Устройство телефонов стандарта GSM

При включении телефона первым делом начинает работать низкочастотная часть (т.е. процессор), внешним проявлением жизнедеятельности которого обычно является засветившийся экран, звуки музыки или в особо отсталых моделях просто писк и зажигание светодиодов. Но это только внешняя сторона дела и пока телефон поёт и пляшет, процессор занят чтением информации из SIM-карты и конфигурированием радио части телефона.

Приёмник включается под управлением процессора и немедленно начинает слушать эфир в диапазоне GSM в поисках информации о присутствующих вокруг сетях. Таковая информация непрерывно транслируется всеми сетями. Если находится родная сеть SIM-карты (или роуминговая (?) сеть), то телефон выбирает базовую станцию с наиболее благоприятным сигналом и между телефоном и сетью начинается обмен информацией. Телефон подстраивает свою частоту и временную базу под обслуживающую его базовую станцию и запрашивает разрешение на регистрацию.

После проверки личности SIM-карты телефон регистрируется в сети и если ничего более интересного вокруг не происходит, начинает дремать. Не совсем понятно, почему это состояние называется “deep sleep”, на глубокую спячку это похоже так же как сон человека, который каждые пять минут вскакивает и бежит к двери с воплем “Кто там?”, но, поняв что там никого нет, снова засыпает. В случае телефона, он просыпается на мгновение, чтобы узнать, нет ли входящего звонка. Глубокий сон очень важен для долголетия (или долгочасия?) батареи.

В терминологии GSM телефон (терминал или mobile equipment) является только частью мобильной станции (mobile station), второй его частью является SIM-карта. Честно признаюсь, что не знаю, кто этой терминологией пользуется. Как показывает опыт, она совершенно не нужна - одна моя знакомая называет практически любое железо «эта штука». Замечу, что эта дама – менеджер проекта в компании мобильной связи. Для полноты картины добавлю что она весьма неплохой менеджер.

В собственно телефоне обычно различают высокочастотную (RadioFrequency, RF) и низкочастотную или обрабатывающую (BaseBand, BB) части. Условная граница проходит по IQ-сигналам (In-phase, Quadrature) – смотрите Рисунок 1.

IQ-сигналы на выходе приёмника – это низкочастотные (демодулированные) сигналы, несущие информацию. Они обрабатываются процессором и информация доходит до пользователя в звуковой или визуальной форме. На входе передатчика ситуация прямо противоположенная - в данном случае это закодированная информация которые хотите передать вы, например голос при телефонном разговоре.

Приемопередатчик находится полностью под управлением процессора, который программирует частоты синтезатора, задаёт коэффициенты усиления и диапазоны, управляет усилителем мощности и антенным переключателем, подстраивает частоту кварцевого генератора и занимается массой других необходимых вещей.

В радио части (в дальнейшем – радио) принято отдельно рассматривать приёмник, передатчик, источники стабилизированного напряжения, блок синтезаторов частоты, передающий и кварцевый генератор.

До недавнего времени приёмник и передатчик (за исключением выходного усилителя мощности) выполнялись в одной микросхеме (эту микросхему часто называют трансивером), синтезаторы частот – в другой, а передающий генератор и усилитель мощности – в виде микросборок. Полосовые фильтры приёмного тракта выполняются по технологии поверхностных акустических волн (ПАВ). Задающий кварцевый генератор имеет стандартную частоту 13 или 26 МГц.

Уже сейчас трансивер, синтезаторы и передающий генератор интегрированы в одной микросхеме, а усилители мощности всё чаще выпускаются со встроенным управителем (контроллером) усиления. Следующим шагом будет объединение в одном корпусе усилителя и антенного переключателя. Всё прогрессивное человечество в лице радиоинженеров с нетерпением и трепетом ждёт момента, когда известная японская компания запустит этот чипсет в производство.

Низкочастотную часть можно условно подразделить на цифро-аналоговый интерфейс, источники стабилизированного напряжения, схему заряда батареи, флэш-память и процессор с портами передачи данных (UART, IrDA), интерфейсами SIM, клавиатуры и экрана, шиной данных и адреса.

Приёмники выполняются по супергетеродинной схеме или схеме прямой конвертации, последняя становится всё более популярной и уже сейчас широко распространена. В качестве примера внизу приведена фотография высокочастотной части двух диапазонного модуля GSM с супергетеродинным приёмником. Любой телефон GSM будет построен по одной из этих схем и обладать теми же элементами, хотя, выбор конкретных деталей и их размещение на плате зависит от инженера-проектировщика.

Для предотвращения влияния различных частей телефона друг на друга и устройства целиком на окружающий мир, оно закрывается металлическим экраном. Применяются или цельные экраны или конструкция с боковыми стенками и плотно сидящей на них крышкой. Есть и более экзотические решения где экран штампуется из относительно мягкого материала и пристёгивается, а не припаивается к печатной плате.

На рисунке 3 показан тот же модуль что и на рисунке 2, но уже с экранирующими стенками.

На обратной стороне платы смонтирована низкочастотная обрабатывающая часть.

Полный размер устройства 45х31х5.5 мм. При использовании приёмника прямой конвертации, более интегрированного трансивера и усилителя мощности со встроенным детектором-управителем усиления, удаётся разместить и высоко- и низкочастотную секции на одной стороне платы размером 45х31 мм у уменьшить толщину устройства до 3.2мм.

Всё устройство собирается по схеме поверхностного монтажа, когда на печатную плату наносится припой в виде пасты, а детали просто «приклеиваются» сверху. Потом производится нагрев и паста превращается в металл. Круг видимый в середине экранирующей структуры на Рисунке 3 служит для того чтобы станку (pick-and-place machine) было за что ухватиться.

Сейчас стандартный размер компонентов 0402 – 1х0.5мм, но всё чаще применяются резисторы и конденсаторы размера 0201 – 0.6х0.3мм.

После сборки телефон калибруют и тестируют. Ходят слухи, что телефоны одной крупной финской фирмы не калибруют из-за очень стабильного дизайна. Мне это представляется маловероятным, потому что производители компонентов зачастую умудряются удивить разработчиков большим разбросом параметров, которые почему-то всегда оказываются «в пределах допустимого».

Разработать хорошо и главное стабильно работающее тестовое оборудование не менее сложно, чем собственно мобильный телефон.

Я неоднократно получал письма с вопросами о Европейской сертификации телефонов. Хочу воспользоваться случаем чтобы вкратце обрисовать ситуацию. Для того чтобы телефон был допущен к продаже, он должен пройти как минимум через серию тестов описанных в документе ETSI TS 151 010-1, он же 3GPP TS 51.010-1, известный среди инженеров под именем «11.10». Этот документ содержит около 4300 страниц. Все новые телефоны проходят через эти тесты. Оговорюсь, что если проходит просто незначительное изменение в конструкции электроники, или корпуса телефона, то процедура значительно упрощается. Телефон сертифицируется целиком, поэтому любые изменения произведённые без ведома или одобрения производителя могут привести к тому что у вас будет плохо работающий аппарат.

Это же относится и к замене программного обеспечения (ПО). Я уже упоминал калибровку телефона. В начале в телефоне записаны стандартные данные настройки приемопередатчика, которые при калибровке заменяются на соответствующие индивидуальному аппарату. При правильной замене ПО эти индивидуальные данные или извлекаются из телефона и после замены записываются обратно или же та область памяти где эти данные хранятся не затрагивается. Любая самодеятельность может привести к тому что в вашем телефоне останутся только стандартные данные, которые могут оказаться совершенно неподходящими для вашего конкретного аппарата.

Сергей Сенин ([email protected])
Опубликовано - 29 мая 2003 г.

Есть, что добавить?! Пишите... [email protected]

Новости:

13.05.2021 MediaTek представила предфлагманский чипсет Dimensity 900 5G