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标  题: GSM手机基带设计技术
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标  题: GSM手机基带设计技术
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GSM手机基带设计技术

Baseband Design Technology for GSM Handset

杨　彬

摘要：本文介绍了基带在手机中的作用、基带所要完成的功能、基带语音信号传输流程、
基带实现通信协议的工作流程以及基带的技术实现及芯片的构成。
关键词：GSM　基带电路　电路设计

1　基带在手机中的作用
　　移动台的硬件结构可分为两大部分：射频部分和基带部分(见图1)。从图1也可看出基
带电路在手机中所起的作用。

图1　移动台原理框图

　　在数字通信系统中，信息的传输都是以数字信号的形式进行的，因而在通信发送端必
须将模拟信号转换为数字信号，在接收端将数字信号还原成模拟信号。移动通信中处理的
信息包括语音、数据和信令信息，而处理最多的信息是语音信号，因此高质量低速率的语
音编码技术可以提高数
字通信网的系统容量。目前已提出了多种适合于移动信道的语音编码技术，其中包括GSM
系统采用的规则脉冲激励－长期预测编码(RPE－LPT)，该编码属于中速率的混合型编码，
纯语音编码速率为13kbit／s。
　　在移动环境的通信信道中，由于移动体是处于运动中，多径传播造成的衰落使信道特
性为变参信道。信道时变多径特性造成接收信号电平的起伏现象被称为多径衰落。通常在
移动信道中信号电平的起伏呈瑞利分布时，这种信道称为瑞利衰落信道。GSM系统采用信
道编码技术、隐分集技
术和数字均衡技术来保证通信系统在多径和衰落信道条件下正常工作。信道编码的目的是
提高信号的传输质量，但也增加了要传送的冗余度。编码的要点是在原数据基础上加入一
些由源信息计算得到的冗余信息。解码就利用这些冗余来检测差错或估计接收到的可能的
发射比特。当传输的冗
余与从接收数据中计算得到的不同时，这说明传输中发生了差错。GSM系统中使用的信道
编码有下面几种：
　卷积码：用于差错纠正。当它与来自解调器的似然估计相结合使用时可获得很高的效
率；GSM分别采用卷积速率为1／2、1／3、1／6的卷积码。
　FIRE码：专用于“突发性”差错的检测和纠正，它被级连用于卷积码之后。
　奇偶校验码：用于差错检测。
　　GSM系统采用的隐分集技术包括交织(时间分集)和慢跳频(频率分集)。交织的目的是
反映一个较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码技术消除随机差错。
GSM系统采用慢跳频(270跳／秒)，其作用是频率分集和干扰源分集，以减小干扰电平的平
均值。均衡技术是指对
信道特性的均衡，即接收端的均衡器产生与信道相反的特性，用来抵消信道的时变多径传
播特性引起的码间串扰。GSM采用Viterbi算法的均衡解调技术，可均衡的时延为16μs。
　　在数字传输系统的各种优点中，对用户很重要的一个特征是保护数据不被未授权的第
三方窃知。GSM是通过对传输加密引入这种保护的，重要的一点是加密方法不依赖于要传
输的数据类型(话音、用户数据、信令)，但它只适用于普通突发脉冲。加密是通过对一个
伪随机序列与普通突发
脉冲作“异或”操作实现的。用来产生伪随机序列的算法在GSM规范中称为“A5”算法。
　　GSM系统采用BT=0.3、调制速率为270.833kbit／s的高斯最小移频键控调制方式。这
种调制方式具有包络恒定、相对较窄的带宽、可进行相干解调且满足移动通信中对带外辐
射小的要求。
2　基带完成的功能
　　基带部分可分为五个子块：CPU处理器、信道编码器、数字信号处理器、调制解调器
和接口模块。
　　CPU处理器对整个移动台进行控制和管理，包括定时控制、数字系统控制、射频控制
、省电控制和人机接口控制等。若采用跳频，还应包括对跳频的控制。同时，CPU处理器
完成GSM终端所有的软件功能，即GSM通信协议的layer 1(物理层)、layer 2(数据链路层)
、layer
3(网络层)、MMI(人－机接口)和应用层软件。
　　信道编码器主要完成业务信息和控制信息的信道编码、加密等，其中信道编码包括卷
积编码、FIRE码、奇偶校验码、交织、突发脉冲格式化。数字信号处理器主要完成采用
Viterbi算法的信道均衡和基于规则脉冲激励—长期预测技术(RPE－LPC)的语音编码／解
码。
　　调制／解调器主要完成GSM系统所要求的高斯最小移频键控(GMSK)调制／解调方式。
　　接口部分包括模拟接口、数字接口以及人机接口三个子块。
　　(1)模拟接口包括：
　语音输入／输出接口：用于麦克风、扬声器、蜂鸣器、免提等。
　射频控制接口：产生用于射频控制的模拟量如AGC、AFC、APC等。
　　(2)辅助接口：电池电量、电池温度等模拟量的采集。
　　(3)数字接口包括：
　系统接口：完成数据通信(传真、图象、数据等)、数字音频测试(DAI TEST)、程序的
下载等功能。
　SIM卡接口：用来驱动外部的SIM卡。经过特定的电平变换后，此接口可驱动3V卡、5V
卡、3／5V兼容卡。
　测试接口：利用芯片的边界扫描寄存器来达到测试的目的(通常用于数字信号的测试)
。此测试可确定芯片是否完成所要求的功能、各个功能模块是否正常以及整机是否正常工
作。
　EEPROM接口：主要存储用户数据和射频参数。如手机识别码(IMEI)、语言选择、键盘
锁、双音多频的开／关和射频的校准参数等。
　存储器接口：ROM接口主要用来连接存储程序的存储器FLASH ROM，在FLASH ROM中通
常存储layer1，2，3、MMI和应用层的程序。RAM接口主要用来连接存贮暂存数据的静态
RAM(SRA M)。
　　(4)人机接口包括：
　显示器接口：用来连接串口／并口液晶显示器(LCD)的驱动器。
　键盘／背光接口：用来连接键盘和背光灯。
3　基带语音信号传输流程
　　语音信号传输流程如图2所示，分为上行链路及下行链路。

图2　语音信号传输流程

　　上行链路：来自送话器的话音信号经过8kHz抽样，13bits均匀量化变为104kbit／s数
据流，数据流进入话音编码器进行规则脉冲激励－长期预测(RPE－LTP)编码。PRE－LTP编
码属于中速率混合型编码，为提取特征参数而作的语音分析利用了语音信号的准平稳性，
即在10～20ms的短时间
内可认为语音的特征参数不变。因此可将实际语音信号分成短的时间段，在各个段内分别
进行参量提取。GSM系统的编码处理是按帧进行的，每帧20ms，含160个语音样本，经话音
编码后为260bits的编码块，即话音编码后的信号速率为13kbit／s。同时，GSM标准
(PHASE
2＋)要求移动台对语音进行检测，将每个时间段分为有声段和无声段。在有声段，进行语
音编码产生编码语音帧；在无声段，对背影噪声进行估计，产生SID帧(静寂描述帧)。发
射机采用不连续发射方式，即仅在包含语音帧的时间段内才开发射机。SID帧是在语音段
结束时发射的。接收端根
据收到的SID帧中的信息在无声期内插入舒适噪声。
　　13kbit／s话音信号进入信道编码进行编码。对于话音信号的每20ms段260bits，信道
编码器首先对话音信号中最重要的Ia类50bits进行分组编码(CRC校验)，产生3bits校验位
，再与132bits的Ib类比特组成185bits，再加上4个尾比特“0”，组合为189bits，这
189bits再进入1／2速率卷
积编码器，最后产生出378bits。这378bits再与话音信号中对无线信道最不敏感的Ⅱ类
78bits组成最终的456bits组。同样，对于信令信号，由控制器产生并送给信道编码器，
首先按FIRE码进行分组编码(称为块编码)，然后再进入1／2卷积编码，最后形成456bits
组。因此信道编码后信道传
输速率为22.8kbit／s。
　　编码后的话音和信令信息再进入交织单元。首先将这456bit进行语音块内交织，并分
成长为57bit的八个子块。不同语块之间的交织深度为2，在进行相邻语音块的块间交织后
进入加密单元。
　　加密是通过对一个伪随机比特序列与普通突发脉冲的114个有用比特作“异或”操作
实现的。伪随机序列由突发脉冲信号和事先通过信令方式建立的会话密钥得到的。用来产
生伪随机序列的算法在GSM系统规范中称为“A5”。加密后的数据进入突发脉冲格式化单
元。
　　在突发脉冲格式化单元中，114bit数据流被加入训练序列及头、尾比特组成
156.25bit(包括8.25防护比特)的突发，这些突发被按信道类型组合到不同的TDMA帧和时
隙中去。突发脉冲格式化便于信息的接收、同步、均衡和信息分类处理。经格式化后的数
据进入调制器。在调制器中对格
式化后的数据进行GMSK调制。
4　基带实现通信协议的基本介绍
　　物理层、数据链路层、网络层和应用层等所有GSM手机网络协议软件将下载到手机基
带部分的闪烁存储器中(FLASH ROM)。在研究开发阶段可利用此功能下载测试程序来判断
手机各个部分是否正常工作，设置校准参数等。
　　基带实现通信协议的工作流程如图3所示：

图3　基带下载通信协议示意图

　将终端适配器同手机的系统连接器相连。
　手机将自动检测外部终端适配器。手机处于CPU自举模式(数据下载模式)等待PC机传
送相应的设置参数(例如：8bit或16bit数据传输、起始地址、传输速率等)。PC机应根据
手机的外围器件来设置手机所要求的参数。
　当手机接收到设置参数之后，将传送应答信号给PC机。
　PC机收到应答后即开始按照设置的传输速率传送网络协议。通常传输速率可设置为
9.6kbit／s、14.4kbit／s、38.4kbit／s。
　当网络协议传送完毕后手机立即运行网络协议，此时手机处于正常操作模式。
5　基带技术实现及芯片的构成
　　目前手机发展趋势是小型化、省电、高可靠性，所以手机的基带芯片均采用专用集成
电路。各个芯片厂商基带芯片的组成可能不同，但其基带芯片所完成的功能基本相似。按
目前水平基带芯片通常为两片，若有单芯片的基带电路，其本质也是两个芯片用多芯片组
装工艺形成的。在两块
芯片中，一片由信道编码、数字信号处理器、CPU组成。在CPU的控制下完成各种算法，包
括语音编／解码算法、基于Viterbi算法的信道均衡、软判决算法、交织／去交织算法、
加／解密算法、信道编／解码算法(卷积码、FIRE码、奇／偶校验码)等。另一片主要完成
射频控制(AFC、AGC、AP
C等)、GMSK调制／解调器和A／D、D／A变换。
6　结束语
　　目前，GSM单、双频手机，WCDMA手机以及未来第三代IMT－2000手机的蓬勃发展对基
带芯片的要求越来越高：功耗小、体积小、DSP处理速度快、多种数据处理功能等。提高
基带芯片性能将直接影响手机竞争力。在移动通信系统高速发展的今天，我们应把握机遇
大力发展民族移动通信，
使国产手机在手机市场中占有一席之地。

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                       人类失去通信,世界将会怎样
术上保证了GSM手机的顺利开发，使TCL品牌的移动电话产品系列不逊色于洋品牌。
                        ....巴比龙闭关修炼中....

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