呂國(guó)棟， 白 靈， 宋 滔

0 引言

數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)是一種專(zhuān)用的移動(dòng)通信系統(tǒng)，該數(shù)字集群系統(tǒng)具有頻譜利用率高、用戶(hù)容量大、聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)、保密性好、能提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等優(yōu)點(diǎn)，便于組建公用網(wǎng)[1]。適用于企事業(yè)單位、公安、交通、大型活動(dòng)等對(duì)指揮調(diào)度功能要求較高的場(chǎng)合。

全球開(kāi)放集群架構(gòu)（GoTa，Global Open Trunking Architecture，）是中興公司基于CDMA技術(shù)開(kāi)發(fā)的數(shù)字集群通信體制。針對(duì)專(zhuān)業(yè)集群的要求，GoTa系統(tǒng)對(duì) CDMA技術(shù)進(jìn)行了改造和優(yōu)化，解決了用CDMA方式實(shí)現(xiàn)集群呼叫所必需的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，如實(shí)現(xiàn)快速呼叫建立和業(yè)務(wù)信道共享等，使集群業(yè)務(wù)和功能更加符合專(zhuān)業(yè)集群用戶(hù)的使用習(xí)慣[2]。

GoTa是基于CDMA產(chǎn)業(yè)鏈開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，在硬件上不支持超出標(biāo)準(zhǔn)CDMA頻段的應(yīng)用方式。采用移頻技術(shù)能夠拓展標(biāo)準(zhǔn)GoTa集群系統(tǒng)的工作頻段，達(dá)到擴(kuò)展GoTa系統(tǒng)的適用環(huán)境和用戶(hù)群體的目的。

GoTa實(shí)現(xiàn)了集群與3G業(yè)務(wù)的集合，能夠?yàn)閿?shù)字集群專(zhuān)網(wǎng)和共網(wǎng)用戶(hù)提供綜合業(yè)務(wù)解決方案，在全球40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)規(guī)模商用，是應(yīng)用范圍最廣和國(guó)際化程度最高的國(guó)產(chǎn)數(shù)字集群系統(tǒng)。

受CDMA的頻段和市場(chǎng)需求限制，GoTa目前只能滿(mǎn)足用戶(hù)在800M、次800M、450M等標(biāo)準(zhǔn)頻段的建網(wǎng)需求。不同于蜂窩通信系統(tǒng)面向社會(huì)大眾，數(shù)字集群主要針對(duì)特定的部門(mén)或團(tuán)體，而在大多數(shù)情況下，分配給這些用戶(hù)的無(wú)線(xiàn)頻率資源一般不在GoTa支持的標(biāo)準(zhǔn)頻段范圍以?xún)?nèi)，因此擴(kuò)展GoTa集群的應(yīng)用頻段，將能夠更好地滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)構(gòu)建集群專(zhuān)網(wǎng)的使用需求，具有較大的市場(chǎng)前景。

1 移頻應(yīng)用原理

GoTa移頻應(yīng)用是通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)GoTa終端和基站進(jìn)行空中接口移頻改造，實(shí)現(xiàn)GoTa系統(tǒng)的頻率拓展應(yīng)用。具體是在保持原GoTa系統(tǒng)核心網(wǎng)、基站控制器、調(diào)度臺(tái)等主要設(shè)備不變的基礎(chǔ)上，將終端、基站設(shè)備在無(wú)線(xiàn)接口端進(jìn)行頻率搬移，達(dá)到滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)不同無(wú)線(xiàn)接入頻段的使用需求。圖 1以將 800M頻段（上行 825～830 MHz，下行 870～875 MHz）GoTa系統(tǒng)移頻到420M頻段（上行421～426 MHz，下行431～436 MHz）為例，說(shuō)明GoTa移頻應(yīng)用原理。

圖1 移頻應(yīng)用原理框

如圖 1所示，在GoTa終端側(cè)，發(fā)射時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)800M頻段信號(hào)下移頻到420M空中接口；接收時(shí)將420M空中接口信號(hào)上移頻到800M頻段。在GoTa基站側(cè)做相對(duì)應(yīng)的移頻處理。

2 移頻終端設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)設(shè)計(jì)

移頻終端是GoTa系統(tǒng)移頻應(yīng)用的重要設(shè)備，主要由主控模塊、移頻模塊、GoTa模塊及其它輔助電路構(gòu)成，其整機(jī)框圖如圖2所示。

主控模塊由主處理器、存儲(chǔ)器、顯示控制、鍵盤(pán)控制、整機(jī)電源控制及外部接口控制等功能模塊組成，主要負(fù)責(zé)人機(jī)接口、任務(wù)調(diào)度控制、狀態(tài)管理、故障管理等。主處理器采用一款高集成度、低功耗的智能手機(jī)處理器，型號(hào)為SC8810。該芯片集成了1GHz CortexA5處理器、圖形加速專(zhuān)用GPU和電源管理單元。

圖2 移頻終端整機(jī)框

移頻模塊將800M頻段移頻到420M頻段，實(shí)現(xiàn)雙工收發(fā)。由于 420M 為非標(biāo)準(zhǔn)頻段，因此目前在市場(chǎng)上尚未見(jiàn)到支持此種功能和應(yīng)用方式的小型化集成芯片。因此，設(shè)計(jì)一款移頻頻段寬、小型化、低功耗的移頻模塊成為技術(shù)難點(diǎn)。

GoTa模塊是一款支持 CDMA2000 1X/EV-DO Rev.A數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)能提供CDMA語(yǔ)音電話(huà)、短信、GoTa數(shù)字對(duì)講和GNSS定位服務(wù)的通信模塊。

輔助電路主要由UIM卡、耳機(jī)、喇叭、音頻功放等組成。

影響移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)占有率的主要因素除了設(shè)備性能之外，還有電池的壽命[3]。移頻終端在原GoTa終端基礎(chǔ)上增加了移頻功能，導(dǎo)致設(shè)備功耗有所增加。因此系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)是設(shè)備實(shí)用化、產(chǎn)品化的關(guān)鍵。

移頻終端可分為初始化狀態(tài)、空閑狀態(tài)、系統(tǒng)接入狀態(tài)、業(yè)務(wù)信道狀態(tài)。通過(guò)分析得出，不同工作狀態(tài)下的功耗需求不同，其中最重要的是做好業(yè)務(wù)信道狀態(tài)和空閑狀態(tài)下的低功耗設(shè)計(jì)管理。

業(yè)務(wù)信道狀態(tài)下，終端根據(jù)需要配置發(fā)射功率，調(diào)整主處理器工作頻率，設(shè)置顯示屏狀態(tài)，以盡量減小電流消耗。

空閑狀態(tài)下，允許主控進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，同時(shí)接收待機(jī)時(shí)需要保持對(duì)尋呼信號(hào)的監(jiān)聽(tīng)，發(fā)射根據(jù)GoTa模塊的需要進(jìn)入待機(jī)或工作狀態(tài)。根據(jù)各個(gè)模塊的功能不同，具體設(shè)計(jì)如下：

主控待機(jī)：終端處于空閑狀態(tài)時(shí)，主控系統(tǒng)工作于深度睡眠狀態(tài)。狀態(tài)變化時(shí)，由按鍵信號(hào)或GoTa模塊振鈴信號(hào)喚醒。

發(fā)射待機(jī)：GoTa模塊能夠提供發(fā)射控制信號(hào)，平時(shí)發(fā)射通路可以工作于待機(jī)狀態(tài)。

接收待機(jī)：在處于空閑狀態(tài)時(shí)，需要接收通路能夠待機(jī)，但 GoTa模塊無(wú)法提前打開(kāi)移頻接收通路。與此同時(shí)，當(dāng)主控待機(jī)后，也無(wú)法控制接收通路，因此需要解決移頻模塊接收待機(jī)后的喚醒問(wèn)題。

綜上所述，移頻終端所采用的主控模塊、GoTa模塊均為成熟的方案及產(chǎn)品，其開(kāi)發(fā)難度較低。下面將重點(diǎn)介紹移頻模塊設(shè)計(jì)和接收待機(jī)方案。

2.2 移頻模塊設(shè)計(jì)

移頻模塊實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)頻段到定制頻段的移頻功能，主要有3大部分組成：接收模塊、發(fā)射模塊、本振模塊，其原理框圖如圖3所示。

圖3 移頻模塊原理框

為支持系統(tǒng)的雙工工作模式，接收電路與發(fā)射電路需要同時(shí)工作。對(duì) 800M 頻段而言，接收頻率為 870～875 MHz，發(fā)射頻率為 825～830 MHz。接收模塊主要是放大天線(xiàn)接收到的微弱射頻信號(hào)，上移頻濾波到800M頻段，滿(mǎn)足GoTa模塊的工作頻段要求。發(fā)射模塊主要是將 GoTa發(fā)射信號(hào)下移頻到420M頻段，并放大到一定功率輸出給天線(xiàn)。本振模塊主要是提供鏈路移頻需要的本振信號(hào)源。

在串聯(lián)射頻電路系統(tǒng)中，射頻指標(biāo)會(huì)逐漸惡化。移頻模塊與GoTa模塊是串聯(lián)關(guān)系，為了減小移頻模塊對(duì)終端系統(tǒng)性能指標(biāo)的惡化，要求移頻模塊關(guān)鍵射頻指標(biāo)（本振相位噪聲、收/發(fā)隔離度、雜散抑制指標(biāo)等）達(dá)到甚至超越GoTa集群的標(biāo)準(zhǔn)。為滿(mǎn)足上述要求，設(shè)計(jì)中主要采取了以下措施：

1）采用的本振電路兼顧相位噪聲與較寬輸出頻段的關(guān)系，通過(guò)調(diào)整鎖相環(huán)電路達(dá)到在保持相位噪聲指標(biāo)的條件下改變本振窄帶輸出頻率的能力。

2）通過(guò)多層PCB、信號(hào)分設(shè)、板級(jí)屏蔽、底層分割、增加濾波等措施，避免收/發(fā)電路相互干擾，提高隔離度指標(biāo)。

3）通過(guò)高抑制度SAW濾波器以及功率放大器線(xiàn)性化設(shè)計(jì)措施，減小雜散輻射。

功率控制是CDMA系統(tǒng)克服“遠(yuǎn)近效應(yīng)”、抑制多址干擾和增加系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù)[4]。反向鏈路的功率控制包括開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制以及外環(huán)功率控制[5]。移頻模塊采用了功率放大器柵極電壓調(diào)整技術(shù)調(diào)整發(fā)射功率，其控制算法綜合上述幾種功率控制思想，以降低電流消耗，保持通信鏈路穩(wěn)定。

移頻模塊選用統(tǒng)一封裝的濾波器（雙工器），通過(guò)簡(jiǎn)單的調(diào)試或者更換不同的濾波器，可以適用不同移頻工作頻段，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.3 接收待機(jī)方案

GoTa模塊和主控芯片都無(wú)法及時(shí)將移頻模塊從接收待機(jī)狀態(tài)喚醒，為保證正確接收，需要移頻模塊始終處于接收狀態(tài)，這將使整機(jī)待機(jī)電流超過(guò)70 mA。作為使用電池供電的便攜式設(shè)備，待機(jī)電流過(guò)高將無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。

為解決上述問(wèn)題，需要深入分析空閑狀態(tài)下移頻GoTa系統(tǒng)的時(shí)隙特點(diǎn)和可待機(jī)時(shí)段，以及GoTa模塊提供的時(shí)隙指示信號(hào)，并設(shè)計(jì)接收待機(jī)控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)接收待機(jī)功能。

移頻GoTa集群系統(tǒng)的尋呼信道采用時(shí)隙模式，在空閑狀態(tài)下，移頻終端只在特定的某個(gè)時(shí)間監(jiān)聽(tīng)尋呼信道，其余時(shí)間可以關(guān)閉接收通道，以達(dá)到降低功耗的目的。

系統(tǒng)時(shí)隙周期長(zhǎng)度為16個(gè)80 ms時(shí)隙即1.28 s，移頻終端要監(jiān)聽(tīng)的尋呼時(shí)隙號(hào)由基站和移動(dòng)臺(tái)根據(jù)hash算法和移動(dòng)臺(tái)IMSI（國(guó)際移動(dòng)用戶(hù)識(shí)別碼）的后三位來(lái)確定。如果計(jì)算得出一個(gè)移動(dòng)臺(tái)的尋呼時(shí)隙為a，那么它將要監(jiān)聽(tīng)的尋呼時(shí)隙號(hào)是a、a+16…。

在空閑狀態(tài)下，GoTa模塊輸出一個(gè)80 ms低脈沖指示尋呼時(shí)隙，則脈沖過(guò)后1.2 s需要接收下一尋呼時(shí)隙，這期間接收通路可以待機(jī)。為可靠接收下一尋呼時(shí)隙，設(shè)計(jì)提前20 ms啟動(dòng)接收通路，故此待機(jī)時(shí)間最長(zhǎng)為1.18 s。

接收待機(jī)控制電路如圖 4所示。該電路的左上部分利用反相器、積分電路、或門(mén)電路將GoTa模塊輸出的尋呼時(shí)隙指示信號(hào)的上升沿轉(zhuǎn)換為一個(gè)低脈沖，脈沖寬度約為1.5*R1*C1，若R1為2.2 kΩ，C1為1 uf，則脈寬約為1.5 ms，能夠滿(mǎn)足LMC555對(duì)/TRIGGER信號(hào)脈寬大于10 ns的要求。

圖4 接收待機(jī)控制電路

計(jì)時(shí)電路利用LMC555定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，其中計(jì)時(shí)長(zhǎng)度tH為：

tH= 1.1 RAC。

若RA采用一個(gè)10 MΩ（精度1%）電阻，C采用0.1 uf電容（精度5%），則計(jì)時(shí)為1.1 s。根據(jù)器件精度計(jì)算，計(jì)時(shí)浮動(dòng)范圍在1.166 55～1.037 s，能夠滿(mǎn)足時(shí)長(zhǎng)小于1.18 s的設(shè)計(jì)要求。以計(jì)時(shí)信號(hào)的反向輸出作為控制接收狀態(tài)切換的信號(hào)，在尋呼時(shí)隙結(jié)束后控制移頻模塊進(jìn)入接收待機(jī)狀態(tài)，在下一尋呼時(shí)隙到來(lái)前喚醒移頻模塊進(jìn)入接收工作狀態(tài)。

該接收待機(jī)方案使得空閑狀態(tài)下移頻接收模塊在86%的時(shí)間內(nèi)處于待機(jī)狀態(tài)，整機(jī)的待機(jī)電流降低到15 mA以?xún)?nèi)，能夠滿(mǎn)足使用要求。接收控制電路消耗電流小于0.5 mA，其脈沖寬度和定時(shí)時(shí)長(zhǎng)均可以通過(guò)設(shè)置阻容參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，靈活性強(qiáng)，實(shí)用價(jià)值高。

3 結(jié)語(yǔ)

文中介紹了 GoTa集群通信系統(tǒng)移頻應(yīng)用的需求及工作原理，提出了一種應(yīng)用于移頻系統(tǒng)的GoTa終端設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)方案在普通GoTa終端的基礎(chǔ)上，疊加移頻模塊，以滿(mǎn)足系統(tǒng)移頻應(yīng)用的需求。移頻模塊是整機(jī)的關(guān)鍵模塊，方案中詳細(xì)介紹了其電路設(shè)計(jì)框圖、為滿(mǎn)足指標(biāo)要求采取的技術(shù)措施、功率控制電路等；整機(jī)功耗控制是終端實(shí)用化的基礎(chǔ)，本設(shè)計(jì)對(duì)接收待機(jī)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

該移頻終端已經(jīng)完成詳細(xì)設(shè)計(jì)、電路調(diào)試和樣機(jī)生產(chǎn)，并參與了GoTa移頻系統(tǒng)的聯(lián)合測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了終端入網(wǎng)，驗(yàn)證了單呼、組呼、廣播、個(gè)人移動(dòng)等GoTa集群業(yè)務(wù)功能。系統(tǒng)聯(lián)試的成功進(jìn)一步證明了GoTa集群移頻應(yīng)用的可行性，使GoTa集群系統(tǒng)能夠突破頻段限制，滿(mǎn)足更多用戶(hù)的集群調(diào)度通信需求。

該移頻終端能夠滿(mǎn)足用戶(hù)多樣化、差異化的使用需求，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)可控，易于實(shí)現(xiàn)，具有良好的應(yīng)用前景。

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