4. Composición general y principios básicos de funcionamiento de los teléfonos móviles GSM.
La figura 1 muestra el diagrama de bloques general de un teléfono móvil. El teléfono móvil está compuesto por unidades de radiofrecuencia, banda base, software y interfaz hombre-máquina.
A continuación se describen las cinco partes de radiofrecuencia, banda base, interfaz hombre-máquina, software y tarjeta SIM.
4.2.1 Unidad de radiofrecuencia
La composición de la unidad de radiofrecuencia se muestra en la Figura 1.
El transmisor mezcla la señal de banda base modulada enviada desde la unidad de banda base con la señal del oscilador local generada por el sintetizador de frecuencia, la convierte en una frecuencia de transmisión de radiofrecuencia y amplifica la señal de radiofrecuencia modulada a la potencia requerida. a través del amplificador de potencia y luego alimentado a la antena del teléfono móvil a través del duplexor para su transmisión.
El receptor del teléfono móvil recibe la débil señal de RF modulada del transmisor de la estación base en la antena, la envía al amplificador de bajo ruido a través del duplexor, la amplifica al nivel requerido y la combina con la sintetizador de frecuencia generado La señal del oscilador local se mezcla, se convierte en una señal de banda base y se envía a la unidad de banda base.
El sintetizador de frecuencia utiliza un oscilador de cristal de alta precisión como punto de referencia y puede generar una serie de fuentes de frecuencia de alta precisión con ciertos intervalos de frecuencia a través de tecnología de síntesis. Hay dos métodos de síntesis: síntesis directa y síntesis de bucle bloqueado en fase.
Un duplexor es un dispositivo que permite la transmisión y recepción simultánea utilizando la misma antena. En esencia, es un conjunto de filtros para evitar que la señal fuerte que se transmite interfiera con la señal débil que se recibe. Es un filtro dúplex cerámico y es de mayor tamaño. Para reducir el tamaño de los teléfonos móviles, la práctica común actual es utilizar interruptores electrónicos más el filtro de paso bajo TX y el filtro RX-SAW necesarios, e integrarlos en un módulo para lograr la función de un interruptor dúplex.
El diseño de radiofrecuencia que se presenta a continuación es un conjunto de soluciones de diseño de radiofrecuencia adecuadas para teléfonos móviles de doble banda GSM900/DCS1 800. Es diferente de las soluciones de teléfonos móviles anteriores. Utiliza tecnología de frecuencia intermedia cero. Ya no son necesarios al recibir. Los filtros IF son muy beneficiosos para reducir el tamaño y el costo de los teléfonos móviles. A continuación se describe brevemente el principio de funcionamiento de la parte de radiofrecuencia.
a. Receptor
El principio del receptor se muestra en la Figura 2.
En este receptor, la función principal la completa el transceptor IF cero (U4), que incluye un amplificador de bajo ruido (LNA) GSM, dos mezcladores en cuadratura (banda GSM y banda DCS), un Generador de señal de oscilador local y dos filtros activos.
Cuando el receptor está funcionando, la señal recibida ingresa al módulo frontal a través de la antena (el módulo frontal incluye un interruptor transceptor, un filtro de paso bajo y un filtro RX). la señal se envía al canal DCS o al canal GSM respectivamente. Para el canal GSM, solo el GSM_RF y GSM_RFB enviados desde el módulo frontal se envían a U4 para el procesamiento de conversión descendente, mientras que para la banda DCS, LNA (U2) y BALUN (U3) deben conectarse externamente para convertir las señales; después del filtrado frontal en DCS_RF y DCS_RFB, la señal balanceada de doble extremo se envía a U4 para el procesamiento de mezcla. Después de dividir la señal del oscilador local generada por el sintetizador de frecuencia del sistema en U4, se mezcla con la señal recibida una vez para obtener directamente las señales I y Q de frecuencia intermedia cero. Las señales I y Q se filtran mediante el filtro de paso bajo. Para eliminar la interferencia de bloqueo y la interferencia del canal adyacente, se envía al circuito de banda base para el procesamiento de demodulación.
La ganancia de voltaje del LNA externo (U2), el LNA en U4, el mezclador y la ganancia del amplificador de banda base interno pueden implementar control de ganancia programable (AGC) a través de la interfaz serie.
El AGC de los teléfonos móviles GSM ajusta la ganancia del receptor en función de la intensidad de la señal recibida detectada por la banda base, de modo que la amplitud pico a pico de la señal de banda base emitida por el receptor permanezca en el valor requerido para cumplir con el rango dinámico de los requisitos del receptor. La señal de control AGC es enviada por la unidad de banda base.
b. Transmisor
El transmisor se compone principalmente de un bucle de modulación, un amplificador de potencia (PA) y un módulo frontal. El bucle de modulación está integrado en el transceptor IF cero U4, que incluye un modulador de cuadratura, un divisor de frecuencia, un detector de frecuencia de fase de alta velocidad y un mezclador de conversión descendente, y un oscilador de transmisión externo controlado por voltaje (TXVCO)*** Completo Modulación de transferencia al mismo tiempo.
El principio del transmisor se muestra en la Figura 3.
El proceso de funcionamiento de la ruta de transmisión: las señales I y Q enviadas desde el circuito de banda base ingresan a U4, y se genera una señal IF modulada ortogonalmente dentro de U4, y luego se utiliza la tecnología de bucle de transferencia para cambiar la señal a través del TXVCO a la final. Frecuencia TX (GSM es 890 ~ 915 MHz, DCS es 1710 ~ 1785 MHz), y luego la señal de RF emitida por el TXVCO se envía al amplificador de potencia (U7) para su amplificación, y luego se envía al módulo frontal (U1) para filtrado y luego transmitido a través de la antena. Dado que el espectro de salida TXVCO es bueno, solo necesita integrar un filtro de paso bajo en el módulo frontal para filtrar los armónicos de transmisión.
En pocas palabras, la tecnología de bucle de transferencia es un bucle de bloqueo de fase con un convertidor descendente en el bucle de retroalimentación que funciona como un filtro de paso de banda de seguimiento que no solo emite poco ruido, sino que también puede eliminar la modulación espuria. .
El control de potencia de U7 es un control de bucle cerrado a través de un IC (U6). Por un lado, la potencia de salida debe mantenerse estable en cada intervalo de tiempo de trabajo para cumplir con los requisitos del estándar GSM. Por otro lado, la señal de control del nivel de potencia TX_RAMP de la banda base se utiliza para controlar la potencia de salida del móvil. teléfono, que se puede lograr sin la máxima potencia de transmisión. En el caso de una mejor calidad de transmisión, la potencia de transmisión del teléfono móvil se puede reducir para reducir la interferencia con otras comunicaciones y al mismo tiempo extender la vida útil de la batería del teléfono móvil.
El proceso de control de energía es: el teléfono móvil informa la intensidad y la calidad de la señal recibida medida a través del enlace ascendente, y el sistema GSM emite instrucciones de control de energía del teléfono móvil a través del enlace descendente para determinar si se debe aumentar o disminuir. la potencia de transmisión del teléfono móvil Después de seleccionar de acuerdo con las instrucciones del sistema, el software del teléfono móvil envía la señal TX_RAMP para ajustar la potencia de salida requerida del amplificador de potencia.
El diagrama de bloques esquemático del control automático de potencia (APC) se muestra en la Figura 4.
El proceso de implementación de APC es el siguiente: U7 emite una parte de la señal a través de un acoplador direccional, y envía el voltaje V1 de esta parte de la señal a un extremo de entrada del comparador (U6), y lo combina con el voltaje de la señal de control TX_RAMP de la banda base. Después de la comparación, la diferencia de voltaje resultante se envía al pin de control de voltaje de U7 para controlar automáticamente la potencia de salida.
c. Sintetizador de frecuencia
El sintetizador de frecuencia de esta solución incluye principalmente un oscilador de cristal de referencia de 13 MHz (VCTCXO), un bucle de bloqueo de fase (PLL) de división de frecuencia fraccionaria y un oscilador controlado por voltaje de radiofrecuencia (RFVCO). El proceso de trabajo se muestra en la Figura 5.
La señal de control automático de frecuencia (AFC) controla la frecuencia del VCTCXO y proporciona una frecuencia de referencia para el PLL. La frecuencia generada por el RFVCO se envía al PLL y, después del procesamiento de división de frecuencia, se compara con la frecuencia de 13 MHz. El voltaje de error CP generado por la comparación luego se envía al RFVCO para controlar aún más la frecuencia del RFVCO hasta su. El valor de frecuencia cumple con los requisitos.
RFVCO es un oscilador de ruido de fase baja y banda ancha. Sus frecuencias en diferentes modos de trabajo se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1 Frecuencias de RFVCO en diferentes modos de trabajo Frecuencia de transmisión (MHz) Frecuencia de recepción (MHz) Frecuencia VCO (MHz) Modo GSM 890～915 915～960 1 320～1 440 Modo DCS 1 710～1 785 1 805～1 880 1 282,5～1 440 La frecuencia de cobertura de RFVCO es 1 282～1 440. La radiofrecuencia VCO cubre GSM/DCS de doble banda. Sin embargo, no es difícil de implementar porque los teléfonos móviles funcionan a baja velocidad. voltaje, se requiere que el tiempo de bloqueo del PLL sea muy largo (para GPRS <250 μs) y bajo ruido de fase, por lo que se utiliza una bomba de carga en el circuito para mejorar la velocidad de control del oscilador controlado por voltaje. tiempo, U1 es un PLL de división de frecuencia fraccionaria y la frecuencia de fase del bucle se puede seleccionar más alta para garantizar que el tiempo de bloqueo se acelere. U1 incluye internamente un modulador Σ-Δ, un sumador, un predivisor de alta frecuencia, un detector de fase de bajo ruido y una bomba de carga.
Normalmente, las especificaciones técnicas de VCTCXO son: frecuencia central nominal f0=13MHz; el error de frecuencia en condiciones de temperatura normales es ±5×f0×10; la estabilidad de la temperatura es ±2,5×f0×10.
Se puede ver en los parámetros técnicos del oscilador de frecuencia de referencia: si no se utiliza AFC, obviamente no puede cumplir con el requisito del error de frecuencia del teléfono móvil 0,1 × f0 × 10 en GSM11.10. especificación técnica. Por lo tanto, se debe utilizar AFC.
Para completar AFC, primero debe haber una señal de corrección de frecuencia basada en la frecuencia de la estación base, que es enviada por la BS en el canal de control asociado lento de enlace descendente (SACCH). Después de que el teléfono móvil recibe los datos de corrección de frecuencia enviados desde la BS, el DAC los transforma y filtra para generar una señal de control AFC, que se agrega al pin AFC de la fuente de frecuencia de referencia del teléfono móvil U11 para ajustar la frecuencia de referencia de el teléfono móvil, ajustando así la frecuencia transmitida por la frecuencia de funcionamiento del teléfono móvil. Después de que la BS reciba la frecuencia de transmisión del teléfono móvil, la BS juzgará que si el error excede el estándar, la BS realizará reajustes a través del canal SACCH hasta que el error de frecuencia de transmisión del teléfono móvil pueda cumplir con los requisitos en condiciones normales y. condiciones extremas.
d. Interfaz
Existen muchas interfaces entre los circuitos de RF y los circuitos de banda base, incluidas las analógicas y digitales. Las interfaces principales son las siguientes.
Interfaz I, Q: Las señales I y Q generadas por la ruta de recepción se envían a la banda base para su demodulación y finalmente se convierten en señales de voz, mientras que las señales I y Q requeridas por la ruta de transmisión provienen de la banda base y pasan por la radiofrecuencia. El circuito es modulado y cargado de ondas antes de ser emitido.
Interfaces SEN, SDATA y SCLK: Estas tres interfaces son interfaces de control digital entre el circuito de banda base y el circuito de radiofrecuencia. Pueden controlar muchas funciones del circuito de radiofrecuencia, incluida la ganancia del receptor y el sintetizador de frecuencia. . control.
Interfaz AFC: proviene del circuito de banda base para realizar el control de frecuencia de VCTCXO.
Interfaz RF_CLK: Conectada al circuito de banda base para proporcionar un reloj de referencia preciso para el circuito de banda base.
Interfaz TX_RAMP: desde el circuito de banda base, comparada con la señal del acoplador para lograr el control de potencia del amplificador de potencia.
4.2.2 Unidad de banda base
En un sistema de comunicación inalámbrica, la señal de banda base constituye la señal modulada del transmisor. Lo que se transmite en el sistema GSM es una señal digital binaria. Al transmitir, hay codificación de fuente, codificación de canal, entrelazado, formato de ráfaga, cifrado y modulación. A través de estos procesos, la señal de fuente analógica se convierte en una señal de banda base digital; recepción, hay demodulación, descifrado, formateo de ráfagas, desintercalado, decodificación de canales y decodificación de fuente que convierten señales de banda base digitales en señales de fuente analógicas mediante el procesamiento de señales opuesto a la transmisión. Estos procedimientos de procesamiento se muestran en la Figura 6.
La parte de banda base del teléfono móvil está diseñada con un chip especial. El chip especial es un circuito integrado a gran escala con un microprocesador, un microcontrolador y un chip de interfaz de banda base como núcleo. El procesador de señal digital implementa codificación y decodificación de voz de teléfono móvil, ecualización adaptativa, algoritmos de cifrado y descifrado; el microcontrolador implementa el control del funcionamiento del teléfono móvil y el funcionamiento del protocolo de comunicación; el chip de interfaz de banda base implementa modulación/demodulación de señal de banda base y A/D, D/; Una conversión. La banda base también proporciona las capacidades de soporte necesarias, como voz, interfaces de datos y diálogo hombre-máquina. La tarjeta SIM, que es un símbolo de comunicación personal, también está configurada en la banda base. Todo el software del sistema y el software de aplicación se almacenan en la memoria flash de banda base (Flash ROM).
A continuación se presenta una solución de diseño de banda base para teléfonos móviles que puede admitir GPRS.
El trabajo de la unidad de banda base de esta solución se realiza en torno a dos chips principales: el procesador GSM U1 y la interfaz de banda base U2.
La Figura 7 es el diagrama de bloques esquemático de la pieza de banda base. Hay dos osciladores de cristal en el diagrama de bloques. El oscilador de cristal de 13MHz es la frecuencia de referencia del teléfono móvil y requiere una precisión de frecuencia relativamente alta. El oscilador de cristal de 32 kHz proporciona principalmente la frecuencia de referencia para el modo de ahorro de energía de cada parte.
a. Introducción a las funciones del microprocesador U1
U1 se compone principalmente de tres partes: procesador de señal digital (DSP) de 16 bits, microprocesador (MCU) de 32 bits e interfaz periférica. El diagrama de bloques funcional se muestra en la Figura 8.
Yo. Procesador de señal digital (DSP)
DSP implementa específicamente funciones como codificación y decodificación de voz, ecualización de canales, codificación y decodificación de canales y medición de intensidad de señal. El código que implementa estas funciones generalmente se almacena en una memoria flash externa y se descarga dinámicamente a la RAM y al caché del programa del DSP según sea necesario.
DSP integra dos coprocesadores y un sistema de control de caché/programa. La tarea principal del coprocesador informático es realizar operaciones de cifrado/descifrado. La tarea principal del coprocesador Viterbi es completar la ecualización de canales y la codificación y decodificación de canales. El control de caché/programa sirve como intermediario y sistema de control para la comunicación entre el DSP y las unidades de almacenamiento internas y externas, proporcionando suficiente espacio de direcciones para completar el control de tiempo de cada parte de la función.
El DSP puede acceder al código almacenado en la memoria flash o en la RAM interna a través del sistema de caché, que puede descargar automáticamente el código requerido.
II. FMCU
En el sistema GSM, la función principal del subsistema MCU es ejecutar software de capa de protocolo GSM, software de interfaz hombre-máquina y otro software de aplicación de usuario. Consta de procesador central ARM7, ROM interna, generador de reloj y módulo de control de acceso. El módulo de gestión de bus conectado al ARM controla el ARM para acceder directamente a uno de los buses periféricos, bus RAM del sistema o bus externo.
III. Interfaz periférica
La interfaz periférica U1 incluye teclado, memoria, controlador de pantalla, interfaz de datos SIM y la interfaz de comunicación que necesita para diversos procesamientos.
b. Introducción a la función U2 del chip de interfaz de audio
La función U2 se muestra en la Figura 9. Consta principalmente de tres partes: procesamiento de banda base (modulación/demodulación de señal), procesamiento auxiliar y procesamiento de audio. La comunicación entre cada parte y el microprocesador se realiza a través del bus serie, entre los cuales: el procesamiento del puerto serie de banda base y la interfaz RF. Señales I, Q; el puerto serie auxiliar procesa todas las señales de control, datos ADC y datos DAC relacionados con la codificación y decodificación; el puerto serie de audio procesa señales de voz;
Yo. La parte de procesamiento de banda base es siempre una señal analógica de principio a fin. Proporciona directamente interfaces de controlador para micrófonos y altavoces; proporciona interfaces de equipos automotrices externos y manos libres y proporciona canales de entrada y salida independientes; Las ganancias de entrada y salida son características programables que brindan al usuario la máxima flexibilidad.
La ruta de transmisión envía las señales I y Q del enlace ascendente recibidas por el puerto serie de banda base al modulador GMSK. Después de la modulación, se envía a dos DAC de alta velocidad y luego al transmisor de radiofrecuencia. /demodulador para procesamiento de banda base es de doble canal.
En su ruta de recepción, las señales I y Q balanceadas enviadas desde el receptor de radiofrecuencia se muestrean primero y luego se envían a dos moduladores Σ-Δ para reducir el ruido de cuantificación. pasa a través de un filtro digital de alto rendimiento para filtrar el ruido del canal adyacente y el ruido de cuantificación.
II. La parte de procesamiento auxiliar incluye principalmente registros de control, ADC y DAC.
III. La parte de procesamiento de audio se ocupa principalmente de la transformación de señales de audio.
c. Administración de energía y carga
Los sistemas de energía de teléfonos móviles generalmente utilizan módulos de administración de energía para el control centralizado. El módulo de administración de energía de esta solución proporciona 4 LDO. El rendimiento de estos 4 LDO se ha optimizado en función de las características del circuito y las reales. Cada LDO tiene sus propias características.
LDO digital: el LDO digital siempre debe estar encendido después del arranque, por lo que el LDO está optimizado para corriente inactiva con cargas bajas.
LDO analógico: el LDO analógico también está siempre encendido, por lo que los requisitos de corriente de reposo también son muy altos. Al mismo tiempo, dado que es necesario conectarlo a la parte de radiofrecuencia, se debe reforzar el filtrado de ondas de baja frecuencia.
Crystal LDO: Se requiere que Crystal LDO tenga buenas características de ruido.
Reloj en tiempo real LDO: El reloj en tiempo real LDO carga la batería de respaldo y funciona incluso cuando está apagado.
El módulo de carga lineal se puede utilizar para cargar teléfonos móviles y un tubo PMOS se utiliza externamente como tubo de conmutación. El primer período de carga es de corriente constante y cuando el voltaje de la batería alcanza 4,1 V/4,2 V, cambia a carga de voltaje constante. El circuito de carga de esta solución está integrado en el módulo de gestión de energía.
d. Interfaz de pantalla
LCD tiene dos modos de interfaz: paralelo y serie. En esta solución, la interfaz entre LCD y MCU está en modo serie y se ingresa un bit de datos serie en el flanco ascendente de cada reloj. Después de ingresar todos los datos en serie de 8 bits, los datos en serie se convierten en datos paralelos de 8 bits para el siguiente paso de procesamiento en el módulo controlador. El módulo controlador tiene una RAM de visualización incorporada y un bit de RAM corresponde a un punto LCD, de modo que el estado del punto LCD se puede cambiar cambiando el contenido del bit RAM.
e. Interfaz RF y sistema
Ⅰ. La interfaz entre las partes de banda base y radiofrecuencia:
Señales de interfaz I/Q de banda base, como IP, IN, QP y QN;
Señales de datos en serie, como SYNTHDATA, SYNTHEN y SYNTHCLK, son La parte de banda base proporciona una interfaz de comunicación en serie para señales de control de RF;
Señales de control y reloj de RF, como RF_CLK, AFC, TX_RAMP;
Señales de detección de temperatura, como como TEMP_SENSE.
II． Interfaces del sistema de la parte de banda base: tierra (GND), fuente de alimentación digital, voltaje analógico, interfaces generales del sistema 0~6 (USC 0~6), interfaz de auriculares, interfaz de alimentación del cargador.
4.2.3 Interfaz hombre-computadora
La interfaz hombre-máquina es la interfaz entre las personas que realizan comunicaciones móviles y los teléfonos móviles que brindan servicios de comunicaciones móviles, como se muestra en la Figura 10. Incluye hardware y software: el hardware incluye teclado, pantalla, micrófono, altavoz y tarjeta SIM, etc.; el software incluye funciones de menú y directorio telefónico, funciones de red móvil pública, funciones de tarjeta SIM de usuario y funciones básicas de interfaz hombre-máquina.
4.2.4 Software
Ver Figura 11. El software GSM incluye el programa de operación del circuito funcional interno de la unidad de banda base y el programa de operación de la primera, segunda y tercera capa. del protocolo de comunicación. El lado izquierdo de la línea de puntos en la figura es el software GSM básico y el lado derecho es la parte del software que agrega la funcionalidad GPRS.
4.2.5 Tarjeta SIM
La tarjeta SIM está hecha de un chip de circuito integrado de gran tamaño. En la red de comunicación móvil digital GSM, cada usuario tiene una tarjeta SIM, que debe insertarse en el teléfono móvil antes de que el usuario pueda realizar una llamada. Un teléfono móvil sin tarjeta SIM sólo puede realizar llamadas de emergencia y no se pueden utilizar todas las demás funciones. La tecnología de tarjeta SIM se utiliza en las comunicaciones móviles GSM para liberar las comunicaciones por radio de la situación de confidencialidad.
Existen dos tipos de tarjetas SIM actualmente en uso: una se llama tarjeta grande, con un tamaño de 85 mm×54 mm; la otra se llama tarjeta pequeña, con un tamaño de 25 mm×15 mm. Independientemente de si la tarjeta es grande o pequeña, los circuitos integrados instalados son los mismos. Algunas tarjetas grandes tienen tarjetas pequeñas incrustadas que se pueden quitar y usar. Actualmente la más común es la tarjeta pequeña. Con la continua apertura de los servicios de valor agregado de la red, las tarjetas STK también se han vuelto populares. Al mismo tiempo, la capacidad de la tarjeta es mayor que la que pueden almacenar las tarjetas STK grandes y pequeñas. 100 números de teléfono.
Las tarjetas SIM tienen las características de separar al cliente del teléfono móvil (separando hombre y máquina), comunicación segura y confiable, bajo costo y resistente y duradera.
El contenido almacenado en la tarjeta SIM incluye: a. Número de identificación del usuario, que representa el número de teléfono del usuario. b. Clave de usuario y algoritmo de confidencialidad. No sólo pueden autenticar las identidades de los usuarios y evitar la entrada ilegal a la red, sino también evitar el robo de datos de los usuarios transmitidos en el canal inalámbrico, eliminando así el fenómeno de la "máquina intermedia". c. Número de identificación personal (código PIN) y código de desbloqueo personal de la tarjeta SIM (código PUK). El código PIN es la contraseña personal de la tarjeta SIM, que puede evitar que otros usen la tarjeta SIM sin autorización cuando el código PIN se presiona incorrectamente, el código PUK se puede usar para desbloquearla en persona; d. Espacio de almacenamiento utilizado por los usuarios. Los usuarios pueden almacenar algunos mensajes cortos fijos, agendas de números de teléfono y otra información personal en la tarjeta SIM.