第八章-智能手机工作原理

第八章智能手机工作原理侯海亭8.1手机基本通信过程手机是如何开机的？开机后是如何与基站进行联系的？如何进行待机的？呼叫的时候手机是如何工作的？关机时手机又是如何与基站断开联络的？这些问题在初学者看来都是迷茫的。在本节就以GSM手机为例简要介绍手机的基本通信过程，了解手机在每个环节中的信号控制方式。GSM手机所有的工作过程都是在中央处理器（CPU）的控制下进行的，具体包括开机、上网、待机、呼叫、关机5个过程。这些流程都是以软件数据的形式存储于手机的EEPROM和FLASH中的。8.1手机基本通信过程8.1.1开机过程当手机的电源开关键被按下后，开机触发信号送到电源电路启动电源，输出供电到各部分电路，当时钟电路得到供电电压后产生振荡信号，送入逻辑电路，CPU在得到电压和时钟信号后会执行开机程序，首先从ROM中读出引导码，执行逻辑系统的自检，并且使所有的复位信号置高，如果自检通过，CPU就发送开机维持信号给各模块，然后电源模块在开机维持信号的作用下保持各路电源的输出，维持手机开机状态。8.1手机基本通信过程8.1.1开机过程在开机后，手机的发射机会工作一次，向基站发送一个请求，这时手机的电流会上升到300~400mA，然后很快回到10~20mA，进入守候状态。GSM手机开机工作流程如图8-1所示。图8-1GSM手机开机工作流程8.1手机基本通信过程8.1.2上网过程手机开机后，内部的锁相环PLL电路开始工作，从频率低端到高端扫描信道，即搜索广播控制信道（BCCH）的载频。因为系统随时都向在小区中的各用户发送出用户广播控制信息。手机搜索到最强的BCCH载频对应的载频频率后，读取频率校正信道（FCCH），使手机（MS）的频率与之同步。所以每一个用户的手机在不同上网位置（不同的小区）的载频是固定的，是由GSM网络运营商组网时确定，而不是由用户的GSM手机来决定。手机内PLL锁相环在工作的时候，手机的电流会有小范围的波形，观察电流表，就会发现电流有轻微的规律性波动，说明手机的PLL电路工作正常。8.1手机基本通信过程8.1.2上网过程手机读取同步信道（SCH）的信息后，找出基地站（BTS）的识别码，并同步到超高帖TDMA的帖号上。手机在处理呼叫前读取系统的信息。比如，邻近小区的情况、现在所处小区的使用频率及小区是否可以使用移动系统的国家号码和网络号码等，这些信息都可以在BCCH上得到，手机在请求接入信道（RACH）上发出接入请求信息，向系统发送SIM卡账号等信息。8.1手机基本通信过程8.1.2上网过程系统在鉴权合格后，既对手机的SIM卡做出身份证实，检查是否欠费、是否为合法用户。然后登录入网，手机屏幕会显示“中国移动”或“中国联通”，这个过程也称为登记。这时，手机的相关信息，如移动台识别MIIN、串号ESN（IMEI），便存入基站的访问位置寄存器VLR中，以备用户寻呼。通过允许接入信道（AGCH）使GSM手机接入信道上并分配到一个独立专用控制信道（SDCCH），手机在SDCCH上完成登记。在慢速随路控制信道（SACCH）上发出控制指令，然后手机返回空闲状态，并监听BCCH和公共控制信道（CCCH）来控制信道上的信息。此时手机已经做好了寻呼的准备工作。8.1手机基本通信过程8.1.3待机过程用户监测BCCH时，必须与相近的基站取得同步。通过接收FCCH、SCH、BCCH信息，用户将被锁定到系统及适应的BCCH上。8.1手机基本通信过程8.1.4呼叫过程1.主呼叫当GSM系统手机发出呼叫时，首先，用户在监测BCCH时，必须与相近的基站取得同步。通过接收FCCH、SCH、BCCH信息，用户将被锁定到系统及适当的BCCH上。为了发出呼叫，用户首先要拨号，并按压GSM手机的发射键。手机用锁定它的基站系统的ARFCN来发射RACH数据突发序列。然后基站以CCCH上的AGCH信息来响应，CCCH为手机指定一个新的信道进行SDSSH连接。正在监测BCCH中TS的用户将从AGCH接收到它的ARFCN和TS安排，并立即转到新的ARFCN和TS上，这一新的ARFCN和TS分配就是SDCH（不是TCH）。一旦转接到SDCCH，用户就会先等待传给它的SCCH（等待最大持续26ms或120ms）。8.1手机基本通信过程8.1.4呼叫过程1.主呼叫这个信息告知手机要求的定时提前量和发射功率。基站根据手机以前的RACH传输数据能够决定出适合的定时提前量和功率级，并且通过SACCH发送适当的数据供手机处理。在接收和处理完SACCH中的定时提前量信息后，用户能够发送正常的、话音业务所要求的突发序列消息。当PSTN从拨号端连接到MSC且MSC将话音路径接入服务基站时，SDCCH检查用户的合法及有效性，随后在手机和基站之间发送信息。几秒钟后，基站经由SDSSH告知手机重新转向一个为TCH安排的ARFCN和TS。一旦再次接到TCH，语音信号就在前向链路上传送，呼叫成功建立，SDCCH被腾空。8.1手机基本通信过程8.1.5越区切换移动中的手机，无论是处于待机状态还是通话状态，从当前小区进入另一个小区，使当前小区的无线信道切换到新小区的无线信道上即为越区切换。越区切换分为以下两种情况。8.1手机基本通信过程8.1.5越区切换1．待机状态下的越区切换处于待机状态下的手机，除收听本小区的BCH外，还监听周围6个小区的无线环境（场强、频率、网标）。根据测量结果，将6个基站的基本信息列表报送本基站。基站将此信息报送移动交换中心MSC，MSC进行分析，决定是否要切换、何时切换、切换到哪个基站。当分析结果出来后，若新小区的无线环境比当前小区好则向当前小区发出分离请求，向新小区发出接入请求。接入新小区的过程与前述开机入网的过程相同。8.1手机基本通信过程8.1.5越区切换2．通话状态下的越区切换通话期间，无论是主呼叫还是被呼叫，手机都用语音复帧中的空闲帧测量周边小区的无线环境，并对测量结果进行分析，在慢速随路控制信道SACCH上与基站交换信息。当需要越区切换时，手机转到快速随路控制信道FACCH上，这时不传语音，只传信令，语音信道TCH暂被FACCH代替。手机在FACCH上向基站发出越区切换的请求，基站将此请求上报移动交换中心MSC。MSC根据手机的请求信息查找最佳的替补信道进行转接，在短时间内完成小区的频率锁定、时隙同步，并很快接续到新小区的TCH上。若无最佳替补频道，则转换次佳的信道。如果新小区的信道已经占满，越区切换失败，电话中断，就会出现平时的“掉线”问题。8.1手机基本通信过程8.1.6漫游过程移动手机申请入网登记和结算的移动交换局称归属局，也称家区。当手机移动到另一个移动交换局通信时，称为客区，该用户被称为漫游用户。如果家区有两个重叠覆盖的移动通信网，那么从本网到协议网也是漫游用户。下面看一下自动漫游的过程。设家区用户A携机到客区B，若B区是A地的联网协议区，则家区用户开机后会产生前面所述的搜台、入网过程，并向客区基站报告自身的电话号码及个人识别码。客区基站收悉后将此信息转到本区的MSC，MSC对此用户进行身份鉴别：是否有漫游登记手续，从而确定接收还是拒绝服务。当客区MSC证实漫游用户有效时，将其号码存入本区数据库，并分配给漫游用户一个漫游号码，相当于发给该用户一个“临时户口”，并通过网络链路将此信息通知家区的MSC。这样，家区的MSC便知道了漫游手机的新地址。如果家区用户呼叫该漫游用户，就经家区的MSC转到客区的MSC，建立通信；如果客区的用户呼叫漫游用户，尽管两部手机都在客区，但呼叫信号仍然要先到家区的MSC，经网络转到客区的MSC后再取得联系，然后两个用户就可以通过客区的MSC区域进行通信了。8.2射频电路在对智能手机整机电路原理进行介绍的时候，按无线部分和应用处理器进行区分，在无线部分中又分为射频电路和基带电路，本节主要讲射频电路的工作原理。8.2射频电路8.2.1接收机电路手机接收机主要完成对接收到的射频信号进行滤波、混频解调、解码等处理，最终还原出声音信号。1．接收机信号流程天线感应到无线信号，经过天线匹配电路和接收滤波电路滤波后再经低噪声放大器（LNA）放大，放大后的信号经过接收滤波后被送到混频器（MIX），与来自本机振荡电路的压控振荡信号进行混频，得到接收中频信号，经过中频放大后在解调器中进行正交解调，得到接收基带（RXI/Q）信号。接收基带信号在基带电路中经GMSK解调，进行去交织、解密、信道解码等处理，再进行PCM解码，还原为模拟话音信号，推动受话器就能够听到对方讲话的声音了。8.2射频电路8.2.1接收机电路2．接收机各部分功能电路（1）天线开关天线开关属于接收和发射共用，主要完成两个任务：一是完成接收和发射信号的双工切换，为防止相互干扰，需要有控制信号完成接收和发射的分离，控制信号来自基带处理器的RX-EN（接收启动）、TE-EN（发射启动），或由它们转换而得来的信号；二是完成双频和三频的切换，使手机在某一频段工作时，另外的频段空闲，控制信号主要来自切换电路。8.2射频电路8.2.1接收机电路2．接收机各部分功能电路（2）带通滤波器（BPF）带通滤波器只允许某一频段中的频率通过，而对高于或低于这一频段的成分衰减。带通滤波器在高频放大器前后一般都有。8.2射频电路8.2.1接收机电路2．接收机各部分功能电路（3）低噪声放大器（LNA）低噪声放大器一般位于天线和混频器之间，是第一级放大器，所以叫接收前端放大器或高频放大器。低噪声放大器主要完成两个任务：一是对接收到的高频信号进行第一级放大，以满足混频器对输入的接收信号幅度的要求，提高接收信号的信噪比；二是在低噪声放大管的集电极上加了由电感与电容组成的并联谐振回路，选出所需要的频带，所以叫选频网络或谐振网络。一般采用分离元件或集成在电路内部。8.2射频电路8.2.1接收机电路2．接收机各部分功能电路（4）混频器（MIX）混频器实际上是一个频谱搬移电路，将包含接收信息的射频信号（RF）转化为一个固定频率包含接收信息的中频信号。由于中频信号频率低且固定，因此容易得到比较大而且稳定的增益，提高接收机的灵敏性。混频器的主要特点是：由非线性器件构成，有两个输入端、一个输出端，均为交流信号。混频后可以产生许多新的频率，并在多个新的频率中选出需要的频率（中频），滤除其他成分后送到中放。将载波的高频信号不失真地变换为固定中频的已调信号，且保持原调制规律不变。接收机中的混频器位于低噪声放大器和中频放大器之间，是接收机的核心。8.2射频电路8.2.1接收机电路2．接收机各部分功能电路（5）中频滤波器中频滤波器在电路中个头比较大，一般为低通滤波器，保证中频信号的纯净，在超外差接收机中应用较多。（6）中频放大器（IFA）中频放大器是接收机的主要增益来源，一般都是共射极放大器，带有分压电阻和稳定工作点的放大电路，对工作电压要求高，一般需专门供电，且在中频电路内或独立。8.2射频电路8.2.1接收机电路2．接收机各部分功能电路（7）解调器调制的反过程叫解调，多数手机往往都是对基带信号进行正交解调，得到四路基带I/Q信号，其中I信号为同相支路信号，Q信号为正交支路信号，两者相位相差90º，所以叫正交。从天线到I/Q解调，接收机完成全部任务。判断接收机好坏就是测试I/Q信号，测到I/Q信号，说明前边各部分电路（包括本振电路）都没有问题，接收机已经完成其接收任务。解调电路的I/Q信号是射频电路和逻辑电路的分水岭。8.2射频电路8.2.1接收机电路3．接收机电路结构框图手机的接收机有三种基本框架结构：一是超外差式接收机，二是零中频接收机，三是低中频接收机。8.2射频电路8.2.1接收机电路3．接收机电路结构框图（1）超外差接收机天线接收到的信号十分微弱，而鉴频器要求的输入信号电平较高，且需要稳定。放大器的总增益一般需在120dB以上，这么大的放大量，要用多级调谐放大器且要稳定，实际上很难办到，另外高频选频放大器的通带宽度太宽，当频率改变时，多级放大器的所有调谐回路必须跟着改变，而且要做到统一调谐，这是很难做到的。超外差接收机则没有这种