CN102664673B - 一种应用于gsm跳频网络的直放站数字处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于GSM跳频网络的直放站数字处理系统及方法，基带处理模块将信源基站的跳频信号转换成定频信号，并将定频信号编排到广播控制信道载频帧结构的各空闲时隙后利用广播控制信道载频转发给覆盖用户区；或基带处理模块将广播控制信道载频帧结构各时隙的数据重新编排并转换成定频信号，将定频信号转换成跳频信号后转发给信源基站。本发明提供的应用于GSM跳频网络的直放站数字处理系统及方法，在保证用户正常业务的同时，降低了多载频信号对直放站功率放大器的高线性要求；在使用广播控制信道载频发送信息时，只需开启直放站的从功率放大器，降低了设备功耗，进而实现了直放站的节能要求。

Description

一种应用于GSM跳频网络的直放站数字处理系统及方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种应用于GSM跳频网络的直放站数字处理系统及方法。
背景技术
GSM直放站作为传统的移动接入网设备，可以用于延伸基站的覆盖范围，在移动网络建设中已经大量使用。随着技术的进步，直放站的输出功率等级不断提高，目前新式的直放站最大输出功率可以达到80W，然而高增益、高功率的直放站负面作用也是十分明显，最突出的问题就是对功率放大器的线性度提出了更高的要求及引起设备功耗剧增。而出于环保和经济两方面的考虑，国内的运营商都对在网运行的商用直放站提出了明确的工作效率要求，一般要求有效工作效率在15%以上，因此国内主流厂家的新式直放站普遍采用了主、从双功放节能设计，其工作原理主要是通过判别施主基站的工作载频数量，在单载频工作的情况下，使用小功率的从功率放大器工作；在多载频同时工作的情况下，使用大功率的主功率放大器工作。
随着GSM网络的发展，基站数量越来越多，基站覆盖区内受到同频、邻频干扰的问题越来越严重，现有的GSM网络中，越来越多的基站采用了跳频技术，来降低信号被干扰的概率。但这就给以基站信号为信源的直放站带来了新的技术困难，由于基站参与跳频的载频数量往往多达十几个，只要有通话业务存在，无论用户量大小，即使只有一个用户通话，基站的所有载频都要工作，相应直放站也要放大所有的载频信号，才能保证通话正常。直放站主要用于延长基站的覆盖范围，直放站覆盖区往往是偏僻的村庄、铁路、公路、地下停车场等覆盖盲区，无线环境很纯净，并不需要使用跳频技术降低干扰，如果只是透明转发基站信号，在这种情况下GSM直放站也只会使用大功率的主功率放大器工作，根本达不到预期设计的节能效果，无法满足运营商对产品工作效率的要求，不解决这个问题，在开启跳频的GSM网络中，直放站的节能功能就形同虚设；与此同时，在多载频同时工作放大的情况下，容易产生严重的互调干扰，工作信号的载频数量越多，互调产物越多，干扰电平越高，这种情况下GSM直放站很容易成为移动网络的新干扰源，严重时不仅会干扰自身通信系统，甚至还会影响相邻其它的通信系统，因此运营商对直放站产品的互调衰减有严格的指标要求，但是在开启跳频的GSM网络中，现有的直放站其实是很难满足互调衰减的指标要求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种应用于GSM跳频网络的直放站数字处理系统及方法，在开启了跳频的GSM网络中，保证用户正常业务的同时，不仅可以实现直放站的节能要求，还能够降低跳频信号对直放站功率放大器的高线性要求。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种应用于GSM跳频网络的直放站数字处理系统，其特征在于：包括下行链路和上行链路；
下行链路：下行低噪声放大器、下行模数转换单元、基带处理模块、下行数模转换单元、下行功率放大器顺次连接；所述下行低噪声放大器和下行模数转换单元之间串联有一个下行混频器a；所述下行数模转换单元与下行功率放大器之间串联有一个下行混频器b；
上行链路：上行低噪声放大器、上行模数转换单元、基带处理模块、上行数模转换单元、上行功率放大器顺次连接；所述上行低噪声放大器和上行模数转换单元之间串联有一个上行混频器a；所述上行数模转换单元与上行功率放大器之间串联有一个上行混频器b；
所述数字振荡器分别与下行混频器a、下行混频器b、上行混频器a、上行混频器b及基带处理模块连接。
所述基带处理模块设置有FPGA芯片和DSP处理器；所述FPGA芯片和DSP处理器连接。
所述FPGA芯片上设置有解码模块、缓存模块、编码模块；所述解码模块是通过解码信源基站信号的频率校正信道和同步信道，实现直放站与信源基站信号之间的时间同步；同时，解码模块通过解码广播控制信道获取跳频信息，包括跳频信道指示、移动配置指数偏移量、跳频序列号和绝对频点号；所述缓存模块用于存储来源于信源基站并经下行低噪声放大器、下行混频器处理的基带数字信号，或者来源于广播控制信道载频并经上行低噪声放大器、上行混频器处理的基带数字信号；所述编码模块对缓存模块存储的数字信号重新编码组帧编排到广播控制信道载频帧结构的各个空闲时隙中；或者将广播控制信道载频帧结构各个时隙中的信号重新编码组帧编排到多载频信道的不同载频信道上。
一种应用于GSM跳频网络的直放站数字处理方法，其特征在于：
下行信号走向：基带处理模块将信源基站的跳频信号转换成定频信号，并将定频信号编排到广播控制信道载频帧结构的各空闲时隙后利用广播控制信道载频转发给覆盖用户区；
上行信号走向：基带处理模块将广播控制信道载频帧结构各时隙的数据重新编排并转换成定频信号，将定频信号转换成跳频信号后转发给信源基站。
上述应用于GSM跳频网络的直放站数字处理方法，优选的实施方式中：
下行信号走向：将信源基站发出的多载频信道的跳频信号通过下行低噪声放大器放大到合适电平后经下行混频器a下变频；下变频后的信号经下行模数转换单元转换成基带数字信号后送入基带处理模块；基带数字信号传输到基带处理模块的解码模块和缓存模块；解码模块从基带数字信号中解码广播控制信道和同步信道，获得信源基站的同步信息和跳频信息，并将同步信息和跳频信息发送给DSP处理器；数字振荡器根据DSP处理器给出的信号向下行混频器a发送参考频率，此时下行混频器a的输出频率为定频，并将输出频率经下行模数转换单元转换后传输给缓存模块；编码模块根据DSP处理器的命令，读取缓存模块中的基带数字信号，将基带数字信号重新编码组帧编排到广播控制信道载频帧结构的各个空闲时隙中；广播控制信道载频将重新编码组帧的数据依次经下行数模转换单元转换、下行混频器b上变频和下行功率放大器放大后转发给覆盖用户区；
上行信号走向：接收到的广播控制信道载频帧结构各个时隙的上行信号，先通过上行低噪声放大器放大到合适电平后经上行混频器a下变频；下变频后的信号经上行模数转换单元转换成基带数字信号后送入基带处理模块的缓存模块；编码模块根据DSP处理器的命令，读取缓存模块中的基带数字信号，重新编码组帧，将广播控制信道载频帧结构各个时隙中的数据编排到多载频信道的不同载频上，数据依次经上行数模换单元转换、上行混频器b上变频后，从定频信号转换成跳频信号，最后通过上行功率放大器放大后转发给信源基站。
所述信源基站的跳频信号的条数不大于七。
本发明提供的应用于GSM跳频网络的直放站数字处理系统及方法，利用基带处理模块将信源基站的跳频信号转换成定频信号并编排到广播控制信道载频帧结构的空闲时隙后利用广播控制信道载频转发给覆盖用户区；这样在保证用户正常业务的同时，降低了多载频信号对直放站功率放大器的高线性要求；此外，还可以利用基带处理模块将分布在广播控制信道载频帧结构各个时隙的定频信号转换成多载频信道的跳频信号后再发送到信源基站；这样在使用广播控制信道载频发送信息时，只需开启直放站的从功率放大器，降低了设备功耗，进而实现了直放站的节能要求。
附图说明
图1为应用于GSM跳频网络的直放站数字处理系统结构框图。
图2为基带处理模块内部结构框图。
图3为GSM帧结构图。
图4为编码模块的编码组帧示意图。
图5为GSM信号跳频示意图。
图6为信号经下行混频器a时的跳频-定频转换示意图。
图7为数字振荡器内部结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述，但它们不是对本发明的进一步限制。
一种应用于GSM跳频网络的直放站数字处理方法：
（1）下行信号走向：基带处理模块将信源基站的跳频信号转换成定频信号，并将定频信号编排到广播控制信道载频帧结构的各空闲时隙后利用广播控制信道载频转发给覆盖用户区；
（2）上行信号走向：基带处理模块将广播控制信道载频帧结构各时隙的数据重新编排并转换成定频信号，将定频信号转换成跳频信号后转发给信源基站。
上述应用于GSM跳频网络的直放站数字处理方法，优选实施方式中：
（1）下行信号走向：将信源基站发出的多载频信道的跳频信号通过下行低噪声放大器放大到合适电平后经下行混频器a下变频，以满足下行模数转换单元的需求；下变频后的信号经下行模数转换单元转换成基带数字信号后送入基带处理模块；基带数字信号传输到基带处理模块的解码模块和缓存模块；解码模块从基带数字信号中解码广播控制信道和同步信道，获得信源基站的同步信息和跳频信息，并将同步信息和跳频信息发送给DSP处理器；数字振荡器根据DSP处理器给出的信号向下行混频器a发送参考频率，此时下行混频器a的输出频率为多载频信道的跳频信号通过下行低噪声放大器放大到合适电平后输入下行混频器a的输入频率减掉下行混频器a接收到来自数字振荡器的多载频信道参考频率，为定频，并将输出频率经下行模数转换单元转换后传输给缓存模块；编码模块根据DSP处理器的命令，读取缓存模块中的基带数字信号，将基带数字信号重新编码组帧编排到广播控制信道载频帧结构的各个空闲时隙中；广播控制信道载频将重新编码组帧的数据依次经下行数模转换单元转换、下行混频器b上变频和下行功率放大器放大后转发给覆盖用户区；下行混频器b的输出频率为由下行数模转换单元转换的信号频率加上下行混频器b接收到来自数字振荡器的广播控制信道参考频率；
（2）上行信号走向：接收到的广播控制信道载频帧结构各个时隙的上行信号，先通过上行低噪声放大器放大到合适电平后经上行混频器a下变频，上行混频器a下变频的输出频率为通过上行低噪声放大器放大到合适电平后输入上行混频器a的频率减掉上行混频器a接收到来自数字振荡器的广播控制信道参考频率；下变频后的信号经上行模数转换单元转换成基带数字信号后送入基带处理模块的缓存模块；编码模块根据DSP处理器的命令（DSP处理器根据下行信号走向过程中解码模块发送给DSP处理器的信息，通过逻辑推理出对应上行信号走向的处理命令），读取缓存模块中的基带数字信号，重新编码组帧，将广播控制信道载频帧结构各个时隙中的数据编排到多载频信道的不同载频上（此时多载频信道各载频的频率是不变的，为定频），数据依次经上行数模换单元转换、上行混频器b上变频后，输出频率为经上行数模转换单元转换后输入上行混频器b的频率加上上行混频器b接收到来自数字振荡器的多载频信道参考频率，此时数据从定频信号转换成跳频信号，最后通过上行功率放大器放大后转发给信源基站。
上述应用于GSM跳频网络的直放站数字处理方法中，直放站采用广播控制信道载频输出信号的前提为信源基站的跳频信号的条数不大于七，也即语音用户不超过7个，此时直放站采用的是从功率放大器；当语音用户超过7个时，直放站采用多载频信道输送信号，也即采用主功率放大器。
如图1所示，应用于GSM跳频网络的直放站数字处理系统包括下行链路和上行链路；
下行链路：下行低噪声放大器、下行模数转换单元、基带处理模块、下行数模转换单元、下行功率放大器顺次连接；下行低噪声放大器和下行模数转换单元之间串联有一个下行混频器a；下行数模转换单元与下行功率放大器之间串联有一个下行混频器b；
上行链路：上行低噪声放大器、上行模数转换单元、基带处理模块、上行数模转换单元、上行功率放大器顺次连接；上行低噪声放大器和上行模数转换单元之间串联有一个上行混频器a；上行数模转换单元与上行功率放大器之间串联有一个上行混频器b；
数字振荡器分别与下行混频器a、下行混频器b、上行混频器a、上行混频器b及基带处理模块连接。
如图2所示，基带处理模块设置有FPGA芯片和DSP处理器；FPGA芯片和DSP处理器连接。FPGA芯片上设置有解码模块、缓存模块、编码模块。
基带处理模块是直放站最核心的功能模块，其中解码模块是通过解码信源基站信号的频率校正信道和同步信道，实现直放站与信源基站信号之间的时间同步；同时，解码模块通过解码广播控制信道获取跳频信息，包括跳频信道指示、移动配置指数偏移量、跳频序列号和绝对频点号，并发送这些信息给DSP处理器；缓存模块用于存储来源于信源基站并经下行低噪声放大器、下行混频器处理的基带数字信号，或者来源于广播控制信道载频并经上行低噪声放大器、上行混频器处理的基带数字信号；而编码模块对缓存模块存储的数字信号重新编码组帧编排到广播控制信道载频帧结构的各个空闲时隙中；或者将广播控制信道载频帧结构各个时隙中的信号重新编码组帧编排到多载频信道的不同载频信道上。在信号下行走向过程中，编码模块则根据DSP处理的命令，读取缓存模块中的数据，修改其中的跳频信道指示，并且重新编码组帧不同用户的业务信息到同一个帧结构的不同时隙。DSP处理器除了与FPGA芯片配合，完成基带处理过程，还负责外部的控制命令，负责配置数字振荡器，保持直放站与信源基站之间实现快速的跳频同步。
如图2所示，信源基站下行信号经过下行模数转换单元采样后的数字基带信号进入FPGA芯片内部时，对应复制成两路信号，一路进入解码模块，由解码模块负责提取出信源基站的同步、跳频信息反馈给DSP处理器；另外一路信号则是进去缓存模块，将每个时隙的业务数据都标记上对应的载频信道号、帧时隙位置等信息后对数据进行缓冲处理；一旦解码模块解码成功后，DSP处理器则会发出控制命令，让缓存模块中的数据依序进入编码模块，对数据重新编码组帧，将原来分布在各个载频信道上业务数据，重新编排到广播控制信道载频帧结构的各个空闲时隙中。
具体而言，解码模块是通过解码信源基站信号的频率校正信道和同步信道，实现直放站与信源基站信号之间的时间同步。
在同步后，解码模块通过解码小区广播信道 (CBCH)，获取各种需要的跳频信息，包括跳频信道指示（H）、移动配置指数偏移量(MAIO)、跳频序列号(HSN)和绝对频点号（ARFCN）。解码模块将这些信息发送给DSP处理器，DSP处理器发出控制命令，提取缓存模块内部的数据输入到编码模块，编码模块负责修改数据，将数据中跳频信道指示（H）从跳频标识“1”修改成非跳频标识“0”，对于最终覆盖区的手机用户而言，手机终端会认为接收到的是非跳频的普通定频信号；上行信号的处理过程与之相反，信源基站接收机认为接收到的还是对应跳频的上行信号。
编码模块的主要任务就是对数据重新编码组帧，将原来分布在多载频信道各个载频上业务数据，重新编排到广播控制信道载频帧结构的各个空闲时隙中。如图3所示，一个GSM帧有八个时隙，每个时隙为0.577ms。在GSM网络中，小区的广播控制信道(BCCH)用于广播小区的基本系统消息，始终占用广播控制信道载频f1第0个时隙，剩余7个空闲时隙，因此在全速率业务的情况下，广播控制信道载频f1最多还可以承载7个用户信道。如图4所示（以四个用户为例），编码模块通过对基带数据重新编码组帧，将原来分布在各个载频上业务数据，重新编排到广播控制信道载频f1的各个空闲时隙中，这样只有在同时通话的用户数量大于7个，广播控制信道载频无法承载业务的情况下，才会依次开启f2、f3…等载频承载用户数据（其中，f1、f2、f3…为话务信道载频）。
在GSM移动通信系统中，跳频按照m（m≥1）序列的伪随机顺序进行跳频,对于m个可用频率，理论上可以有最多m!个不同的跳频序列。如图5所示（以四个用户为例），无线信道在某一时隙期间(0．577ms)用某一频率发射，到下一个GSM帧(4．615ms)则跳到另一个不同的频率上发射。因此，跳频速率是每秒216．7跳，频率变化非常快速，直放站需要与信源基站保持严格同步，在每一个时隙相应跳变一次频率，才能正确接收到信源基站信号。如图6所示（以四个用户为例），数字振荡器的作用是根据DSP处理器传输的信号，给出参考频率，并将参考频率传输给下行混频器a或者上行混频器b，
在经上、下变频后，来源于信源基站的跳频信号转换成定频信号或者来源于广播控制信道载频的定频信号转换成跳频信号， 并送入下一级的下行模数转换单元或者上行数模转换单元进行转换。
数字振荡器使用直接频率数字合成技术，具有输出相位连续、频率分辨率高、频率转换时间短的特点，非常适合跳频应用的需求。本发明采用的数字振荡器内部为一可编程的数字频率合成器芯片AD9858，基带处理模块中的DSP处理器通过与AD9858芯片中的频率控制字（K）、功能控制寄存器 （CFR）、频率转换字寄存器（DFRW）、频率斜率控制字寄存器（DFRRW）、频率控制字寄存器（FTW）等寄存器进行配置，使数字频率合成器芯片 AD9858产生快速变化的正弦波时钟信号，如图7所示，AD9858芯片内部在参考时钟模块的控制下，通过N位相位累加器对频率控制字寄存器进行累加，输出相位抽样，也就是数字相位码，再通过查正弦信号表把存储在相位累加器中的数字相位码转换成近似正弦波幅度的数字幅度码，输出的信号频率可以表示为：
其中，N为数字累加器的位数，决定了输出频率f 0 的频率分辨率；FTW为频率控制字；f r 为参考时钟频率。f 0 即为数字振荡器输出的参考频率。在获得同步变化的参考频率f 0 后，结合下行混频器a、下行混频器b、上行混频器a、上行混频器b的上、下变频传输信号，最终实现了直放站内部传输信号的跳频频率表、跳频序列、开始起跳频率都与信源基站完全一致，实时同步。
以上所述仅是本发明专利的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域，在不脱离本发明专利原理的前提下，还可以对本发明专利进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明专利权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种应用于GSM跳频网络的直放站数字处理系统，其特征在于：包括下行链路和上行链路；
下行链路：下行低噪声放大器、下行模数转换单元、基带处理模块、下行数模转换单元、下行功率放大器顺次连接；所述下行低噪声放大器和下行模数转换单元之间串联有一个下行混频器a；所述下行数模转换单元与下行功率放大器之间串联有一个下行混频器b；
上行链路：上行低噪声放大器、上行模数转换单元、基带处理模块、上行数模转换单元、上行功率放大器顺次连接；所述上行低噪声放大器和上行模数转换单元之间串联有一个上行混频器a；所述上行数模转换单元与上行功率放大器之间串联有一个上行混频器b；
所述下行混频器a、下行混频器b、上行混频器a、上行混频器b、基带处理模块均与数字振荡器连接；
所述基带处理模块设置有FPGA芯片和DSP处理器；所述FPGA芯片和DSP处理器连接；所述DSP处理器与数字振荡器连接；
所述FPGA芯片上设置有解码模块、缓存模块、编码模块；所述下行模数转换单元分别与解码模块、缓存模块连接；所述上行模数转换单元分别与解码模块、缓存模块连接；所述下行数模转换单元、上行数模转换单元均与编码模块连接；所述缓存模块与编码模块连接；所述解码模块、缓存模块、编码模块均与DSP处理器连接；
所述解码模块是通过解码信源基站信号的频率校正信道和同步信道，实现直放站与信源基站信号之间的时间同步；同时，解码模块通过解码广播控制信道获取跳频信息，包括跳频信道指示、移动配置指数偏移量、跳频序列号和绝对频点号；
所述缓存模块用于存储来源于信源基站并经下行低噪声放大器、下行混频器处理的基带数字信号，或者来源于广播控制信道载频并经上行低噪声放大器、上行混频器处理的基带数字信号；
所述编码模块对缓存模块存储的来源于信源基站并经下行低噪声放大器、下行混频器处理的基带数字信号重新编码组帧编排到广播控制信道载频帧结构的各个空闲时隙中；或者将缓存模块存储的来源于广播控制信道载频并经上行低噪声放大器、上行混频器处理的基带数字信号重新编码组帧编排到多载频信道的不同载频信道上。
2、一种应用于GSM跳频网络的直放站数字处理方法，其特征在于：
下行信号走向：基带处理模块将信源基站的跳频信号转换成定频信号，并将定频信号编排到广播控制信道载频帧结构的各空闲时隙后利用广播控制信道载频转发给覆盖用户区；所述基带处理模块将信源基站的跳频信号转换成定频信号的实现方式为：将信源基站发出的多载频信道的跳频信号通过下行低噪声放大器放大到合适电平后经下行混频器a下变频；下变频后的信号经下行模数转换单元转换成基带数字信号后送入基带处理模块；基带数字信号传输到基带处理模块的解码模块和缓存模块；解码模块从基带数字信号中解码广播控制信道和同步信道，获得信源基站的同步信息和跳频信息，并将同步信息和跳频信息发送给DSP处理器；数字振荡器根据DSP处理器给出的信号向下行混频器a发送参考频率，此时下行混频器a的输出频率为定频；
上行信号走向：基带处理模块将广播控制信道载频帧结构各时隙的数据重新编排并转换成定频信号，将定频信号转换成跳频信号后转发给信源基站；所述基带处理模块将广播控制信道载频帧结构各时隙的数据重新编排并转换成定频信号的实现方式为：先通过上行低噪声放大器放大到合适电平后经上行混频器a下变频，上行混频器a下变频的输出频率为通过上行低噪声放大器放大到合适电平后输入上行混频器a的频率减掉上行混频器a接收到来自数字振荡器的广播控制信道参考频率；下变频后的信号经上行模数转换单元转换成基带数字信号后送入基带处理模块的缓存模块；DSP处理器根据下行信号走向过程中解码模块发送给DSP处理器的信息，通过逻辑推理出对应上行信号走向的处理命令，编码模块根据DSP处理器的命令，读取缓存模块中的基带数字信号，重新编码组帧，将广播控制信道载频帧结构各个时隙中的数据编排到多载频信道的不同载频上，此时多载频信道各载频的频率是不变的，为定频；将定频信号转换成跳频信号后转发给信源基站的实现方式为：定频信号依次经上行数模转换单元转换、上行混频器b上变频后，输出频率为经上行数模转换单元转换后输入上行混频器b的频率加上上行混频器b接收到来自数字振荡器的多载频信道参考频率，此时数据从定频信号转换成跳频信号，最后通过上行功率放大器放大后转发给信源基站。
3、根据权利要求2所述的应用于GSM跳频网络的直放站数字处理方法，其特征在于：
下行信号走向：将得到的定频信号经下行模数转换单元转换后传输给缓存模块作为基带数字信号；编码模块根据DSP处理器的命令，读取缓存模块中的基带数字信号，将基带数字信号重新编码组帧编排到广播控制信道载频帧结构的各个空闲时隙中；广播控制信道载频将重新编码组帧的数据依次经下行数模转换单元转换、下行混频器b上变频和下行功率放大器放大后转发给覆盖用户区。
4、根据权利要求2或3所述的应用于GSM跳频网络的直放站数字处理方法，其特征在于：所述信源基站的跳频信号的条数不大于七。
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