《手机原理与维修》教学教案

国家信息化计算机教育认证

中等职业教育电子信息类专业“双证课程”

培养方案配套教学教案

《手机原理与维修》

中国职业技术教育学会

CEAC信息化培训认证管理办公室

2007年03月

目录

第一章移动电话基础知识 (4)

第二章手机功能电路原理分析 (22)

第三章手机维修技术基础 (59)

第四章GSM手机电路分析与故障检修 (87)

第五章手机的性能测试方法 (111)

第一章移动电话基础知识

课题

第一节移动电话网络结构

第二节移动通信的电波传播特性课型

新课授课班级授课时数 2 教学目标

1．了解电话网络结构的基本构成。

2．了解移动电话网的两种制式。

3．了解在移动环境下无线电波的传播特性。

教学重点

掌握电话网络整体构成以及各部分功能。

教学难点

理解双工信道的工作原理。

学情分析

教学效果

教后记

新授课

A、引入

移动电话通讯，就是指通信用户在移动中进行无线通话。整个系统包

括移动交换局、基站、手机等无线或有线连接的移动通信网络。本章将对

移动电话通信系统作一般性的介绍。

Ｂ、新授课

第一节移动电话网络结构

一、移动电话系统的基本构成

移动电话系统包括：手机（MS）、机站（BS）、和移动交换局（MSC）组成，移动

交换局通过中继线与有线市话网互联，如图所示。

1．基站

基站是与手机进行无限通信的设备，通常通过有线电缆与移动交换局连接，起到中

继作用。

移动电话系统中通常包括多个基站，每个基站覆盖一个区域。

基站包括：天线系统、基站控制器、无限接收和发射设备及电源。图示为基站功能

单元图。

在城市，基站设备安装在楼房中，天线架设于楼房顶；在郊外，基站设备可安装在

室外的集装箱内，天线架设于地形高处。

2．手机

手机的主要结构：接收单元、发射单元、逻辑控制单元、操作部分及电源等组成。

手机的制式：数字式（GSM）和码分多址式（CDMA）两大类。

（举例引

入）

（参照演

示图讲解）

（举例或

照片演示）

（可用实

物分部介

绍）

模拟手机基本淘汰，目前以GSM手机用户占大多数。3．移动交换局

核心：移动电话交换机。它是移动电话网与市话网之间的接口。

功能：

①信道的管理与分配。

②呼叫的处理与控制。

③移动用户越区切换和漫游控制。

④移动用户位置信息的登记与管理。

⑤手机号码和设备号码的登记与管理。

⑥对用户实施鉴权。

⑦服务类型的控制。

⑧为移动系统连接固定电话网、综合业务数字网、公共数据网提供链路接口。

二、移动电话网的体制

1．服务区覆盖方式

分大区制、小区制两种。

（1）大区制在一个服务区域（如一个城市）只设置一个基站，结构如图所示。

覆盖半径：约30～50 km。发射机功率：200 W左右。

内有数个无线电频道，在服务区内不允许同时使用相同的信道，利用率低，用户数量受限。

（2）小区制将一个服务区划分为覆盖半径只有2～10 km的若干小区，每个小区设一个基站，结构如图所示，各个基站通过移动交换局相互联系，并负责与市话局联系。发射功率为5～10 W。避免干扰相邻无线电小区不能使用相同的工作频率，但间隔小区可以使用相同频率，提高利用率，利于扩大用户数量。

移动电话网：若干相邻小区组成一个小区群，再由若干小区群构成整个服务区。

蜂窝移动电话网：无线小区是圆形的，相邻小区会有部分交叠如图所示。每个小区有效覆盖区为正六边型，如图所示，类似蜂窝，故称蜂窝移动电话网。（举例说明）

（着重优缺点）

（详细讲解）

2．频率配置

满足的条件：任何相邻的小区两者频率不同，相同频率之间至少间隔一个小区。

频率复用：不相邻的小区使用相同的频率，如图所示为4个及7个不同频率蜂窝网

频率重用模式。

3．信道结构

双工信道：手机与基站之间的一条双向信号传输通道，每个手机通话占用两个频率，

一个基站发射手机接收下行信号，另一个手机发射基站接收上行信号。手机接收信号的

频率与发射信号的频率是不同的，这样的信道成为双工信道，两频率之间的间隔称为双

工间隔。

三、移动电话网的基本功能

主要任务：实现移动用户与移动用户之间，移动用户与固定用户之间的自动接续，

其控制与管理功能具体项目为:

1．自动选择空闲频道。

2．通话检测与边界切换。

3．位置登记与寻呼。

4．计费。

第二节移动通信的电波传播特性

移动环境下考虑的电波传播特性主要有：传播损耗、多径衰落、穿透损耗。

一、传播损耗

定义：发射功率与接收功率的比值。

实践表明电磁波的传播损耗随传播距离的增加而增加，距离大一倍，损耗增加6 dB，

（举例介

绍）

另外与工作频率、周围环境、障碍物反射有关。

二、多径时延和衰落

多径时延或差分时延：同一信号源的直射路径与反射路径的接收时间差。如图所示

为电波的多径传播示意图。

多径时延会造成接收信号和前一时刻的延迟信号的重叠，影响到通信的可靠性。对

于数字手机影响尤其严重，数码混合，出现错码。

多经衰落：由于各种障碍物的阻挡不同，造成接收信号和反射波的合成强度不同，，

造成行驶中信号强弱起伏不定，相差几十分贝以上。影响通话质量。

三、建筑物穿透损耗

穿透损耗：发射源在室外时，某一建筑物内、外场强之比，它与建筑物结构的材质、

室内位置有关，与电磁波频率有关。

频率越高穿透能力越强，钢筋混凝土结构衰耗大于砖石和土木结构，高楼层比低楼层衰

耗小，地下室衰耗大。

练习

练习题

三、问答题

1、2

小结

1．移动电话系统由移动台（MS）、基站（BS）和移动交换局（MSC）组成。

2．移动电话网分大区制、小区制两种。

3．小区制几何排列为蜂窝形状，采用频率重用式。

布置作业

练习题

一、填空题

1、2、3

二、多项选择

1、2

课题

第一章移动电话基础知识

第三节GSM移动通信系统课型

新课授课班级授课时数 2 教学目标

1．了解GSM系统信道结构与信令。

2．掌握数字移动电话系统的技术特点。

3．掌握GSM系统主要技术指标。

4．掌握数字手机的工作过程。

教学重点

GSM系统组成及其各部分功能。

教学难点

数字手机的工作过程。

学情分析

教学效果

教后记

新授课A、复习

双工信道、蜂窝移动电话网。

B、引入

世界上几种典型系统：欧洲的GSM（全球移动通信系统）、北美的DAMPS及日本的PDC数字移动通信系统。我国的蜂窝数字移动通信系统一采用GSM制式。

C、新课

第三节GSM移动通信系统

一、数字移动电话系统的技术特点与组成

1．技术特点

数字移动电话系统主要技术特点：

（1）语音数字化将语音的模拟信号转换为数字化信号（语音编码），以二进制数码组的形式表示并传播，接收端将数字语音信号转换为模拟信号（语音解码），受话器发出声音。

（2）信道编码数字移动电话系统为克服电波干扰与噪声影响带来的错码，在信道信息编码与传送时添加监督码和校验码，增强纠错能力，提高通信的准确性、可靠性与安全性。

（3）时分多址数字移动电话同一频道上各台手机通话时的数据传送是分时段进行，彼此不会窜扰。时分多址可容纳更多的用户数。

数字蜂窝式手机主要优点点：

①采用时分多址技术可容纳更多的移动电话用户。

②语音信号数字化，数字信号传输纠错能力强，强抗噪性和抗干扰性，音质高，语音质量高，防止窃听。

③安全性能好，手机的“识别卡”储存用户资料和密码。

④为移动用户提供自动漫游、确定位置和交换地址等服务功能。

2．GSM系统介绍

组成：手机、基站系统、移动业务交换中心、维护中心，如图所示。

（1）手机沟通用户与蜂窝网络的设备，符合数字蜂窝技术系统规范。用户识别卡（SIM），存储用户的有关信息。（举例讲解）

（2）基站子系统包括两部分,基站控制器和基站收发信机。手机通过无线信号与基站收发机联络，基站控制器对手机进行越区管理，适时切换到新的工作区域，保持通话的连续性。

（3）移动业务交换区其核心是数字移动电话交换机，负责控制网络的话务和所有通话的交换，还起着移动电话网与其他外部网之间的接口作用。

（4）用户数据库主要的两个数据库：①本地用户位置登记器（HLR）②外来业务用户位置登记器（VLR）。

HLR：存储所有注册手机用户的资料，手机号码、接入的优先等级、用户当前所在位置、注册使用的电信业务和传真业务等服务数据。

VLR：只存储进入覆盖区的手机用户信息，是动态数据库。

认证中心（AUC）：为本地用户登记器提供一个与用户有关的安全方面的鉴别参数与加密密钥。

设备识别器（EIR）：检查手机设备的识别码（IMEI），防止非法盗用的、有故障的、未经许可的移动通信设备。它与移动业务交换中心连接，移动业务交换中心利用它来检查使用设备识别码的有效性。

（5）运行维护中心功能实体，通过它监控数字移动电话网络。

主要功能：①报警与备用设备的激活。②系统故障诊断与处理。③话务量统计和数据的记录。④各种资料的具体分析和显示。

二、GSM系统的主要技术指标

GSM系统制式标准是由欧洲的16个国家共同制定。主要技术性能：

1．工作频段

采用双频双工通信方式，基站发射频率为935 ～960 MHz，手机发射频率为890 ～915 MHz，双工间隔为45 MHz。

2．载频间隔

相邻载波频率之间的间隔，GSM制的载频间隔为200 kHz，这样25 MHz工作频段提供124个载频。GSM系统各载频序号对应的发射频率和接收频率见教材P9表1.1。

3．多址方式

GSM系统采用时分多址方式。每一频段分成8个时分信道，GSM系统125各载频可提供124 8 = 992个信道。

4．信道速率

是指分信道每秒传送的二进制数码位数，单位bit / s，GSM系统的信道速率为270.83 kbit/s。

5．小区半径

最小0.5 km，最大35 km。

6．数字调制方式

将数字基带信号转换成射频信号的过程。GSM系统选用高斯滤波最小频移键控（GMSK）调制方式，调制指数为0.3。

7．语音编码方式

采用规则脉冲激励线性预测编码（RPE-LTP），数据传输速率为13 kbit/s。

三、GSM的信道结构与信令

信道的配置方式如图所示。每个载频上分成8个时隙（TS0 ~ TS7），每个时隙供一个手机使用，可容纳8个手机同时通话。

同一信道的上行信号时隙与下行信号错开3个编号，减少窜扰。

GSM系统中规定了业务信道与控制信道两种不同的信道结构。

1．业务信道

传送数字语音信号和用户数据。如图所示为GSM系统业务时分信道结构示意图，每个时隙持续时间为577 s，占有156.25 bit数码，8个时隙为一个循环，8个时隙为一帧，每帧的持续时间是4.62 ms。

复帧：26帧，20 ms。24帧用于传送数字语音信号，1帧A是专用控制信令帧，最后一帧I是空闲帧，作为复帧尾部的标志。

A帧包括两类信令：

独立专用控制信令（SDCCH）：手机与基站建立联系之前，传送建立联系及信道分配的信令数据。

慢速随路控制信令（SACCH）：传送通话中的特定信息，如功率调整、帧调整、信号强度测量数据等。

快速随路控制信令（FACCH）：越区切换和严重干扰时使用。

2．控制信道

用于传送基站与手机之间的信令与同步数据。由51帧组成复帧，时长235.28 ms，每10帧1组，分5组。

每组包括：同步频率帧F（FCCH）、同步帧S（SCH）、广播控制帧B（BCCH）、公共控制帧C（CCCH）等，复帧最后一帧为空闲帧，作为结束标志。构成如图所示。

（1）同步频率帧F 传送校准手机频率的信息。

（2）同步帧S 向手机传送同步帧信号和基站识别码。

（3）广播控制帧B 由基站向手机广播小区特定信息。

（4）公共控制帧C 在专用控制信道分配给手机之前，建立起手机与基站的连接。包括三种信令：

①寻呼信令，用于寻呼手机，属下行信号。

②随机接入信令，作为对寻呼的响应或手机主叫登记的接入，属上行信号。

③允许接入信令，为手机分配一个专用控制信道，属下行信号。

四、数字手机的工作过程

1．开机入网过程

（1）开机后自动搜索最强的广播信道对应载频读取控制信道同步频率帧F调谐手机的频率与之同步。

（2）读取控制信道的同步帧S信息找出基站识别码手机的TDMA帧与基站发射的帧同步信号同步。

（3）读取广播控制帧B的小区通用信息。

2．手机登记过程

（1）手机通过公共控制帧C的随机接入信令发出接入请求。

（2）系统接到请求后，通过公共控制帧C的允许接入信令为手机分配一个专用控制信道（SDCCH）。

（3）手机在SDCCH上完成登记在SACCH传输控制指令返回待机状态监听B和C的信令，完成通话准备工作。

3．手机被呼过程

（1）寻呼主叫呼叫手机，通过基站控制信道发出呼叫信息。

（2）寻呼响应手机从基站接收下行控制信号向基站发出寻呼响应信号基站接收信息后传送给移动交换中心，确定手机处于哪一个小区。

（3）建立阶段移动交换中心通过允许信令为手机指配一个独立专用控制信道，交换必要信息，通过慢速随路控制信令传送交换信息。

（4）摘机通话系统向手机发送振铃信号手机响铃后摘机基站识别摘机信号，移动交换中心完成接续工作，通话。

4．手机主叫过程

（1）发呼叫信号按键拨号，数码存入手机存储器按“发送”键后发出呼叫

本机识别码和被呼叫码一同从随机接入信道发出去基站接收通知移动交换中心。

（2）建立阶段移动交换中心对拨号手机的识别码进行验证，确定是否有权通过通信系统对有权的用户通过允许介入信令为手机分配专用控制信道，系统与移动用户之间建立必要交换的信息。

（3）通话系统给手机分配一个业务通道，移动交换中心完成被叫呼叫的市话用户或其他移动用户的接续，开始通话。

5．越区切换

（1）守候状态下切换手机监听本小区控制帧的同时，还监听周边6个小区的无线环境，并保送本小区基站基站分析是否需要切换、何时切换、切换到哪个基站择优选取基站进行切换向原小区基站发送分离请求，向新小区发送接收请求基站通过公共控制帧C的允许接入信令为手机分配一个专用控制信道（SDCCH）手机在新的SDCCH上完成登记，在SACCH上传输控制指令，返回待机状态。

（2）通话状态下越区切换通话期间，手机利用空闲帧测量周边小区的无线环境，并完成对测量结果的分析，在SACCH上与基站交流信息需要切换时，手机转到

FACCH向基站发送越区切换请求基站上报移动交换中心，在短时间内完成新小区的信道分配。

练习练习题

二、多项选择题1～5

小结1．我国蜂窝数字移动通信采用GSM技术标准。

2．GSM系统规定了业务信道与控制信道两种不同的信道结构。

布置作业练习题

一、填空题

6、7

三、问答题

6、7

课题

第一章移动电话基础知识

第四节双频数字移动通信系统课型

新课授课班级授课时数 2 教学目标

1．了解双频移动通信系统的优势。

2．掌握双频数字系统5个技术指标。

教学重点

双频数字系统的两个工作频段的频段分配。

教学难点

双频数字通信系统构成方案。

学情分析

教学效果

教后记

新授课

A、复习

GSM系统主要技术指标

B、引入

随着数字移动用户数量的增长，GSM900频段的有限资源限制了手机用户的发展，

引入1 800 MHz频段，两频段相互自由切换，增加了信道容量。

B、新授课

第四节移动通信的电波传播特性

一、双频数字系统的工作频段

双频数字系统使用GSM900与DCS1 800两个频段。

GSM900包括两个25 MHz带宽的子频段，上行890 ～915 MHz，下行935 ～960

MHz。

DCS1 800的容量是GSM900的三倍，包括两个75 MHz带宽的子频段。

GSM900和DCS1 800的上行、下行有效频段划分为200 kHz宽的信道。

双频数字系统的频段分配如图所示。

二、双频数字通信系统的构成

双频系统技术复杂的多，在切换技术上双频系统有了很多补充，如图所示是双频数

字通信系统的构成方案。

第一种：移动交换中心需要支持两种频段的基站系统，频段之间的切换由移动交换

中心控制。

第二种：频段之间的切换由基站控制器直接完成。

三、双频切换

小区切换：在单频GSM900系统中，一般只发生在小区的边缘的切换。它比较服

务小区与临近小区的信号强度，从而决定是否切换。

（提问）

（详细讲

解）

双频系统除了小区切换外，还会发生频段切换。

双频手机使用过程中会检测两个频段的信号强度和忙闲程度，随时切换到相应的频段上。

四、双频数字系统带来的新服务

利用DCS1 800频带提供了完整的独立网络，为部分手机用户提供一种特殊服务，包括，更高通话质量、更低呼损率。非语音业务所占比例越来越高。

五、双频数字系统主要技术指标

1．工作频段

采用双频双工工作方式，GSM频段：

基站发射频率为935～960 MHz。

手机发射频率890～915 MHz。

双工间隔为45 MHz。

DCS频段：

基站发射频率：1 805～1 880 MHz。

手机发射频率为：1 710～1 785 MHz。

双工间隔：95 MHz。

2．载频间隔

DCS与GSM频段的载频间隔相同，200 kHz。

3．调制数据速率

是指分信道每秒传送的二进制数码位数，单位bit/s，系统信道速率为270.83 kbit/s。

4．数字调频方式

采用高斯滤波最小频率键控（GMSK）调制方式，调制指数0.3。

5．语音编码方式

采用规则脉冲激励线性预测编码（RPE-LTP），语音编码速率为13.4 kbit/s。

练习练习题

二、多项选择题6～8

小结1．双频数字系统使用GSM900与DCS1800两个频段。

2．双频移动通信系统的信道容量明显增加，有效地解决网络容量需求的问题。

布置作业练习题一、填空题9

三、问答题8

课题

第一章移动电话基础知识

第五节CDMA移动通信系统课型

新课授课班级授课时数 2 教学目标

1．掌握CDMA技术原理。

2．了解CDMA主要技术特征。

3．了解CDMA组网方式。

教学重点

系统的主要组成部分及其功能。

教学难点

CDMA组网方式。

学情分析

教学效果

教后记

新授课A、复习

GSM系统主要技术特征。

B、引入

CDMA系统又称码分多址式蜂窝移动电话系统，为现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等要求而设计的数字无线多址技术，是继GSM系统之后推出的一种新的移动电话通信系统。

C、新授课

第五节CDMA移动通信系统

一、CDMA技术原理

CDMA通信技术采用扩频信号无线接入技术。如图所示为工作原理图。

原理：将需要传送的具有一定频率带宽的信息数据，用一个远大于信号带宽的扩频编码（高速伪随机码）进行调制，使信息原数据的带宽被扩展，再经载波调制发送出去。接收端接收宽带信息，进行相应解扩，以实现信息通信。

CDMA与GSM系统比较主要差别在于发送端多进行一次扩频调制，相应的接收端多进行扩频解调处理。

二、CDMA主要技术特征

1．极小的发射功率

通信系统采用扩频通信和码分多址，接收端采用多径接收技术，手机和基站的发射功率很小。又称绿色移动通信系统。

2．拨叫接通率高

CDMA系统容量是GSM系统的4 ~ 5倍。容纳用户数量多，拥塞少，接通率高。

3．极低的掉话率

系统小区采用“软切换”技术，另一个基站与手机用户连接上后，前一个基站的信号才断开，保证了手机始终能接收到信号，不存在信道拥挤接不上的问题。

4．极高的保密性

采用码分多址技术。用户每次通话随机分配242个码中的一个；采用扩频技术，发射到空中的信号功率很小，一般情况下难以捕获。双重保护极大的提高了信息传递中的保密性。

5．极高的保真性

采用数字话音编码技术，保证了通话的保真性，且CDMA特有的无线传播方式，使用多个相关接收机接受信号，接收机从3 ~ 4个不同路径接受到手机发送的信号进行叠加，可以保证更好的信号质量。

三、CDMA系统组网方式（提问）

（可参照GSM系统讲解，区别其不同）

组网方式如图所示。

系统设备包括：CDMA手机、集中基站控制器（CBSC）、若干个基站收发信机子系统（BTS）、移动电话交换中心（MSC）和运行维护中心（OMC-C）。

功能：

1．基站收发信机子系统（BTS）

该系统包括实现CDMA空中接口所需设备，包括：

基站天线、天线接口机架、发射调制/接收解调机架、线性功率放大器机架，如图所示。

系统中各部分功能：

（1）基站：一般配置能覆盖全向或120扇形小区的射频天线。

（2）天线通过接口机架与发射调制/接收解调机架、线性功率放大器机架相连接。

（3）发射调制/接受解调机架对发射信号进行扩频调制、接收信号进行扩频解调，支持CDMA信道处理。

（4）线性功率放大器机架对发射信号进行放大后传送给天线。

（5）天线接口机架包括：定向耦合器、滤波器、接收复用器，主要实现发射与接收信号的定向传输及衰减通信频段外的干扰信号。

2．集中基站控制器

它提供基站系统的控制和代码转换功能。

包括两个主要单元：移动性管理器（MM）和代码转换器（XC）。

（1）MM 实现呼叫处理控制、射频信道分配、交换控制及代码转换器控制。另外，与运行维护中心实现操作和维护功能。

（2）XC 两个功能：一是作为移动交换中心与基站收发信机的接口。二是完成语（结合演示详细讲解）