图解通信原理与案例分析-15：2G GSM手机语音通话的工作原理--TDMA时分多址与GMSK调制

前言：

前文拆解了第一代模拟移动通信系统的工作原理与模拟语音调制技术，从本文开始，将拆解数字移动通信。

从第二代移动通信系统GSM开始，摆脱与告别了模拟通信，进入纯数字通信的时代。

本文从2G GSM手机纯语音通信的工作原理开始，重点关注单个终端的通信技术：语音编码、信道编码、逻辑信道、物理信道、TDMA时分多址、GMSK调制。

关于8PSK等多进制调制技术，将在《2G GSM手机GRPS数据通信与Edge数据通信的工作原理》中拆解。

关于多终端共享无线信道场景下的相关技术将《2G GSM基站的工作原理》中拆解。

第1章第二代移动通信系统GSM

1.1 GSM系统概述

1.2 GSM系统网络架构

第2章第二代移动通信GSM手机基本原理

2.1 概述

2.2 手机的工作原理框图

第3章语音信源编解码

3.1 采样：在时间轴上对信号数字化；采样率是衡量采用的一个重要参数

3.2 量化：在幅度轴上对信号数字化

3.3 语音编码：按一定格式记录采样和量化后的数字数据。

第4章物理信道编解码

第5章 GSM信道与TDMA帧

5.1 GSM的频分多址FDMA: GSM信道号频点对应表

5.2 TDMA时分多址技术

5.3 GSM的物理信道与突发脉冲序列

5.4 GSM的逻辑信道

5.5 GSM 帧的层次结构

5.6 逻辑信道到物理信道的映射

第6章数字调试解调概述

第7章高斯最小频移键控GMSK

7.1 GMSK调制技术

7.2 GSM语音通信调制性能

第8章回顾与总结

第1章第二代移动通信系统GSM

1.1 GSM系统概述

关键词：数字！

全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications) ，缩写为GSM，由欧洲电信标准组织ETSI制订的一个数字移动通信标准。它的空中接口采用时分多址技术TDMA 。自90年代中期投入商用以来，被全球超过100个国家采用。

GSM标准的无处不在使得在移动电话运营商之间签署"漫游协定"后用户的国际漫游变得很平常。

GSM 较之它以前的标准最大的不同是它的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM被看作是第二代 (2G)移动电话系统。

全球移动通信系统(GSM)是迄今为止最为成功的全球性移动通信系统。其开发始于1982年。欧洲电信标准协会(ETSI)的前身欧洲邮政电信管理会议(CEPT)成立了移动特别行动小组(Groupe Speciale Mobile)，该小组得到了对有关泛欧数字移动通信系统的诸多建议进行改进的授权。试图完成的两个目标：

第一，用于无线通信的更好、更有效的技术解决方案——在那个时候，数字系统在用户容量、易用性和可能的附加业务数目等方面都要优于当时还十分流行的模拟系统已经是显而易见的了。

第二，实现全欧洲统一的标准，以支持跨越国界的漫游。这在以前是不可能做到的，因为各国使用的是互不兼容的模拟系统。

GSM有三种版本，每一种都使用不同的载波频率。最初的GSM系统使用900MHz附近的载频。

稍后增加了GSM-1800，也就是所谓的DCS-1800，用以支持不断增加的用户数目。它使用的载波频率在1800MHz附近，总的可用带宽大概是900MHz附近可用带宽的三倍，并且降低了移动台的最大发射功率。除此之外，GSM-1800和最初的GSM完全相同。因此，信号处理、交换技术等方面无须做任何改变就可以同样加以利用。更高的载波频率意味着更大的路径损耗，同时发射功率的降低会造成小区尺寸的明显缩小。这一实际效果同更宽的可用带宽一起使网络容量可以得到相当大的扩充。

第三种系统被称做GSMl900或PCS-1900(个人通信系统)，工作在1900MHz载频上，并主要用于美国。

1.2 GSM系统网络架构

GSM系统主要由移动台（MS）、基站子系统（BSS）、移动网子系统（NSS）和操作维护中心（OMC）四部分组成。

从通信原理的角度看，重点在无线接入，即GSM移动台，俗称手机，以及基站子系统。

移动台：终端

是公用GSM移动通信网中用户使用的设备，也是用户能够直接接触的整个GSM系统中的设备。移动台的类型不仅包括手持台，还包括车载台和便携式台。随着GSM标准的数字式手持台进一步小型、轻巧和增加功能的发展趋势，手持台的用户将占整个用户的极大部分

基站子系统（BSS）：无线接入网

基站子系统（BSS）是GSM系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分。它通过无线接口直接与移动台相接，负责无线发送接收和无线资源管理。另一方面，基站子系统与网络子系统（NSS）中的移动业务交换中心（MSC）相连，实现移动用户之间或移动用户与固定网路用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息等。当然，要对BSS部分进行操作维护管理，还要建立BSS与操作支持子系统（OSS）之间的通信连接。

移动网子系统（NSS）：核心网

NSS由移动业务交换中心(MSC) 、归属位置寄存器( HLR) 、拜访位置寄存器(VLR) 、鉴权中心(AUC) 、设备识别寄存器(EIR) 、操作维护中心(OMC-S) 和短消息业务中心 (SC)构成。MSC是对位于它覆盖区域中的MS进行控制和交换话务的功能实体, 也是移动通信网与其它通信网之间的接口实体。它负责整个MSC区内的呼叫控制、移动性管理和无线资源的管理。VLR 是存储进人其覆盖区用户与呼叫处理有关信息的动态数据库。MSC为处理位于本覆盖区中MS的来话和去话呼叫需到 VLR 检索信息，通常VLR与MSC合设于同一物理实体中。HLR是用于移动用户管理的数据库 , 每个移动用户都应在其归属的位置寄存器注册登记。HLR主要存两类信息，一类是有关用户的业务信息，另一类是用户的位置信息

操作维护中心（OMC）：网管

操作维护中心（OMC）又称OSS或M2000，需完成许多任务，包括移动用户管理、移动设备管理以及网路操作和维护

第2章第二代移动通信GSM手机基本原理

2.1 概述

GSM全名为：，中文为全球移动通讯系统，俗称"全球通"，由欧洲开发的数字移动电话网络标准，它的开发目的是让全球各地共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。GSM系统包括 GSM 900：900MHz、GSM1800：1800MHz 及 GSM-1900、1900MHz等几个频段。

2.2 手机的工作原理框图

（1）话筒与听筒

话筒：把空气中震动的声音信号转换成基带的模拟的话音电信号

听筒：把成基带的模拟的话音电信号转换成空气中震动的声音信号

详细见：《图解通信原理与案例分析-10：楼宇有线对讲电话机案例--模拟基带点对点通信详解》

图解通信原理与案例分析-10：楼宇有线对讲电话机案例--模拟基带点对点通信详解_文火冰糖的硅基工坊的博客-CSDN博客

（2）A/D转换与D/A转换

GSM作为一个全数字的系统，对于语音数据首先进行数字化的量化。也就是模拟的音频信号转化成数字信号，再进行数字化的传输。声音的数字化就包括采样和量化。

GSM主要是传输人的声音，因此人发出的声音的频率也就影响了系统的采样频率。通常人发出的声音频率在85～1100HZ，其中人耳敏感的频率范围是1～4KHZ。声波的主要频率分布20～3400HZ (3.4KHz)

奈奎特定律证明：只要取样的频率大于原始信号的频率两倍之上，信号可以完全有采样样本来恢复。因此GSM规范采用8KHZ的采样频率，完全满足人耳分辨声音的需要。

（3）信源编码与解码

对于麦克风里面的声音，以8KHZ采样率13位精度进行采样，得到的速率就是104kbps的源数据流。这样的码率对于GSM来说比较大，因此要对语音进行压缩编码，以便于传输。

（4）信道编码与解码

由于移动通信存在干扰和衰落，在信号传输过程中将出现差错，故对数字信号必须采用纠、检错技术，即纠、检错编码技术，以增强数据在信道中传输时抵御各种干扰的能力，提高系统的可靠性。

对要在信道中传送的数字信号进行的纠、检错编码就是信道编码。

（5）交织与去交织

在移动通信中这种变参的信道上，比特差错经常是成串发生的。这是由于持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。但是，信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效，为了解决这一问题，希望找到把一条消息中的相继比特分开的办法，即一条消息的相继比特以非相继的方式被发送，使突发差错信道变为离散信道。这样，即使出现差错，也仅是单个或者很短的比特出现错误，也不会导致整个突发脉冲甚至消息块都无法被解码，这时可再用信道编码的纠错功能来纠正差错，恢复原来的消息。这种方法就是交织技术。

交织的目的是应对小尺度衰落或突发噪声，造成连续的信号丢失，导致无法纠错。

（6）加解密

在数字传输系统的各种优点中，能提供良好的保密性是很重要的特性之一。

GSM通过传输加密提供保密措施。这种加密可以用于语音，用户数据和信令，与数据类型无关，只限于用在常规的突发脉冲之上, 即用户语音数据。

加密是通过一个泊松随机序列（由加密钥Kc与帧号通过A5算法产生）和常规突发脉冲之中114个信息比特进行异或操作而得到的。
在接收端再产生相同的泊松随机序列，与所收到的加密序列进行同或操作便可得到所需要的数据了。

（7）TDMA物理帧

基站的系统广播消息、控制消息、基站对手机的控制消息、手机的语音数据都是放在TDMA物理帧中进行传输的，以支持多个用户复用同一个200KHz的载波信道。

（8）中频处理

GSM不同于LTE, GSM的中频是模拟中频，而在LTE中，中频主要是数字中频。

模拟中频主要功能是对信号进行放大。

（9）高频调制与解调

发送测：通过多进制相位调制：GMSK, QPSK, 8PSK, 16QAM等调试方式，将数字化的TDMA物理帧的比特率流，加载到高频载波信号上，进行发送。

接收测：通过相应的解调技术，从调制后的高频电磁波中，还原出原先的比特率，进一步还原出数字化的TDMA物理帧。

这是本文的重点！

（10）功率放大器PA与LNA：对调试后的信号进行功能放大，以传送更远的距离。

（11）发送与接收

通常情况下，手机只有一套天线，因此发送和接收分时复用同一个天线，

因此，还需要有开关电路，控制天线是发送和接收信号。

接收滤波器：

（12）天线发送电磁波信号

接收：把自由空间中的电磁波转换成高频电信号，并将其输送到接收电路中

发送：把发送电路的高频调制信号转换成电磁波，通过空间传输。

（13） MCU系统

包括输入键盘、图形显示频、MCU处理器

（14）跳频控制：GSM调频控制

（15）频率合成：合成所需要的高频载波信号sinx或cosx

（16）VCO：压控晶振

第3章语音信源编解码

如上图所示，声音数字化的过程为：

3.1 采样：在时间轴上对信号数字化；采样率是衡量采用的一个重要参数

采样频率，也称为采样速度或者采样率，定义了每秒从连续（模拟）信号中提取并组成离散信号的采样个数，它用赫兹（Hz）来表示。采样频率的倒数是采样周期或者叫作采样时间，它是采样之间的时间间隔。通俗的讲采样频率是指计算机每秒钟采集多少个信号样本。

人发出的声音的频率影响了系统的采样频率。通常人发出的声音频率在85～1100HZ，其中人耳敏感的频率范围是1～4KHZ。声波的主要频率分布20～3400HZ (3.4KHz)。

奈奎特定律证明：只要取样的频率大于原始信号的频率两倍之上，信号可以完全有采样样本来恢复。

因此GSM规范采用8KHZ的采样频率，完全满足人耳分辨声音的需要。

3.2 量化：在幅度轴上对信号数字化

量化在数字信号处理领域，是指将信号的连续取值（或者大量可能的离散取值）近似为有限多个（或较少的）离散值的过程。

量化主要应用于从连续信号到数字信号的转换中。

连续信号经过采样成为离散信号，离散信号经过量化即成为数字信号。

信号的采样和量化通常都是由ADC实现的。

3.3 语音编码：按一定格式记录采样和量化后的数字数据。

（1）语音编码概述

对语音进行编码的目的是为了将语音数字化并利用人的发声过程中存在的冗余度和人的听觉特性来降低编码率。

随着语音通信技术的发展，压缩语音信号的传输带宽，增加信道的传输速率，一直是人们追求的目标。

语音编码就是使表达语音信号的比特数目最小。

语音编码的基本方法：可分为波形编码、参量编码（音源编码）和混合编码。

波形编码是将时域的模拟话音的波形信号经过取样、量化、编码而形成的数字话音信号，

参量编码是基于人类语言的发音机理，找出表征语音的特征参量，对特征参量进行编码，

混合编译码是结合波形编译码和参量编译码之间的优点。

波形编译码器虽然可提供高话音的质量，但数据率低于16kb/s的情况下，在技术上还没有解决音质的问题。

（2）时域波形编码

基本原理是在时间轴上对模拟话音信号按照一定的速率来抽样，然后将幅度样本分层量化，并使用代码来表示。在接收端将收到的数字序列经过解码恢复到原模拟信号，保持原始语音的波形形状。话音质量高，编码速率高。如PCM编码类（a率或u率PCM、ADPCM、ADM)，编码速率为64－16kb/s，语音质量好。

波形编码的目的在于尽可能精确地再现原来的语音时域波形，并以波形的保真度即自然度为其质量的主要度量指标，但波形编码所需的码速率较高。

（3）参数编码

根据语音信号产生的数学模型，通过对语音信号特征参数的提取后进行编码（将特征参数变换成数字代码进行传输）。

在接收端将特征参数，结合数学模型，恢复语音，力图使重建语音保持尽可能高的可懂度，重建语音信号的波形同原始语音信号的波形可能会有相当大的区别。如线性预测（LPC）编码类。编码速率低，2.4-1.2kb/s，自然度低，对环境噪声敏感。

这种语音编码的主要质量指标是可懂度，参量编码可以将语音编码以后的速率压得很低。

（4）混合编码(Hybridcoding)

将波形编码与参数编码相结合，在2.4-1.2kb/s速率上能够得到高质量的合成语音。混合编码把波形编码的高质量和参量编码的高效性融为一体，在参量编码的基础上附加一定的波形编码特征，实现在可懂度的基础上适当地改善自然度的目的。

用于移动通信中的语音编码，一般都是混合编码， GSM也采用了混合编码。

选择混合编码时，要使比特率、质量、复杂度和处理时延这4个参量及其关系达到综合最佳化。

GSM通常采用四种编解码器：

（1）半速率：语音数字比特位速率5.6Kbps，压缩比18.4，编解码类型VSELP

最早的GSM网络使用GSM-HR(Half Rate)标准，编码速率低，感觉普遍不佳。

（2）EFR：语音数字比特位速率12.2Kbps，压缩比8.5，编解码类型ACELP

EFR声码器是一种代数码激励线性预测(ACELP)编码器

（3）全速率：语音数字比特位速率13Kbps，压缩比8，编解码类型RTE-LTP LPC

长期预测(LTP)与规则脉冲激励(RPE)，而全速率编解码器就被称为RPE-LTP线性预测编码器。

（4）AMR，语音数字比特位速率12.2-4.75Kbps，压缩比8.5-21.9，编解码类型ACELP

WCDMA网络主要是采用AMR编码方案。GSM主要还是EFR或者是全速率，属于窄带技术。

AMR NB的语音带宽范围：300－3400Hz，8KHz采样

AMR WB的语音带宽范围： 50－7000Hz，16KHz采样

AMR-WB+的采样速率是在16～48 kHz之间。这使得它的语音带宽更宽(24 kHz)

当前的语音网络中，

2G GSM普遍采用全速率或者EFR。

3G WCDMA 普遍使用AMR-NB。AMR-WB或者AMR-WB+目前在国内的运营商还没有采用。编码器对每20ms采用的语音信号封装成块，经过编码处理，最后形成数据帧。发送到网络上。

4G LTE 时代，LTE网络采用AMR-WB 和AMR-WB+,来传输高清语音数据。

总之，经过语音编码后，连续模拟的语言信号，变成了一组离散的二进制编码数据。

第4章物理信道编解码

通常纠错码分为两大类，即分组码和卷积码。

在移动通信系统中另一种纠错方法就是信令重发，解码时先存储再逐位判决，如重发五次，三次或三次以上均为1，则判1。

信道编码之所以能够检出和校正接收比特流中的差错，是因为加入一些冗余比特，把几个比特上携带的信息扩散到更多的比特上。为此付出的代价是必须传送比该信息所需要的更多的比特。

信道编码用于改善物理信道传输质量，克服各种干扰因素对信号产生的不良影响，但它是以增加比特降低信息量为代价的。

编码的基本原理是在原始数据上附加一些冗余比特信息，增加的这些比特是通过某种约定从原始数据中经计算产生的，接收端的解码过程利用这些冗余的比特来检测误码并尽可能的纠正误码。如果收到的数据经过同样的计算所得的冗余比特同收到不一样时，我们就可以确定传输有误。

根据传输模式不同，在无线传输中使用了不同的码型。

GSM使用的编码方式主要有块卷积码、循环冗余校验码CRC、纠错循环码（FIRE CODE）、奇偶码（PARITY CODE）。

奇偶码：是一种普遍使用的最简单的检测误码的方法。

循环冗余校验码CRC：循环冗余校验码（CRC），简称循环码，是一种常用的、具有检错、纠错能力的校验码，在早期的通信中运用广泛。循环冗余校验码常用于外存储器和计算机同步通信的数据校验。

纠错循环码：主要用于检测和纠正成组出现的误码，通常和块卷积码混合使用，用于捕捉和纠正遗漏的组误差。

纠错码(error correcting code)，在传输过程中发生错误后能在收端自行发现或纠正的码。仅用来发现错误的码一般常称为检错码。为使一种码具有检错或纠错能力，须对原码字增加多余的码元，以扩大码字之间的差别，即把原码字按某种规则变成有一定剩余度（见信源编码）的码字，并使每个码字的码之间有一定的关系。关系的建立称为编码。码字到达收端后，可以根据编码规则是否满足以判定有无错误。当不能满足时，按一定规则确定错误所在位置并予以纠正。纠错并恢复原码字的过程称为译码。检错码与其他手段结合使用，可以纠错。

块卷积码：主要用于纠错，当解调器采用最大似然估计方法时，可以产生十分有效的纠错结果。

若以（n,k,m）来描述卷积码，其中k为每次输入到卷积编码器的bit数，n为每个k元组码字对应的卷积码输出n元组码字，m为编码存储度，也就是卷积编码器的k元组的级数，称m+1= K为编码约束度m称为约束长度。

卷积码将k元组输入码元编成n元组输出码元，但k和n通常很小，特别适合以串行形式进行传输，时延小。

与分组码不同，卷积码编码生成的n元组元不仅与当前输入的k元组有关，还与前面m-1个输入的k元组有关，编码过程中互相关联的码元个数为n*m。

卷积码的纠错性能随m的增加而增大，而差错率随N的增加而指数下降。在编码器复杂性相同的情况下，卷积码的性能优于分组码。

第5章 GSM信道与TDMA帧

在GSM空中接口的协议中，定义了物理信道、逻辑信道。

逻辑信道描述了信息的类型，即定义了传输的是什么信息。

物理信道则定义了逻辑信道的信息，通过如何通过物理信号进行传输，不同的物理信号的传输方式，有不同的物理信道。

在GSM中，物理信道主要是由频点(FDMA)、时隙(TDMA)、用途(Burst突发脉冲序列)三个维度决定的。

5.1 GSM的频分多址FDMA: GSM信道号频点对应表

（1）频段、频谱
无线信号的发射频率包括手机发给基站的上行信号和基站发给手机的下行信号。

GSM900的工作频段为890~960MHz。上行25M：890~915MHz ; 下行25M：935~960 MHz.

GSM1800的工作频段为1710~1880MHz。上下75M: 1710~1785MHz; 下行75M：1805~1880 MHz.

（2）频点
频点是给固定频率的编号。
GSM频率间隔都为200KHz。这样就按照200KHz的频率间隔从890MHz、890.2MHz、890.4MHz、890.6MHz、890.8MHz、891MHz … … 915MHz分为125个无线频率点，并对每个频段进行编号，从1、2、3、4 … … 125；这些对固定频率的编号就是我们所说的频点；反过来说：频点是对固定频率的编号。在GSM网络中我们用频点代替频率来指定收发信机组的发射频率。比如说：指定一个载波的频点为3，就是说该载波将接收频率为890.4MHz的上行信号并以935.4MHz的频率发射信号。
GSM900的频段可以分成125个频点（实际可用124个）。

其中1~95属于中国移动、96~124属于中国联通。

当然，不是每个小区使用所有的频点，通常使用1-N个频点。

GSM900网络上行带宽35MHz，下行带宽35MHz，每个信道200KHz

5.2 TDMA时分多址技术

在GSM系统中，无线接口采用频分多址（FDMA）与时分多址（TDMA）相结合的方式。

用户在不同频道上通信, 即频分多址。且每一频道（TRX）上可分成8个时隙，每一时隙为一个信道，因此，一个TRX最多可供8个全速率（或16个半速率）移动客户同时使用，即时分多址（TDMA）。

时分多址：是通信技术中基本多址技术之一，在2G(为GSM)移动通信系统中多被采用，也应用于卫星通信和光纤通信的多址技术中。

时分多址是把时间分割成周期性的帧(Frame)每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混乱。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在特定的时隙中传输，各移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。

5.3 GSM的物理信道与突发脉冲序列

5.3.1 什么是时隙与物理信道

每一种无线通信中，都会使用不同种类的物理信道。这些不同物理信道具有他们自己的物理（或者传输）结构。

在GSM中，物理信道主要是由频点(FDMA)、时隙(TDMA)、用途(Burst)三个维度决定的。

一个物理信道就是一个200KHz频点上的一个0.577ms的时隙（TS)。

GSM 900频段上有：124个频点 * 8时隙 = 992个物理信道。

GSM 1800频段上有：3 * 124个频点 * 8时隙 = 2976个物理信道。

5.3.2 什么是突发脉冲序列

（1）一个时隙内传送的二进制比特流叫一次burst，又称为突发脉冲序列。

在全速编码的情况下，一个载频上的一个时隙，是业务信道的最小调度单位

在半速编码的情况下，一个载频上的半个时隙，是业务信道的最小调度单位

（2）一个时隙内200KHz带宽的调制波形，叫一次burst，又称为突发脉冲序列。

5.3.3 突发脉冲序列的种类

突发脉冲序列，根据其用途，共分为五种类型：

每一种GSM/GPRS物理信道都映射成这些burst类型中的一个，每一种物理信道又为高层逻辑信道提供服务。
G: Guard，保护间隔。

T：type，脉冲类型

F: Flag，标志位

（1） < Frequency Correction Burst >频率校正突发脉冲序列FCB（特定下行）

用于承载非调制的载波信号，或者承载全零的调制载波，整个数据区域有142bit
保护比特为前后3比特。

采用高斯最小频移键控(GMSK)调制方式，由于承载的是全0数据，因此，调制后的波形是一个连续一个时隙时间长度的正弦波信号。

这个纯载波的频率称为beacon频率（定标频点，或者叫BCCH频率，基准频率）和FCCH时隙的标识。
这个burst仅仅用于FCCH信道（ 频率矫正信道），携带用于校正终端频率的消息，在下行信道中传送，以广播的方式进行传播，用于基站为小区内的所有终端提供参考频率。
用于移动台与基站进行频率同步，它相当于一个带频移的未调载波。此突发脉冲序列的重复称为FCCH。

（2）< Synchronization Burst >同步脉冲序列SB（特定下行）

这个信道用于手机和基站时钟保持时间同步。

它包括一个易被检测的长时间同步序列，

并携带有TDMA帧号和基站识别码（BSIC）信息。

这种突发脉冲序列的周期性的重复称为SCH信道。

（3）< Access Burst >接入脉冲序列AB（特定上行）

同步序列用于时隙对齐
加密比特为有效数据
用于随机接入RACH和AGCH信道

它有一个较长的保护间隔，为的是适应移动台首次接入（或切换到另一个BTS）后不知道时间提前量而设置的。

移动台可能远离BTS，这意味着初始突发脉冲序列会迟到一些到达BTS，由于第一个突发脉冲序列中没有时间提前量TA调整，因此，为了不使第一个突发脉冲序列与下一时隙中的突发脉冲序列重叠，此突发脉冲的比特会短一些，多余的比特作为保护带宽。

当手机发送RACH消息，并接收到AGCH回应，MS和BTS都没有时间提前信息。

在接入脉冲序列中保护间隔的长度（68.25bit x 3.69 = 251.16ms）是相当于37.5km传输时延。

GSM允许小区半径是35km。也就说从最大距离基站35km的MS发送的RACH消息到达基站天线时是和下一个burst没有重叠的。FACCH信道是在切换操作的时候使用这个burst（当新小区的时间提前信息不知道的时候）。

（4）< Normal Burst >正常脉冲序列NB（通用上行、下行）

这个burst用于其他除FCCH/SCH/RACH/AGCH之外的所有的信道，包括语言业务信道TCH，还包括SDCCH/SACCH/FACCH/BCCH/PCH等控制信道。
一个burst中最大传输57*2=114bit的语音或者数据
用Flag bit标志位来区分信道中携带的数据是用户负载（flag=0）还是控制消息bit（flag=1)。

由于在打电话时候，需要一直占用TCH信道，TCH信道是占用整个时隙，信息都没有地方传输，如果出现紧急的信令需要传递，比如切换信息，那么把两个F位置为1，说明此突发脉冲序列已经已经被FACCH信令临时借用。如果只设置了一个比特，表示突发脉冲序列只有一半被盗用。

（5）< Dummy Burst >空闲冲序列DB（空闲）

这个burst像正常脉冲序列，但是没有任何有意义的bit传输。

由于手机会不断的监控BCCH射频的发送功率，以便于小区选择，如果BCCH载频的TCH时隙有时候不发送信号，就会影响基站周围的手机对载频信号的信号强度的评估，有因为信号强度的评估是基于采用点的平均值得到的，因此如果BCCH载频的时隙处于空闲时，就需要发送空闲脉冲序列，不能让它闲着。

5.4 GSM的逻辑信道

逻辑信道是：根据基站与终端之间传递的信息种类不同而定义的不同逻辑信道。

逻辑信道分为两大类：业务信道和控制信道。

5.4.1 业务信道（TCH）：用于传送编码后的语音或客户数据。

5.4.2 控制信道：用于传送信令或同步数据。可分为广播控制信道、公共控制信道以及专用控制信道三种。

5.4.2.1 广播控制信道（BCH）：为所有终端共享，广播信息

（1）频率矫正信道（FCCH）：广播时钟对齐信息

携带用于校正MS频率的消息，在下行信道中传送，点对多点（BTS对多个MS，即对整个服务小区，也称广播方式）方式传播。

（2）同步信道（SCH）：广播时隙对齐信息

携带MS的帧同步（TDMA帧号）和6bit的BTS的识别码（BSIC）的信息，在下行信道中传送，点对多点方式传播。

GSM是一个严格时隙对齐的时分系统，一次帧同步就显得尤为重要，每个用户只在属于它自己的收发时隙收发数据。

（3）广播控制信道（BCCH）：广播列车运行信息

广播每个BTS的通用信息（小区特定信息）。在下行信道中传送，点对多点方式。在每个基站收发信台中总有一个收发信机含有这个信道，以向移动台广播系统信息。

广播信道包含小区特有信息

小区识别号CGI
小区使用的频点列表（一个GSM小区，包括1-N个200KHz的频点）
位置区域识别号LAI
邻区列表
随机接入控制信息
其他.....

5.4.2.2 公共控制信道（CCCH）：为所有终端共享，控制消息

（1）寻呼信道（PCH）：广播找人

用于寻呼（搜索）MS。

在下行信道中传送，点对多点方式传播。

每个终端都必须监控此信道，看看是否有人能找自己，当终端监控到有人在找自己时，就通过随机接入信道，申请专有信道。

（2）随机接入信道（RACH）：售票窗口，想上车，先在RACH公共信道上排队买票，买到票后，才会保留车座TCH信道。

MS通过此信道申请分配一个独立专用控制信道（SDCCH），作为对寻呼的响应或MS主叫/登记时的接入。

在上行信道中，点对点方式（1个MS对应于1个BTS）传播。

（3）允许接入信道（AGCH）：售票员

用于为MS分配一个独立专用控制信道（SDCCH）。

在下行信道中传送，点对点方式传播。

5.4.2.3 专用控制信道（DCCH）：针对某个而具体终端，控制消息

（1）独立专用控制信道（SDCCH）：上车前的检票

用在分配TCH之前的呼叫建立过程中传送系统信令，例如：登记和鉴权在此信道上进行。

在上行和下行信道中传送，点对点方式传播。

上行位置变化更新信息
上行定时位置更新信
attach与de-attach信息（关机与开机）
呼叫控制信息
短消息

（2）慢随路控制信道（SACCH）：

它是一个与TCH相关的信道，用于在传送连续的数据信息时，指定的时隙传送控制信息，

如传送移动台接收到的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告，这对移动台参与切换时必要的；

它还用于MS的功率管理和时间调整。

在上行和下行信道中传送，点对点方式传播。

短消息
测算的TA提前量
链路质量报告

SACCH的数据传输率为383bit/s，最大延时为480ms

（3）快随路控制信道（FACCH）：借用任一TCH信道时隙

它是一个与TCH相关的信道，用于在传送连续的数据信息时，任意的时隙传送控制信息，

一般在切换时发生。由于语音译码器会重复最后20ms的话音，因此这种终端不会被用户察觉。

无线链路质量过低，需要切换小区
TA超过阀值，需要切换小区
通信质量过差，需要切换小区

其中，下行：FCCH、SCH、BCCH、PCH、AGCH，上行：RACH信道均是在下行或上行的BCCH载频的0时隙上传送。

逻辑信道的数据是通过物理信道来传送的，逻辑信道到物理信道的映射，有多种层次的映射方式，有固定的时隙映射，也有基于TDM帧的映射。

5.5 GSM 帧的层次结构

无论是语音业务信道的数据，还是基站与手机之间的广播数据、控制信令，都是通过GSM的数据帧TDMA帧进行承载的。

与以太网帧以及TCP/IP数据包相同的是：要传送的数据都是封装封装在二进制数据的帧中。

不同的是，以太网帧和TCP/IP的封装，采用的是层层封装，每个帧是独立的单元，内层对外层是不可见的。

而移动通信中的帧，充分体现了时分复用的思想，每个帧不是独立的单元，而是被多个用户、多种信息共享。

因此，移动通信中的基本帧之间不是相互独立的，而是前后相关的。

GSM的帧的最小单位是时隙slot，一个时隙中包含的比特数取决于调制方式，一个时隙传输的数据成为burst，一个burst就完成一次一批二进制数据的传输。

8个时隙组成一个TDMA基本帧，26个或51个基本帧，构成一个复帧。

50个复帧构造一个超帧

2048个复帧构成一个超高帧。

5.5.1 burst突发脉冲序列：

一个时隙的数据传输，时隙的传输时长为4.615%8=0.577ms，每个时隙含156.25个码元，每个码元代表的字节数，取决于数字调制方式，可以携带1或2或3或4或5或6或7或8个比特的数据。

2-PSK调制时，一个burst可以携带156.25个比特。

256QAM调制时，一个burst可以携带156.25*8=1250个bits。

5.5.2 TDMA帧：

每个TDMA帧含8个时隙，整个帧时长约为4.615ms，因此一个TDMA帧携带的直接数为：

2-PSK调制时，一个TDMA帧可以携带156.25*8=1250个比特。

256QAM调制时，可以携带156.25*8*8=1250*8=10000个bits。

5.5.3 TDMA复帧（Multi frame）

N个TDMA基本帧构成复帧，其结构有两种：

GSM中有两种类型的复帧：一种叫控制信令的51-复帧，另外一种叫语音业务的26-复帧。

（1）语音业务复帧-26：

连续的26个TDMA帧构成的复帧，称为26-复帧，周期为120ms，用于业务信道和随路控制信道（TCH与SACCH/FACCH）。

案例1：全速率语音编码的26-复帧，每个用户使用全速率（FR)语音编码。

用户1：使用时隙2，连续26个基本帧构成了一个语音业务的26-复帧。

用户2：使用时隙4，连续26个基本帧构成了一个语音业务的26-复帧。

26个基本帧中：

帧号-12的帧：为慢随路控制信道SACCH和快随路控制信道（FACCH），携带了ME和BTS之间的链路控制信息。

帧号-25的帧：是一个空帧，不传送任何信息。

所有剩余的帧：用于传输语音信息。

案例2：半速率语音编码的26-复帧，每个用户使用半速率（HR)语音编码。

用户1&2：共享时隙2，连续26个基本帧构成了一个语音业务的26-复帧。

26个基本帧中：

帧号-12的帧：为用户1的慢随路控制信道SACCH和快随路控制信道（FACCH），携带了ME和BTS之间的链路控制信息。

帧号-25的帧：为用户2的慢随路控制信道SACCH和快随路控制信道（FACCH），携带了ME和BTS之间的链路控制信息。

其余帧号的偶数：为用户1的语音业务

其余帧号的奇数：为用户2的语音业务

（2）控制信令复帧-51：

连续的51个TDMA帧构成的复帧，称为51复帧，用于控制信道（CCH），周期为3060/13≈ 235.385ms。

控制信道的多帧结构更加复杂，结构会根据控制信道类型而变化。

但是一个公共的地方是所有的控制信道帧结构都是基于51多帧的。

案例1：

广播控制信道（BCH）：为所有终端共享，广播信息

频率矫正信道（FCCH）：携带用于校正MS频率的消息，在下行信道中传送，点对多点（BTS对多个MS，即对整个服务小区，也称广播方式）方式传播。
同步信道（SCH）：携带MS的帧同步（TDMA帧号）和BTS的识别码（BSIC）的信息，在下行信道中传送，点对多点方式传播。
广播控制信道（BCCH）：广播每个BTS的通用信息（小区特定信息）。在下行信道中传送，点对多点方式。在每个基站收发信台中总有一个收发信机含有这个信道，以向移动台广播系统信息。

公共控制信道（CCCH）：为所有终端共享，控制消息

寻呼信道（PCH）：用于寻呼（搜索）MS。在下行信道中传送，点对多点方式传播。
随机接入信道（RACH）：MS通过此信道申请分配一个独立专用控制信道（SDCCH），作为对寻呼的响应或MS主叫/登记时的接入。在上行信道中，点对点方式（1个MS对应于1个BTS）传播。
允许接入信道（AGCH）：用于为MS分配一个独立专用控制信道（SDCCH）。在下行信道中传送，点对点方式传播。

案例2

公共控制信道（CCCH）：为所有终端共享，控制消息

寻呼信道（PCH）：用于寻呼（搜索）MS。在下行信道中传送，点对多点方式传播。
随机接入信道（RACH）：MS通过此信道申请分配一个独立专用控制信道（SDCCH），作为对寻呼的响应或MS主叫/登记时的接入。在上行信道中，点对点方式（1个MS对应于1个BTS）传播。
允许接入信道（AGCH）：用于为MS分配一个独立专用控制信道（SDCCH）。在下行信道中传送，点对点方式传播。

专用控制信道（DCCH）：针对某个而具体终端，控制消息

独立专用控制信道（SDCCH）：用在分配TCH之前的呼叫建立过程中传送系统信令。例如：登记和鉴权在此信道上进行。在上行和下行信道中传送，点对点方式传播。
慢随路控制信道（SACCH）：它与一个TCH或一个SDCCH信道相关，是一个用于传送连续信息的连续数据信息，如传送移动台接收到的关于服务及邻近小区的信号强度的测试报告，这对移动台参与切换时必要的；它还用于MS的功率管理和时间调整。在上行和下行信道中传送，点对点方式传播。
快随路控制信道（FACCH）：它与一个TCH相关。工作于借用模式，即在话音传输过程中如果突然需要以比SACCH速度高得多的速率传送信令信息时，则借用20ms的话音（数据）来传送。一般在切换时发生。由于语音译码器会重复最后20ms的话音，因此这种终端不会被用户察觉。

5.5.4 TDMA超帧（Superframe）

多个连续的TDMA复帧构成超帧，由于51与26没有公约数，因此要设计一种帧，同时能容纳26复帧和51复帧的超帧，

就需要连续51×26 TDMA帧，构成一个超帧，一个超帧的持续时间为6.12s。

5.5.5 TDMA超高帧（Hyper frame）

它包括2048个超帧，每个周期包括2715648个TDMA帧，其时间周期为3小时28分53秒760毫秒。TDMA帧号是以TDMA高帧（2715648个TDMA帧）为周期循环　　编号的。那为什么要用TDMA 帧号呢？这是因为GSM系统对客户的保密是通过在发送信息前对信息进行加密实现的。计算加密序列的算法是以TDMA帧号为一个输入参数，因此每一帧都必须有一个帧号。有了TDMA帧号，移动台就可判断控制信道TS0上传送的是哪一类逻辑信道。如下图所示：

如上所示：

1 TDMA frame = 8 time solts;

1 time slot = 15625 symbol durations;

1 symbol duration = 48/13 us;

因此，1帧 = 8 * 15625 * 48/13 us = 4.615ms;

在系统消息下发的时候，具体下发哪个系统消息是通过TC来决定的，TC = (FN DIV 51) MOD 8，因此TC的循环周期为51 * 8 = 408帧。这样可以计算出每个系统消息发送的具体时间。

5.6 逻辑信道到物理信道的映射

假设：每个小区有若干个物理载频，每个载频都有8个时隙，定义载频数为C0、C1、…、Cn，时隙数为T0、T1、…、T7。

逻辑信道与物理信道的关系，有点像马路的车道与车辆的关系，车道是物理信道，汽车是逻辑信道，汽车用于承载货物（消息），车道用于行驶车辆。

比如有5个车道，不同的车道允许开的车辆不同，有些车道允许开多种车辆，有些车道只运行开特定的车辆！

（1）上行信道映射

（2）下行信道映射

每个载频的每个时隙，都是一个物理信道。

TDMA帧是建立每个独立的物理信道上的，不同的物理信道，可以并行的建立不同的TDMA帧结构！

小区的CS0载频上的全部时隙TS0-7为：

CS0的时隙0 TS0：逻辑控制信道，采用的是重复周期为51个时隙的复帧

CS0的时隙1 TS1：逻辑控制信道，采用的是重复周期为51*2个时隙的复帧

CS0的其他时隙TS2~TS7：逻辑业务信道，采用的是重复周期为26个时隙的复帧，也就是CS0也可以传送业务数据。

小区的其它所有载波（CS1~CSN）的TS0~TS7时隙全部都是业务信道TCH。

若一个小区只有一个载频C0，则它将有6个TCH（TS2~TS7）。

若增加其它的载频，则其它载频的所有TS可全部用作TCH。

用作TCH信道的时隙，采用的是26个连续时隙复帧，用于传输用户语音数据，但其中第12号时隙，用做慢速随路信道SACCH，用来在MS和基站之间传递链路控制信息，小区给每个业务信道分配时隙都是这种格式，

如果采用半速率语音时，一个TCH信道为两个用户提供语音服务，此时第25号时隙也会用作慢速随路信道SACCH。

第6章数字调试解调概述

数字调制技术解决是每个码元如何携带二进制比特数据。或者说，如何把无线帧中定义的二进制比特数据通过高频无线信道进行传输？！

数字调制是现代通信的重要方法，它与模拟调制相比有许多优点。

数字调制具有更好的抗干扰性能，更强的抗信道损耗，以及更好的安全性；

数字传输系统中可以使用差错控制技术，支持复杂信号条件和处理技术，如信源编码、加密技术以及均衡等。

所谓调制是指利用要传输的原始信号S(t)去控制高频谐波或周期性脉冲信号的某个或几个参量，使高频谐波或周期性脉冲信号中的某个或几个参量随S(t)的变化而变化。

要传输的原始信号称为调制信号或基带信号，用S(t)表示；被调制的高频谐波或周期性的脉冲信号起着运载原始信号的作用，因此称为载波，用C(t)表示；调制后的信号所得到的其参量随S(t)线性变化的信号则称为已调信号，用表示。

调制信号两种，模拟信号和数字信号。

用模拟信号控制载波参量的变化，这种调制方式称为模拟调制；

用数据信号控制载波信号的参量变化，这种调制方式称为数字调制。

主要的数字调制方式包括：

比较传统的频移键控(FSK)，高斯最小频移键控GMSK, 幅移键控(ASK)，二进制相移键控(BPSK)和多进制相移键控(xPSK：4PSK, 8PSK, 16PSK)，多电平正交调幅(xQAM: 16QAM, 64QAM, 128QAM)，以及正交频分复用调制(OFDM：orthogonalfrequencydivisionmultiplexing)等方法。

在第1代模拟移动通信系统中，采用的数字调制技术主要是频移键控(FSK)，

在第2代数字移动通信系统GSM语音通信中，采用的数字调制技术包括：高斯最小频移键控GMSK、

在第2代数字移动通信系统GSM数据通信Edge中，采用的数字调制技术包括：相移键控PSK、幅移键控(ASK)、以及幅度+相位的xQAM调制技术。

在第4代数字移动通信系统LTE中，采用了新的调制技术：xQAM调制技术，正交频分复用调制(OFDM)

这里还涉及到几个公共的问题，理解它们对于理解调制的本质非常重要。

（1）单个符号的调制的二进制比特（数字域）

理想信道：根据奈奎斯特定理，最大传送比特=C=2*W*log₂N // W是带宽， N是每个符号代表的二进制种类

噪声信道：根据香农定理，最大传送比特=C= W*log₂（1+S/N) //W是带宽，S/N信噪比。

（2）单个符号的调制时间 (模拟时域）

因此调制的本质是控制载波信号的特性（幅度，频率，相位），调制时，至少要传递一个完整的载波信号，

因此，单个符号的调制时间，主要取决于载波的频率或载波的周期以及单个二进制传送比特的传送时间

调制时间 = 单比特传送时间 > 载波周期

（3）单个符号的调制频谱带宽（模拟频域）

这与调制方式有很大的关系，不同的调试方式，需要的调制后信号的带宽并不相同。

比如模拟双边带幅度调制，调制的带宽区域于基带信号的两倍

比如模拟双边带幅度调制，调制的带宽区域于基带信号的一倍

比如频率和相位调制，根据卡森公式，调制的带宽区取决于最大频偏。

第7章高斯最小频移键控GMSK

高斯最小频移键控GMSK调制技术，是从最小频移键控MSK（Minimum Shift Keying）调制的基础上发展起来的一种数字调制方式。因此有必要先了解一下最小频移键控MSK。

7.1 普通二进制频移键控2-FSK

（1）普通二进制频移键控2-FSK概述

（2）普通二进制频移键控2-FSK的缺点：相位跳变

（3）相位跳变的原因

（4）相位跳变的严重后果

频率等于相位的导数，相位急剧变化（跳变），导致其导数值无限大，即相位跳变处的频率值变得无限大，频谱就被无限拓宽。

7.2 最小频移键控MSK (Minimum Shift Keying)

最小频移键控MSK是一种特殊的改变波载频率来传输信息的调制技术，

其特殊性体现在两个相邻的载波之间的相位是连续，即连续相位频移键控 (CPFSK)。

其通过控制其最大频率偏移为二进制比特速率的1/4，即MSK是调制系数为0.5的连续相位的FSK，以确保两个载波符号的相位连续。

最小频移键控MSK解决了相位跳变问题，也引入了新的问题：

MSK的最大缺点就是：

f1与f2必须满足某种确定的关系，即最大频偏为二进制比特速率的1/4，
导致电路复杂
两个频率f1和f2的间距过大，并随着二进制比特速率的增大而增大。

7.4 模拟频率调制的启示

模拟基带信号的波形是连续的，调制后的信号，频率是连续的，相位也是连续的！！！

调制的频谱带宽取决于模拟基带信号的幅度，频谱带宽可控。

7.5 高斯最小频移键控GMSK

（1）基本思想

相位跳变的根本原因是：调试的基带信号是二进制数据，是离散的、是跳变的。

模拟频率调试的频率和相位之所以连续：调制的基带是连续的。

高斯最小频移键控GMSK基本思想是：把离散的、二进制脉冲信号转换成连续的、模拟信号，但还保留原先的二进制信号的轮廓！

高斯滤波是一种线性平滑滤波，适用于消除高斯噪声，广泛应用于图像处理的减噪过程。

高斯最小频移键控GMSK是在二进制数据流送交频率调制器前先通过一个Gauss滤波器（预调制滤波器）进行预调制滤波，把无线带宽的脉冲、离散数字信号，转变成连续的模拟信号，以减小两个不同频率的载波切换时的跳变能量。

数字信号在调制前进行了Gauss预调制滤波，调制信号在交越零点处，不但相位连续，而且平滑过滤，

因此GMSK本质上是一种2-PSK移频键控调制技术。

（2）好处

在同等的二进制数据速率下，GMSK调制的信号频谱紧凑、误码特性好。

（3）实现框架

高斯最小频移键控GMSK在数字移动通信中得到了广泛使用，如广泛使用的GSM（Global System for Mobile communication）移动通信体制就是使用GMSK调制方式。

7.6 GSM语音通信调制性能

以2进制调制为例：

（1）单个符号的调制的二进制比特率（数字域）

载波带宽：200KHz

理想信道：C=2*W*log₂N = 2 * 200KHz * 每个符号调制的比特 = 400K bits/s //假设是GMSK，每个符号调制的1比特

噪音信道：C= W*log₂（1+S/N) = 200K * 2 = 400Kbits //S/N=4时。

实际比特率：156/ 0.577ms ~= 270bits/s //每个符号调制的1比特

（2）单个符号的调制时间 (模拟时域）

总调制时间：15/26ms = 0.577ms

每个符号周期 = 0.577ms / 256bits = 3.7us

载波周期：1/f ~= 1/900M = 1.1n

每个符号占用载波周期数：3.7us/1.1ns = 3357个 //即3357个载波周期构成一个符号，而不是一个载波周期

（3）单个符号的调制频谱带宽（模拟频域）

实际值：200KHz

第8章回顾与总结

后记

1. 为啥每个时隙含156.25个码元，而不是整数？

2. 随路控制信道SACCH是在TS1还是业务信道？

3. 快随路控制信道FACCH与TCH业务信道的关系？

【答】FACCH通过普通突发脉冲的flag标志，暂时借用TCH信道传送快随路控制信令。

【解答】：

参考：

GSM帧结构：GSM帧结构_sundaygeek的博客-CSDN博客_gsm帧结构

GSM的多址方式及帧结构：GSM的多址方式及帧结构 - 百度文库

永不消逝的电波 -GSM空口信号的接收与解码（软件无线电）永不消逝的电波 -GSM空口信号的接收与解码_Jack-Xu的博客-CSDN博客