单元频率误差： Fe<1×10-7，相位误差均方根值＜5°，峰值＜200
射频输出功率： 3级(24dBm)--15级(0dBm)，共有13级功率；步进Δ＝2dB
其余指标要求与GSM900相同
5．2 双频手机RF部分基本工作原理
5.2.1 下行链路接收机单元
由蜂窝小区基站发出的已调载波通过Um无线接口，传到手机天线端。在接收时隙接收到的信号先通过收发隔离器，再经过GSM900MHz的LNA(低噪声放大器)，将微伏量级的弱信号放大。放大后的信号经过GSM900的第一RF混频器后，将得到的第一中频信号进行窄带(200kHz)滤波，以滤除带外噪声，保证接收机选择性指标。然后信号经过具有AGC功能的第一中频放大器放大，再经过第二混频器和第二中频滤波器。在这之后，输出的信号由具有AGC功能的第二中频放大器进行放大。放大后的信号进入I／Q正交解调器解调，正交解调后的模拟I、Q信号平衡输出到后面的基带、音频部分等待作进一步的信道译码和倍源译码处理。
DCS1800MHz频段接收单元的信号处理过程与GSM900相同，只是工作频段不同而已。接收机中AGC的作用是：当天线端的RF信号电平在大范围内变化时，保证I／Q输出信号的电平基本不变；在监听时隙探测相邻小区基站的下行广播信号强度，配合完成越区切换功能。
5.2.2 上行链路发射单元
由基带部分传输过来的I、Q正交模拟基带信号，在发射时隙期间双端平衡输入到中频I／Q正交调制器，调制后的中频信号经过发射中频声表面(SAW)窄带滤波器(200kHz)，滤波后的信号经过上变频后，再经过35MHz带宽的900MHz发射滤波器，滤波器输出的信号先通过功率激励级放大以达到末级RF功放(PA)所需的激励电平。最后再经过功率放大器PA和收发隔离器，通过天线把已调载波发射出去。PA部分APC控制电路的作用是：保证RF功率电平等级满足5dBm-33dBm的变化要求，以避免在多用户组网时发生“远近”干扰。
DCS1800MHz频段发射单元的信号处理过程与GSM900相同，只是工作频段不同而已。
5.3 几种不同的接收机RF接收方案
在满足技术要求的前提下，可以有几种不同的接收机RF解决方案：
（1）3次变频方案：采用此法频率合成器实现复杂，中频频点多，容易产生组合干扰，一般不采用。
(2)2次变频方案：为简化电路，第2中频频点选取手机的基准时钟频率13MHz或其2分频6．5MHz。这种方案在早期的接收机中广泛采用。例：摩托罗拉GC87、诺基亚8110、爱立信GH／G5388、摩托罗拉8200。该方案复杂程度适中，而且还可获得高的选择性，中频放大器的增益分配比较容易实现，不易产生自激。
(3)一次变频方案：随着IC器件和SAW滤波器指标的提高，这种方案在目前的手机电路中广泛采用。它可以简化电路，从而降低制造成本，而选择性指标仍可满足技术要求。目前许多双频手机采用了这种方案。
(4)零中频直接解调的方案：前提是AD变换器和DSP的技术水平能满足实时处理数百MHz高频信号的要求，并满足噪声、选择性和功耗指标。
5.4 发射单元
发射单元可以采用几种不同的电路方案：
(1)采用双中频：该方案的优点是选择性指标容易保证，带外抑制指标比较高，频差Fe和相差Pe指标比较好，缺点是PLL要复杂一些，易产生互调干扰。
(2)采用单中频：这种方案的优点是PLL电路简单，不易产生互调干扰，Fe和Pe指标比较好，缺点是选择性指标比采用双中频的方案要差一些。
(3)采用直接调制到RF的方案(即无中频)：该方案的优点是电路简单，缺点是选择性指标比较差，Fe和Pe指标难以保证。
(4)末级Tx—VCO采用上变频：其优点是电路相对简单，缺点是Fe和Pe指标稍差。
(5)末级Tx—VCO采用PLL—VC0：其优点是Fe和Pe指标容易保证，缺点是电路要相对复杂一些。
（6)采用开环控制的PA：此方案的优点是可以省去定向耦合器、功率检测和比较电路，外围电路相对简单一些。该方法的缺点是要在PA的供电回路中采用一个大电流(1dmax＞6A)的MOS开关管(其作用是相当于一个有源降压电阻)，而该管在使用中的故障率比较高，从而造成手机无法开机的故障。
(7)采用闭环控制的PA：优点是PA直接和电池连接，而不用MOS管，故稳定性、可靠性比较高，缺点是需要用定向耦合器、功率检测和比较电路，电路要复杂一点。
采用发射单中频，末级TX—VC0采用PLL—VC0，PA闭环控制的方案较为理想。
5.5 频率合成器
5．5．1基本电路
低噪声稳定本地振荡(LO)或频率合成模块为GSM手机提供了低RMS相位误差、快的频率切换时间和参考激励抑制。它是手机的心脏。
收发单元的频率合成器均可采用一次变频技术获得较高的性能价格比。在采用这种方法的条件下，又有下面的几种方案：
(1)GSM900和DCSl800两频段的收发信机采用不同的中频频点：缺点是PLL电路复杂，两频段的中放部分不能共用，一般不宜采用。
(2)GSM900和DCSl800两频段的收发信机共用中频部分：采用此法可使电路简化，降低成本，提高可靠性。
(3)在同一频段内(同在GSM900或DCSl800)接收中频和发射中频采用不同的频点：采用此法PLL电路和控制相对复杂一些。
(4)在不同的频段内，收发中频频点均相同：采用此法的理论依据是GSM900／DCSl800均采用TDMA体制。采用该法可使整个PLL电路和控制最为简单、实用。
5.5.2 IF和RF频率合成器鉴相频率
因为IF是一个固定的频点，故IF鉴相频率可取得比较高，可在几百kHz到几MHz之间选择，以提高IF频率合成器的频谱质量。RF频率合成器的鉴相频率应不大于信道载波间隔，对于GSM而言，鉴相频率可取200kHz(ΔCH)或100kMz(0．5ΔCH)，一般取200kMz。
5．5．3 锁定时间
根据GSM通信体制的要求，手机频率合成器锁定时间需同时满足下列两个条件：
(1) 按帧(时隙不变)进行跳频，跳频速率：217跳/秒，根据GSM TDMA的帧结构，要求Tlock＜T帧—T时隙＝7时隙长＝7×0．577=4ms；
(2)GSM技术规范中要求，具有相同帧号的上行帧和下行帧之间，在时间上相差3个时隙(上行帧滞后)，同时要求手机能在这三个时隙的时间内，进行信道的切换和调谐，故锁定时间应满足：
Tlock＜3时隙＝3×0．577＝1．73ms。
综合起来，RF频率合成器的锁定时间应小于：1．73ms
5．6 基带
移动台的硬件结构可分为两大部分：射频部分和基带部分(见图)。从图也可看出基带电路在手机中所起的作用。
在数字通信系统中，信息的传输都是以数字信号的形式进行的，因而在通信发送端必须将模拟信号转换为数字信号，在接收端将数字信号还原成模拟信号。移动通信中处理的信息包括语音、数据和信令信息，而处理最多的信息是语音信号，因此高质量低速率的语音编码技术可以提高数字通信网的系统容量。目前已提出了多种适合于移动信道的语音编码技术，其中包括GSM系统采用的规则脉冲激励－长期预测编码(RPE－LPT)，该编码属于中速率的混合型编码，纯语音编码速率为13kbit／s。
在移动环境的通信信道中，由于移动体是处于运动中，多径传播造成的衰落使信道特性为变参信道。信道时变多径特性造成接收信号电平的起伏现象被称为多径衰落。通常在移动信道中信号电平的起伏呈瑞利分布时，这种信道称为瑞利衰落信道。GSM系统采用信道编码技术、隐分集技术和数字均衡技术来保证通信系统在多径和衰落信道条件下正常工作。信道编码的目的是提高信号的传输质量，但也增加了要传送的冗余度。编码的要点是在原数据基础上加入一些由源信息计算得到的冗余信息。解码就利用这些冗余来检测差错或估计接收到的可能的发射比特。当传输的冗余与从接收数据中计算得到的不同时，这说明传输中发生了差错。GSM系统中使用的信道编码有：
卷积码：用于差错纠正。当它与来自解调器的似然估计相结合使用时可获得很高的效率；GSM分别采用卷积速率为1／2、1／3、1／6的卷积码；
FIRE码：专用于“突发性”差错的检测和纠正，它被级连用于卷积码之后；
奇偶校验码：用于差错检测。
GSM系统采用的隐分集技术包括交织(时间分集)和慢跳频(频率分集)。交织的目的是反映一个较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码技术消除随机差错。GSM系统采用慢跳频(270跳／秒)，其作用是频率分集和干扰源分集，以减小干扰电平的平均值。
均衡技术是指对信道特性的均衡，即接收端的均衡器产生与信道相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的码间串扰。GSM采用Viterbi算法的均衡解调技术，可均衡的时延为16μs。
在数字传输系统的各种优点中，对用户很重要的一个特征是保护数据不被未授权的第三方窃知。GSM是通过对传输加密引入这种保护的，重要的一点是加密方法不依赖于要传输的数据类型(话音、用户数据、信令)，但它只适用于普通突发脉冲。加密是通过对一个伪随机序列与普通突发脉冲作“异或”操作实现的。用来产生伪随机序列的算法在GSM规范中称为“A5”算法。
GSM系统采用BT=0.3、调制速率为270.833kbit／s的高斯最小移频键控调制方式。这种调制方式具有包络恒定、相对较窄的带宽、可进行相干解调且满足移动通信中对带外辐射小的要求。
基带部分可分为五个子块：CPU处理器、信道编码器、数字信号处理器、调制解调器和接口模块。
CPU处理器对整个移动台进行控制和管理，包括定时控制、数字系统控制、射频控制、省电控制和人机接口控制等。若采用跳频，还应包括对跳频的控制。同时，CPU处理器完成GSM终端所有的软件功能，即GSM通信协议的layer 1(物理层)、layer 2(数据链路层)、layer 3(网络层)、MMI(人－机接口)和应用层软件。
信道编码器主要完成业务信息和控制信息的信道编码、加密等，其中信道编码包括卷积 编码、FIRE码、奇偶校验码、交织、突发脉冲格式化。
数字信号处理器主要完成采用Viterbi算法的信道均衡和基于规则脉冲激励—长期预测技术(RPE－LPC)的语音编码／解码。
调制／解调器主要完成GSM系统所要求的高斯最小移频键控(GMSK)调制／解调方式。
接口部分包括模拟接口、数字接口以及人机接口三个子块。
(1)模拟接口包括：
语音输入／输出接口：用于麦克风、扬声器、蜂鸣器、免提等。
射频控制接口：产生用于射频控制的模拟量如AGC、AFC、APC等。
(2) 辅助接口：电池电量、电池温度等模拟量的采集。
(3) 数字接口包括：
系统接口：完成数据通信(传真、图象、数据等)、数字音频测试(DAI TEST)、程序的下载等功能。
SIM卡接口：用来驱动外部的SIM卡。经过特定的电平变换后，此接口可驱动3V卡、5V卡、3／5V兼容卡。
测试接口：利用芯片的边界扫描寄存器来达到测试的目的(通常用于数字信号的测试)。此测试可确定芯片是否完成所要求的功能、各个功能模块是否正常以及整机是否正常工作。
EEPROM接口：主要存储用户数据和射频参数。如手机识别码(IMEI)、语言选择、键盘锁、双音多频的开／关和射频的校准参数等。
存储器接口：ROM接口主要用来连接存储程序的存储器FLASH ROM，在FLASH ROM中通常存储layer1，2，3、MMI和应用层的程序。RAM接口主要用来连接存贮暂存数据的静态RAM(SRA M)。
(4)人机接口包括：
显示器接口：用来连接串口／并口液晶显示器(LCD)的驱动器。
键盘／背光接口：用来连接键盘和背光灯。
5．7基带语音信号传输流程
上行链路：来自送话器的话音信号经过8kHz抽样，13bits均匀量化变为104kbit／s数据流，数据流进入话音编码器进行规则脉冲激励－长期预测(RPE－LTP)编码。PRE－LTP编码属于中速率混合型编码，为提取特征参数而作的语音分析利用了语音信号的准平稳性，即在10～20ms的短时间内可认为语音的特征参数不变。因此可将实际语音信号分成短的时间段，在各个段内分别进行参量提取。GSM系统的编码处理是按帧进行的，每帧20ms，含160个语音样本，经话音编码后为260bits的编码块，即话音编码后的信号速率为13kbit／s。同时，GSM标准(PHASE 2＋)要求移动台对语音进行检测，将每个时间段分为有声段和无声段。在有声段，进行语音编码产生编码语音帧；在无声段，对背影噪声进行估计，产生SID帧(静寂描述帧)。发射机采用不连续发射方式，即仅在包含语音帧的时间段内才开发射机。SID帧是在语音段结束时发射的。接收端根据收到的SID帧中的信息在无声期内插入舒适噪声。
13kbit／s话音信号进入信道编码进行编码。对于话音信号的每20ms段260bits，信道编码器首先对话音信号中最重要的Ia类50bits进行分组编码(CRC校验)，产生3bits校验位，再与132bits的Ib类比特组成185bits，再加上4个尾比特“0”，组合为189bits，这189bits再进入1／2速率卷积编码器，最后产生出378bits。这378bits再与话音信号中对无线信道最不敏感的Ⅱ类78bits组成最终的456bits组。同样，对于信令信号，由控制器产生并送给信道编码器，首先按FIRE码进行分组编码(称为块编码)，然后再进入1／2卷积编码，最后形成456bits组。因此信道编码后信道传输速率为22.8kbit／s。
编码后的话音和信令信息再进入交织单元。首先将这456bit进行语音块内交织，并分成长为57bit的八个子块。不同语块之间的交织深度为2，在进行相邻语音块的块间交织后进入加密单元。
加密是通过对一个伪随机比特序列与普通突发脉冲的114个有用比特作“异或”操作实现的。伪随机序列由突发脉冲信号和事先通过信令方式建立的会话密钥得到的。用来产生伪随机序列的算法在GSM系统规范中称为“A5”。加密后的数据进入突发脉冲格式化单元。
在突发脉冲格式化单元中，114bit数据流被加入训练序列及头、尾比特组成156.25bit(包括8.25防护比特)的突发，这些突发被按信道类型组合到不同的TDMA帧和时隙中去。突发脉冲格式化便于信息的接收、同步、均衡和信息分类处理。经格式化后的数据进入调制器。在调制器中对格式化后的数据进行GMSK调制。
下行电路则采用相应的解调解密去交织，解码等技术。
5．8 基带技术实现及芯片的构成
目前手机发展趋势是小型化、省电、高可靠性，所以手机的基带芯片均采用专用集成电路。各个芯片厂商基带芯片的组成可能不同，但其基带芯片所完成的功能基本相似。按目前水平基带芯片通常为两片，若有单芯片的基带电路，其本质也是两个芯片用多芯片组装工艺形成的。在两块芯片中，一片由信道编码、数字信号处理器、CPU组成。在CPU的控制下完成各种算法，包括语音编／解码算法、基于Viterbi算法的信道均衡、软判决算法、交织／去交织算法、加／解密算法、信道编／解码算法(卷积码、FIRE码、奇／偶校验码)等。另一片主要完成射频控制(AFC、AGC、APC等)、GMSK调制／解调器和A／D、D／A变换。
六、GSM手机的测试
GSM 手机的测试依据 ETSI GSM 11.10 中建议的方法。以ETSI的GSM规范为蓝本，各手机生产厂家均定义了各自的手机测试项目及其标准。
6.1 主要的射频测试有：
Phase 1
GSM 900Phase 2
GSM900Phase 1
DCS 1800Phase 2
DCS 1800
上行（MHz）890--915880--9151710--17851710--1785
下行（MHz）935--960925--9601805--18801805--1880
ARFCN 频道1 --1240--124512--885512--885
收发频道间隔45MHz45MHz95MHz95MHz
收发时间间隔3个时隙3个时隙3个时隙3个时隙
调制数据速率270．833kb/s270．833kb/s270．833kb/s270．833kb/s
帧时长4．615ms4．615ms4．615ms4．615ms
时隙时长576．9µs576．9µs576．9µs576．9µs
位时长3．692µs3．692µs3．692µs3．692µs
调制0．3GMSK0．3GMSK0．3GMSK0．3GMSK
信道宽度200kHz200kHz200kHz200kHz
TDMA复用8888
BTS最大功率320W--2.5W320W--0.0320W--2.5W1W-2.5W
手机最大功率20W--0.8W8W--0.8W1W--0.25W1W--0.25W
语音编码器速率13kb/s13kb/s13kb/s13kb/s
对手机来说下列射频指标是重要的：
发射功率（峰值和连续波）；发射相频差；调制后的射频输出频谱；频道转换的射频输出频谱；发射功率时间曲线；突发脉冲计时；常态BER；快速BER；IQ调谐；射频输入输出频率；射频输出电平；典型的驻波比；GSM信号相位误差 <±4° peak, <1° rms；GSM信号频率误差 <0.02 ppm + 参考时基. (880 to 960 MHz) <0.01 ppm +参考时基(1880 to 1990 MHz)；GSM信号幅度平坦度： 在突发脉冲的有用部分 <±0.3 Db。
6.2 手机的话音控制能力和GSM功能测试
手机的话音控制能力和GSM功能测试包括：移动台首发；基站首发；移动台通话；移动台释放；信道指定；切换；SAACH 报告；功率变化；前置时间变化；BCH结构；TCH信道；跳频TCH信道；ARFCN及突发脉冲类型的灵活控制；时隙的灵活控制；语音声频回声；语音编码和解码。
6．3 手机测试仪器
手机生产厂家一般使用Rohde & Schwarz 和Agilent公司的手机测试仪进行自动测试。为提高手机的产量，使用多通道的手机测试平台。对于GSM手机测试，Rohde & Schwarz 提供的测试仪有CMD 55，CMU 200（可用于GPRS & EDGE 测试），CMD300（可用于GSM，GPRS ，EDGE和WCDMA 测试）。其对应的测试平台是TS7100，可用于人工及机械手自动测试。
Agilent公司手机测试的经典仪器是HP 8922 系列。1999年Agilent推出了8960测试仪。它采用了Agilent的减少指令的并行处理技术（RIPP），可同时进行发射机和接收机测试，较之8922快10至30倍。它对应的测试平台是TS5500。
七、GSM手机维修的常用方法
在手机生产厂家的手机维修与手机销售处的维修点有所不同：在生产厂家，对未通过测试的手机可利用其测试报告，或根据错误代码利用错误诊断程序来快速确定故障位置。
GSM手机属于通信类电子产品，它的维修方法在许多方面是与其它电子产品有着共同的特点。由于手机软件的复杂性和采用SMT(表面安置工艺)的特殊性,手机维修有它自身的特点。在手机维修中采用的方法有：
(1)电压法
这是在所有电子产品维修中采用的一种最基本的方法。维修人员应注意积累一些在不同状态下的关键电压数据，这些状态是：通话状态、单接收状态、单发射状态、守侯状态。关键点的电压数据有：电源管理IC的各路输出电压和控制电压、RFVCO工作电压、13MHzVCO工作电压、CPU工作电压、控制电压和复位电压、RFIC工作电压、BB(基带BaseBand)IC工作电压、LNA工作电压、I／Q路直流偏置电压等等。在大多数情况下，该法可排除开机不工作、一发射即保护关机等故障。
(2)电流法
由于手机几乎全部采用超小型SMD，在PCB上的元件安装密度相当大，故若要断开某处测量电流有一定的困难，一般采用测量电阻的端电压值再除以电阻值来间接测量电流。电流法可测量整机的工作、守候和关机电流。
(3)电阻法
应掌握常用手机关键部位和IC的在路正、反向电阻值。采用该法可排除常见的开路、短路、虚焊、器件烧毁等故障。
(4)信号追踪法
此法用于排除一些较复杂的故障。运用该法时，必须懂得手机的电路结构、方框图、信号处理过程、各处的信号特征(频率、幅度、相位、时序)，能看懂电路图。采用该法时先通过测量和对比将故障点定位于某一单元(如：PA单元)，然后再采用其它方法进一步将故障元件找出来。
（5）重新加载软件
GSM手机的核心元件是中央微处理器，大家把它叫CPU。它具有数字信号处理（DSP）与微控制（MCU）的功能。CPU是根据指令来工作的。一连串的指令集组成了一个完整的CPU工作程序，程序的运行与计算往往还需要相关的数据参数。比如，射频控制参数，包括频率合成器参数、接收参数、发射参数、功率控制参数等；逻辑控制参数，包括显示参数、语言参数、串号、电池门限参数、放大器增益参数等。
而软件问题，包含控制程序和工作数据参数。对中文手机，还含有叫做字库的东西。程序与字库一经设计完毕，在手机生产维修过程中，是不随时调整的，它们存放在ROM或EPROM或FLASH器件中，数据在生产维修过程中，由于元件的分离性，是需要调整的，因而存放在可擦除的器件中，EEPROM，由于FLASH本身也是可擦可再写器件，因此，现在的手机数据大都存放在FLASH中。因此，程序（版本）、数据（码片）、中文字库出问题都会引起各种各样的问题，包括不开机，我们统称为软件故障。
重新对手机加载软件是一种常用的、有效的方法。 |
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IP卡
狗仔卡
发表于 2007-6-27 21:31:12
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡
显身卡