移動通信發射機

1．移動通信發射機的基本構成

對於一個移動通信系統來說，移動通信發射機的功能是把終端輸入的信息(包括語音、數據)經過基帶處理，按一定的調製方式調製到規定的載波上，然後經功率放大，從天線發射出去。一般的移動通信發射機的基本組成框圖如圖1所示。

發射機的工作原理如下：待傳送的語音或數據信息送入發射機的基帶處理部分進行基帶處理，基帶處理的內容包括語音的放大、模數轉換、編碼、加密、幀結構形成等。經基帶處理後的信號送往調製電路按一定的調製方式進行調製。移動通信的調製方式可分調幅、調頻和調相三大類，但每類可有多種不同的方式，常用的有AM、FM、MSK、GMSK、DPSK、QPSK、π/4—QPSK、QAM等。調製後的載波通常並不是在發射頻率上，所以要經過混頻，把頻率搬移到發射頻率上。頻率合成器的作用是提供一個高精度和高穩定度的頻率源，在控制處理電路的控制下產生不同的頻率送給混頻電路，把載波頻率搬移到所需的射頻上。最後，射頻信號經過濾波電路和功放電路，送往天線發射。控制處理電路包括微處理器、存儲器、邏輯控制、時序產生和控制等。由於信息處理的內容、調製方式、實現的性能和功能的不同，移動通信發射機會有不同的具體形式和實現方案。

2．GSM基站發射機

在GSM通信系統的無線接口U_m上，一邊是MS，另一邊是基站收發信站(BTS)，兩端設備有共同的地方，又有不同的地方。共同的地方是，收發信機的基本工作原理相同。不同的地方是，GSM系統採用TDMA多址方式，在BTS中可同時有8個用戶共用一個頻率，每一個占用一個時隙，而在MS中用戶只有一個，它只占有一個頻率的一個時隙。因為是雙工通信，一端發而另一端收，它們必須統一規劃與設計。下面以一個BS為例，介紹BS發信機的原理。MS發射機的例子可參閱20.4.1節。

圖2是S900基站系統的BTS方框圖。它包括基帶、載頻和控制三部分。基帶部分包括幀單元(FU)、跳頻單元(FHU)和主時鐘單元(MCLU)。載頻部分包括載頻單元(CU)和天饋部分。控制部分包括操作維護單元(OMU)。下面介紹BTS發射通道的原理。

傳輸信息由BS接口設備送入FU進行基帶數位訊號處理，包括速率適配、信道編碼與交織、加密、產生TDMA突發脈衝等。處理後的信號送入FHU進行跳頻處理，然後送往CU的發信機。

CU發信機的功能是將TDMA幀的基帶信號調製到載頻上，送往天線發射，同時實現功率控制，其方框圖如圖3所示。從FHU來的TDMA幀數據流送到CU控制部分，在那裡再將數據和時種送到GMSK調製的邏輯電路部分(EPLD)，邏輯電路控制GMSK調製的正、餘弦表的形成與儲存，使唯讀存儲器(ROM)將數據分別輸出到I、Q支路，並行的數據流再進行D/A轉換和低通濾波，產生GMSK的模擬I、Q支路信號。兩個支路的模擬調製信號經上變頻變為935～960MHz的高頻信號，經功率放大器(PA)接到饋線，最後到天線發射出去。兩個支路的混頻本振信號差90°，本振信號來自頻率合成器，它受CU控制部分控制。圖中的功率檢測部分是監視功放的功率，當其過大時關閉發信機以防損壞。

由於BS要接入多個信道的發射信號，所以每路發射信道的功放並不是直接送到發射天線，而是要通過一個天饋部分，在那裡與其他信道的信號合路後才送往天線一起發射出去。BS天饋部分的示意圖如圖4所示。在圖中，每路發信機功放的輸出先送入一個環形器，其作用是提供發信機的反向功率隔離。然後，再送入一個起帶通濾波器作用的空腔諧振器。合路器的作用是將多路發射功率信號組合在一起。雙向耦合器為測量駐波比提供測試電路。

3．採用數位訊號處理技術的發射機

移動通信發射機的主要功能之一是根據通信系統調製方式的要求對基帶信號實現調製。一般來說，不同的移動通信系統或設備，調製方式是各種各樣的。在傳統的發射機中，都免不了要用模擬電路來實現各種方式的調製，因而存在電路複雜、實現困難、靈活性低等問題。隨著通信技術的發展，已對一些多功能移動通信設備提出了兼有多種調製方式(如要求兼有AM、FM、QPSK方式)的要求。如用傳統的方法設計發射機，為了全部實現這些調製方式，需要分別設計不同調製方式的調製電路，還要考慮不同的基帶處理和各種轉換，造成電路複雜、體積龐大、處理困難等情況。採用數位訊號處理(DSP)技術可有效地解決這個問題。在目前器件和技術水平情況下，採用DSP技術實現發射機的原理框圖如圖5所示。在這種發射機中，從信息輸入到調製輸出，基本上是數位訊號處理電路，以及必要的A/D和D/A電路。用數位訊號處理方法實現不同制式的調製，是這種發射機方案的關鍵技術之一，目前可實現的方法主要有兩種。

第一種方法是DSP軟體運算法。該方法利用通用DSP晶片，通過編制各種調製方式算法軟體來實現。特點是硬體電路簡單，主要靠軟體完成功能，但運算量大，目前的器件還不能產生高頻的調製載波。

第二種方法是數字直接式頻率合成(DDS)方法。其工作原理框圖如圖6所示。

從輸入端送入相位增量值Δφ，在取樣脈衝Fs的作用下，進行相位累加，得出瞬時相位φ。根據瞬時相位φ，從正弦查詢表中讀出sinφ的幅值，送D/A轉換和濾波後，就可得到一個正弦的模擬信號。輸出模擬信號的頻率由下式決定：

式中：Fs為取樣時鐘頻率，n為相位累加器的輸入碼長，Δφ為輸入相位增量值碼。當Fs一定時，只要改變Δφ值，就可以得到需要的頻率輸出，這是DDS做頻率合成器的基本用法。此外，可以用DDS來構成包括各種調製信號波形在內的任意波形合成器。例如，使Δφ跟隨輸入信號變化，就可以實現調頻；使正弦查詢表的輸入值φ按一定規律變化，就可以實現調相；使D/A輸出的幅度跟隨輸入信號變化，就可以實現調幅；如果設計兩路正交電路，則可實現QPSK調製。圖7是一個利用DDS技術實現調頻、調相和調幅的原理框圖。在圖中，虛線框內是DDS晶片。目前的DDS晶片可以實現FM、AM、QPSK等多項調製，調製信號的輸出頻率即D/A的輸出頻率最高可達100MHz以上。

數字直接式頻率合成法的特點是用DDS專用晶片來實現不同制式的調製，能產生高頻的調製載波，實用性強，一些新型的多功能移動通信設備的發射機已採用這種方法。