手机电路基本原理

3
57
1 26
1
57
3
8.25
1帧=8时隙 =4.615ms
4.615ms
1复帧 1 2 3 4 =26帧 =120ms
12 * 13
1—24帧为用户话音 *为系统控制信息
24 *
GSM的帧结构
0.3GMSK
• GMSK是一种特殊的数字调频方式，它通过在载波频率 上增加或者减少67.708KHZ，表示或者0或1，利用两个 不同的频率来表示0和1的调制方法称为FSK。在GSM中， 数据的比特率被选择为正好是频偏的4倍，这样可以减 少频谱的扩散，增加信道的有效性。比特率为频偏4倍 的FSK，称为MSK----最小频移键控，通过高斯预调制 滤波器，可以进一步压缩调制频谱。高斯滤波器降低 了频率变化的速度，防止信号能量扩散到邻近信道频 谱。
VCO本振
平衡/不平衡信
射频处理集成块 BB TX I/Q 号耦合器
发射声表面 滤波器
前级放 大
功率放大器
双向连接器
接收/发射 双工
功率放大和功率控制
直接变频产生的射频信号还需要进行功 率放大才能发射出去，由于手机的移动 性，还需要调整适当的功率发射给基站， 当手机离基站近时，所需的功率小，距 得远时，相应手机所需的发射功率要大。 在手机中是由程序控制的自动功率控制 来实现的
晴 雨
纠错编码
• GSM的空间接口的特性，决定了误码是不可避免的。GSM的比特数据 经过特殊处理后，使得误码常常发生在那些次要比特上，重要比特 对话音的影响要比次要比特大的多。 • GSM数据比特分为三个等级：Ia，Ib，和II类。 • 最重要的Ia比特将受到大量的纠错和检错的保护（ 可以由CRC比特 来进行检错），这些保护比特也将在TCH脉冲中传送。Ia比特和次 重要的Ib比特都有卷积纠错码的保护。II类比特在TCH信道中占用 较少的空间，没有检错和纠错的能力。
• 在GSM手机中加上9.8Kbit/S的检错、纠错码元 变为13K+9.8K=22.8Kbit/s的数据信号
纠错编码
78个比特
13Kbit/s RPE-LTP 话音编码器
20ms
456bit/20ms 182个比特
½码率
卷积编码
378比特
4个编码尾比特 3个奇偶校验比特
交织
• 交织的目的是为了将GSM比特扩展到不同的TCH脉冲中。如果有一个 脉冲因为干扰而丢失了它的信息比特，仍然可以通过纠错编码机制 得到足够的比特数，来保持一个可以接受的语音质量。 • 语音数据的456bits划分为8块，每块57bits。每个TCH传送2个不同 的20ms中的数据，每组各传送57bits的一个小块，即每个TCH传送 114bits语音数据。在120ms时间内，语音编码器将处理6个20ms的 语音块，每块将产生456bits，120ms共产生2736bits，则需要 2736/114=24个TCH脉冲传送。一个120ms的TCH复帧有26帧，所以多 出两个脉冲不需要传送话音。其中一个传送SACCH，另一个作为闲 置保留脉冲。
0.3GMSK调制方式
• 0.3GMSK高斯滤波最小移频键控（0.3表示了高斯滤波器 的带宽和比特率之间的关系）
DATA 270.833kb/s +67.708KHZ（发送0） Frequency -67.708KHZ（发送1） phase
（发送0）
+90deg
-90deg
（发送1）
Q I
DC bias
50
132
78
Other bits
Very important important
校验码和纠错码
传输系统电路示意图:
信息位Bn-1~0 信息位Bn-1~0
发送 电路
1
干扰信号
接收 电路
0 0 1 1 1 0 01 00
11 10 11 00
晴 1 雨0 晴1 1 雨0 0 晴11 雨00
雨 雨 晴 晴 晴 雨
AFC 26MHz
AFC
1/2
4 4
TOUT
RFC
1/4
VBB VF_RX VPRE VLO VSYN_2
CTRL
SLE SCLK SDATA
SLE SCLK SDATA HAGARRESET
Last edit 13:31 02.09.99 HDa12_training.ppt
Reset
GSM 发射流程方框 图
无线电
• 电磁波：让高频电流通过天线，在电场与磁场 的相互作用下，电磁场的波动以光速向周围扩 散，我们称它为电磁波。 • v=λ•f • 无线电波通过天线辐射，天线的长度必须和电 磁振荡的波长相近，才能有效地把电磁振荡波 辐射出去 • 载波：高频率的电流称为载波电流或简称载波。 这种频率称为载波频率或射频（如GSM的 900M和PCN的1800M)
手机电路基本原理
Huang Tingjun
有线电话的基本原理
即利用电能来传送声音信号 声波是由许多不同频率的正弦波组成的 人的声音频率为300Hz—3.4KHz
声音
声音
电流
受声音激励的空气窜到话筒后，产生音频电流， 这音频电流沿导线传送至远方，在远方受话处， 利用耳机（听筒）将音频电能恢复为原来的声 音。
每个TCH脉冲携带两个57bit的语音块 120ms语音信号=456*6=2736bit（20ms=456bit） 2736/114=24脉冲=24帧 120ms内的复帧有26帧 空余两帧一帧传送SACCH，另一帧空闲
577us
时隙=156.25bit =577us 速率=270.833kbit/s 尾 数据 标识 同步 标识 数据 保护 尾 时间
Diagonal Interleaving—交织
456 bits from 20ms of speech 456 bits from 20ms of speech
57 57 57 57 57 57 57 57
57 57 57 57 57 57 57 57
57
TCH
5757 5757 5757 5757 5757 5757 5757
F-ref
泵电路
VCO
1/M
频率合成内部图
2
2
2
2 INP_LO/INM_LO 2 NDIV ADIV
VCP
1/4
1/2
2 2 2 64/65
j
charge pump
OUT_CP loop filter VCP/GND_CP VDIG OSC_IN
VCO
3dB VSYN_1 VXO
2
4
4
1/2
RDIV
模拟信号的抽样、量化和编码
1 4 5 3 2 1 6 2
7
8
3 4 5
9 10 11 12 13 15 14 16
6 7
8
011 010 001 000 000 001 010 011
9 10 11 12 13 14 15
16
100 101 110 111 111 110 101 100
抽样
带限信号连续抽样，只要抽样 频率不小于所传信号的最高频 率的2倍，则可无失真恢复 原所传信号
连续波调制
载波电流（或电压） Asin(ωt+φ)有三个参数可以改变：
（1——振幅A;(2)频率ω/(2π);(3)相角φ. 利用声音信号电压来改变这三个参数中的某一个, 就是连续波调制。 由上可知，连续波有三种方式：调幅、调频、调 相。
• 调幅：载波频率与相角不变，载波的振幅则按 照信号的变化规律变化
手机的编码调制
• 64K的数字信号不能直接调制在载波上，需要先在MAD 内部进行语音压缩编码(RPE-LTP即规则脉冲激励-长期 预测编码)，把64Kbit/S的数字话音信号压缩成 13Kbit/S的数据信号,再进行信道编码(即加上 9.8Kbit/S的检错、纠错码元，以防止传输过程中受到 干扰而令话音失真)，变成22.8Kbit/s的数据信号，最 后进行交织, 加密，形成270.833Kbit/s的数据流 （TDMA帧信号），再回送到COBBA内进行GMSK调制，调 频，最后在COBBA内生成I/Q信号(TXIP、TXQP、TXIN、 TXIN)再送到射频部分（HAGAR）调制发射出去。
频率合成电路
本机振荡信号由SHFVCO模组产生，VCO模组在控制信号的 控制下，可工作在双频模式下（DCS1800和4倍于EGSM实际 信道频率）。该信号在射频处理模块内被2分频或4分频，分 别给DCS通道或GSM通道提供信号。下图是SHFVCO频率合 成的方框图。
1/R
频率参考分频器
鉴相 F_out/M 器
用电话信号控制载波电流，则电磁能中就含有所 要发的电话信息，这就是无线电信号的发送过 程 在接收端，由接收天线将收到的电磁波还原为与 发送端相似的高频电流，然后通过检波，取出 原来的电话信号。
发送 信号 发送设备 传输媒质 通信系统框图 接收 信号
接收设备
无线电信号的产生与发射
• 无线电技术中采用振荡器来产生高频电流。 振荡器可以看作是将直流电能转换为交流电能的 换能器 • 调制：将声音电流加在高频电流上，这个过程称 为调制。 • 调制方法分为两大类： 连续波调制与脉冲波调制
调频，调相
电 压
瞬 时 或 频 相 率 位
（ ）
电 流
O 时间
调频(调相)波形
o
时间
瞬时频率(或相位)波形
脉冲调制
• 这种调制使脉冲本身先包含信号，然后再用这 一条脉冲对载波进行调制。 脉冲调制是双重调制：第一次使用信号去调制 脉冲；第二次是用这已调脉冲对载波进行调制。
采样定理
上图中的横坐标便是采样频率；纵坐标便是采样分辨率,图中的格子从左到 右，逐渐加密，先是加大横坐标的密度，然后加大纵坐标的密度。显然， 当横坐标的单位越小即两个采样时刻的间隔越小，则越有利于保持原始声 音的真实情况，换句话说，采样的频率越大则音质越有保证；同理，当纵 坐标的单位越小则越有利于音质的提高，即采样的位数越大越好。
究竟每秒采样多少次才算合理呢？大家请看下图。图中，上半部 分表示原始音频的波形；下半部分表示录制后的波形；红色的点 表示采样点。
大家可以发现，上下波形之所以不吻合，是因为采样点不够多，或 严谨一点说，是采样频率不够高。这种情况，我们称之为低频失真
采样定理
• 奈奎斯特定理：要想不产生低频失真，则采样 频率至少得是录制的最高频率的两倍，即采样 定理。
量化
编码
把在输入端连续变化的无限种 量化后的信号通过编 幅度的模拟量变成在输出端的 码器变成一组码元 有限种幅度的模拟量
PCM 编码
•人的声音频率为300Hz—3.4KHz 据采样定理：取采样频率为8KHz,分 辨率取8位 8K*8=64KHz 这就是PCM编码，采样速率为64k/s， PCM 64kbit/s波形编码的话音质量相 当高，保真度和自然度均较好。
本振要产生以上所有频率,对900M的频段来说，它所要求的
VCO本振范围为3560－3840M，对1800M的频段来说，它 所要求的VCO本振变化范围为3420－3760M，所以最终 VCO的频率变化范围应该在3420－3840M内工作。在 HDA12手机中，它主要由G500及一些外围电路来实现。 G500被封在金属屏蔽罩内，同时选择3.63G的中心频率， 这都是为了降低干扰，提高频谱纯度。G500的工作电 压范围VCC为2.55－2.85，控制电压的变化范围为0.7 －3.8V，中心电平为2.7V，中心频率是3.63G。
功率放大电路
由于GSM的最大输出功率为2W,PCN为 1W,为了减少杂波的干扰，GSM还多一 个发射滤波器，并多一个前级放大， PCN直接由功率放大器放大。 下面以GSM功率放大为例：
TxIP TxIN Out _G_TX
本 LOP 振 LON
Out _M_TX
90度
TxQP TxQN
本振频率即输出功率的频率， 例如在GSM 60信道: 则本振频率为 902MHz, Out_G_TX=902+0.06771=902.067710M Hz
DC bias
压控振荡器
• GSM TX: 890 —915MHz • PCN TX: 1710—1785MHz GSM RX:935 —960MHz PCN RX: 1805—1880MHz
Speech CodLeabharlann Baidur—语音编码器
MIC 20ms 语音块
Speech coder 260 bits Bit order 260 bits
语音编码其实建立在RELP（残余激励 线性预测编码器）的基础上的，并通过LTP （长期预测器）增强压缩效果。LTP通过 除去话音的元音部分，使得残余数据的编 码更加有利。语音编码器以20ms为单位， 经压缩编码后输出260bit，因此码速率为 13kbps。根据重要性不同，输出的比特分 为182bits和78bits两类。较重要的182bits 可以进一步细分出50个最重要的比特。