一種GoTa移頻終端的設計方案﹡

呂國棟， 白 靈， 宋 滔

0 引言

數字集群移動通信系統是一種專用的移動通信系統，該數字集群系統具有頻譜利用率高、用戶容量大、聯網功能強、保密性好、能提供分組數據業務等優點，便于組建公用網[1]。適用于企事業單位、公安、交通、大型活動等對指揮調度功能要求較高的場合。

全球開放集群架構（GoTa，Global Open Trunking Architecture，）是中興公司基于CDMA技術開發的數字集群通信體制。針對專業集群的要求，GoTa系統對 CDMA技術進行了改造和優化，解決了用CDMA方式實現集群呼叫所必需的多項關鍵技術，如實現快速呼叫建立和業務信道共享等，使集群業務和功能更加符合專業集群用戶的使用習慣[2]。

GoTa是基于CDMA產業鏈開發的產品，在硬件上不支持超出標準CDMA頻段的應用方式。采用移頻技術能夠拓展標準GoTa集群系統的工作頻段，達到擴展GoTa系統的適用環境和用戶群體的目的。

GoTa實現了集群與3G業務的集合，能夠為數字集群專網和共網用戶提供綜合業務解決方案，在全球40多個國家和地區規模商用，是應用范圍最廣和國際化程度最高的國產數字集群系統。

受CDMA的頻段和市場需求限制，GoTa目前只能滿足用戶在800M、次800M、450M等標準頻段的建網需求。不同于蜂窩通信系統面向社會大眾，數字集群主要針對特定的部門或團體，而在大多數情況下，分配給這些用戶的無線頻率資源一般不在GoTa支持的標準頻段范圍以內，因此擴展GoTa集群的應用頻段，將能夠更好地滿足用戶對構建集群專網的使用需求，具有較大的市場前景。

1 移頻應用原理

GoTa移頻應用是通過對標準GoTa終端和基站進行空中接口移頻改造，實現GoTa系統的頻率拓展應用。具體是在保持原GoTa系統核心網、基站控制器、調度臺等主要設備不變的基礎上，將終端、基站設備在無線接口端進行頻率搬移，達到滿足用戶對不同無線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系統移頻到420M頻段（上行421～426 MHz，下行431～436 MHz）為例，說明GoTa移頻應用原理。

圖1 移頻應用原理框

如圖 1所示，在GoTa終端側，發射時將標準800M頻段信號下移頻到420M空中接口；接收時將420M空中接口信號上移頻到800M頻段。在GoTa基站側做相對應的移頻處理。

2 移頻終端設計

2.1 整機設計

移頻終端是GoTa系統移頻應用的重要設備，主要由主控模塊、移頻模塊、GoTa模塊及其它輔助電路構成，其整機框圖如圖2所示。

主控模塊由主處理器、存儲器、顯示控制、鍵盤控制、整機電源控制及外部接口控制等功能模塊組成，主要負責人機接口、任務調度控制、狀態管理、故障管理等。主處理器采用一款高集成度、低功耗的智能手機處理器，型號為SC8810。該芯片集成了1GHz CortexA5處理器、圖形加速專用GPU和電源管理單元。

圖2 移頻終端整機框

移頻模塊將800M頻段移頻到420M頻段，實現雙工收發。由于 420M 為非標準頻段，因此目前在市場上尚未見到支持此種功能和應用方式的小型化集成芯片。因此，設計一款移頻頻段寬、小型化、低功耗的移頻模塊成為技術難點。

GoTa模塊是一款支持 CDMA2000 1X/EV-DO Rev.A數據傳輸，同時能提供CDMA語音電話、短信、GoTa數字對講和GNSS定位服務的通信模塊。

輔助電路主要由UIM卡、耳機、喇叭、音頻功放等組成。

影響移動設備市場占有率的主要因素除了設備性能之外，還有電池的壽命[3]。移頻終端在原GoTa終端基礎上增加了移頻功能，導致設備功耗有所增加。因此系統的低功耗設計是設備實用化、產品化的關鍵。

移頻終端可分為初始化狀態、空閑狀態、系統接入狀態、業務信道狀態。通過分析得出，不同工作狀態下的功耗需求不同，其中最重要的是做好業務信道狀態和空閑狀態下的低功耗設計管理。

業務信道狀態下，終端根據需要配置發射功率，調整主處理器工作頻率，設置顯示屏狀態，以盡量減小電流消耗。

空閑狀態下，允許主控進入待機狀態，同時接收待機時需要保持對尋呼信號的監聽，發射根據GoTa模塊的需要進入待機或工作狀態。根據各個模塊的功能不同，具體設計如下：

主控待機：終端處于空閑狀態時，主控系統工作于深度睡眠狀態。狀態變化時，由按鍵信號或GoTa模塊振鈴信號喚醒。

發射待機：GoTa模塊能夠提供發射控制信號，平時發射通路可以工作于待機狀態。

接收待機：在處于空閑狀態時，需要接收通路能夠待機，但 GoTa模塊無法提前打開移頻接收通路。與此同時，當主控待機后，也無法控制接收通路，因此需要解決移頻模塊接收待機后的喚醒問題。

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品，其開發難度較低。下面將重點介紹移頻模塊設計和接收待機方案。

2.2 移頻模塊設計

移頻模塊實現標準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

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

在串聯射頻電路系統中，射頻指標會逐漸惡化。移頻模塊與GoTa模塊是串聯關系，為了減小移頻模塊對終端系統性能指標的惡化，要求移頻模塊關鍵射頻指標（本振相位噪聲、收/發隔離度、雜散抑制指標等）達到甚至超越GoTa集群的標準。為滿足上述要求，設計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系，通過調整鎖相環電路達到在保持相位噪聲指標的條件下改變本振窄帶輸出頻率的能力。

2）通過多層PCB、信號分設、板級屏蔽、底層分割、增加濾波等措施，避免收/發電路相互干擾，提高隔離度指標。

3）通過高抑制度SAW濾波器以及功率放大器線性化設計措施，減小雜散輻射。

功率控制是CDMA系統克服“遠近效應”、抑制多址干擾和增加系統容量的關鍵技術[4]。反向鏈路的功率控制包括開環控制和閉環控制以及外環功率控制[5]。移頻模塊采用了功率放大器柵極電壓調整技術調整發射功率，其控制算法綜合上述幾種功率控制思想，以降低電流消耗，保持通信鏈路穩定。

移頻模塊選用統一封裝的濾波器（雙工器），通過簡單的調試或者更換不同的濾波器，可以適用不同移頻工作頻段，具有很強的適應性。

2.3 接收待機方案

GoTa模塊和主控芯片都無法及時將移頻模塊從接收待機狀態喚醒，為保證正確接收，需要移頻模塊始終處于接收狀態，這將使整機待機電流超過70 mA。作為使用電池供電的便攜式設備，待機電流過高將無法滿足使用要求。

為解決上述問題，需要深入分析空閑狀態下移頻GoTa系統的時隙特點和可待機時段，以及GoTa模塊提供的時隙指示信號，并設計接收待機控制電路來實現接收待機功能。

移頻GoTa集群系統的尋呼信道采用時隙模式，在空閑狀態下，移頻終端只在特定的某個時間監聽尋呼信道，其余時間可以關閉接收通道，以達到降低功耗的目的。

系統時隙周期長度為16個80 ms時隙即1.28 s，移頻終端要監聽的尋呼時隙號由基站和移動臺根據hash算法和移動臺IMSI（國際移動用戶識別碼）的后三位來確定。如果計算得出一個移動臺的尋呼時隙為a，那么它將要監聽的尋呼時隙號是a、a+16…。

在空閑狀態下，GoTa模塊輸出一個80 ms低脈沖指示尋呼時隙，則脈沖過后1.2 s需要接收下一尋呼時隙，這期間接收通路可以待機。為可靠接收下一尋呼時隙，設計提前20 ms啟動接收通路，故此待機時間最長為1.18 s。

接收待機控制電路如圖 4所示。該電路的左上部分利用反相器、積分電路、或門電路將GoTa模塊輸出的尋呼時隙指示信號的上升沿轉換為一個低脈沖，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，能夠滿足LMC555對/TRIGGER信號脈寬大于10 ns的要求。

圖4 接收待機控制電路

計時電路利用LMC555定時器實現，其中計時長度tH為：

tH= 1.1 RAC。

若RA采用一個10 MΩ（精度1%）電阻，C采用0.1 uf電容（精度5%），則計時為1.1 s。根據器件精度計算，計時浮動范圍在1.166 55～1.037 s，能夠滿足時長小于1.18 s的設計要求。以計時信號的反向輸出作為控制接收狀態切換的信號，在尋呼時隙結束后控制移頻模塊進入接收待機狀態，在下一尋呼時隙到來前喚醒移頻模塊進入接收工作狀態。

該接收待機方案使得空閑狀態下移頻接收模塊在86%的時間內處于待機狀態，整機的待機電流降低到15 mA以內，能夠滿足使用要求。接收控制電路消耗電流小于0.5 mA，其脈沖寬度和定時時長均可以通過設置阻容參數進行調整，靈活性強，實用價值高。

3 結語

文中介紹了 GoTa集群通信系統移頻應用的需求及工作原理，提出了一種應用于移頻系統的GoTa終端設計方案。本設計方案在普通GoTa終端的基礎上，疊加移頻模塊，以滿足系統移頻應用的需求。移頻模塊是整機的關鍵模塊，方案中詳細介紹了其電路設計框圖、為滿足指標要求采取的技術措施、功率控制電路等；整機功耗控制是終端實用化的基礎，本設計對接收待機方案進行了詳細介紹。

該移頻終端已經完成詳細設計、電路調試和樣機生產，并參與了GoTa移頻系統的聯合測試，實現了終端入網，驗證了單呼、組呼、廣播、個人移動等GoTa集群業務功能。系統聯試的成功進一步證明了GoTa集群移頻應用的可行性，使GoTa集群系統能夠突破頻段限制，滿足更多用戶的集群調度通信需求。

該移頻終端能夠滿足用戶多樣化、差異化的使用需求，技術風險可控，易于實現，具有良好的應用前景。

[1] 王彬,羅海彬.數字集群中信道爭用問題的ALOHA協議研究[J].通信技術,2008,41(07):150-152.

[2] 劉守文,崔麗.中興GoTa數字集群產品和產業化發展[J].電信網技術,2005(02):1-4.

[3] 任萍,楊浩.低功耗多電壓測試平臺的架構[J].信息安全與通信保密,2011(07):40-42.

[4] 呂平寶,謝劍英.CDMA系統中上行鏈路發射功率控制理論的研究[J].通信技術,2003(04):39-40.

[5] 張博,劉嵐.CDMA功率控制的MATLAB仿真[J].信息安全與通信保密,2006(04):103-104.