一种GoTa移频终端的设计方案﹡

吕国栋， 白 灵， 宋 滔

0 引言

数字集群移动通信系统是一种专用的移动通信系统，该数字集群系统具有频谱利用率高、用户容量大、联网功能强、保密性好、能提供分组数据业务等优点，便于组建公用网[1]。适用于企事业单位、公安、交通、大型活动等对指挥调度功能要求较高的场合。

全球开放集群架构（GoTa，Global Open Trunking Architecture，）是中兴公司基于CDMA技术开发的数字集群通信体制。针对专业集群的要求，GoTa系统对 CDMA技术进行了改造和优化，解决了用CDMA方式实现集群呼叫所必需的多项关键技术，如实现快速呼叫建立和业务信道共享等，使集群业务和功能更加符合专业集群用户的使用习惯[2]。

GoTa是基于CDMA产业链开发的产品，在硬件上不支持超出标准CDMA频段的应用方式。采用移频技术能够拓展标准GoTa集群系统的工作频段，达到扩展GoTa系统的适用环境和用户群体的目的。

GoTa实现了集群与3G业务的集合，能够为数字集群专网和共网用户提供综合业务解决方案，在全球40多个国家和地区规模商用，是应用范围最广和国际化程度最高的国产数字集群系统。

受CDMA的频段和市场需求限制，GoTa目前只能满足用户在800M、次800M、450M等标准频段的建网需求。不同于蜂窝通信系统面向社会大众，数字集群主要针对特定的部门或团体，而在大多数情况下，分配给这些用户的无线频率资源一般不在GoTa支持的标准频段范围以内，因此扩展GoTa集群的应用频段，将能够更好地满足用户对构建集群专网的使用需求，具有较大的市场前景。

1 移频应用原理

GoTa移频应用是通过对标准GoTa终端和基站进行空中接口移频改造，实现GoTa系统的频率拓展应用。具体是在保持原GoTa系统核心网、基站控制器、调度台等主要设备不变的基础上，将终端、基站设备在无线接口端进行频率搬移，达到满足用户对不同无线接入频段的使用需求。图 1以将 800M频段（上行 825～830 MHz，下行 870～875 MHz）GoTa系统移频到420M频段（上行421～426 MHz，下行431～436 MHz）为例，说明GoTa移频应用原理。

图1 移频应用原理框

如图 1所示，在GoTa终端侧，发射时将标准800M频段信号下移频到420M空中接口；接收时将420M空中接口信号上移频到800M频段。在GoTa基站侧做相对应的移频处理。

2 移频终端设计

2.1 整机设计

移频终端是GoTa系统移频应用的重要设备，主要由主控模块、移频模块、GoTa模块及其它辅助电路构成，其整机框图如图2所示。

主控模块由主处理器、存储器、显示控制、键盘控制、整机电源控制及外部接口控制等功能模块组成，主要负责人机接口、任务调度控制、状态管理、故障管理等。主处理器采用一款高集成度、低功耗的智能手机处理器，型号为SC8810。该芯片集成了1GHz CortexA5处理器、图形加速专用GPU和电源管理单元。

图2 移频终端整机框

移频模块将800M频段移频到420M频段，实现双工收发。由于 420M 为非标准频段，因此目前在市场上尚未见到支持此种功能和应用方式的小型化集成芯片。因此，设计一款移频频段宽、小型化、低功耗的移频模块成为技术难点。

GoTa模块是一款支持 CDMA2000 1X/EV-DO Rev.A数据传输，同时能提供CDMA语音电话、短信、GoTa数字对讲和GNSS定位服务的通信模块。

辅助电路主要由UIM卡、耳机、喇叭、音频功放等组成。

影响移动设备市场占有率的主要因素除了设备性能之外，还有电池的寿命[3]。移频终端在原GoTa终端基础上增加了移频功能，导致设备功耗有所增加。因此系统的低功耗设计是设备实用化、产品化的关键。

移频终端可分为初始化状态、空闲状态、系统接入状态、业务信道状态。通过分析得出，不同工作状态下的功耗需求不同，其中最重要的是做好业务信道状态和空闲状态下的低功耗设计管理。

业务信道状态下，终端根据需要配置发射功率，调整主处理器工作频率，设置显示屏状态，以尽量减小电流消耗。

空闲状态下，允许主控进入待机状态，同时接收待机时需要保持对寻呼信号的监听，发射根据GoTa模块的需要进入待机或工作状态。根据各个模块的功能不同，具体设计如下：

主控待机：终端处于空闲状态时，主控系统工作于深度睡眠状态。状态变化时，由按键信号或GoTa模块振铃信号唤醒。

发射待机：GoTa模块能够提供发射控制信号，平时发射通路可以工作于待机状态。

接收待机：在处于空闲状态时，需要接收通路能够待机，但 GoTa模块无法提前打开移频接收通路。与此同时，当主控待机后，也无法控制接收通路，因此需要解决移频模块接收待机后的唤醒问题。

综上所述，移频终端所采用的主控模块、GoTa模块均为成熟的方案及产品，其开发难度较低。下面将重点介绍移频模块设计和接收待机方案。

2.2 移频模块设计

移频模块实现标准频段到定制频段的移频功能，主要有3大部分组成：接收模块、发射模块、本振模块，其原理框图如图3所示。

图3 移频模块原理框

为支持系统的双工工作模式，接收电路与发射电路需要同时工作。对 800M 频段而言，接收频率为 870～875 MHz，发射频率为 825～830 MHz。接收模块主要是放大天线接收到的微弱射频信号，上移频滤波到800M频段，满足GoTa模块的工作频段要求。发射模块主要是将 GoTa发射信号下移频到420M频段，并放大到一定功率输出给天线。本振模块主要是提供链路移频需要的本振信号源。

在串联射频电路系统中，射频指标会逐渐恶化。移频模块与GoTa模块是串联关系，为了减小移频模块对终端系统性能指标的恶化，要求移频模块关键射频指标（本振相位噪声、收/发隔离度、杂散抑制指标等）达到甚至超越GoTa集群的标准。为满足上述要求，设计中主要采取了以下措施：

1）采用的本振电路兼顾相位噪声与较宽输出频段的关系，通过调整锁相环电路达到在保持相位噪声指标的条件下改变本振窄带输出频率的能力。

2）通过多层PCB、信号分设、板级屏蔽、底层分割、增加滤波等措施，避免收/发电路相互干扰，提高隔离度指标。

3）通过高抑制度SAW滤波器以及功率放大器线性化设计措施，减小杂散辐射。

功率控制是CDMA系统克服“远近效应”、抑制多址干扰和增加系统容量的关键技术[4]。反向链路的功率控制包括开环控制和闭环控制以及外环功率控制[5]。移频模块采用了功率放大器栅极电压调整技术调整发射功率，其控制算法综合上述几种功率控制思想，以降低电流消耗，保持通信链路稳定。

移频模块选用统一封装的滤波器（双工器），通过简单的调试或者更换不同的滤波器，可以适用不同移频工作频段，具有很强的适应性。

2.3 接收待机方案

GoTa模块和主控芯片都无法及时将移频模块从接收待机状态唤醒，为保证正确接收，需要移频模块始终处于接收状态，这将使整机待机电流超过70 mA。作为使用电池供电的便携式设备，待机电流过高将无法满足使用要求。

为解决上述问题，需要深入分析空闲状态下移频GoTa系统的时隙特点和可待机时段，以及GoTa模块提供的时隙指示信号，并设计接收待机控制电路来实现接收待机功能。

移频GoTa集群系统的寻呼信道采用时隙模式，在空闲状态下，移频终端只在特定的某个时间监听寻呼信道，其余时间可以关闭接收通道，以达到降低功耗的目的。

系统时隙周期长度为16个80 ms时隙即1.28 s，移频终端要监听的寻呼时隙号由基站和移动台根据hash算法和移动台IMSI（国际移动用户识别码）的后三位来确定。如果计算得出一个移动台的寻呼时隙为a，那么它将要监听的寻呼时隙号是a、a+16…。

在空闲状态下，GoTa模块输出一个80 ms低脉冲指示寻呼时隙，则脉冲过后1.2 s需要接收下一寻呼时隙，这期间接收通路可以待机。为可靠接收下一寻呼时隙，设计提前20 ms启动接收通路，故此待机时间最长为1.18 s。

接收待机控制电路如图 4所示。该电路的左上部分利用反相器、积分电路、或门电路将GoTa模块输出的寻呼时隙指示信号的上升沿转换为一个低脉冲，脉冲宽度约为1.5*R1*C1，若R1为2.2 kΩ，C1为1 uf，则脉宽约为1.5 ms，能够满足LMC555对/TRIGGER信号脉宽大于10 ns的要求。

图4 接收待机控制电路

计时电路利用LMC555定时器实现，其中计时长度tH为：

tH= 1.1 RAC。

若RA采用一个10 MΩ（精度1%）电阻，C采用0.1 uf电容（精度5%），则计时为1.1 s。根据器件精度计算，计时浮动范围在1.166 55～1.037 s，能够满足时长小于1.18 s的设计要求。以计时信号的反向输出作为控制接收状态切换的信号，在寻呼时隙结束后控制移频模块进入接收待机状态，在下一寻呼时隙到来前唤醒移频模块进入接收工作状态。

该接收待机方案使得空闲状态下移频接收模块在86%的时间内处于待机状态，整机的待机电流降低到15 mA以内，能够满足使用要求。接收控制电路消耗电流小于0.5 mA，其脉冲宽度和定时时长均可以通过设置阻容参数进行调整，灵活性强，实用价值高。

3 结语

文中介绍了 GoTa集群通信系统移频应用的需求及工作原理，提出了一种应用于移频系统的GoTa终端设计方案。本设计方案在普通GoTa终端的基础上，叠加移频模块，以满足系统移频应用的需求。移频模块是整机的关键模块，方案中详细介绍了其电路设计框图、为满足指标要求采取的技术措施、功率控制电路等；整机功耗控制是终端实用化的基础，本设计对接收待机方案进行了详细介绍。

该移频终端已经完成详细设计、电路调试和样机生产，并参与了GoTa移频系统的联合测试，实现了终端入网，验证了单呼、组呼、广播、个人移动等GoTa集群业务功能。系统联试的成功进一步证明了GoTa集群移频应用的可行性，使GoTa集群系统能够突破频段限制，满足更多用户的集群调度通信需求。

该移频终端能够满足用户多样化、差异化的使用需求，技术风险可控，易于实现，具有良好的应用前景。

[1] 王彬,罗海彬.数字集群中信道争用问题的ALOHA协议研究[J].通信技术,2008,41(07):150-152.

[2] 刘守文,崔丽.中兴GoTa数字集群产品和产业化发展[J].电信网技术,2005(02):1-4.

[3] 任萍,杨浩.低功耗多电压测试平台的架构[J].信息安全与通信保密,2011(07):40-42.

[4] 吕平宝,谢剑英.CDMA系统中上行链路发射功率控制理论的研究[J].通信技术,2003(04):39-40.

[5] 张博,刘岚.CDMA功率控制的MATLAB仿真[J].信息安全与通信保密,2006(04):103-104.