一種數(shù)字集群智能手機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)數(shù)字集群通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)多樣性的需求，對(duì)原有產(chǎn)品進(jìn)行了升級(jí)，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字集群智能手機(jī)設(shè)備。首先，手機(jī)基帶單元以O(shè)MAP3530處理器為核心，可加載開(kāi)放的操作系統(tǒng)；其次，對(duì)射頻單元的接收通路與發(fā)射通路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，論述了接收靈敏度和發(fā)射功率兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)表明硬件平臺(tái)的處理能力獲得大幅提升，同時(shí)，射頻性能得到優(yōu)化，使手機(jī)業(yè)務(wù)功能的擴(kuò)展成為可能。

關(guān)鍵詞： OMAP3530； 寬帶業(yè)務(wù)； 接收靈敏度； 發(fā)射增益

中圖分類號(hào)： TN713?34； TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）13?0080?04

Design of digital trunking smartphone hardware

NIU Jin?hang， LIU Yu?bao， WU Guo?qiao

（North China Institute of Computing Technology， Beijing 100083， China）

Abstract： According to the diverse demands of digital trunking communication system services， the original product is upgraded and a digital trunking smartphone is designed. Firstly， the phone baseband unit which can load open operating system is designed based on OMAP3530. Secondly， both the receiving channel and transmit path of RF unit gain optimal design and two key indicators of the receiving sensitivity and transmit power are dissertated. Results show that the processing capacity of hardware platform gets improved significantly and RF performance is optimized， so the extension of mobile phone function becomes possible.

Keywords： OMAP3530； broadband service； receiving sensitivity； transmitting gain

0 引 言

隨著數(shù)字集群通信系統(tǒng)向?qū)拵Щl(fā)展，集群寬帶業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)成為可能，如視頻監(jiān)控、可視電話、地理信息獲取等，這就要求數(shù)字集群終端由簡(jiǎn)單功能型向智能型轉(zhuǎn)變[1]。目前使用的數(shù)字集群手機(jī)處理器性能較低，業(yè)務(wù)以話音、短信為主，手機(jī)系統(tǒng)封閉，用戶不能自行定制應(yīng)用，已經(jīng)越來(lái)越不能滿足用戶的需求。

本文對(duì)原有產(chǎn)品進(jìn)行了改進(jìn)，基于TI公司高性能雙核架構(gòu)處理器OMAP3530（ARM+DSP）設(shè)計(jì)了一種數(shù)字集群智能手機(jī)，設(shè)備硬件資源充足，操作系統(tǒng)開(kāi)放，能夠滿足數(shù)字集群通信寬帶業(yè)務(wù)的擴(kuò)展性需求。另外，基于手持設(shè)備小型化、低功耗、低成本的考慮，手機(jī)射頻收發(fā)通路選用集成度高的低功耗器件實(shí)現(xiàn)信號(hào)的上下變頻及濾波處理，通過(guò)在OMAP3530內(nèi)編程靈活控制射頻前端，完成頻率變換、功率控制等功能。

1 硬件平臺(tái)總體架構(gòu)

數(shù)字集群智能手機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，整機(jī)由天饋單元、射頻處理單元、基帶處理單元、人機(jī)交互單元、保密單元、SIM卡單元及電源七部分組成。數(shù)字集群手機(jī)的硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字集群智能手機(jī)硬件總體架構(gòu)圖

對(duì)手機(jī)各組成單元功能簡(jiǎn)單說(shuō)明如下：

（1）天饋單元由收發(fā)切換和天線組成，收發(fā)切換實(shí)現(xiàn)收發(fā)共用一根天線。

（2）射頻處理單元負(fù)責(zé)射頻信號(hào)的發(fā)射和接收，由發(fā)射通路和接收通路組成。

（3）基帶處理單元由基帶信號(hào)處理模塊和協(xié)議處理與系統(tǒng)應(yīng)用模塊組成。其中，基帶信號(hào)處理模塊負(fù)責(zé)完成音頻信號(hào)處理、空口信號(hào)處理和射頻處理單元控制；協(xié)議處理與系統(tǒng)應(yīng)用模塊負(fù)責(zé)完成數(shù)字集群空中接口數(shù)據(jù)的協(xié)議棧和信令處理以及與人機(jī)交互單元的數(shù)據(jù)通信。

（4）人機(jī)交互單元提供人機(jī)操作界面，為手機(jī)提供輸入與輸出接口，含耳機(jī)、麥克、顯示屏和鍵盤(pán)等部件。

（5）保密單元根據(jù)專業(yè)用戶需求，存儲(chǔ)及更新通信密鑰，對(duì)發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解密處理。

（6）SIM卡單元用于存儲(chǔ)用戶身份鑒權(quán)信息及網(wǎng)絡(luò)信息。

（7）電源包括手機(jī)電池及充電電路，保證手機(jī)的續(xù)航時(shí)間。

2 核心單元硬件設(shè)計(jì)

以上簡(jiǎn)單介紹了數(shù)字集群智能手機(jī)的整體架構(gòu)方案，其中，以基帶處理單元和射頻處理單元設(shè)計(jì)最有難度，下面針對(duì)這兩部分進(jìn)行闡述。

2.1 基帶處理單元硬件設(shè)計(jì)

基帶處理單元由基帶信號(hào)處理模塊和協(xié)議處理與系統(tǒng)應(yīng)用模塊組成。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。基帶信號(hào)處理模塊和協(xié)議處理與系統(tǒng)應(yīng)用模塊在TI公司的雙核處理器OMAP3530上實(shí)現(xiàn)。其中，基帶信號(hào)處理模塊對(duì)應(yīng)OMAP3530的DSP核，A/D，D/A和其他外圍電路，協(xié)議處理與系統(tǒng)應(yīng)用模塊對(duì)應(yīng)ARM核及其外圍接口[2?3]。

OMAP3530芯片集成了600 MHz 主頻ARM CortexTM?A8 內(nèi)核、430 MHz DSP TMS320C64x+內(nèi)核、圖形引擎和視頻加速器。其采用低工作電壓，低功耗方式，配合電源管理芯片達(dá)到更佳的節(jié)電效果，非常適合手持通信設(shè)備，并且外設(shè)接口豐富，易于擴(kuò)展[4]。

圖2 基帶處理單元實(shí)現(xiàn)框圖

TPS65930芯片是針對(duì)OMAP系列設(shè)計(jì)的智能電源管理芯片，并集成了音頻的模/數(shù)轉(zhuǎn)換、通道切換和鍵盤(pán)管理等。在減少所需電路板空間的同時(shí)，能有效地管理系統(tǒng)電源及降低OMAP3530 處理器所需功耗[5]。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，使用OMAP3530 的第一個(gè) I2C與TPS65930通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)TPS65930的參數(shù)設(shè)置和電源工作模式控制；使用OMAP3530的第四個(gè)I2C與TPS65930通信，以智能映像（Smart Reflex）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率切換，并能根據(jù)芯片處理和溫度變化動(dòng)態(tài)調(diào)整電壓，以最大限度的降低功耗[6]。

A/D電路選用AD9874，其功能框圖如圖3所示[8]，內(nèi)部集成了AGC電路、模擬下變頻、帶通ADC、抽取濾波、成幀輸出等功能，可以大大減輕DSP的工作量，另外，DSP通過(guò)輸出的基帶成幀數(shù)據(jù)中RSSI字段檢測(cè)AD9874輸入模擬信號(hào)的電平大小，可以與片內(nèi)AGC電路、接收通路射頻前端共同完成手機(jī)的功率控制，節(jié)約整機(jī)功耗。結(jié)合接收通路設(shè)計(jì)及數(shù)字中頻信號(hào)處理算法，設(shè)定AD9874工作參數(shù)如下：第一中頻為45 MHz（模擬器件混頻）；第二中頻為1.92 MHz（AD9874內(nèi)混頻）；時(shí)鐘參考選值為19.2 MHz；ADC工作時(shí)鐘[fCLK]為15.36 MSPS；ADC的采樣精度選用24 b；抽取濾波器的抽取參數(shù)選定240；基帶信號(hào)輸出[fCLKOUT][7]為64 KSPS。

圖3 AD9874芯片功能圖

D/A轉(zhuǎn)換器選用TI公司的TLV5638雙路輸出的12位串行D/A，其最大串行時(shí)鐘為20 MHz，數(shù)據(jù)格式為16 b，含12 b數(shù)據(jù)位和4 b控制位。本設(shè)計(jì)中基帶輸出數(shù)據(jù)速率為128 Kb/s，所以串行輸出時(shí)鐘采用2.048 MHz。另外，D/A參考電壓選用2.048 V。

MCP芯片為K5D1257DCA?D090，片上集成了512 MB NAND FLASH和256 MB Mobile SDRAM，用于手機(jī)操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的存儲(chǔ)、運(yùn)行等。外設(shè)接口有SD卡接口、USB接口和工程測(cè)試接口。

2.2 射頻處理單元硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 接收通路設(shè)計(jì)

射頻接收通路完成射頻信號(hào)接收，與AD9874芯片中模擬功能模塊組成超外差接收機(jī)體制。如圖4所示，接收機(jī)前端由預(yù)選濾波器、低噪聲放大器、鏡像抑制濾波器、混頻器、頻率合成器、中頻濾波器組成，一中頻的放大器和二中頻的混頻器、二中頻的頻率合成器都集成在中頻數(shù)字化芯片AD9874中。其中，預(yù)選濾波器用于抑制接收機(jī)通帶外信號(hào)的影響。低噪聲放大器是為了降低接收機(jī)的噪聲系數(shù)，提高接收機(jī)靈敏度，選型為RFMD公司的SPF?5043Z。鏡頻抑制濾波器主要抑制鏡像頻率處的大干擾信號(hào)進(jìn)入混頻器。中頻濾波器進(jìn)行信道化濾波，抑制混頻后的各階組合分量和信道外干擾。接收信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器（選用AD公司的ADL5350）下變頻后得到第一中頻模擬信號(hào)，然后輸入至AD9874進(jìn)行二次混頻，混頻之后送入AD9874內(nèi)的ADC模塊進(jìn)行模/數(shù)變換。

圖4 接收通路基本組成

接收前端的核心器件就是頻率合成器，其中，鎖相環(huán)芯片選用AD公司的低功耗分?jǐn)?shù)鎖相環(huán)ADF4157[8]。此芯片專為手持終端而設(shè)計(jì)，集成度高，一致性好，具有低功耗、小體積、低相噪的優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)部集成一個(gè)小數(shù)[N]分頻的頻率合成器，具有25 b固定模數(shù)，在6 GHz實(shí)現(xiàn)亞赫茲頻率分辨率。芯片在3 V供電下總電流為23 mA，歸一化噪聲基底為-211 dBc/Hz。

接收通路的接收靈敏度指標(biāo)要求信號(hào)強(qiáng)度不大于-116 dBm，由DSP內(nèi)解調(diào)算法推知基帶信號(hào)解調(diào)信噪比應(yīng)不低于5.5 dB，考慮到數(shù)字量化誤差等影響，保留1.5 dB余量[9]，即選用解調(diào)信噪比為7 dB作為預(yù)算。

根據(jù)理想接收機(jī)的靈敏度計(jì)算公式[10]：

[Pin min=-174+NF+10lgB+SNRout min]

已知MDS≤-116 dBm，即：

[-174+NF+10lg25+7-116]

則NF≤7 dB，即接收機(jī)靈敏度要達(dá)到-116 dBm，接收通路噪聲系數(shù)必須要不大于7 dB。

接收機(jī)噪聲系數(shù)的預(yù)算表見(jiàn)表1，根據(jù)多級(jí)線性網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)的噪聲系數(shù)計(jì)算公式[10]：

[F=F1+（F2-1）G1+（F3-1）G1*G2+…]

可知整機(jī)的噪聲系數(shù)為5.8 dB，小于7 dB。所以，接收靈敏度滿足指標(biāo)要求，可以達(dá)到-116 dBm。

2.2.2 發(fā)射通路設(shè)計(jì)

射頻發(fā)射通路采用直接正交上變頻結(jié)構(gòu)，基本組成如圖5所示，由IQ低通濾波器、OP放大器、IQ調(diào)制器、數(shù)控衰減器、射頻推動(dòng)放大器、功率放大器、低通濾波器組成。其信號(hào)流程為：由OMAP3530內(nèi)部的DSP產(chǎn)生的I、Q兩路正交數(shù)字基帶信號(hào)，經(jīng)過(guò)雙通道TLV5638轉(zhuǎn)換變?yōu)槟MI/Q信號(hào)。模擬I/Q信號(hào)分別通過(guò)脈沖成形和抗碼間干擾升余弦根低通濾波器后送入正交上變頻器 AD8345，分別與正交的本振信號(hào)相混頻后作代數(shù)和運(yùn)算，抵消了無(wú)用邊帶。然后直接調(diào)制到射頻載波上并送入后級(jí)射頻前端，最終通過(guò)天線發(fā)射出去。

其中，IQ低通濾波器為L(zhǎng)C低通濾波器，自行搭建完成。OP放大器選型為AD8137，其為低成本，低功耗差分輸出運(yùn)算放大器，5 V供電靜態(tài)電流為2.6 mA。IQ調(diào)制器采用AD公司生產(chǎn)的AD8345正交調(diào)制芯片，其工作頻率為140～1 000 MHz，具有0.2 dB的幅度平衡度和0.5 dB的相位平衡度，性能優(yōu)秀。射頻驅(qū)動(dòng)選用東芝公司2SK3077和三菱公司的RD01MUS2串聯(lián)推動(dòng)，末級(jí)功放選用三菱公司的RD07MUS2B芯片，射頻驅(qū)動(dòng)和功放具有高效率特性，在飽和功率下效率可以達(dá)到60%以上。

表1 接收機(jī)噪聲系數(shù)的預(yù)算表

[器件名稱＼噪聲

系數(shù)＼器件

增益＼鏈路

增益＼鏈路噪聲

系數(shù)＼收發(fā)開(kāi)關(guān)

限幅器

預(yù)選濾波器

低噪放

鏡像抑制濾波器

第一中頻混頻器

第一中頻濾波器

＼0.4

0.2

1.2

0.5

3

6.5

3.5

＼-0.4

-0.2

-1.2

21

-3

-6.8

-3.5

＼-0.4

-0.6

-1.8

19.2

16.2

9.4

5.9

＼0.4

0.6

1.8

2.3

2.3

3.5

3.8

＼第一中頻放大器及

二中頻混頻器＼8.1＼16＼21.9＼5.8＼]

圖5 發(fā)射通路基本組成

為了節(jié)約成本，本設(shè)計(jì)中發(fā)射通路與接收通路共用頻率合成器，通過(guò)基帶單元控制收發(fā)切換。發(fā)射通路中的本振相位噪聲與鎖頻時(shí)長(zhǎng)仿真結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖6 本振相位噪聲仿真曲線圖

系統(tǒng)本振相位噪聲要求優(yōu)于-80 dBc/Hz@1 kHz和 -90 dBc/Hz@10 kHz，鎖頻時(shí)長(zhǎng)要求小于0.5 ms，由發(fā)射通路仿真圖可見(jiàn)設(shè)計(jì)完全滿足要求。

發(fā)射機(jī)最大輸出功率要求不小于3 W（即34.8 dBm）。因?yàn)榈屯V波器及射頻開(kāi)關(guān)的輸入插損約為1.2 dB，所以末級(jí)功放輸出功率應(yīng)該大于36 dBm。如圖5所示，IQ調(diào)制器輸出功率為-10 dBm，數(shù)控衰減器增益為-3 dB，射頻驅(qū)動(dòng)放大器增益為30 dB，功放增益為22 dB，低通濾波器增益為-2 dB。由發(fā)射增益來(lái)預(yù)算最終輸出功率（單位：dBm）為：

[（-10）+（-3）+30+22+（-2）=37]

由于末級(jí)功放管RD07MUS2B的[P-1]值（1 dB壓縮點(diǎn)）為38.5 dBm，所以最終輸出功率約為37 dBm。指標(biāo)要求是36 dBm，那么功率余量為1 dB，滿足發(fā)射功率要求。

圖7 鎖頻時(shí)長(zhǎng)仿真曲線圖

3 實(shí) 現(xiàn)

硬件平臺(tái)具體實(shí)現(xiàn)中重點(diǎn)考慮了如下問(wèn)題：

（1）處理器外設(shè)資源的合理配置

OMAP3530外圍接口豐富，含多路UART、SPI、McBSP、I2C接口等，存在很多管腳復(fù)用的情況，在實(shí)現(xiàn)時(shí)，規(guī)劃好外部器件接口關(guān)系，根據(jù)信號(hào)匹配和端口驅(qū)動(dòng)能力，優(yōu)先采用端口基本功能，再次考慮端口的第二、第三功能。利用空余端口做冗余設(shè)計(jì)，使某些功能的實(shí)現(xiàn)有一定的自由度[3]。

（2）系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)

手機(jī)終端PCB涉及到高速數(shù)字電路與模擬高頻電路，要充分考慮抗干擾措施。實(shí)現(xiàn)時(shí)，基帶單元與射頻單元分開(kāi)布板，基帶板（手機(jī)主板）采用去耦電容、濾波設(shè)計(jì)、接地與隔離設(shè)計(jì)，射頻板加屏蔽罩，兩者分別供電。電源轉(zhuǎn)換選用DC/DC與線性電源器件相結(jié)合的方式，既保證了鋰電池的轉(zhuǎn)換效率，降低功耗，又防止了紋波干擾，提高了設(shè)備穩(wěn)定性。

目前，手機(jī)硬件平臺(tái)已經(jīng)全部完成，正在進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與工藝優(yōu)化。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，同樣的調(diào)制算法，在之前產(chǎn)品OMAP5912處理器中占用DSP核23%的資源，在OMAP3530硬件平臺(tái)上僅占用5%左右。同時(shí)，ARM核既可以運(yùn)行Linux 2.6.32內(nèi)核加MiniGUI人機(jī)交互界面，也可以流暢運(yùn)行Android 2.3操作系統(tǒng)，系統(tǒng)開(kāi)放性的優(yōu)勢(shì)非常突出。另外，射頻通路實(shí)測(cè)接收靈敏度為-117 dBm，發(fā)射功率最大為35.7 dBm，其他性能指標(biāo)也符合要求，同時(shí)體積和功耗得到了改善。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字集群智能手機(jī)是在原有OMAP5912平臺(tái)產(chǎn)品上的升級(jí)改進(jìn)。基帶處理平臺(tái)的硬件資源得到了很大提升，可以運(yùn)行最新的開(kāi)放式操作系統(tǒng)，射頻收發(fā)通路重新設(shè)計(jì)，選用了一些新的元器件，使整機(jī)性能指標(biāo)更優(yōu)，功耗更低。基于OMAP3530的智能手機(jī)外圍接口豐富，系統(tǒng)靈活性高，擴(kuò)展性好，支持二次開(kāi)發(fā)，這就為寬帶數(shù)字集群業(yè)務(wù)多樣化提供了可能。將來(lái)，隨著數(shù)字集群通信系統(tǒng)向?qū)拵ЩD(zhuǎn)變，這款產(chǎn)品一定會(huì)有廣闊的市場(chǎng)前景。

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