4.1 GSM手机的组成
图1所示是手机总体框图，手机是由射频、基带、软件和人机接口等单元组成的。
4.2 GSM手机基本工作原理
下面按射频、基带、人机接口、软件、SIM卡五部分进行叙述。
4.2.1 射频单元
射频单元的组成如图1所示。
发射机将基带单元送来的已调基带信号与频率合成器产生的本振信号混频，变换为射频发射频率，经功率放大器将已调射频信号放大到所需功率，再经双工器馈送到手机天线上发射出去。
手机接收机将天线上所收到的来自基站发射机的微弱已调射频信号，经双工器送到低噪声放大器放大到所需电平，与频率合成器产生的本振信号混频，变换为基带信号送往基带单元。
频率合成器以高精度晶体振荡器作为基准，通过合成技术能产生一系列具有一定频率间隔的高精度频率源。合成方式有直接合成和锁相环合成两种。
双工器是允许利用同一天线同时发射和接收的一种装置，实质上它是一组滤波器，以避免发射的强信号干扰接收的弱信号，早期的双工器是陶瓷双工滤波器，体积较大。为了减少手机的尺寸，目前，通常的做法是采用电子开关加上必要的TX低通滤波器和RX—SAW滤波器，并集成封装在一个模块中，实现双工开关的功能。
以下介绍的射频设计是一套适用于GSM900/ DCS1 800双频手机射频设计方案，它与以往的手机解决方案有所不同，使用了零中频技术，接收时不再需要中频滤波器，对减小手机体积、降低成本都是非常有利的。下面简述射频部分的工作原理。
a．接收机
在该接收机中，主要功能由零中频收发器(U4)完成，它包括一个GSM低噪声放大器(LNA)、两个正交混频器(GSM频段和DCS频段)、一个本振信号发生器和两个有源滤波器。
接收机工作时，接收信号通过天线进入前端模块(前端模块包括收发开关、低通滤波器和RX滤波器)，之后，信号分别送入DCS通路或GSM通路。对于GSM通路只需把从前端模块送出GSM_RF和GSM_RFB送入U4下变频处理即可；而对于DCS频段必须外接LNA(U2)和BALUN(U3)，将经过前端滤波之后的信号转换为DCS_RF和DCS_RFB双端平衡信号，然后送入U4进行混频处理。系统频率合成器产生的本振信号在U4内分频后，与接收信号一次混频直接得到零中频I、Q信号，此I、Q信号经过低通滤波器滤除阻塞干扰和邻道干扰后，被送入基带电路进行解调处理。
外部LNA(U2)电压增益、U4内LNA、混频器和内部的基带放大器增益，都可以通过串行接口实现可编程增益控制(AGC)。
GSM手机的AGC是根据基带检测到的接收信号强度来调节接收机的增益，使接收机输出的基带信号幅度峰峰值保持在要求的数值上，以满足接收机动态范围的要求。AGC控制信号由基带单元送出。
b．发射机
发射机主要由调制环路、功放(PA)和前端模块组成。调制环路集成在零中频收发器U4中，它包括正交调制器、分频器、高速相位—频率检测器和下变频混频器，与外接的发射压控振荡器(TXVCO)共同完成传递调制。
发射机原理如图3所示。发射通路的工作过程：从基带电路送来的I、Q信号进入U4，U4内部产生一个正交调制的IF信号，再利用传递环技术将信号通过TXVCO变到最终的TX频率上(GSM为890～915MHz，DCS为1710～1785MHz)，之后TXVCO输出的射频信号送入功率放大器(U7)进行放大，再送入前端模块(U1)滤波后经天线发射出去。由于TXVCO输出频谱好，所以只需要在前端模块集成一个低通滤波器滤除发射谐波。
简单地说，传递环技术就是一个在反馈环路中带有一个下变频器的锁相环，它起到跟踪带通滤波器的作用，不但发射噪声小，同时还可以消除寄生调制。
U7的功率控制是通过一片IC(U6)实现闭环控制。一方面要让输出功率在每一个工作时隙中保持稳定，满足GSM标准的要求，另一方面用来自基带的功率等级控制信号TX_RAMP控制手机输出功率的大小，在不需要最大发射功率就能达到较好传输质量的情况下，降低手机的发射功率，减少对其他通信的干扰，同时可以延长手机电池的使用时间。
功率控制的过程是：手机通过上行链路报告所测量的接收信号强度和信号质量，GSM系统通过下行链路下达手机功率控制指令，确定增加或减少手机的发射功率，手机软件根据系统指令选择后，送出TX_RAMP信号去调节功放所需的输出功率。
APC的实现过程如下：U7输出经过定向耦合器耦合一部分信号，把这部分信号的电压V1送入比较器(U6)一个输入端，与来自基带的控制信号TX_RAMP的电压进行比较，产生的电压差被送入U7的电压控制脚，自动控制输出功率。
c．频率合成器
该方案频率合成器主要包括13MHz参考晶振(VCTCXO)、小数分频锁相环(PLL)和射频压控振荡器(RFVCO)，具体的工作过程见图5。
自动频率控制(AFC)信号控制VCTCXO的频率，为PLL提供参考频率。RFVCO产生的频率送入PLL，经过分频处理后与13MHz频率比较，比较所产生的误差电压CP再送入RFVCO 中，进一步控制RFVCO的频率，直到其频率值达到要求。
RFVCO是宽频段、低相位噪声的振荡器，它在不同工作方式下的频率见表1。
表1 RFVCO不同工作方式下的频率
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发射频率
(MHz)
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接收频率
(MHz)
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VCO频率
(MHz)
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GSM方式
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890～915
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915～960
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1 320～1 440
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DCS方式
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1 710～1 785
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1 805～1 880
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1 282.5～1 440
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RFVCO的覆盖频率
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1 282～1 440
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射频VCO覆盖GSM/DCS双频段，实现并不困难，但是由于手机是低电压工作的，又要求PLL的锁定时间很快(对GPRS<250μs)，相位噪声低，所以在环路中采用充电泵来改善压控振荡器的控制速度，同时U1是小数分频PLL，环路比相频率可以选高一些，使锁定时间加快。U1内部包括了Σ—Δ调制器、加法器、高频前置分频器、低噪声的相位检测器和充电泵。
通常情况下，VCTCXO技术指标为：标称中心频率
f
0=13MHz；常温条件下的频率误差为±5×
f
0×10；温度稳定度为±2.5×
f
0×10。
从参考频率振荡器的技术参数可以看出：若不采用AFC，显然不能满足GSM11.10技术规范中对手机频率误差0.1×
f
0×10的要求，因此，必须采用AFC。
为了完成AFC，首先要有一个以基站频率为基准的频率校正信号，它是由BS在下行的慢速相关控制信道(SACCH)上发出的。手机接收到由BS发来的频率校正数据后，经DAC变换再滤波，产生一个AFC控制信号，加到手机参考频率源U11的AFC脚，使手机的参考频率作出调整，从而可以微调手机发射的工作频率。手机的发射频率经由BS接收后，再由BS判断，若误差超过标准，由BS经SACCH信道重新作出调整，直到手机的发射频率误差在正常和极限条件下均可满足要求为止。
d．接口
射频电路与基带电路之间有许多接口，包括模拟的和数字的。主要的接口如下。
I、Q接口：接收通路产生的I、Q信号送入基带进行解调，并最终变成语音信号，而发送通路所需的I、Q信号则来自基带，经过射频电路的调制并加载波后发射出去。
SEN、SDATA、SCLK接口：这3个接口是基带电路和射频电路之间的数字控制接口，能实现对射频电路很多功能的控制，包括对接收机增益及频率合成器的控制。
AFC接口：来自基带电路，实现对VCTCXO的频率控制。
RF_CLK接口：与基带电路相接，为基带电路提供精确的参考时钟。
TX_RAMP接口：来自基带电路，与来自耦合器的信号进行比较，以实现对功放的功率控制。
4.2.2基带单元
在无线通信系统中，基带信号构成发射机的调制信号。GSM系统中所传输的是二进制数字信号，发射时有信源编码、信道编码、交织、突发脉冲格式化、加密和调制，通过这些处理将模拟信源信号变换为数字基带信号；接收时有解调、解密、突发脉冲格式化、去交织、信道解码和信源解码，经过与发射相反的信号处理，将数字基带信号变换为模拟信源信号。这些处理过程如图6所示。
手机的基带部分采用专用芯片设计，专用芯片是以微处理器、微控制器和基带接口芯片为核心的大规模集成电路。数字信号处理器实现手机语音编解码、自适应均衡、加密和解密算法；微控制器实现对手机操作和通信协议运行的控制；基带接口芯片实现基带信号调制/解调和A/D、D/A转换。基带还提供语音、数据接口和人机对话等所必要的配套能力，作为个人通信标志的SIM卡，也配置在基带。全部系统软件和应用软件存储在基带的快闪存储器(Flash ROM)内。
下面介绍一种手机基带设计方案，该方案可以支持GPRS。
本方案基带单元的工作是围绕两个主要芯片进行的：GSM处理器U1和基带接口U2。
图7为基带部分的原理框图。框图中有两个晶振，其中13MHz晶振为手机的参考频率，要求频率精度比较高。而32kHz的晶振主要是为各部分的省电模式提供基准频率。
a．微处理器U1功能介绍
U1主要由16bit 数字信号处理器(DSP)、32bit微处理器(MCU)和外围接口三部分组成，功能框图如图8所示。
Ⅰ．数字信号处理器（DSP）
DSP专门实现语音编解码、信道均衡和信道编解码以及信号强度测量等功能。实现这些功能的代码通常存储于外部快闪存储器，并根据需要动态下载到DSP的程序RAM和缓存。
DSP集成了两个协处理器以及缓存/程序控制系统。运算协处理器的主要工作任务是进行加密/解密的运算。维特比协处理器的主要任务是完成信道均衡和信道编解码。缓存/程序控制作为DSP与内部、外部的存储单元之间通信的中介和控制系统，提供足够的地址空间，完成各部分功能的时序控制。
DSP可以通过缓存系统对存储在快闪或内部RAM中的代码进行访问，缓存系统可以自动地下载需要的代码。
Ⅱ．FMCU
在GSM系统中，MCU子系统的主要功能是执行GSM协议层软件、人机界面软件和其他用户应用软件。它由ARM7中央处理器、内部ROM、时钟发生器和存取控制模块构成。与ARM相连的总线管理模块控制ARM直接与外围总线、系统RAM总线或外部总线中的一个进行存取。
Ⅲ．外围接口
U1外围接口包括键盘、存储器、显示驱动、SIM数据接口以及它进行各种处理所需要的通信接口。
b．音频接口芯片U2功能介绍
U2功能如图9所示。它主要由基带处理(信号调制/解调)、辅助处理和音频处理三大部分组成，每一部分与微处理器之间的通信是通过串行总线进行的，其中：基带串口处理与RF接口的I、Q信号；辅助串口处理所有与编解码有关的控制信号、ADC数据以及DAC数据；音频串口处理语音信号。
Ⅰ．基带处理部分从头至尾始终是模拟信号，它为话筒和扬声器直接提供驱动接口；提供免提和外部汽车设备接口；提供独立的输入输出信道。输入输出增益为用户提供最大灵活性的可编程特性。
发射通路将基带串口接收的上行I、Q信号送入GMSK调制器，调制后送进两个高速DAC，再送入射频发射机，基带处理的调制/解调器为双信道。
其接收通路将射频接收机送来的平衡I、Q信号首先被取样，然后送入两个Σ—Δ调制器以减少量化噪声，ADC之后的I、Q信号经过高性能数字滤波器以滤除邻道噪声和量化噪声。
Ⅱ．辅助处理部分主要包括控制寄存器、ADC’S、DAC’S。
Ⅲ．音频处理部分主要处理音频信号的变换。
c．电源管理及充电
手机电源系统通常采用电源管理模块集中控制，该方案电源管理模块提供4个LDO，这4个LDO根据电路特点和实际需要均进行了性能上的优化，每个LDO都有各自的特点。
数字LDO：数字LDO在开机后始终需要开启，因此LDO对低负载时的静态电流进行了优化。
模拟LDO：模拟LDO同样始终开启，因此对静态电流要求也很高。同时，由于需要与射频部分进行连接，所以要加强低频纹波滤除。
晶振LDO：晶振LDO要求具有良好的噪音特性。
实时钟LDO：实时钟LDO为备用电池充电，即使在关机时它都要工作。
手机充电可以采用线性充电模块，外部用一个PMOS管作为开关管。充电的前一段时间为恒流，当电池电压达到4.1V/4.2V时，变为恒压充电。该方案的充电电路集成在电源管理模块中。
d．显示接口
LCD的接口模式有并行和串行两种，本方案中LCD与MCU的接口为串行模式，在每个时钟的上升沿输入一位串行数据。在8位串行数据都进入之后，串行数据转变为8位的并行数据在驱动模块中进行下一步处理。驱动模块内置显示RAM，一个RAM位和一个LCD的点相对应，这样就可以通过改变这个RAM位的内容而改变LCD的点的状态。
e．射频与系统接口
Ⅰ．基带与射频部分的接口：
基带I/Q接口信号，如IP、IN、QP和QN；
串行数据信号，如SYNTHDATA、SYNTHEN和SYNTHCLK，是基带部分为RF提供控制信号的串行通信接口；
射频时钟及控制信号，如RF_CLK、AFC、TX_RAMP；
温度检测信号，如TEMP_SENSE。
Ⅱ．基带部分的系统接口：地(GND)、数字电源、模拟电压、通用系统接口0～6(USC 0～6)、耳机接口、充电器电源接口。
4.2.3 人机接口
人机接口是进行移动通信的人与提供移动通信服务的手机之间交往的界面，如图10所示。它包括硬件和软件：硬件有键盘、显示屏、话筒、扬声器和SIM卡等；软件有菜单与电话簿功能、公众移动网功能、用户SIM卡功能、基本人机界面功能。
4.2.4 软件
参见图11，GSM软件包括基带单元内部功能电路的运算程序和执行通信协议的第一、二、三层的运行程序。图中虚线左方是基本的GSM软件，右方是增加GPRS功能的软件部分。
4.2.5 SIM卡
SIM卡是由一块大规模集成电路芯片制成的。在GSM数字移动通信网中，每一位用户都有一张SIM卡，必须将其插入手机，用户才能进行通话。没有插入SIM卡的手机，仅可发出紧急呼叫，其他所有功能都不能使用。在GSM移动通信中采用了SIM卡技术，使无线电通信从不保密的处境中解放出来。
目前使用的SIM卡有两种：一种称为大卡，尺寸为85mm×54mm；另一种称为小卡，尺寸为25mm×15mm。不管大卡或小卡，所装的集成电路都一样。有些大卡上嵌装小卡，可将小卡拆下使用。目前通用的是小卡。随着网络增值业务的不断开通，STK卡也开始流行，它可以提供银行等多种业务，同时卡的容量也大于一般的大、小卡，STK卡可以存储100个电话号码。
SIM卡有客户与手机分离(人机分开)、通信安全可靠、成本低而结实耐用等特点。
SIM卡存储的内容包括：a. 用户识别号码，即代表用户的电话号码。b. 用户密钥和保密算法。它们既能鉴别用户身份，防止非法进入网络，又能使无线信道上传送的用户数据不会被窃取，从而杜绝了“孖机”现象。c. 个人识别码(PIN码)和SIM卡个人开锁码(PUK码)。PIN码是SIM卡的个人密码，可防止他人擅用SIM卡；当PIN码按错后，可亲自用PUK码来开锁。d. 用户使用的存储空间。用户可将一些固定短消息，电话号码本等个人信息存入SIM卡中。
