2. Абонентские терминалы систем связи с подвижными объектами

Абонентские терминалы (АТ) - называемые также абонентскими устройствами и терминалами пользователя, а также подвижной станцией или подвижным терминалом - являются неотъемлемой частью любой системы связи с подвижными объектами. Именно через посредство АТ осуществляется "вхождение" пользователя в Систему связи, реализуются услуги подвижной связи. Номенклатура этих услуг определяет возможные виды передаваемой информации (речь, данные, неподвижные изображения) и, следовательно, типы терминального оборудования АТ, осуществляющего преобразование информации в электрические сигналы.

Помимо терминального, абонентский терминал содержит оконечное оборудование, которое служит для организации доступа абонентов сетей подвижной связи к существующим фиксированным сетям электросвязи. В числе основных функций оконечного оборудования: радиопередача и радиоприем, управление радиоканалами, защита от ошибок в радиоканале, кодирование - декодирование речи, текущий контроль и распределение данных пользователя и вызовов, адаптация по скорости передачи между радиоканалом и данными, обеспечение параллельной работы нагрузок (терминалов), обеспечение непрерывной работы в процессе движения.

На рис.2.1 изображена упрощенная функциональная схема сотового радиотелефона. Приведенная комплектация АТ является минимально необходимой; она характерна для абонентских устройств всех известных цифровых СПРС - и наземных, и спутниковых. В состав терминала входят следующие основные блоки: блок управления, приемопередающий блок и антенный блок. Способ реализации этих блоков определяется типом СПРС.

Рис. 2.1. Функциональная схема сотового радиотелефона

Рис. 2.1. Функциональная схема сотового радиотелефона.

На схеме приняты следующие сокращения: Тел - телефон (громкоговоритель); АЦП/ЦАП - аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи; Дек.Р - декодер речи; Дек.К - декодер канала; Ант - антенна; Ком. Пм/Пд - коммутатор прием/передача; Код.Р - кодер речи; Код.К - кодер канала; Мик - микрофон.

Антенный блок содержит собственно антенну и электронный коммутатор, подключающий антенну либо на выход передатчика, либо на вход приемника. Функционально несложен и блок управления, включающий микротелефонную трубку (микрофон + телефон), клавиатуру и дисплей. Микрофон и телефон выполняют соответственно функции акустоэлектрического и электроакустического преобразователей. Клавиатура (тестатура) служит для набора номера телефона вызываемого абонента, а также команд, определяющих режим работы АТ. Дисплей (как правило - жидкокристаллический) служит для отображения различной информации, предусматриваемой устройством и режимом работы АТ.

Приемопередающий блок - "сердце" абонентской станции - значительно сложнее. Дадим краткое упрощенное описание функций его основных компонентов:

  • АЦП - преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона - в результате вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме;
  • кодер речи - осуществляет кодирование речевого сигнала - преобразование по определенным законам с целью сокращения его избыточности, т.е. с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу;
  • кодер канала - добавляет в цифровой сигнал дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; а также вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления от логического блока;
  • модулятор - осуществляет перенос кодированного сигнала на несущую частоту;
  • демодулятор - выполняет функцию, обратную функции модулятора, - выделяет из модулированного сигнала кодированную цифровую последовательность;
  • декодер канала - выделяет из входного цифрового потока служебную и дополнительную информацию, используя последнюю для обнаружения и исправления (по возможности) ошибок, внесенных в цифровой сигнал в процессе его передачи по радиоканалу;
  • декодер речи - восстанавливает цифровой речевой сигнал;
  • ЦАП - преобразует принятый цифровой речевой сигнал в аналоговую форму.

В приемопередающий блок входят также синтезатор частоты и микропроцессорный логический блок, управляющий работой терминала (входные каскады приемника и выходные каскады передатчика на схеме не показаны). Синтезатор частот является источником высокостабильных колебаний; он позволяет получить высокостабильную сетку частот, необходимых для реализации дуплексного режима работы АТ в используемом диапазоне.

Логический блок сотового радиотелефона состоит из цифрового сигнального процессора, памяти, канального эквалайзера, канального кодера/декодера, SIM-карты, преобразователей АЦП и ЦАП, наборного поля и дисплея. Цифровой логический блок выполняет все функции, связанные с цифровой обработкой сигнала (демодуляция, кодирование / декодирование канала, сжатие и восстановление речевого сигнала) и обработкой информации, вводимой с наборного поля клавиатуры. Она выводит необходимую информацию на экран дисплея, производит обмен информацией с SIM-картой - специальным съемным модулем идентификации абонента, обеспечивающим аутентификацию абонента и шифрование данных.

В качестве примера АТ на рис. 2.2 приведена упрощенная структурная схема сотового радиотелефона, работающего в стандарте GSM. Часто в таких радиотелефонах имеется аналоговая и цифровая части, которые выполняются на отдельных платах. Устройство приема – супергетеродинный приемник с двойным преобразованием частоты. Принимаемый сигнал с антенны поступает на керамический полосовой фильтр, выделяющий принимаемый сигнал fc и ослабляющий помехи. Отфильтрованный сигнал усиливается в малошумящем усилителе МШУ и подается на смеситель. На второй вход смесителя с синтезатора частот поступает первый сигнал гетеродина fпрм. Выходной сигнал смесителя первой промежуточной частоты fпр1 выделяется фильтром на поверхностных акустических волнах ПАВ, усиливается в усилителе промежуточной частоты УПЧ1 и поступает на второй смеситель. На второй вход этого смесителя подается сигнал гетеродина fг. Полученный в результате преобразования сигнал второй промежуточной частоты fпр2 (450 кГц) фильтруется фильтром на ПАВ и усиливается в УПЧ2 до необходимого уровня. Затем сигнал преобразуется в цифровую форму в АЦП и поступает в центральный процессор CPU, где последовательно осуществляются демодуляция, канальный эквалайзинг, канальное декодирование и декодирование речи. Восстановленный цифровой речевой сигнал преобразуется блоком ЦАП в аналоговую форму, усиливается и поступает на громкоговоритель (телефон).

Рис. 2.2. Упрощенная структурная схема сотового радиотелефона стандарта GSM

Рис. 2.2. Упрощенная структурная схема сотового радиотелефона стандарта GSM

В передающей части АТ сигнал с выхода микрофона усиливается, преобразуется блоком АЦП в цифровую форму и поступает на центральный процессор CPU, где последовательно осуществляются кодирование речи, канальное кодирование и формирование информационных цифровых потоков I и Q. В фазовом модуляторе осуществляется манипуляция фазы квадратурных несущих, сформированных в I/Q – генераторе на частоте fфм, определяемой синтезатором частот. Фазоманипулированный сигнал подается на смеситель, где осуществляется его перенос на несущую частоту fс1 с помощью частоты fпрд, поступающей от синтезатора частот. После полосовой фильтрации сигнал усиливается в регулируемом усилителе мощности УМ и через полосовой фильтр поступает в антенну для излучения в пространство.

При передаче сообщений предусматривается адаптивная регулировка уровня мощности передатчика, обеспечивающая требуемое качество связи. Обработка сигналов управления, опрос клавиатуры, формирование необходимых частот и вывод информации на дисплей происходят под управлением центрального процессора CPU, который выполняет здесь роль логического блока.

В рамках стандарта GSM приняты пять классов АТ, различающихся уровнем выходной мощности радиопередатчика, - от модели 1-го класса с мощностью Рвых= 20 Вт, устанавливаемой на транспортном средстве, до портативной модели 5-го класса, характеризуемой Рвых= 0,6 Вт.

Фактически в описанном терминале абонента совмещены все функции станций спутниковой связи (АЦП/ЦАП, модуляция, демодуляция, кодирование, декодирование, усиление мощности и т.п.). Разработка двухрежимного АТ - для наземной и спутниковой систем связи - представляет собой сложную технологическую задачу. В отличие от систем наземной персональной связи, в СПСС информационный обмен обеспечивается преимущественно только с открытого пространства. Возможность связи из зданий (при расположении антенн на подоконнике и т.п.) ограничена. Персональная спутниковая связь в городских условиях затруднена из-за затенения городскими застройками, а следовательно, работа возможна только при больших углах возвышения спутника.

Теоретически терминалы радиотелефонной связи СПСС обеспечивают практически те же виды услуг, что и в наземных сетях, но в глобальном масштабе. Аналогично, как и в наземных сетях, предполагается использование многорежимных терминалов, ориентированных на работу в сотовых сетях разных стандартов. Таким образом, наметилась тенденция к интеграции наземных систем и систем персональной спутниковой связи.

Отдельную группу АТ составляют алфавитно-цифровые и цифровой пейджеры. Скорость передачи информации составляет обычно 2400 бит/с, однако АТ Globalstar в некоторых режимах способны обеспечивать до 9600 бит/с. Передаче информации предшествует процесс установления соединения, занимающий по времени от 2 до 30 с.

Устройства преобразования и обработки информации в системах подвижной радиосвязи


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.