手機(jī)的基本原理

手機(jī)基本原理

培訓(xùn)教材1.概述

我們常用的移動(dòng)電話按制式有GSM,CDMA,WCDMA,TD-SCDMA,PHS等。由于其基本功能都是進(jìn)行語(yǔ)音通訊的，所以本文即以移動(dòng)電話在語(yǔ)音通訊中的基本原理作一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。語(yǔ)音通訊包括語(yǔ)音發(fā)送和語(yǔ)音接收兩個(gè)部分，兩個(gè)相對(duì)的過(guò)程基本類似，本文主要以發(fā)送過(guò)程為例討論。另外不同制式采用的語(yǔ)音編解碼及主要接收發(fā)射指標(biāo)基本類似，本文主要以GSM為例來(lái)進(jìn)行討論。2.基本的電路單元介紹1)

麥克風(fēng)(Microphone)MIC的基本功能是把語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化為便于傳送的電信號(hào)，通話中用于接收講話語(yǔ)音。常用的駐極體麥克風(fēng)內(nèi)部有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管放大器，所以需要提供一個(gè)直流工作電壓，因此一般的麥克風(fēng)電路上有一個(gè)直流電壓通過(guò)一個(gè)幾千歐姆的電阻(下圖中R140和R141)加到MIC的輸入端用于為麥克風(fēng)內(nèi)部電路供電。

同時(shí)，由于MIC是直接和外界接觸的接口器件，容易接受靜電干擾造成基帶主芯片損壞，所以在靠近MIC器件位置的兩個(gè)引腳上都接有ESD器件(圖中R142和R120)。一個(gè)典型的MIC電路如右圖所示。常用MIC的交流阻抗(1KHz)一般為2.2K。2)

揚(yáng)聲器(Speaker)SPK的基本功能是把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音信號(hào)便于使人耳聽(tīng)到，主要用于有來(lái)電時(shí)播放來(lái)電鈴音、鬧鐘的鈴聲以及免提通話時(shí)發(fā)出語(yǔ)音等，也叫做喇叭。常用的一般為8歐的動(dòng)圈式定阻揚(yáng)聲器，由于推動(dòng)揚(yáng)聲器需要的功率較大，所以一般還有一個(gè)功率放大芯片，有的機(jī)器功放電路集成在基帶主芯片或電源管理芯片中。同樣在靠近器件位置的兩個(gè)引腳上都接有ESD器件加以保護(hù)。在早期的手機(jī)或者一些超低端機(jī)上沒(méi)有Speaker,而采用一個(gè)蜂鳴器(Buzzer)發(fā)出類似電子琴聲的單音音樂(lè)來(lái)作為提示鈴音和鬧鈴聲，當(dāng)然那就不支持免提功能了。3)

受話器(Receiver)REC的功能也是把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音信號(hào)的，主要用于通話時(shí)播放對(duì)方的話音，一般為一個(gè)32歐(1KHz)的耳機(jī)，直接接受來(lái)自基帶主芯片送出來(lái)的語(yǔ)音信號(hào)。同樣在靠近器件位置的兩個(gè)引腳上也有ESD器件加以保護(hù)。4)

天線(Antenna)ANT的基本功能就是發(fā)送和接收無(wú)線電信號(hào)。一般一部手機(jī)只有一個(gè)天線，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)和雙工器來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)完成發(fā)送和接收功能。手機(jī)的外置天線一般有螺旋天線等，內(nèi)置天線常見(jiàn)的有平面倒F型(PIFA)天線、PCB天線等。5)

天線開(kāi)關(guān)(Switch)

天線開(kāi)關(guān)實(shí)際上是一個(gè)單刀多擲的波段開(kāi)關(guān)，通過(guò)幾個(gè)數(shù)字信號(hào)控制天線切換連接到各個(gè)不同的頻段和收發(fā)狀態(tài)。下表為常用的CXG1190AEQ-T2天線開(kāi)關(guān)在P609A2項(xiàng)目中的邏輯關(guān)系：一般如果需要在時(shí)間上存在復(fù)用的(TD復(fù)用或TD雙工等)如GSM/PHS/TD-SCDMA等都需要用到天線開(kāi)關(guān)。Sel1Sel2Sel3天線連接狀態(tài)HHLGSM900TXHLLGSM1800/1900TXLHHGSM1800RXLHLGSM1900RXLLHGSM900RXLLLWCDMA850RX/TX6)

雙工器(Duplex)

如果手機(jī)在發(fā)射的同時(shí)還需要接收信號(hào)就必須用到雙工器。它實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)環(huán)形器，連接著天線、接收電路和發(fā)射電路三個(gè)單元，從天線收到的信號(hào)只能進(jìn)入接收電路而不許進(jìn)入發(fā)射電路，同時(shí)從發(fā)射電路輸入的信號(hào)只能送到天線發(fā)射出去而不能進(jìn)入接收電路。

綜上可知，如果需要在時(shí)間上存在復(fù)用的話就需要用到天線開(kāi)關(guān)，而CDMA/WCDMA等手機(jī)工作時(shí)發(fā)射、接收同時(shí)進(jìn)行，所以單靠天線開(kāi)關(guān)不能控制天線的發(fā)射、接收不受干擾，所以必須使用雙工器，當(dāng)然如果存在多模共存的手機(jī)的則兩種器件可能都會(huì)用到?？偨Y(jié)如下表所示：

收發(fā)雙工模式頻率復(fù)用方式天線開(kāi)關(guān)雙工器GSMFDD

(頻分雙工)TDMA

(時(shí)分復(fù)用)有-WCDMAFDD

(頻分雙工)CDMA

(碼分復(fù)用)-有CDMA2000

大靈童

/IS95FDD

(頻分雙工)CDMA

(碼分復(fù)用)-有TD-SCDMATDD

(時(shí)分雙工)CDMA

(碼分復(fù)用)有-PHSTDD

(時(shí)分雙工)TDMA

(時(shí)分復(fù)用)有-7)

定向耦合器(Coupler)

定向耦合器用于檢測(cè)手機(jī)發(fā)射的功率大小，它一般在射頻功放輸出與天線開(kāi)關(guān)或雙工器之間，從功放輸出的功率基本上全部通過(guò)定向耦合器進(jìn)入天線開(kāi)關(guān)或雙工器到達(dá)天線發(fā)射出去，只有很小的一部分功率從定向耦合器的耦合端口輸出送入一個(gè)功率檢測(cè)電路用于檢測(cè)得到發(fā)射的實(shí)際功率以便實(shí)現(xiàn)功率的閉環(huán)控制。8)

聲表面波濾波器(SAW)

聲表濾波器用于射頻信號(hào)濾波。它通過(guò)一個(gè)叉指形換能器結(jié)構(gòu)使射頻信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)聲表面波，然后通過(guò)聲表面波的共振傳播在輸出端再產(chǎn)生出射頻信號(hào)，借助聲表面波的頻率選擇性實(shí)現(xiàn)帶通濾波功能。9)

低噪聲放大電路(LNA),可變?cè)鲆娣糯笃?VGA/DVGA)

低噪放電路用于射頻信號(hào)的前置預(yù)放大，它處于接收通路的最前端，也叫高放電路，現(xiàn)在有的機(jī)型已經(jīng)集成在射頻接收主芯片內(nèi)部了。11)ESD和EMI器件

ESD器件是靜電放電器件，防止靜電對(duì)其他器件的損壞，當(dāng)靜電電壓低于某一值時(shí)器件是不工作的，當(dāng)靜電電壓超過(guò)該值時(shí)器件即相當(dāng)于對(duì)地短路使靜電瀉放掉從而起到保護(hù)作用。EMI器件的作用是防止電磁干擾，通常EMI器件也具有ESD的作用，可以保護(hù)一切傳導(dǎo)的或者輻射的電磁信號(hào)對(duì)電路器件的破壞和干擾。12)

晶體振蕩器和晶體諧振器(Crystal)

振蕩器和諧振器一般是用于產(chǎn)生某一頻率的正弦波的，諧振器價(jià)格比較便宜，在振蕩電路中起選頻作用。振蕩器本身就是一個(gè)振蕩電路，加上電壓后就可以產(chǎn)生一定頻率的信號(hào)。晶體壓控振蕩器(VCO)是輸出信號(hào)的頻率隨壓控端電壓值的大小在一定范圍內(nèi)變化的振蕩器，經(jīng)常用在鎖相環(huán)路(PLL)中用于產(chǎn)生一個(gè)精確頻率的信號(hào)。10)

功率放大電路(PowerAmplifier,簡(jiǎn)寫PA)

射頻功放電路位于發(fā)射通路的最末端，用于對(duì)發(fā)射的射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大以達(dá)到要求的功率值然后通過(guò)天線發(fā)射出去。一般功放芯片除了各頻段的輸入輸出和電源外還有功率控制及使能等信號(hào)，可以滿足多個(gè)頻段的信號(hào)放大。13)

鎖相環(huán)路(PhaseLockLoop)

當(dāng)手機(jī)電路工作在某信道上時(shí)必須要產(chǎn)生一個(gè)誤差不超過(guò)0.1PPM的正弦波信號(hào)，產(chǎn)生這一信號(hào)的頻率合成電路其核心就是一個(gè)鎖相環(huán)路(PLL)?；镜逆i相環(huán)路結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。壓控振蕩器輸出的頻率送到鑒相器輸入端和一個(gè)精確的輸入頻率進(jìn)行鑒相，鑒相器輸出的是兩個(gè)信號(hào)的相位之差，如果兩個(gè)信號(hào)的頻率有微小差異，通過(guò)混頻電路可能檢測(cè)不出來(lái)，但在微觀上會(huì)表現(xiàn)為一個(gè)信號(hào)的相位慢慢落后于另一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間積累，兩個(gè)信號(hào)的相位可能有一定差別，鑒相器會(huì)輸出這個(gè)差異信息經(jīng)過(guò)環(huán)路的低通濾波器變成一個(gè)直流電壓來(lái)反饋控制壓控振蕩器。若輸出頻率偏小，則反饋控制壓控振蕩器使Fo變大，反之則控制變小，當(dāng)環(huán)路穩(wěn)定下來(lái)之后則輸出頻率嚴(yán)格的跟蹤輸入頻率達(dá)到完全相同即所謂的環(huán)路鎖定。基本的鎖相環(huán)路實(shí)際上用處不大，實(shí)際中的鎖相環(huán)路都是基本鎖相環(huán)的變形和應(yīng)用。手機(jī)電路中的頻率合成電路其實(shí)就是基于鎖相環(huán)電路的。F1F014)

頻率合成電路手機(jī)頻率合成電路的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。根據(jù)前面介紹的基本鎖相環(huán)原理

所以，改變不同的分頻數(shù)M和R就可以得到任意分?jǐn)?shù)值的輸出合成頻率，這就是頻率合成電路的基本工作原理。÷M分頻器壓控振蕩器鑒相器低通濾波器÷R分頻器基準(zhǔn)頻率信號(hào)源F÷R基準(zhǔn)頻率F輸出頻率FoFo÷MF÷R=Fo÷M可知，當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，檢相器的兩路輸入頻率嚴(yán)格跟蹤，即所以得到：Fo=F×M/R15)

編、解碼電路語(yǔ)音通過(guò)MIC接收送入手機(jī)主芯片經(jīng)過(guò)語(yǔ)音放大后仍然還是連續(xù)的模擬信號(hào)，必須進(jìn)行數(shù)字編碼后才能進(jìn)行傳送，編碼包括語(yǔ)音編碼和信道編碼兩個(gè)過(guò)程。在GSM通訊中，語(yǔ)音編碼把模擬的語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化成64KBps的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)流，然后通過(guò)RPE-LTP編碼(規(guī)則脈沖激勵(lì)—線性長(zhǎng)期預(yù)測(cè)編碼)變成13KBps的數(shù)據(jù)信號(hào)。信道編碼先把13KBps的數(shù)據(jù)信號(hào)加上9.8KBps的檢錯(cuò)糾錯(cuò)碼變成22.8KBps，然后進(jìn)行交織、加密形成270.833KBps的TDMA幀數(shù)據(jù)流。解碼則是編碼的逆過(guò)程，在接收部分進(jìn)行還原語(yǔ)音信號(hào)。16)

調(diào)制、解調(diào)調(diào)制和解調(diào)互為逆過(guò)程，調(diào)制是在發(fā)射過(guò)程中把要發(fā)送的語(yǔ)音數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制在相應(yīng)頻點(diǎn)的射頻信號(hào)上以便通過(guò)射頻信號(hào)發(fā)射出去。解調(diào)是從接收到的射頻信號(hào)中還原出發(fā)送方調(diào)制上去的語(yǔ)音數(shù)據(jù)信號(hào)。

另外還有許多其他電路如：電源管理、存儲(chǔ)器(Nand/NorFlash，SRAM等)、LCD驅(qū)動(dòng)、充電電路、SIM卡電路、藍(lán)牙、紅外、收音機(jī)、攝像處理等，由于本文主要討論典型的語(yǔ)音通話工作原理，所以不再一一描述。3.手機(jī)的多址模式和信道分配

不同制式的手機(jī)其頻率分配不同，而且由于頻譜資源有限，需要在有限的頻率帶寬上同時(shí)為多個(gè)用戶提供通信，這就需要采取一定的多址技術(shù)，所以才產(chǎn)生了TDMA,CDMA,FDMA等不同的多址方式。PowerFrequencyTimeFDMA1)

頻分多址(FDMA)FDMA的原理如下圖所示，在頻率軸上劃分出多個(gè)信道，每個(gè)用戶占用一個(gè)信道(頻率帶寬)通信互不干擾。這是一種最基本的多址方式，基本上大部分移動(dòng)通信設(shè)備都采用了信道劃分(實(shí)際上相當(dāng)于FDMA)。PowerTimeTDMA/FDMAFrequency2)

時(shí)分多址(TDMA)TDMA的原理如下。它采用了時(shí)間分割技術(shù)，在某一頻點(diǎn)上，通過(guò)時(shí)間軸上分割出多個(gè)時(shí)隙，一個(gè)手機(jī)占用其中確定的一個(gè)時(shí)隙，間隔一定的周期該時(shí)隙重復(fù)出現(xiàn)，也就是通信數(shù)據(jù)實(shí)際上是在斷續(xù)發(fā)送的。但是由于在發(fā)送時(shí)隙其數(shù)據(jù)發(fā)送的速率比通話數(shù)據(jù)的實(shí)際速率要快的多，也就是說(shuō)在一個(gè)時(shí)隙已經(jīng)發(fā)送了間隙沒(méi)有發(fā)送時(shí)積累的所有數(shù)據(jù)，所以通信數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，通話仍然是連續(xù)的，不過(guò)數(shù)據(jù)相對(duì)于實(shí)際產(chǎn)生的信號(hào)是有一定時(shí)間延遲的。選擇合適的時(shí)隙間隔，則這種遲后可以忽略，像我們的GSM,PHS,TD-SCDMA都采用了這種技術(shù)，不過(guò)TD-SCDMA采用的不是各個(gè)用戶之間的時(shí)隙分割，而是上下行信號(hào)(發(fā)送和接收)之間的時(shí)間分割即時(shí)分雙工模式(TDD)。3)

碼分多址(CDMA)CDMA的原理如下。它采用的是一組相互相干性為零的所謂正交碼來(lái)區(qū)分不同用戶的數(shù)據(jù)。可以舉一個(gè)形象的例子，一個(gè)房間里三對(duì)人分別互相講話，一對(duì)用漢語(yǔ)，一對(duì)用英語(yǔ)，另一對(duì)用法語(yǔ)，并且他們?nèi)我鈨蓪?duì)之間語(yǔ)言互相都不相通，那么雖然講話的聲音可以互相聽(tīng)到，但卻不會(huì)互相影響到別人的講話。其他人的聲音對(duì)講話者來(lái)說(shuō)只是相當(dāng)于一個(gè)不相干的噪音罷了。CDMA和這種情況比較類似，接收方通過(guò)用自己唯一的正交地址碼進(jìn)行解碼即可得到自己所要接收的語(yǔ)音數(shù)據(jù)。FrequencyCDMAPowerTime4)

雙工方式(DuplexMethods)

雙工方式和多址方式完全類似，常用的主要有頻分雙工(FDD)和時(shí)分雙工(TDD)，如下圖所示。頻分雙工(FrequencyDivisionDuplex)FrequencyAmplitudeTimeF1F2TxRxF1時(shí)分雙工(TimeDivisionDuplex)FrequencyTimeTxTxRxRxAmplitudeF1

頻分雙工對(duì)每一個(gè)信道需要一組上下行頻率對(duì)F1和F2，發(fā)射、接收各占一個(gè)頻點(diǎn)，如GSM,CDMA2000,WCDMA就采用了FDD。而時(shí)分雙工只需要一個(gè)頻點(diǎn)，在不同的時(shí)隙分別進(jìn)行接收和發(fā)射，如TD-SCDMA,PHS就采用了TDD。5)

常用的通信頻率通信管理部門對(duì)各種不同的通信制式分配了各自的通信頻率。常見(jiàn)的有：

(1)GSM，在我國(guó)和歐洲主要有900MHz和1800MHz兩個(gè)頻段，在澳大利亞和北美主要采用了850MHz和1900MHz兩個(gè)頻段。具體分配如下：GSM頻段劃分GSM900發(fā)射：890-915MHz;接收：935-960MHz;EGSM(擴(kuò)展的GSM900)發(fā)射：880-915MHz;接收：925-960MHz;GSM1800(DCS)發(fā)射：1710-1785MHz;接收：1805-1880MHz;GSM1900(PCN)發(fā)射：1850-1910MHz;接收：1930-1990MHz;GSM850發(fā)射：824-849MHz;接收：869-894MHz;GSM制式的手機(jī)頻率分配及信道劃分參見(jiàn)附件所示：

(2)WCDMA主要有850MHz和2100MHz兩個(gè)頻段，另外在有些地區(qū)還有1900MHz頻段。具體頻率分配如下：WCDMA頻段劃分WCDMA850發(fā)射:824-849MHz(CH4132-4233);接收:869-894MHz(CH4357-4458);WCDMA2100發(fā)射：1920-1980MHz;接收：2110-2170MHz;WCDMA1900發(fā)射：1850-1910MHz;接收：1930-1990MHz;

(3)CDMA2000主要有800MHz,450和1900MHz兩個(gè)頻段，頻率分配如下：CDMA頻段劃分CDMA800發(fā)射:824-849MHz;接收:869-894MHz;CDMA450發(fā)射：450-460MHz;接收：460-480MHz;CDMA1900發(fā)射：1850-1910MHz;接收：1930-1990MHz

(4)TD-SCDMA由于采用了時(shí)分雙工，所以不需要上下行頻率對(duì)，發(fā)射、接收是在同一個(gè)頻段的，頻率分配如下：PHS頻段劃分PHS發(fā)射/接收頻段:1900-1915MHz;

(5)PHS也采用了時(shí)分雙工，頻率分配如下：TD-SCDMA

頻段劃分TD-SCDMA

發(fā)射/接收頻段:2010-2025MHz;4.手機(jī)基本工作原理

本部分將從一個(gè)基本的GSM語(yǔ)音通信為例介紹一個(gè)完整的語(yǔ)音信號(hào)傳送過(guò)程，從而說(shuō)明手機(jī)通話工作的基本原理?！獜幕菊Z(yǔ)音通話中信號(hào)的傳送過(guò)程談起1)

語(yǔ)音的PCM編碼手機(jī)麥克風(fēng)接收到人講話的語(yǔ)音信號(hào)后會(huì)將其轉(zhuǎn)化成為一個(gè)電信號(hào)送入手機(jī)主芯片，首先經(jīng)過(guò)語(yǔ)音放大，然后就需要把連續(xù)的模擬語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字編碼信號(hào)了，這個(gè)過(guò)程主要就是數(shù)字AD轉(zhuǎn)換采樣即PCM(PulseCodeModulation脈沖編碼調(diào)制)編碼。

人耳能聽(tīng)到的聲波頻率范圍在20Hz-20KHz之間，而一般人講話所能發(fā)出的頻率大都在300Hz-3400Hz之間，取最大極限值為4KHz。根據(jù)奈特斯奎采樣定理，我們只要取最大頻率的2倍即8KHz采樣即可完全還原所采樣的語(yǔ)音信號(hào)了。這樣按照8bit的量化等級(jí)，語(yǔ)音經(jīng)過(guò)PCM編碼的數(shù)據(jù)速率即為64KBit/S，也就是說(shuō)每秒鐘產(chǎn)生64000位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。2)RPE-LPT語(yǔ)音編碼通過(guò)PCM編碼得到的速率為64KBps的原始語(yǔ)音數(shù)據(jù)含有大量的冗余信息，一般都需要經(jīng)過(guò)一定壓縮算法的所謂語(yǔ)音編碼才能進(jìn)行發(fā)送。關(guān)于語(yǔ)音編碼本身就是通信領(lǐng)域一門專門的學(xué)問(wèn)，本文不作詳細(xì)討論。下表是幾種常見(jiàn)的語(yǔ)音編碼方法比較。編碼方法碼速率(kbit)64kbit/sPCM4.332kBIT/sADPCM32kBIT/sCVSD016kBIT/sCVSD13kBIT/sRPE-LPT138kbit/sVSELP82.4kBIT/sLPC-102.4編碼質(zhì)量時(shí)延

(ms)Coplexity(MIPS)0.0104.3644.100.13232/3.816/1013.7351003.830302.735

不同的通訊制式采用的語(yǔ)音編碼方式不同，如PHS采用的是ADPCM編碼CDMA采用的是QCELP和EVRC編碼。GSM的上下行相同，采用的是RPE-LPT(規(guī)則脈沖激勵(lì)-線形長(zhǎng)期預(yù)測(cè))編碼，由上可知得到的是速率為13KBps的語(yǔ)音編碼數(shù)據(jù)流，即每秒鐘13000位數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)每20mS有260位二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息。3)

信道編碼——糾錯(cuò)碼、卷積碼信道編碼比較復(fù)雜，為了防止傳送誤碼對(duì)講話質(zhì)量的影響，所以需要加入9.8KBps的糾錯(cuò)碼形成22.8KBps的數(shù)據(jù)流以防止誤碼出錯(cuò)。這9.8KBps是這樣加入的：由于13KBps的數(shù)據(jù)中每20mS有260位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，首先按照RPE-LPT編碼的原理對(duì)這260Bit數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，其中包括182位“1類”比特和78位“2類”比特，“2類”比特對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量影響不大所以不作糾錯(cuò)處理，對(duì)余下的182位“1類”比特先加上3個(gè)奇偶校驗(yàn)位及4個(gè)尾比特共得到189位，然后進(jìn)行1/2速率信道編碼(分組及卷積碼)后長(zhǎng)度加倍為378bit，再加上未編碼的78bit”2類”比特共456Bit。這樣數(shù)據(jù)速率就變成了22.8kbit/S(456bit/20mS=22.8kbps)。經(jīng)過(guò)卷積編碼后的數(shù)據(jù)就具有一定的糾錯(cuò)功能，當(dāng)出現(xiàn)偶然的誤碼后，卷積碼可以計(jì)算出誤碼并糾正過(guò)來(lái)。但是對(duì)于連續(xù)的突發(fā)誤碼則無(wú)法恢復(fù)，所以才需要進(jìn)行下面的交織編碼用以把連續(xù)的突發(fā)誤碼改變?yōu)榉稚⒌男∶娣e誤差以方便用卷積碼進(jìn)行糾錯(cuò)。4)

信道編碼——交織碼下來(lái)每20mS有456Bit的22.8KBps數(shù)據(jù)流要進(jìn)行交織編碼。交織需要兩個(gè)連續(xù)的20mS共912Bit數(shù)據(jù)進(jìn)行。912Bit分成8組114Bit數(shù)據(jù)，每組的114Bit數(shù)據(jù)是間隔選出來(lái)的，具體是第1、9、17、25、……905Bit為第1組，第2、10、18、26、……906Bit為第2組，第3、11、19、27、……907Bit為第3組，………類推，………第8、16、24、32、……912Bit為第8組。然后每組的114bit分前后兩個(gè)57bit數(shù)據(jù)塊，共16個(gè)57Bit數(shù)據(jù)塊再進(jìn)行一次前后交錯(cuò)組合形成最后的8組114bit分8個(gè)TDMA數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。這些都是在手機(jī)主芯片的DSP部分進(jìn)行高速運(yùn)算的。交織碼實(shí)際上相當(dāng)于每40mS的語(yǔ)音數(shù)據(jù)信息在順序上進(jìn)行了重新排列，前后時(shí)段信號(hào)交錯(cuò)，使傳輸中出現(xiàn)的集中性突發(fā)誤碼變換為分散性誤碼，以便用卷積編碼進(jìn)行糾錯(cuò)。因此，交織本身不提供鑒錯(cuò)與糾錯(cuò)能力，但是通過(guò)卷積碼的聯(lián)合作用使得語(yǔ)音質(zhì)量得到了均衡和提高，如下圖示。456bitsfrom20msofspeech456bitsfrom20msofspeech57575757575757575757575757575757575757575757575757575757575757TCH5)

數(shù)據(jù)加密(1)

這個(gè)過(guò)程稍微復(fù)雜，由于它與移動(dòng)電話的鑒權(quán)有關(guān)，移動(dòng)電話(以下簡(jiǎn)寫為：MS,即移動(dòng)臺(tái))在建立通話之前先要通過(guò)鑒權(quán)，鑒權(quán)失敗是不能通話的。這里我把鑒權(quán)與加密過(guò)程一起大概描述一下：

a)首先VLR(VisitorLocationRegister,用戶位置寄存器，和MSC即業(yè)務(wù)交換中心集成在一起)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)RAND并發(fā)送給MS。同時(shí)VLR從AC(AuthenticationCentre,鑒權(quán)中心)查到該用戶的Ki值，該Ki和用戶SIM卡中存儲(chǔ)的Ki相同(在該卡生產(chǎn)時(shí)就做好)。然后VLR和MS雙方分別各自按照A3和A8算法算出SRES(SignedResponse,用于發(fā)回VLR進(jìn)行鑒權(quán))和Kc(用于數(shù)據(jù)加密的一個(gè)最主要參數(shù))。計(jì)算關(guān)系如下：RANDA3KiSRES圖1(a)RANDA8KiKc圖1(b)6)

數(shù)據(jù)加密(2)

b)然后MS把算出的SRES發(fā)回VLR進(jìn)行鑒權(quán)，如果雙方各自計(jì)算出的SRES相同，則鑒權(quán)成功。由于用戶的SIM卡上已存有A3和A8算法，而RAND在下一次通話中又變成了新的隨機(jī)值，所以這樣就實(shí)現(xiàn)了不在空中傳遞Ki卻驗(yàn)證了Ki是否是合法的。

c)在通話中的數(shù)據(jù)加密用的是A5算法，其中的一個(gè)重要參數(shù)就是上面用A8算法得到的Kc，當(dāng)然網(wǎng)絡(luò)收到數(shù)據(jù)后還要根據(jù)VLR算出的同一個(gè)Kc值用A5算法還原數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送。加密算法如下：A5KcSRESTDMA幀號(hào)語(yǔ)音數(shù)據(jù)圖1(c)7)

數(shù)據(jù)加密(3)

上圖中的計(jì)算參數(shù)“TDMA幀號(hào)”是該TDMA幀在它所處的超高幀(2715648幀為一超高幀，共3小時(shí)28分53.760秒，有的資料稱為巨幀、高幀等)中的幀號(hào)。所以在近三個(gè)半小時(shí)的通話中對(duì)每一幀數(shù)據(jù)加密的參數(shù)都是不同的，有利于語(yǔ)音的保密。①加密后數(shù)據(jù)長(zhǎng)度沒(méi)有變化，仍為22.8kbps，即每20mS共456bit二進(jìn)制數(shù)據(jù)。②這里共提到了A3、A5和A8三個(gè)算法，A3是為了鑒權(quán)驗(yàn)證SIM是否合法用的；A8是為了求出Kc為數(shù)據(jù)加密提供參數(shù)(密鑰)；A5才是真正的加密算法。而A5算法共有三種版本：A5/0，A5/1和A5/2。由于A5/1和A5/2使用要支付高昂的許可費(fèi)用，所以中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通使用的都是A5/0算法：也就是不加密，A5/0算法的結(jié)果就是原始的通信數(shù)據(jù)。8)

形成TDMA數(shù)據(jù)幀(1)

這是最關(guān)鍵的一步，因?yàn)樵谶@之前的數(shù)據(jù)流還是22.8kbps連續(xù)的，怎樣才能把這些連續(xù)存在的數(shù)據(jù)形成TDMA幀發(fā)送出去而又要留下7/8的時(shí)間給其它用戶使用呢？由于GMSK調(diào)制傳遞數(shù)字信號(hào)的速率是270.83kbps,而語(yǔ)音數(shù)據(jù)速率只有22.8kbps,相差10多倍，所以是可以實(shí)現(xiàn)的。在通話中，MS每4.615mS發(fā)送一次數(shù)據(jù)，平均每次發(fā)送時(shí)長(zhǎng)為0.577mS(8時(shí)隙TDMA,4.615/8=0.577)。所以MS必須要能夠在這0.577mS內(nèi)發(fā)完整個(gè)4.615mS內(nèi)產(chǎn)生的所有語(yǔ)音數(shù)據(jù)，實(shí)際上MS在在0.577mS內(nèi)已發(fā)完了5mS的114bit數(shù)據(jù)。因此它發(fā)送速度要稍微快一點(diǎn)(每一時(shí)隙快出約5-4.615=0.385mS),過(guò)13幀就會(huì)快出大約一個(gè)4.615mS的時(shí)間，就必須等待一下。當(dāng)然GSM的制定者并沒(méi)有放棄這1幀時(shí)間，它規(guī)定每26幀為一個(gè)復(fù)幀，其中多出來(lái)的2幀用于傳送別的控制信息(SACCH信息)，如下圖。當(dāng)然這樣在長(zhǎng)時(shí)間的通信過(guò)程中還不能完全同步，所以才有了高幀、超高幀等得以存在的空間(當(dāng)然超高幀的編號(hào)也有基于保密原因的考慮)。1T2T3T4T5T6T7T89101112131415161718192021222324250TTTTTATTTTTTTTTTTT--SACCHIdle9)

形成TDMA數(shù)據(jù)幀(2)

按照270.83kbps的速率，每時(shí)隙0.577mS可以發(fā)送156.25bit的數(shù)據(jù),而5mS的數(shù)據(jù)只有114bit,該114bit分為兩個(gè)57bit的所謂子時(shí)段。它在這156.25bit內(nèi)是這樣安排的：3bit尾比特、57bit子時(shí)段、26bit訓(xùn)練序列、57bit子時(shí)段及3bit尾比特對(duì)稱分布，而在兩個(gè)子時(shí)段與26bit訓(xùn)練比特之間分別有1bit稱為控制信道信令標(biāo)志，在最后還有8.25bit的保護(hù)時(shí)間總共156.25bit。組成了270.83kbps的TDMA幀。如下圖：

當(dāng)然除了上面的稱為普通突發(fā)(NB)的TDMA幀結(jié)構(gòu)之外,在不同的邏輯信道,根據(jù)功能還有其他突發(fā)格式。例如下圖為同步突發(fā)(SB,在SCH信道傳送)的TDMA幀結(jié)構(gòu)。57bit26bit3157bit8.2531圖(a)39bit64bit38.25339bit圖(b)10)

形成TDMA數(shù)據(jù)幀(3)

還有一點(diǎn)需要說(shuō)明，由于交織編碼需要連續(xù)兩個(gè)20mS的912bit數(shù)據(jù)，共分8次才能發(fā)送完畢，而且這8次的發(fā)送順序與語(yǔ)音數(shù)據(jù)產(chǎn)生的順序是不一致的。所以這樣一來(lái)在接收端也只有將這912bit(共40mS的數(shù)據(jù))全部接收完畢才可以還原語(yǔ)音，因此我們?cè)陔娫捴新?tīng)到的語(yǔ)音總有至少40mS的時(shí)延，這也是GSM規(guī)范所定義的時(shí)延值。當(dāng)然人的耳朵時(shí)聽(tīng)不出來(lái)這40mS時(shí)延的。這很好解釋：聲波在空氣中的速率是340M/S,這40mS聲音可以走過(guò)40mS×340M/S=13.6M,換言之40mS的時(shí)延相當(dāng)于聲波多走13.6米而已，人耳是感覺(jué)不到時(shí)延的。11)

數(shù)據(jù)調(diào)制——調(diào)制方法分類

語(yǔ)音數(shù)據(jù)只有加載到射頻載波上通過(guò)天線發(fā)射出去才能達(dá)到通訊的目的，所以下面需要討論調(diào)制的原理，我們以GMSK調(diào)制(高斯濾波的最小移頻鍵控調(diào)制)為例來(lái)進(jìn)行介紹。

相對(duì)于模擬信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻(FM)、調(diào)相(PM)和調(diào)幅(AM)，數(shù)字信號(hào)的調(diào)制中相應(yīng)的叫做頻移鍵控(FSK)，相移鍵控(PSK)和振幅鍵控(ASK)，其中ASK很少用到，還有聯(lián)合控制載波振幅及相位的幅度相位調(diào)制(QAM)等。數(shù)字調(diào)制可以分為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制和M進(jìn)制調(diào)制。M>2,一般取M=2^k。數(shù)字調(diào)制還可以分為線性(符合疊加原理)和非線性(不符合疊加原理)調(diào)制。按記憶性數(shù)字調(diào)制還可以分為無(wú)記憶調(diào)制和有記憶調(diào)制。若從數(shù)字序列映射為信號(hào)波形{si(t)}是有一定的約束條件，即在碼元間隔的符號(hào)波形取決于一個(gè)或多個(gè)前面碼元間隔發(fā)送的波形，則稱調(diào)制為有記憶的。若無(wú)任何約束條件，則此調(diào)制為無(wú)記憶調(diào)制。

按照以上的分類原則，GMSK屬于2進(jìn)制的數(shù)字頻移鍵控(2FSK)，又屬于有記憶的非線性調(diào)制。12)GMSK調(diào)制的特點(diǎn)通過(guò)GMSK調(diào)制的以下特點(diǎn)可以更加清楚的理解它的工作原理。類型特點(diǎn)2FSK(二進(jìn)制頻移鍵控):二進(jìn)制信號(hào)的頻率調(diào)制。已調(diào)波通過(guò)載波頻率增大或減小一個(gè)頻偏量來(lái)代表0和1(或記為-1和+1)兩種碼型。MSK(最小頻移鍵控):調(diào)制頻偏等于調(diào)制信號(hào)速率1/2的2FSK調(diào)制度為0.5保證了相位的連續(xù)（但相位變化軌跡不一定光滑,可能有拐點(diǎn).即導(dǎo)數(shù)不連續(xù)）

GMSK(帶高斯濾波的最小頻移鍵控):使基帶信號(hào)先成形為高斯形脈沖，再進(jìn)行MSK調(diào)制,解決了基帶脈沖的陡峭沿,相位路徑得到平滑,頻譜特性更好。調(diào)制信號(hào)：速率為270.833KbPS的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制信號(hào)經(jīng)編碼后形成114bit的TDMA幀與訓(xùn)練比特、保護(hù)比特等組成156.25bit的突發(fā)脈沖幀由于時(shí)分復(fù)用,故只在特定時(shí)隙的0.577mS有調(diào)制發(fā)射，速率為270.833kb/S調(diào)制頻偏頻偏為67.71KHz，即載波頻率加、減67.71KHz分別代表數(shù)據(jù)0和1。其最大最小頻差即兩倍頻偏為135.42KHz正好為碼元速率270.833KBps的一半。脈沖成型基于TDMA

時(shí)隙分割原因,對(duì)突發(fā)脈沖的功率/時(shí)間包絡(luò)確定了嚴(yán)格的規(guī)范。13)GMSK調(diào)制的發(fā)射功率控制

由于移動(dòng)通信組網(wǎng)的遠(yuǎn)近效應(yīng)影響，通信過(guò)程中必須對(duì)手機(jī)的發(fā)射功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，以便能正常通信且不至于對(duì)其他手機(jī)干擾。對(duì)于GSM手機(jī)規(guī)定了嚴(yán)格的功率等級(jí)，手機(jī)發(fā)射的功率在每一級(jí)功率控制電平上必須滿足ETSI規(guī)定的功率要求。

對(duì)于GSM900MHz頻段每一級(jí)功率控制電平的標(biāo)稱功率和允許誤差如下頁(yè)表1(對(duì)于classⅣ移動(dòng)臺(tái))。

表1GSM900MHz(單位：dBm)功率和誤差PoandTOL7±55±59±515±313±317±311±323±321±325±319±331±329±333±227±3功率等級(jí)Level1819171415131610119126758

對(duì)于DCS1800MHz頻段每一級(jí)功率控制電平的標(biāo)稱功率和允許誤差如下頁(yè)表2(對(duì)于classⅠ移動(dòng)臺(tái))。表2DCS1800MHz(單位：dBm)功率和誤差PoandTOL4±52±56±50±512±310±314±38±320±318±322±316±328±326±330±224±3功率等級(jí)Level131412159108115647120314)GMSK調(diào)制的功率-時(shí)間包絡(luò)

GSM的TDMA時(shí)分復(fù)用對(duì)突發(fā)脈沖的功率/時(shí)間關(guān)系進(jìn)行了嚴(yán)格的要求以防止對(duì)相鄰時(shí)隙的干擾。下圖就是GSM規(guī)范對(duì)MS發(fā)射機(jī)要求的功率/時(shí)間包絡(luò)框架。在任一確定的功率等級(jí)上手機(jī)在發(fā)射時(shí)隙內(nèi)的功率必須滿足這個(gè)要求。+4+1.0-1.00-6-30-70147比特542.81010810108時(shí)間(μS)功率(dB)突發(fā)成型特性圖

圖中的功率軸標(biāo)注的相對(duì)功率值(dB)適合各種發(fā)射機(jī)，對(duì)于載頻功率小于34dBm(2.5W)的發(fā)射機(jī)(如手持機(jī))，若-70dB絕對(duì)功率電平低于-36dBm，則以-35dBm取代-70dB。。15)

已調(diào)射頻信號(hào)的放大和發(fā)射GMSK調(diào)制輸出的射頻突發(fā)脈沖需要通過(guò)功放(PA)電路進(jìn)行射頻功率放大然后才會(huì)送到天線發(fā)射出去。下面左圖是功放的邏輯結(jié)構(gòu)，由于GSM需要工作在一定的功率等級(jí)上，自動(dòng)功率控制電路(原理類似于接收通路的自動(dòng)增益控制電路)由功放、功率檢測(cè)、自動(dòng)功率控制信號(hào)等進(jìn)行閉環(huán)控制。由于時(shí)分復(fù)用的原因，發(fā)射時(shí)隙(長(zhǎng)度為577uS)的重復(fù)周期為4.615mS，所以發(fā)射控制信號(hào)的重復(fù)頻率約為217Hz，下面的右圖即表示了217Hz的發(fā)射控制信號(hào)波形。功放發(fā)射控制自動(dòng)功率控制信號(hào)輸入信號(hào)輸出Level19---level55dBm----33dBm電源16)GMSK調(diào)制的原理

通過(guò)前面已經(jīng)討論了TDMA數(shù)據(jù)幀的形成。156.25bit速率為270.833KBit/S的TDMA幀數(shù)據(jù)流在其確定的時(shí)隙(0.577mS)內(nèi)以GMSK調(diào)制方式在相應(yīng)信道的載波頻率上通過(guò)天線發(fā)射出去，就產(chǎn)生了射頻突發(fā)脈沖。經(jīng)過(guò)射頻放大以后通過(guò)天線發(fā)射出去的就是這個(gè)射頻突發(fā)信號(hào)。

下面GMSK調(diào)制的原理刪除。直接講一些常見(jiàn)測(cè)試指標(biāo)的原理和測(cè)試。5.幾個(gè)常見(jiàn)的測(cè)試指標(biāo)介紹

上面詳細(xì)討論了一個(gè)GSM手機(jī)發(fā)射通路中從麥克風(fēng)接收講話語(yǔ)音到形成射頻信號(hào)并發(fā)射出去的全過(guò)程，對(duì)于接收過(guò)程則完全是發(fā)射的逆過(guò)程，本文不再詳細(xì)討論，有興趣的可以參見(jiàn)相關(guān)資料。其他制式如CDMA，PHS，WCDMA，TD-SCDMA等都基本類似，只不過(guò)其語(yǔ)音編碼方式、調(diào)制方式、速率、雙工模式等