■ 孔慶富 劉香山 柳良

1 概述

GSM-R系統(tǒng)是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的面向鐵路的新一代綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)。鐵道部2000年底正式確定將GSM-R作為我國鐵路專用通信的發(fā)展方向，并于2004年正式采用GSM-R標(biāo)準(zhǔn)作為我國新一代鐵路無線通信國家標(biāo)準(zhǔn)。

近年來，我國鐵路通過引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新，使GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)走上了快速發(fā)展的道路，在列車控制、高原鐵路、貨運(yùn)重載成套技術(shù)的形成和發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，特別是在高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營中更是具有不可替代的作用。同時，我國高速鐵路建設(shè)中GSM-R技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步推動了GSM-R技術(shù)在世界范圍內(nèi)的延伸，帶動了高速移動通信技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了GSM-R產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。

目前，GSM-R手持終端已經(jīng)國產(chǎn)化。車載臺作為GSM-R無線通信終端的重要組成部分，已經(jīng)在各鐵路線廣泛應(yīng)用。然而，由于車載臺的核心通信模塊被國外廠家壟斷，嚴(yán)重影響我國GSM-R系統(tǒng)的發(fā)展及基于GSM-R的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)、機(jī)車同步操控系統(tǒng)的發(fā)展。SED RM 8000鐵路GSM-R無線通信模塊產(chǎn)品，最初來源于鐵道部科學(xué)技術(shù)司《GSM-R相關(guān)技術(shù)研究——GSM-R通信模塊設(shè)備國產(chǎn)化研究》課題，目標(biāo)是研發(fā)適于高速鐵路通信的GSM-R無線通信模塊產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)鐵路GSM-R車載模塊設(shè)備的國產(chǎn)化，為鐵路機(jī)車通信提供核心技術(shù)保障。

2 技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)

我國鐵路建設(shè)與運(yùn)營速度都取得了很大程度的發(fā)展。為有效保障列車高速運(yùn)行時的無線通信，列車通信設(shè)備除了在功能、可靠性及環(huán)境適應(yīng)性等方面有較高要求外，高速適應(yīng)性更是非常重要的要求之一。SED RM 8000通信模塊采用8 W大功率設(shè)計、優(yōu)化的自動頻率校準(zhǔn)（AFC）算法、快速頻率跟蹤及高頻偏下的同步信道（SCH）和廣播信道（BCCH）解調(diào)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了高速工作環(huán)境下的可靠通信。其中8 W大功率兩級放大設(shè)計和功率閉環(huán)校準(zhǔn)技術(shù)提供了可靠的高速適應(yīng)性。

傳統(tǒng)GSM手機(jī)硬件平臺一般包括數(shù)字基帶、模擬基帶、功率放大器及射頻收發(fā)器等芯片。數(shù)字基帶通常由ARM和DSP雙核架構(gòu)構(gòu)成，集成數(shù)字信號處理、通信協(xié)議處理、操作系統(tǒng)、驅(qū)動及應(yīng)用處理等功能，模擬基帶芯片集成LCD顯示器、SIM卡、鍵盤、喇叭、聽筒及麥克控制管理等功能。

8 W大功率發(fā)射接收模塊與手持終端發(fā)射接收設(shè)計的主要區(qū)別在于其發(fā)射功率的大小。在成熟的2 W手持終端平臺基礎(chǔ)上，通過在發(fā)射通路中增加一級放大電路實(shí)現(xiàn)大功率設(shè)計，既不影響原有射頻接收性能，同時可以利用原有成熟的功率控制算法，將具有較穩(wěn)定的性能和可靠性。該平臺已經(jīng)在SED OPH/GPH產(chǎn)品中得到驗(yàn)證，并在超過百萬臺通用手機(jī)上得到驗(yàn)證，性能穩(wěn)定可靠，平臺支持GSM 850/GSM 900/DCS1800/PCS1900四頻段，并可以支持歐洲UIC R-GSM頻段。SED RM 8000硬件技術(shù)原理見圖1。

平臺中第一級放大的PA芯片集成變頻器、基帶接收濾波器，滿足根據(jù)鐵道部規(guī)范規(guī)定的工作頻段，包括整個EGSM 900；二級功率放大器件選擇LDMOS器件，提供固定增益的功率放大，要求具備寬頻、寬溫的工作特性。設(shè)計中應(yīng)當(dāng)注意：輸出功率提供一定余量；對LDM OS產(chǎn)生的三階互調(diào)和較大的諧波分量進(jìn)行處理，要求效率較高；輸入輸出阻抗匹配到50 Ω；滿足效率、輸出功率、線性度等各項(xiàng)指標(biāo)的要求。

結(jié)構(gòu)設(shè)計和器件選型上，采用高性能器件和特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證模塊在正常工作溫度范圍內(nèi)可靠工作，極限工作溫度范圍達(dá)到-40~85 ℃。

這種兩級功率放大的設(shè)計方案保證8 W大功率通信模塊的實(shí)現(xiàn)，同時通過全信道全功率的自動軟件校準(zhǔn)、射頻功率放大環(huán)境下的電流功率檢測與補(bǔ)償、溫度檢測與補(bǔ)償?shù)榷囗?xiàng)通信補(bǔ)償技術(shù)，保證模塊在GSM全功率等級0～19上的性能指標(biāo)滿足要求。SED RM 8000校準(zhǔn)測試結(jié)構(gòu)見圖2。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

SED RM 8000模塊的高速設(shè)計與實(shí)現(xiàn)經(jīng)過不斷的研究、測試和優(yōu)化，語音通信等功能穩(wěn)定可靠，性能完全達(dá)到鐵道部對GSM-R語音模塊的各項(xiàng)功能要求，產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合GSM規(guī)范要求，表1給出實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)測試部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖1 SED RM8000硬件技術(shù)原理

圖2 SED RM8000校準(zhǔn)測試結(jié)構(gòu)示意圖

表1 SED RM8000校準(zhǔn)測試結(jié)果

在電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（CSD）方面，經(jīng)過多次嚴(yán)格的服務(wù)質(zhì)量（QoS）測試，包括實(shí)驗(yàn)室仿真測試及實(shí)際線路高速測試。2010年12月，在北京交通大學(xué)GSM-R國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了仿真測試，仿真測試環(huán)境見圖3。信道仿真平臺主要模擬RF信道上各種冗余覆蓋、高速條件和不同場景下的多徑衰落模式，仿真速度滿足350 km/h。

仿真測試結(jié)果表明：多徑衰落為2徑時，模塊性能符合CSD規(guī)范要求；4徑時，性能稍有下降。與國外廠家模塊仿真結(jié)果相當(dāng)，基本達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。圖4是SED RM 8000部分仿真測試結(jié)果。

經(jīng)過射頻功率調(diào)整，2011年1月，在京滬高速鐵路先導(dǎo)段進(jìn)行了0～420 km/h的多次實(shí)網(wǎng)測試，測試結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到甚至超過標(biāo)準(zhǔn)要求，圖5是實(shí)際測試中的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖3 GSM-R高速移動和鐵路特殊場景衰落信道下的性能測試系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

圖4 SED RM8000仿真測試結(jié)果

圖5 SED RM8000 CSD QoS實(shí)網(wǎng)測試結(jié)果

4 結(jié)束語

SED RM 8000 GSM-R無線通信模塊采用完全自主知識產(chǎn)權(quán)的面向高速環(huán)境設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了大功率設(shè)計、優(yōu)化的AFC算法及快速頻率跟蹤等技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)室仿真和實(shí)際線路測試，其設(shè)計滿足高速工作環(huán)境下的要求，實(shí)現(xiàn)GSM-R無線通信模塊的國產(chǎn)化。

[1] 鐵道部科技運(yùn)[20 08]16 8號 C T C S-3級列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范[S]

[2] 北京交通大學(xué)．GSM-R數(shù)字移動通信網(wǎng)設(shè)備技術(shù)要求通信模塊（V1.0）[S]

[3] GSM 05.05．Digital cellular telecomm unication system(Phase 2+)；Radio transm ission and reception[S]