手機的基本原理

手機基本原理

培訓(xùn)教材1.概述

我們常用的移動電話按制式有GSM,CDMA,WCDMA,TD-SCDMA,PHS等。由于其基本功能都是進行語音通訊的，所以本文即以移動電話在語音通訊中的基本原理作一個簡單介紹。語音通訊包括語音發(fā)送和語音接收兩個部分，兩個相對的過程基本類似，本文主要以發(fā)送過程為例討論。另外不同制式采用的語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為例來進行討論。2.基本的電路單元介紹1)

麥克風(fēng)(Microphone)MIC的基本功能是把語音信號轉(zhuǎn)化為便于傳送的電信號，通話中用于接收講話語音。常用的駐極體麥克風(fēng)內(nèi)部有一個場效應(yīng)管放大器，所以需要提供一個直流工作電壓，因此一般的麥克風(fēng)電路上有一個直流電壓通過一個幾千歐姆的電阻(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，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器件位置的兩個引腳上都接有ESD器件(圖中R142和R120)。一個典型的MIC電路如右圖所示。常用MIC的交流阻抗(1KHz)一般為2.2K。2)

揚聲器(Speaker)SPK的基本功能是把電信號轉(zhuǎn)化為語音信號便于使人耳聽到，主要用于有來電時播放來電鈴音、鬧鐘的鈴聲以及免提通話時發(fā)出語音等，也叫做喇叭。常用的一般為8歐的動圈式定阻揚聲器，由于推動揚聲器需要的功率較大，所以一般還有一個功率放大芯片，有的機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引腳上都接有ESD器件加以保護。在早期的手機或者一些超低端機上沒有Speaker,而采用一個蜂鳴器(Buzzer)發(fā)出類似電子琴聲的單音音樂來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轉(zhuǎn)化為語音信號的，主要用于通話時播放對方的話音，一般為一個32歐(1KHz)的耳機，直接接受來自基帶主芯片送出來的語音信號。同樣在靠近器件位置的兩個引腳上也有ESD器件加以保護。4)

天線(Antenna)ANT的基本功能就是發(fā)送和接收無線電信號。一般一部手機只有一個天線，通過電子開關(guān)和雙工器來實現(xiàn)同時完成發(fā)送和接收功能。手機的外置天線一般有螺旋天線等，內(nèi)置天線常見的有平面倒F型(PIFA)天線、PCB天線等。5)

天線開關(guān)(Switch)

天線開關(guān)實際上是一個單刀多擲的波段開關(guān)，通過幾個數(shù)字信號控制天線切換連接到各個不同的頻段和收發(fā)狀態(tài)。下表為常用的CXG1190AEQ-T2天線開關(guān)在P609A2項目中的邏輯關(guān)系：一般如果需要在時間上存在復(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關(guān)。Sel1Sel2Sel3天線連接狀態(tài)HHLGSM900TXHLLGSM1800/1900TXLHHGSM1800RXLHLGSM1900RXLLHGSM900RXLLLWCDMA850RX/TX6)

雙工器(Duplex)

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

綜上可知，如果需要在時間上存在復(fù)用的話就需要用到天線開關(guān)，而CDMA/WCDMA等手機工作時發(fā)射、接收同時進行，所以單靠天線開關(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的則兩種器件可能都會用到?？偨Y(jié)如下表所示：

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

(頻分雙工)TDMA

(時分復(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

(時分雙工)CDMA

(碼分復(fù)用)有-PHSTDD

(時分雙工)TDMA

(時分復(fù)用)有-7)

定向耦合器(Coupler)

定向耦合器用于檢測手機發(fā)射的功率大小，它一般在射頻功放輸出與天線開關(guān)或雙工器之間，從功放輸出的功率基本上全部通過定向耦合器進入天線開關(guān)或雙工器到達天線發(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功率檢測電路用于檢測得到發(fā)射的實際功率以便實現(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濾波。它通過一個叉指形換能器結(jié)構(gòu)使射頻信號產(chǎn)生一個聲表面波，然后通過聲表面波的共振傳播在輸出端再產(chǎn)生出射頻信號，借助聲表面波的頻率選擇性實現(xiàn)帶通濾波功能。9)

低噪聲放大電路(LNA),可變增益放大器(VGA/DVGA)

低噪放電路用于射頻信號的前置預(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，防止靜電對其他器件的損壞，當(dāng)靜電電壓低于某一值時器件是不工作的，當(dāng)靜電電壓超過該值時器件即相當(dāng)于對地短路使靜電瀉放掉從而起到保護作用。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，可以保護一切傳導(dǎo)的或者輻射的電磁信號對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振蕩電路，加上電壓后就可以產(chǎn)生一定頻率的信號。晶體壓控振蕩器(VCO)是輸出信號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)生一個精確頻率的信號。10)

功率放大電路(PowerAmplifier,簡寫PA)

射頻功放電路位于發(fā)射通路的最末端，用于對發(fā)射的射頻信號進行功率放大以達到要求的功率值然后通過天線發(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，可以滿足多個頻段的信號放大。13)

鎖相環(huán)路(PhaseLockLoop)

當(dāng)手機電路工作在某信道上時必須要產(chǎn)生一個誤差不超過0.1PPM的正弦波信號，產(chǎn)生這一信號的頻率合成電路其核心就是一個鎖相環(huán)路(PLL)。基本的鎖相環(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精確的輸入頻率進行鑒相，鑒相器輸出的是兩個信號的相位之差，如果兩個信號的頻率有微小差異，通過混頻電路可能檢測不出來，但在微觀上會表現(xiàn)為一個信號的相位慢慢落后于另一個信號，經(jīng)過一段時間積累，兩個信號的相位可能有一定差別，鑒相器會輸出這個差異信息經(jīng)過環(huán)路的低通濾波器變成一個直流電壓來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)定下來之后則輸出頻率嚴格的跟蹤輸入頻率達到完全相同即所謂的環(huán)路鎖定?；镜逆i相環(huán)路實際上用處不大，實際中的鎖相環(huán)路都是基本鎖相環(huán)的變形和應(yīng)用。手機電路中的頻率合成電路其實就是基于鎖相環(huán)電路的。F1F014)

頻率合成電路手機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就可以得到任意分數(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分頻器基準頻率信號源F÷R基準頻率F輸出頻率FoFo÷MF÷R=Fo÷M可知，當(dāng)環(huán)路鎖定時，檢相器的兩路輸入頻率嚴格跟蹤，即所以得到：Fo=F×M/R15)

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

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

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

不同制式的手機其頻率分配不同，而且由于頻譜資源有限，需要在有限的頻率帶寬上同時為多個用戶提供通信，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信道，每個用戶占用一個信道(頻率帶寬)通信互不干擾。這是一種最基本的多址方式，基本上大部分移動通信設(shè)備都采用了信道劃分(實際上相當(dāng)于FDMA)。PowerTimeTDMA/FDMAFrequency2)

時分多址(TDMA)TDMA的原理如下。它采用了時間分割技術(shù)，在某一頻點上，通過時間軸上分割出多個時隙，一個手機占用其中確定的一個時隙，間隔一定的周期該時隙重復(fù)出現(xiàn)，也就是通信數(shù)據(jù)實際上是在斷續(xù)發(fā)送的。但是由于在發(fā)送時隙其數(shù)據(jù)發(fā)送的速率比通話數(shù)據(jù)的實際速率要快的多，也就是說在一個時隙已經(jīng)發(fā)送了間隙沒有發(fā)送時積累的所有數(shù)據(jù)，所以通信數(shù)據(jù)不會丟失，通話仍然是連續(xù)的，不過數(shù)據(jù)相對于實際產(chǎn)生的信號是有一定時間延遲的。選擇合適的時隙間隔，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TD-SCDMA采用的不是各個用戶之間的時隙分割，而是上下行信號(發(fā)送和接收)之間的時間分割即時分雙工模式(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區(qū)分不同用戶的數(shù)據(jù)?？梢耘e一個形象的例子，一個房間里三對人分別互相講話，一對用漢語，一對用英語，另一對用法語，并且他們?nèi)我鈨蓪χg語言互相都不相通，那么雖然講話的聲音可以互相聽到，但卻不會互相影響到別人的講話。其他人的聲音對講話者來說只是相當(dāng)于一個不相干的噪音罷了。CDMA和這種情況比較類似，接收方通過用自己唯一的正交地址碼進行解碼即可得到自己所要接收的語音數(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)和時分雙工(TDD)，如下圖所示。頻分雙工(FrequencyDivisionDuplex)FrequencyAmplitudeTimeF1F2TxRxF1時分雙工(TimeDivisionDuplex)FrequencyTimeTxTxRxRxAmplitudeF1

頻分雙工對每一個信道需要一組上下行頻率對F1和F2，發(fā)射、接收各占一個頻點，如GSM,CDMA2000,WCDMA就采用了FDD。而時分雙工只需要一個頻點，在不同的時隙分別進行接收和發(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各種不同的通信制式分配了各自的通信頻率。常見的有：

(1)GSM，在我國和歐洲主要有900MHz和1800MHz兩個頻段，在澳大利亞和北美主要采用了850MHz和1900MHz兩個頻段。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制式的手機頻率分配及信道劃分參見附件所示：

(2)WCDMA主要有850MHz和2100MHz兩個頻段，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由于采用了時分雙工，所以不需要上下行頻率對，發(fā)射、接收是在同一個頻段的，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.手機基本工作原理

本部分將從一個基本的GSM語音通信為例介紹一個完整的語音信號傳送過程，從而說明手機通話工作的基本原理?！獜幕菊Z音通話中信號的傳送過程談起1)

語音的PCM編碼手機麥克風(fēng)接收到人講話的語音信號后會將其轉(zhuǎn)化成為一個電信號送入手機主芯片，首先經(jīng)過語音放大，然后就需要把連續(xù)的模擬語音信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字編碼信號了，這個過程主要就是數(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音信號了。這樣按照8bit的量化等級，語音經(jīng)過PCM編碼的數(shù)據(jù)速率即為64KBit/S，也就是說每秒鐘產(chǎn)生64000位的二進制數(shù)據(jù)。2)RPE-LPT語音編碼通過PCM編碼得到的速率為64KBps的原始語音數(shù)據(jù)含有大量的冗余信息，一般都需要經(jīng)過一定壓縮算法的所謂語音編碼才能進行發(fā)送。關(guān)于語音編碼本身就是通信領(lǐng)域一門專門的學(xué)問，本文不作詳細討論。下表是幾種常見的語音編碼方法比較。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-線形長期預(yù)測)編碼，由上可知得到的是速率為13KBps的語音編碼數(shù)據(jù)流，即每秒鐘13000位數(shù)據(jù)，也就是說每20mS有260位二進制數(shù)據(jù)信息。3)

信道編碼——糾錯碼、卷積碼信道編碼比較復(fù)雜，為了防止傳送誤碼對講話質(zhì)量的影響，所以需要加入9.8KBps的糾錯碼形成22.8KBps的數(shù)據(jù)流以防止誤碼出錯。這9.8KBps是這樣加入的：由于13KBps的數(shù)據(jù)中每20mS有260位二進制數(shù)據(jù)，首先按照RPE-LPT編碼的原理對這260Bit數(shù)據(jù)進行分類，其中包括182位“1類”比特和78位“2類”比特，“2類”比特對語音質(zhì)量影響不大所以不作糾錯處理，對余下的182位“1類”比特先加上3個奇偶校驗位及4個尾比特共得到189位，然后進行1/2速率信道編碼(分組及卷積碼)后長度加倍為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)過卷積編碼后的數(shù)據(jù)就具有一定的糾錯功能，當(dāng)出現(xiàn)偶然的誤碼后，卷積碼可以計算出誤碼并糾正過來。但是對于連續(xù)的突發(fā)誤碼則無法恢復(fù)，所以才需要進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行糾錯。4)

信道編碼——交織碼下來每20mS有456Bit的22.8KBps數(shù)據(jù)流要進行交織編碼。交織需要兩個連續(xù)的20mS共912Bit數(shù)據(jù)進行。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57bit數(shù)據(jù)塊，共16個57Bit數(shù)據(jù)塊再進行一次前后交錯組合形成最后的8組114bit分8個TDMA數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。這些都是在手機主芯片的DSP部分進行高速運算的。交織碼實際上相當(dāng)于每40mS的語音數(shù)據(jù)信息在順序上進行了重新排列，前后時段信號交錯，使傳輸中出現(xiàn)的集中性突發(fā)誤碼變換為分散性誤碼，以便用卷積編碼進行糾錯。因此，交織本身不提供鑒錯與糾錯能力，但是通過卷積碼的聯(lián)合作用使得語音質(zhì)量得到了均衡和提高，如下圖示。456bitsfrom20msofspeech456bitsfrom20msofspeech57575757575757575757575757575757575757575757575757575757575757TCH5)

數(shù)據(jù)加密(1)

這個過程稍微復(fù)雜，由于它與移動電話的鑒權(quán)有關(guān)，移動電話(以下簡寫為：MS,即移動臺)在建立通話之前先要通過鑒權(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)生一個隨機數(shù)RAND并發(fā)送給MS。同時VLR從AC(AuthenticationCentre,鑒權(quán)中心)查到該用戶的Ki值，該Ki和用戶SIM卡中存儲的Ki相同(在該卡生產(chǎn)時就做好)。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進行鑒權(quán))和Kc(用于數(shù)據(jù)加密的一個最主要參數(shù))。計算關(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進行鑒權(quán)，如果雙方各自計算出的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值，所以這樣就實現(xiàn)了不在空中傳遞Ki卻驗證了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Kc值用A5算法還原數(shù)據(jù)，然后再通過網(wǎng)絡(luò)傳送。加密算法如下：A5KcSRESTDMA幀號語音數(shù)據(jù)圖1(c)7)

數(shù)據(jù)加密(3)

上圖中的計算參數(shù)“TDMA幀號”是該TDMA幀在它所處的超高幀(2715648幀為一超高幀，共3小時28分53.760秒，有的資料稱為巨幀、高幀等)中的幀號。所以在近三個半小時的通話中對每一幀數(shù)據(jù)加密的參數(shù)都是不同的，有利于語音的保密。①加密后數(shù)據(jù)長度沒有變化，仍為22.8kbps，即每20mS共456bit二進制數(shù)據(jù)。②這里共提到了A3、A5和A8三個算法，A3是為了鑒權(quán)驗證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用，所以中國移動和中國聯(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，因為在這之前的數(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的時間給其它用戶使用呢？由于GMSK調(diào)制傳遞數(shù)字信號的速率是270.83kbps,而語音數(shù)據(jù)速率只有22.8kbps,相差10多倍，所以是可以實現(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)送時長為0.577mS(8時隙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4.615mS內(nèi)產(chǎn)生的所有語音數(shù)據(jù)，實際上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(每一時隙快出約5-4.615=0.385mS),過13幀就會快出大約一個4.615mS的時間，就必須等待一下。當(dāng)然GSM的制定者并沒有放棄這1幀時間，它規(guī)定每26幀為一個復(fù)幀，其中多出來的2幀用于傳送別的控制信息(SACCH信息)，如下圖。當(dāng)然這樣在長時間的通信過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57bit的所謂子時段。它在這156.25bit內(nèi)是這樣安排的：3bit尾比特、57bit子時段、26bit訓(xùn)練序列、57bit子時段及3bit尾比特對稱分布，而在兩個子時段與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的保護時間總共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)

還有一點需要說明，由于交織編碼需要連續(xù)兩個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)送順序與語音數(shù)據(jù)產(chǎn)生的順序是不一致的。所以這樣一來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音，因此我們在電話中聽到的語音總有至少40mS的時延，這也是GSM規(guī)范所定義的時延值。當(dāng)然人的耳朵時聽不出來這40mS時延的。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40mS×340M/S=13.6M,換言之40mS的時延相當(dāng)于聲波多走13.6米而已，人耳是感覺不到時延的。11)

數(shù)據(jù)調(diào)制——調(diào)制方法分類

語音數(shù)據(jù)只有加載到射頻載波上通過天線發(fā)射出去才能達到通訊的目的，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)為例來進行介紹。

相對于模擬信號調(diào)制的調(diào)頻(FM)、調(diào)相(PM)和調(diào)幅(AM)，數(shù)字信號的調(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)制可以分為二進制數(shù)字調(diào)制和M進制調(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)制還可以分為無記憶調(diào)制和有記憶調(diào)制。若從數(shù)字序列映射為信號波形{si(t)}是有一定的約束條件，即在碼元間隔的符號波形取決于一個或多個前面碼元間隔發(fā)送的波形，則稱調(diào)制為有記憶的。若無任何約束條件，則此調(diào)制為無記憶調(diào)制。

按照以上的分類原則，GMSK屬于2進制的數(shù)字頻移鍵控(2FSK)，又屬于有記憶的非線性調(diào)制。12)GMSK調(diào)制的特點通過GMSK調(diào)制的以下特點可以更加清楚的理解它的工作原理。類型特點2FSK(二進制頻移鍵控):二進制信號的頻率調(diào)制。已調(diào)波通過載波頻率增大或減小一個頻偏量來代表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.即導(dǎo)數(shù)不連續(xù)）

GMSK(帶高斯濾波的最小頻移鍵控):使基帶信號先成形為高斯形脈沖，再進行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：速率為270.833KbPS的二進制數(shù)字信號調(diào)制信號經(jīng)編碼后形成114bit的TDMA幀與訓(xùn)練比特、保護比特等組成156.25bit的突發(fā)脈沖幀由于時分復(fù)用,故只在特定時隙的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

時隙分割原因,對突發(fā)脈沖的功率/時間包絡(luò)確定了嚴格的規(guī)范。13)GMSK調(diào)制的發(fā)射功率控制

由于移動通信組網(wǎng)的遠近效應(yīng)影響，通信過程中必須對手機的發(fā)射功率進行動態(tài)控制，以便能正常通信且不至于對其他手機干擾。對于GSM手機規(guī)定了嚴格的功率等級，手機發(fā)射的功率在每一級功率控制電平上必須滿足ETSI規(guī)定的功率要求。

對于GSM900MHz頻段每一級功率控制電平的標(biāo)稱功率和允許誤差如下頁表1(對于classⅣ移動臺)。

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Level1819171415131610119126758

對于DCS1800MHz頻段每一級功率控制電平的標(biāo)稱功率和允許誤差如下頁表2(對于classⅠ移動臺)。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Level131412159108115647120314)GMSK調(diào)制的功率-時間包絡(luò)

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

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

已調(diào)射頻信號的放大和發(fā)射GMSK調(diào)制輸出的射頻突發(fā)脈沖需要通過功放(PA)電路進行射頻功率放大然后才會送到天線發(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上，自動功率控制電路(原理類似于接收通路的自動增益控制電路)由功放、功率檢測、自動功率控制信號等進行閉環(huán)控制。由于時分復(fù)用的原因，發(fā)射時隙(長度為577uS)的重復(fù)周期為4.615mS，所以發(fā)射控制信號的重復(fù)頻率約為217Hz，下面的右圖即表示了217Hz的發(fā)射控制信號波形。功放發(fā)射控制自動功率控制信號輸入信號輸出Level19---level55dBm----33dBm電源16)GMSK調(diào)制的原理

通過前面已經(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天線發(fā)射出去，就產(chǎn)生了射頻突發(fā)脈沖。經(jīng)過射頻放大以后通過天線發(fā)射出去的就是這個射頻突發(fā)信號。

下面GMSK調(diào)制的原理刪除。直接講一些常見測試指標(biāo)的原理和測試。5.幾個常見的測試指標(biāo)介紹

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