一种基于SystemView的GSM系统电路设计方案

引言

第二代数字移动通信系统即GSM通信系统是世界上用户数量最大的移动通信系统，它拥有较强大的升级功能和完善的基础设施。GSM系统一开始就是从数字化的角度进行设计的，系统采用了模块化结构，若需要提供新业务，只要进行版本升级，增加部分必要的模块，不需要对系统进行大的更换，也不用进行大规模的网络重新规划，具有很大的便利性。但是随着通信技术的发展，通信和信号处理系统越来越复杂，各种新技术的发展对通信系统的实现产生了重大的影响。通信系统复杂性的增加使得分析与设计所需的时间和费用也迅速上升，为了节约人力、物力、财力和时间，就需要前期进行系统仿真和调试。近年来对GSM通信系统的研究主要集中在GSM无线网络构建与优化、链路干扰分析以及其硬件实现的研究上，这些因素对GSM通信系统的性能影响分析非常重要。本课题重点研究了GSM通信系统的电路实现问题，目的有两个：其一是为了表明EDA软件电路仿真能够快速实现复杂电路的设计；其二是可以基于所建立的系统平台，分析系统的性能，并进一步研究系统升级时的电路规划问题。

基于SystemView的GSM系统电路设计

SystemView是美国Elanix公司推出的，基于Windows环境的用于系统仿真分析的可视化软件工具。它界面友好，使用方便。使用它，用户可以用图符(Token)去描述自己的系统，无需与复杂的程序语言打交道，不用写代码即可完成各种系统的设计与仿真。

使用SystemView进行系统仿真，一般要经过以下几个步骤：

(1)建立系统的数学模型；

(2)从各种功能库中选取、拖动可视化图符，按设计的系统框图组建系统；

(3)设置、调整参数，实现系统模拟参数设置；

(4)设置观察窗口，分析模拟数据和波形。

1、GSM系统发射机电路设计

GSM系统采用的调制方式为GMSK(高斯滤波最小频移键控)，其归一化带宽BbTb=0.3。调制速率为1/T=(1625/6)Kb/s，即近似为 270.8 33 Kb/s。GMSK调制是下述两者之间的折中选择：相当高的无线频谱效率(1 b/Hz数量级)和合理的解调复杂性。

GMSK信号就是通过在FM调制器前加入高斯低通滤波器(称为预调制滤波器)而产生的，如图1所示。

利用SystemView软件设计的GMSK调制电路如图2所示。

(1)信号源为270.833 kHz的PN码发生器(图符0)，该频率为GSM系统信道数据的标准传输速率，该信号经过采样(图符30)以后用来模拟一路GSM基带信号。

(2)图符1为高斯低通滤波器。

(3)调制部分由增益图符2首先对基带信号进行放大，然后送入调制器图符3进行调制，图符4用于模拟插入损耗。然后经过两次放大(图符42和图符5)和射频滤波(图符6)之后完成整个调制过程。

2、GSM系统接收机电路设计

GMSK信号的解调可采用正交相干解调，也可采用鉴相器或差分检测器。GSM规范也没有规定必须采用哪一种算法，但对信道译码纠错以后所测的总性能是有要求的。当采用同步解调和相干检测时，接收端一需要提供一个与发射端调制载波同频同相的相干载波，这个过程叫做载波提取或载波同步。可采用直接法和插入导频法实现。直接法一般通过LC振荡电路实现，如图3所示。

GMSK的非相干解调主要有一比特延迟差分检测器和二比特延迟差分检测器，其原理分别如图4和图5所示。两者数据处理过程相似，以一比特延迟差分检测器为例说明其工作过程如下：GMSK信号首先经中频滤波，其输出信号与延迟和移相后的中频信号相乘，然后采用低通滤波器滤除和频信号，对差频信号进行判决即可得到原始数据。

利用SystemView软件设计的GMSK解调电路如图6所示。其中采用的解调方法是相干解调法。

(1)射频接收部分由图符13图符15组成，首先由增益图符13完成接收信号的射频放大，然后由固定增益衰减器(图符14)引入插入损耗后经图符15进行射频滤波，完成整个射频接收部分。

图符17和图符21之间的图符为混频部分，用于完成信号频谱的向下搬移。然后送入解调器进行解调。其中图符23为LC谐振电路，用于载波的提取，其对应的电路如图3所示。

3、GSM系统性能分析

完成了GSM通信系统的发射和接收电路设计之后，要想实现系统性能的分析，还要对信号传输的通道信道进行建模和设计。根据移动通信信道带宽有限、干扰较大以及存在衰落的基本特征，本文采用130 dB的信道衰减因子，然后加入热噪声模拟高斯信道的特性，并加入频带滤波器模拟带限特性。利用SystemView软件设计的信道如图7所示。

按照图2，图6和图7的电路设计，仿真的结果如图8所示。其中图8(a)为GSM系统输入(脉冲整形后的数字信号源)信号波形;图8(b)为GSM接收器解调输出的信号波形。

从仿真结果上看，输出信号和输入信号的波形基本上是一致的，可见信号源经过发送端的调制;然后经过有扰衰落信道的传输;最后在接收端进行混频和解调后正确恢复了原来信号源的信息，该GSM系统能够正常地工作。仿真结果证明了整个设计系统的正确性。

结论

首先从理论上分析了GSM系统的工作原理，在此基础上，利用SystemView动态分析工具设计了GSM系统的发射机和接收机电路，通过波形分析验证所设计电路的合理性及功能。本文的虚拟无线电设计方法避开了复杂的硬件搭建，实现功能的软件化，把现代通信系统的设计与实现途径从基于硬件的、面向用途的系统设计方法中解放出来，不需编程，只需模块的连接，设计方便、快捷，极大地减轻了工作量。在设计过程中可以方便地更改参数，以达到通信系统仿真设计的最优化。