gsm物理层 - 图文

GSM 物理层处理介绍

GSM接入方式为时分多址（TDMA）方式，每载波有8个基本物理信道。载波间隔为200kHz。一个物理信道可以由TDMA帧号，时隙号和跳频序列号来定义。基本的无线资源为一个时隙，长度为576.9μs(15/26ms)，调制速率为270.833kb/s(1625/6kb/s)。因此每时隙间隔（包括保护时间）包含156.25bit。

从实现的流程来逐步讲解。

1 数字下变频阶段.

78M采样时钟进行采样，78M = 288*(1625/6).即实现288倍采样.

在GSM系统我们解析的包括GSM900和GSM1800两个频段. 频点和频点对应关系如下:

以GSM900为例: 前段射频带宽为35M,而35M = 200k*175,所以该射频可以最多覆盖175个频点。如下图所示：

35M 带宽中心频率96M逐渐减小200K逐渐增大200K0 1 2?86 87 88173 174124号，123号，?,40号，39号37号，36号，?，1号，0号38号频点为中心频点

在78M采样时钟下，38号中心频点对应的96M的载波在时域可以看作载波为：18M（96M-78M）的信号。数字下变频的作用就是将中频信号变为0频信号，即去载波过程。设原始信号为D?Acos(wct??(t))，载波角频率为 wc，?(t)为调制相

位，则数字下变频可以用下列式子表达： 第一步：正余弦相乘。

I0?Dcos(wct)?A2?cos(2wct??(t))?cos(?(t))?

Q?Dsin(wct)?Asin(2wct??(t))?sin(?(t))? ?2第二步：cic 下抽取。采用72倍下抽后数据采用率将由原始的288倍变为4倍。这

样做有利于fir低通滤波器的实现。

第三步：fir低通滤波,滤除高频成分后得： I?A2cos?((t ))

Q?A2sin?((t )) 举例说明：

在78M采用时钟下：

对38号频点：载波频率可以看做18M，利用nco生成18M正余弦信号就可以完成下变频。 对37号频点：载波频率可以看做18.2M(18M+200k)，利用nco生成18.2M正余弦信号就可

以完成下变频。

对39号频点：载波频率可以看做17.8M(18M-200k)，利用nco生成17.8M正余弦信号就可

以完成下变频。

依次类推……

2.GSM物理层基础知识

2.1时隙与突发脉冲序列

基本的无线资源为一个时隙，长度为576.9μs(15/26ms)，调制速率为270.833kb/s(1625/6kb/s)。因此每时隙间隔（包括保护时间）包含156.25bit。

码片速率 = 156.25 / (15/26) = 270.833kcps NB – 普通突发脉冲序列 FB – 频率校正突发脉冲序列

SB – 同步突发脉冲序列 AB – 接入突发脉冲序列 DB – 空闲突发脉冲序列

TB – 尾比特，总是000，帮助均衡器判断起始位和中止位 GP – 保护间隔，8.25个比特，相当于大约30ms

每一个TDMA 帧含8 个时隙，共占60/13≈4.615ms。每个时隙含156.25 个码元，占15/26≈0.557ms。

多个TDMA 帧构成复帧（Multiframe），其结构有两种，分别含连贯的26 个或51 个TDMA 帧。当不同的逻辑信道复用到一个物理信道时，需要使用这些复帧。

含26 帧的复合帧其周期为120ms，用于业务信道及其随路控制信道。其中24 个突发序列用于业务，2 个突发序列用于信令。

含51 帧的复合帧其周期为3060/13≈235.385ms，专用于控制信道。

多个复帧又构成超帧（Super frame）它是一个连贯的51×26TDMA 帧，即 一个超帧可以是包括51 个26TDMA 复帧，也可以是包括26 个51TDMA 复帧。超帧的周期均为1326 个TDMA 帧，即6.12 秒。

多个超帧构成超高帧（Hyper frame）。它包括2048 个超帧，周期为12533.76 秒，即3 小时28 分53 秒760 毫秒。用于加密的话音和数据，超高帧每一周期包含2715648 个TDMA 帧，这些TDMA 帧按序编号，依次从0 至2715647，帧号在同步信道中传送。帧号在跳频算法中也是必需的。

3.物理层实现流程

3.1.FB搜索-----实现初定位

Fb位于含51帧的复合帧中第0,10,20,30,40帧的0时隙处。

频率校正突发（FB）

公共信道组合（组合类型IV）

图 1

上图所画为0时隙的图。 说明：图中F,S,B,B,B,B,C,C,C,C分别表示每帧的第一个时隙。完整的时序结构图可以为如下图所示：

图中每格表示一个时隙F12034567S01234567B10234567B12034567B123450...

之后的时序图都是这样描述的。

由于gsm系统采用GMSK调制，而FB数据部分发送的是全零。所以在时域上我们看到的将是一段频率为67.7083khz(270.833khz/4)的正弦波。于是我们开窗对fir输出的两倍采样的I，Q数据做128的点fft变换。并求出频域128点的I的平方加上Q的平方之和记为能量。每25000个采样点（156.25*2*8*10）求出能量最大值及对于的窗口值。可以看成是FB的大概起始点。完成初定位。

3.2.SB相关及SCH信道解析 -----实现精确定位及同步解析：

利用FB完成初定位后，考虑到sb在fb之后一帧的地方，可以粗略定位sb的位置。然后结合sb的特点进行精确定位。

sb位于含51帧的复合帧中第1,11,21,31,41帧的0时隙处。

同步突发（sb）

上图中，64同步比特是已知的序列，具有很强的自相关能力。通俗的将就是自己和自己有很大的相关能量，而和别人的相关能量很小。抓住这一点，我们采取开窗进行同步比特相关的方法就可以推出Sb的起始点了。

在每个SCH信道有25比特的消息字段，其中19比特是帧号，6比特用于BSCI号。由于每个单独的SCH时隙都携带着一个完整的同步消息，而且SCH的突发脉冲的消息位的字段是78个比特。因而我们需要将这25比特的数据编码成78个比特。

我们将这25个比特的数据再加上10个奇偶校验比特和4个比特的尾位，这就得到了39个比特。再将这39个比特按照1：2的卷积编码速率，便得到了78个比特的消息。

在sb的起始点后，我们就可以得到156点sb的数据。再送入解调模块（解GMSK调制）就可以解调出上图中78bit（39+39）的同步信息比特。紧接着解交织和crc校验就可以得到25比特SCH信道的消息字段，进而知道帧号以及BSCI号。在得到这些同步消息后。我们就可以经行BCCH CCCH,SDCCH的解析了。

3.3逻辑信道解析 3.3.1理论介绍

3.3.1.1信道类型

无线子系统的物理信道支撑着逻辑信道。逻辑信道可分为业务信道

（TrafficChannel）和控制信道（Control Channel）两大类，其中后者也称信令信道（Signalling Channel）。

3.3.1.1.1. 业务信道

业务信道（TCH）载有编码的话音或用户数据，它有全速率业务信道（TCH/F）和半速率业务信道（TCH/H）之分，两者分别载有总速率为22.8 和11.4kbit/s的信息。使用全速率信道所用时隙的一半，就可得到半速率信道。因此一个载频可提供8 个全速率或16 个半速率业务信道（或两者的组合）并包括各自所带有的随路控制信道。 (1) 话音业务信道

载有编码话音的业务信道分为全速率话音业务信道（TCH/FS）和半速率话音业务信道（TCH/HS），两者的总速率分别为22.8 和11.4kbit/s。

对于全速率话音编码，话音帧长20ms，每帧含260 比特，提供的净速率为13kbit/s。

(2) 数据业务信道

在全速率或半速率信道上，通过不同的速率适配、信道编码和交织，支撑着直至9.6kbit/s 的透明和非透明数据业务。用于不同用户数据速率的业务信道，具体有：

9.6kbit/s，全速率数据业务信道（TCH/F9.6） 4.8kbit/s，全速率数据业务信道（TCH/F4.8） 4.8kbit/s，半速率数据业务信道（TCH/H4.8）

≤2.4kbit/s，全速率数据数据业务信道（TCH/F2.4）

≤2.4kbit/s，半速率数据数据业务信道（TCH/H2.4）

数据业务信道还支撑具有净速率为12kbit/s 的非限制的数字承载业务。在GSM 系统中，为了提高系统效率，还引入额外一类信道，即TCH/8，它的速率很低，仅用于信令和短消息传输。如果TCH/H 可看作为TCH/F 的一半，则TCH/8 便可看作为TCH/F 的八分之一。TCH/8 应归于慢速随路控制信道（SACCH）的范围。

3.3.1.1.2. 控制信道

控制信道（CCH）用于传送信令或同步数据。它主要有三种：广播信道（BCCH）、公共控制信道（CCCH）和专用控制信道（DCCH）。 (1) 广播信道

广播信道仅作为下行信道使用，即BS 至MS 单向传输。它分为如下三种信道： ① 频率校正信道（FCCH） 载有供移动台频率校正用的信息。 ② 同步信道（SCH）

载有供移动台帧同步和基站收发信台识别的信息。实际上，该信道包含两个编码参数。

基站识别码（BSIC），它占有6 个比特（信道编码之前），其中3 个比特为0～7 范围的PLMN 色码，另3 个比特为0～7 范围的基站色码（BCC）。 简化的TDMA 帧号（RFN），它占有19 个比特。 ③ 广播控制信道（BCCH）

通常，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。

BCCH 所载的参数主要有： CCCH（公共控制信道）号码以及CCCH 是否与SDCCH（独立专用控制信道）相组合。 为接入准许信息所预约的各CCCH 上的区块（block）号码。

向同样寻呼组的移动台传送寻呼信息之间的51TDMA 复合帧号码。 (2) 公共控制信道

公共控制信道为系统内移动台所共用，它分为下述三种信道： ① 寻呼信道（PCH）

这是一个下行信道，用于寻呼被叫的移动台。 ② 随机接入信道（RACH）

这是一个上行信道，用于移动台随机提出入网申请，即请求分配一个SDCCH。 ③ 准予接入信道（AGCH）

这是一个下行信道，用于基站对移动台的入网请求作出应答，即分配一个SDCCH 或直接分配一个TCH。

(3) 专用控制信道

使用时由基站将其分给移动台，进行移动台与基站之间的信号传输。它主要有如下几种：

① 独立专用控制信道（SDCCH）

用于传送信道分配等信号。它可分为独立专用控制信道（SDCCH/8）与CCCH相组合的独立专用控制信道（SDCCH/4）。 ② 慢速随路控制信道（SACCH）

它与一条业务信道或一条SDCCH 联用，在传送用户信息期间带传某些特定信息，例如无线传输的测量报告。该信道包含下述几种： TCH/F 随路控制信道（SACCH/TF）。 TCH/H 随路控制信道（SACCH/TH）。 SDCCH/4 随路控制信道（SACCH/C4）。 SDCCH/8 随路控制信道（SACCH/C8）。 ③ 快速随路控制信道（FACCH）

与一条业务信道联用，携带与SDCCH同样的信号，但只在未分配SDCCH 时才分配FACCH，通过从业务信道借取的帧来实现接续，传送诸如“越区切换”等指令信息。FACCH 可分为如下几种： TCH/F 随路控制信道（FACCH/F）。 TCH/H 随路控制信道（FACCH/H）。

除了上述三类控制信道外，还有一种小区广播控制信道（CBCH），它用于下行线，载有短消息业务小区广播（SMSCB）信息，使用像SDCCH 相同的物理信道。

3.3.1.2信道组合

GSM系统中，几种逻辑信道组合成某种特定的类型，用于传输用户数据或信令，一般称之为信道组合类型，一种信道组合类型可以映射到一条物理信道上。信道组合类型主要有以下几种。

I) TCH/F + FACCH/F + SACCH/TF

II) TCH/H(0,1) + FACCH/H(0,1) + SACCH/TH(0,1)

III) TCH/H(0,0) + FACCH/H(0,1) + SACCH/TH(0,1) + TCH/H(1,1) IV) FCCH + SCH + BCCH + CCCH

V) FCCH + SCH + BCCH + CCCH + SDCCH/4(0...3) + SACCH/C4(0...3) VI) BCCH + CCCH

VII) SDCCH/8(0 ..7) + SACCH/C8(0 .. 7) 其中 CCCH = PCH + RACH + AGCH

注1：当支持SMSCB（小区广播短消息业务）时，在V), VII)情况下用CBCH代替SDCCH(2)。

注2：仅当无其它CCCH分配时，才使用组合的CCCH/SDCCH分配V)。 注3：IV)和V)在一个小区中不能同时存在

注4：IV)和V)严格地分配到小区配置的BCCH 载频的时隙0 位置上

1.业务信道组合(组合类型I和II)

I) TCH/F + FACCH/F + SACCH/TF

II) TCH/H(0,1) + FACCH/H(0,1) + SACCH/TH(0,1)

2.公共信道组合(组合类型IV)

IV) FCCH + SCH + BCCH + CCCH

3.BCCH 组合(组合类型V)

V) FCCH + SCH + BCCH + CCCH + SDCCH/4(0...3) + SACCH/C4(0...3)

4.专用信令信道组合(组合类型VII)

VII) SDCCH/8(0 ..7) + SACCH/C8(0 .. 7)

常规突发(NB)

一个NB可以发送114（57+57）bit数据。

对于BCCH CCCH SDCCH SACCH，都是以NB的形式进行发送的，每4个NB(114*4=576bit)凑成一个解码单元。依次通过解交织,解卷积，CRC校验，得到原始184bit.送给上层进行层三处理。

问题：这576bit 是怎么得到的？ 答：

BCCH、PCH、AGCH、SDCCH、FACCH、SACCH信道的编码

LAPDm是数据链路层的协议（第二层），在连接模式下被用于传送信令。它被应用在逻辑信道BCCH、PCH、AGCH、SDCCH、FACCH、SACCH上，一个LAPDm帧共有23个字节（184个比特）。为了获得456比特的保护字段，便可通过对LAPDm帧的编码来得到。

首先给184比特增加40比特的纠错循环码，这样就可以来检测是否物理层的差错校正码能正确的校正传输差错。通过这种码型来监测无线链路，来确认是否SACCH消息块是否被正确的接收到。 为了实现卷积编码，还应加上4个比特的尾位。我们将得到的这228个比特通过1：2卷积编码速率，最后也会得到456比特的数据。

3.3.2 FPGA 具体实现。

3.3.2.1控制信道 3.3.2.1.1 BCCH CCCH 解析

根据理论信道的介绍，这两个逻辑信道存在于：

公共信道组合(组合类型IV) 和 BCCH 组合(组合类型V)

（1）公共信道组合(组合类型IV) IV) FCCH + SCH + BCCH + CCCH

（2）BCCH 组合(组合类型V)

V) FCCH + SCH + BCCH + CCCH + SDCCH/4(0...3) + SACCH/C4(0...3)

上述BCCH，CCCH,可承载于0,2,4,6时隙之上。上图所画为0时隙的结构图。

解析的过程就是收集好4个时隙的数据共456bit，经过解交织,解卷积，CRC校验，得到原始184bit.送给上层进行层三处理。

3.3.2.1.2 SDCCH解析

根据理论信道的介绍，这个逻辑信道存在于：

BCCH 组合(组合类型V)和专用信令信道组合(组合类型VII)

（1）BCCH 组合(组合类型V)

V) FCCH + SCH + BCCH + CCCH + SDCCH/4(0...3) + SACCH/C4(0...3)

（2）专用信令信道组合(组合类型VII)

VII) SDCCH/8(0 ..7) + SACCH/C8(0 .. 7)

上图所述D0---D7(SDCCH),可承载于0,1,2,3,4,5,6,7时隙之上。上图所画为0时隙的

结构图。

由于（D0—D7）SDCCH可以承载于0—7时隙之上，所以解析组合共有64种（8*8）之多。通常后台界面上[sdcch] 0-0-5中 5 就是指第五种解析组合。

解析的过程就是收集好4个时隙的数据共456bit，经过解交织,解卷积，CRC校验，得到原始184bit.送给上层进行层三处理。

3.3.2.1.3 SACCH解析

根据理论信道的介绍，这个逻辑信道存在于：

业务信道组合(组合类型I和II), BCCH 组合(组合类型V)和专用信令信道组合(组合类型VII)

(1)业务信道组合(组合类型I和II)

I) TCH/F + FACCH/F + SACCH/TF

II) TCH/H(0,1) + FACCH/H(0,1) + SACCH/TH(0,1)

结构图：

输出c0输入uDDDD输出c1

3.3.2.3.3 crc校验

the block of 184 information bits is protected by 40 extra bits used for error correction and detection. These bits are added to the 184 bits according to a shortened binary cyclic code (FIRE code) using the generator polynomial:

g(D) = (D23 + 1)*(D17 + D3 + 1)

D0D1D2D3D4...D15D16D17...D22D23D24D25D26...D38D39

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4i1d.html