GSM手机设计的基础知识

自90年代初以来，移动通信技术和市场应用取得飞速发展和成功。截至1999年底，我国已有移动用户4300多万，预计每年以2000万左右的速度递增。面对如此大的市场商机，而真正具有芯片级、协议级知识自主产权的国产手机，还未出现，所有国产手机总和，其市场占有率也不足10％，且其手机定位也一般为中、低档产品。鉴于巨大的市场潜力，同时面对中国加入WTD的临近，我国政府加大了对国产手机市场扶持的力度，包括信息产业部在内的国家有关部门，对国产手机的关爱已达成共识，总政策方向为大力扶持、一路绿灯。

本论文旨在通过论述GSM手机整机设计方案，与国内同行相互交流、学习，尽快实现具有知识自主产权的国产手机的产业化。

2.5G GSM手机硬件结构

本项目集整机系统设计、基带芯片设计、软件开发于一体，是一项复杂的系统工程。同时移动通信技术本身发展非常迅速，作为一个以产业化为最终目标的项目，在总体方案的设计上要兼顾技术的先进性、生产的可行性以及最终产品的生产成本，使其达到一个最佳的组合。在遵循以上的原则下，我们提出了如下总体设计方案。

整机特征
· GSM900MHz／DCS1800MHz Phase2+
· GPRS Class12
· 支持WAP1.2
· 9.6／14.4K Data／Fax
· FR／EFR语音编码
· 短消息服务
· 支持STK（SIM Toolkit）
· 3.6V电池，锂离子或锂集合物电池
· 功率级别：4
· 待机时间： 120小时（900mAh）
· 平均无故障率时间：＞50000小时
· 重量：＜120克
· 体积：＜110CC
· 温度：－20-+55℃
· 振动要求：10－20Hz ASD：0.05g2／Hz 20－150Hi ASD：0.005g2／Hz（20Hz）其它：－3dB/倍频程

GSM手机电路原理

GSM手机电路由无线收发信机、基带信号处理电路、基带控制电路、存储电路、键盘、显示器、外部接口等部分组成。

（1）射频单元
射频单元的发信通路将基带单元产生的270.833kbit/s的TDMA帧数据流信号接GMSK调制方法形成I、Q信号，再调制到900MHz或1800MHz射频信号，经射频开关，由天线发射出去，收信通路将天线接收的信号经低噪声放大、解调，产生基带I、Q信号，通过解调和均衡将模拟的I、Q信号进行数字化，恢复出数字基带信号，送基带电路处理。射频单元的本振信号通常从时基电路获得基准频率，然后采用锁相环技术实现频率合成。

（2）基带芯片与基带信号处理电路
移动通信的迅猛发展，从模拟移动终端到数字GSM，再到GPRS、3G，系统越趋复杂化。同时电子系统小型化、芯片化正成为系统设计者追求的主要目标，“系统的硅片化，硅片的系统化”（Systemon chip,Silicon in system）已成为趋势，因此给设计者提出了前所未有的难题。

GSM基带芯片是通信终端产品的关键部件，现在比较流行的一般有单IC封装和双IC封装两种形式。多家公司可以大量供应成套的芯片组，如TI、ADL/TIP、Lucent、VLSI等。这为国产手机基带芯片设计提供了有益的参考。

基带电路包括信道编／译码，加密／解密、TDMA帧形成／信道分离及基准时钟电路、话音编／译码、码速适配器等。送话器的话音信号经过8kHz抽样及A／D变换，成为均匀量化的数据流，经话音编码、信道编码、交织、加密等处理，形成270.833kbit/s的TDMA帧数据流，送调制器发送。在接收通道执行与发信通道相反的过程。帧及信令控制以时钟基准部分提供统一帧号、时隙号、1／8bits时钟等基础，实现同步。

（3）控制器
控制器实现对手机系统的控制，包括协议处理、射频电路控制、基带电路控制、键盘输入、显示器输出、SIM卡接口及数据接口等功能。

2.5G GSM手机软件结构与功能

协议软件体系包括：
人机界面（MMI）软件
GSM第一层软件（LI层软件）
GSM第二层软件（L2层软件）
GSM第三层软件（L3层软件）
数据／传真服务软件
GPRS协议软件
WAP应用协议软件

MMI
随着社会的发展，人们对手机的要求越来越高，良好的通话质量，美观的外形，友好的人机界面，已成为人们追求的目标。因此，手机人机界面的设计和开发无论对用户还是对公司，都日益重要。其主要提供移动台（手机）的全面控制和手机与用户之间的接口，功能包括：用户键盘输入、手机状态和呼叫处理过程显示、SIM卡和电子簿的管理、PIN码的控制、缩位拨号等。

L1层软件
按照OSI参考模型的定义，L1层软件支持在物理介质上传输bit数据流所要求的所有功能，是上层协议软件和硬件之间的接口。

L1软件结合上层软件执行小区选择、帧同步、发送功率、接收功率、跳频等低层功能。

L1层与L2层的接口用以支持控制信道信息的传递；与无线资源管理（RR）的接口用以支持信道的分配以及物理层系统信息的传递；与无线链路控制／介质访问控制层（RLC／MAC）的接口用以支持分组数据业务等。另外，L1还提供对射频硬件和DSP接口的驱动，但不包含信号处理功能。通过完成对DSP的驱动控制，还可完成语音编解码、解调／均衡算法、数据交织／解交织算法、噪声抑制、信道编码等功能。

L2层软件
数据链路层是OSI参考模型的次低层，它包括各种数据传输结构，对数据传输进行控制。其主要功能包括：数据链路上的格式和操作错误的检测。流量控制、随机接入信道在有接人请求后建立数据链路时的争抢判决等。

L3层软件
第三层是GSM协议的核心，它分为无线资源管理子层（RR）、移动管理子层（MM）、连接管理子层（CM）。CM子层又有呼叫控制（CC）、补充业务（SS）和短信息管理（SMS）等实体。

RR子层负责对无线链路连接（物理的）和数据链路连接（逻辑的）的建立、保持和释放。在空闲模式下，RR子层负责协调进行小区的选择和重选。在专用模式下，RR子层负责协调从报告监测结果到信道重新配置的整个切换过程。

MM子层主要考虑移动站在空闲模式下如何向网络通报它的地理位置。一个大的PLMN服务区域被划分为许多个小的定位区域LA，MM子层的任务就是当移动站进入一个新的定位区域时通知网络，以便能够继续跟踪移动站。此外，MM子层还将所有其它上层协议实体的呼叫多路复用到一个单一的无线信道，也就是SDCCH；同时MM子层完成呼叫重建任务的过程相对于用户是透明的。

CC子层负责移动终端与网络一方的MSC之间的操作，它管理与呼叫建立和保持相关的任务，这些任务对用户来说是不可见的。CC子层要为呼叫议定一条合适的通路，并告知用户呼叫进行的情况（即是否被叫已经振铃、占线或号码无效等）。每个呼叫，不管呼人还是呼出，都有自己专用的CC呼叫实体与之对应。CC使得用户不必面对网络或无线接口的出错信息，保证呼叫双方的控制信息按照正确的顺序进行。

SS子层是一个简单的状态机，它支持呼叫无关补充服务信息以简单的信息格式（FIE）传送，这种简易的信息格式主要承载了简易无线接口消息。向FIE信息格式的转换由内核的用户层来完成。

数据通信服务软件
数据通信软件包主要是用来为异步数据传输的透明模式／非透明模式提供终端适配功能，它包括了相关的AT命令模块。

传真软件包提供了GSM第62号电信业务（自动传真组3），即传真业务功能。传真软件包使用了数据服务提供的在R接口上进行的物理层数据传输的数据传输功能，以及基带 DSP和速率适配功能。AT命令软件包提供了一个从终端设备（如PC）通过V.24接口控制移动终端的各项功能和GSM网络服务的功能。

测试及维护
测试及维护软件包负责监管系统启动运行、检查电池电量、支持型号认证测试、生产线上校准和整机测试等功能。它由用户应用程序或L3层软件激活，在低层用户的专用硬件为其提供驱动接口。

GPRS协议软件
GPRS协议软件应用于GPRS （12级）CLASS。B移动电话。除了对原有GSM协议软件的扩充外，我们设计的GPRS协议软件主要包括：介质访问控制层（MAC）、无线链路控制居（AIL）、逻辑链路控制层（LLC）、子网相关结合层（SNDCP）。

WAP协议软件
WAP协议软件建立在基于UDP／IP的承载业务（如GSM CSD和GPRS）和其它承载业务（如GSMSMS和USSD）之上，通过实现一组——协议栈，提供一个基于WWW和移动电话技术的通用无线应用环境（WAE），以便运营商、服务提供商和设备制造商在不同的无线平台上有效地开展应用和业务。

WAP1.2通信协议包括以下几个部分：
无线数据报协议（WDP）
无线事务协议（WTP）
无线传输安全层协议（WTLS）
无线会话层协议（WSP）
无线应用环境（WAE）

WSP为WAP应用层在两个会话服务间提供了一致的接口，它可以提供运行WTP上的面向连接的服务或运行在WDP上的无连接服务。目前在WSP协议系列中，WSP／B（Browse）支持洲览型的应用。WTP运行在数据报服务（WTLS或WDP）之上，提供了轻型的面向事务的协议，实现简单，适合在客户机（如手机）上实现，完成数据包拼接及延迟响应功能，以减少消息数。

WTLS是建立在工业标准TLS（传输层安全）协议上的安全协议，以前简称为SSL。实现对移动终端与应用服务器的鉴权，保证在移动终端与应用服务器之间传送数据的完整性和保密性，并提供对拒绝服务的保护，可用于支持电子商务中的鉴权等应用，使信息不被任何可能破坏数据流的第三方的破译。

WAP协议的传输层由WTP和WDP组成。WDP运行在数据承载服务上，支持不同的网络类型，作为WAP的通用传输层，在不同的承载网络实现透明传送，对上层提供一致的服务。由于短消息服务、交换式数据服务和分组数据服务等各种承载网络提供不同的服务质量，包括带宽、吞吐量、误码率、时延等参数，WDP能够补偿这些差异的影响，并通过协议优化来提高服务质量。

WAE是结合WWW技术和移动电话技术，为网络运营者和服务提供商提供一个通用的应用平台，可以方便地生成新业务，并支持各种应用和服务之间的互操作。WAE包含了一个微型浏览器，支持无线标记语言规范（WAP WML Version 1999－11－4），能够正确解析无线标记语言，并能与WMLScript进行交互。实现能够正确解释并执行符合WAP WMLScript规范的WMLScript虚拟机以及WAP WMDScript Standard Libraries规范描述的WMLScript库函数。

在移动电话用户界面之下，提供一个标准的接口，做到与移动电话硬件无关。

支持WAP所要求的内容格式，包括IMvCARD和 vCALENDAR、WBMP。实现WAP Push OTA协议，支持推（PUSH）技术。支持WAG UAPROF规范描述的用户配置信息。支持WAP Caching Medel规范描述的客户端缓冲功能。支持多国语言，允许嵌入第三方的输入法。

手机产品研发实施方案

技术路线
（1）射频设计研发路线
对于射频技术研发方面，为了较快的满足手机项目的研发需要，通过对不同的射频方案进行技术性能、可靠性、生成成本、生产可行性进行评估的基础上，根据手机方案的要求，确定包括分离器件及射频集成电路等的射频系统方案。同时，利用ADS等微波EDS工具，完善测试手段及开发手段，提供综合设计能力。

（2）基带芯片开发路线
在基带芯片开发方面，科健公司已经同ComQuest公司、ADI、T1等公司进行了广泛的接触和合作。利用它们在芯片设计方面的成熟技术，通过购买成熟的内核模块，利用世界上先进的设计仿真工具，采用先进的设计方法，共同开发完成符合GSM2.5G规范的基带芯片。

（3）协议软件开发路线
对于协议软件研发方面，科健公司已经完成掌握MMI软件的开发，并即将应用到今后科健推出的手机中去。已经完成L1、L2、L3、GPRS、WAP等协议的消化工作，并进行了部分的编程仿真工作，现正同国外公司进行全面的协议编程合作工作。

（4）开发验证平台
在软件设计、基带芯片和基带电路的设计以及射频部分的设计过程中，都需要通过实际的硬件环境加以仿真的验证。因此，在设计软件、基带芯片和射频电路的同时，也必须进行开发验证平台的设计工作。该验证平台将采用模块化的结构，利于升级和扩展。

整机系统集成与FTA型号认证

整机系统集成
在完成基带芯片的设计及实现的基础上，通过整机验证平台的测试，实现各模块功能及接口。同时在验证平台上实现软件功能测试及射频模块的初步测试。

在验证平台测试的基础上，根据整机系统方案的要求及总体设计方案，完成整机系统集成。硬件设计中除基本功能实现及较好的整机性能指标要求以外，重点考虑好电源管理、射频单元屏蔽、可靠性、安全性、电磁兼容性等方面的设计，同时考虑整机器件成本、生产工艺、大规模生产可行性方面等内容。

软件按照总体设计要求完成各项业务功能，包括基本功能、补充功能和附加功能以及规定的强制功能。具有中文界面及中文输入、短消息服务、数据／传真、GPRS、STK功能以及WAP功能等。同时为了满足消费者的需要，设计较为便捷实用的人机界面。

注重手机的工业造型与结构设计，设计出外观新颖大方、别致轻巧、经久耐用的产品，针对市场需求，创造良好的社会效益及企业效益。

FTA型号认证
FTA型号认证测试是国际通行GSM手机入网测试，通常由经国际测试认证的测试中心进行。

国内针对国产手机的入网要求，除了提供样机测试。具有品质保障体系以外，明确需要厂家提供通过FTA测试证书。通过FTA测试是检验手机设计的基本要求，也是在国内及国际市场销售的通行证。

FTA测试主要分为射频、软件、音频等，测试内容及方法在GSM11.10协议中有较为明确的定义。