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Diagrama en Bloques de la Sección de RF de un Teléfono Celular Sony

La figura 1 muestra el diagrama en bloques delsistema de transmisión y de recepción de un teléfo-no celular Sony de banda dual que opera con tec-nología GSM. Note que el teléfono opera en lasbandas de 900MHz y 1.8GHz; es decir, se trata deun equipo que no va a funcionar en determinadospaíses de la región, pero la explicación que brinda-mos es válida para todos los teléfonos de caracterís-ticas similares. La antena se acopla mediante un in-terruptor mecánico (se trata del sistema de encastrede la antena) y luego por medio de una llave elec-trónica recibe la señal desde el transmisor o envíala señal hacia el receptor.

Sobre la línea de transmisión, entre la antena yel interruptor mecánico se coloca un conector parapoder colocar una antena externa cuando su usosea necesario. El interruptor es tal, que al colocar laantena externa se desconecta la antena fija.

El receptor consiste entonces, en dos etapas deRF separadas para funcionar en E-GSM y DSC, pormedio de un filtro de superficie (SAW) para la ban-da de 900MHz y por medio de un filtro cerámicopara la banda de 1800MHz. Un primer filtro GMSK(Gaussian-filtered minimum shift keying, filtro gaus-siano de mínimo ruido) lleva las señales, ya sea de1800MHz o 900MHz, a un valor de frecuencia in-termedia de 440MHz.

La señal de FI de 440MHz es amplificada y nue-vamente convertida por un demodulador IQ (demo-dulador de fase o de cuadratura) de modo que lasseñales resultantes son detectadas y filtradas paraobtener las señales I (fase) y Q (cuadratura) que se-rán procesadas por las etapas de voz, de acuerdocon las indicaciones dadas por el microcontrolador.

Para poder realizar estas tareas con éxito, seemplea un oscilador a cristal de 13MHz VCTCXO

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Figura 1

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(voltage-controlled-temperature-compensated crystaloscillator, oscilador a cristal controlado por tensióncon compensación de temperatura). Dicho osciladorgenera la señal de clock para el PLL y las etapas debanda base.

En la etapa transmisora, la señal que llega enbanda base se modula en una etapa “Moduladora-GMSK” para llevarlas a portadoras de las bandasde 900MHz y 1800MHz. Vea que la modulaciónse realiza por medio de dos osciladores controladospor tensión (VC0), uno de 195MHz para GSM yotro de 325MHz para DCS 1800. Estas conversio-nes se realizan por medio de moduladores balan-ceados IQ y un posterior bloque sumador (APC

Loop). Cabe aclarar que todas las señales IQ y deRF son tratadas en moduladores balanceados paradisminuir interferencias (crosstalk effects).

De acuerdo con las recomendaciones paraGSM, el transmisor y el receptor nunca son activa-dos al mismo tiempo.

Diagrama en Bloques del Sis tema de Banda Base

El sistema de banda base consiste en dos circui-tos integrados, uno digital (IC1) y otro analógico(IC2), figura 2. La memoria externa que se puede

Figura 2

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manejar es de 36 MBits, 32MBits para la FlashROM y 4MBits para la memoria SRAM. El circuitointegrado digital IC1 se encarga de procesar la se-ñal GSM que ya está en banda base, de acuerdocon los protocolos de comunicaciones establecidosen el estándar ETSI. Este circuito integrado digital seencarga de procesar las señales por medio de unproceso digital DSP (Digital Signal Processing) deacuerdo a un programa interno y a los datos que seencuentran en la memoria. Para efectuar todas estastareas, este circuito integrado posee al “corazón”del teléfono, que es el microcontrolador que efectúalas diferentes operaciones, apoyándose en una me-moria RAM interna.

El circuito integrado digital también posee el cir-cuito de reloj y varios puertos y compuertas CMOSpara comunicarse con otros elementos.

En definitiva, es un integrado que realiza las ta-reas de codificación y decodificación necesarias pa-ra establecer las diferentes señales de transmisión yrecepción.

El integrado analógico IC2 posee un sistemaA/D-D/A (conversor analógico/digital y digital/a-nalógico) que permite el procesamiento de las seña-les IQ y de las señales de voz.

Este integrado posee todas las etapas que permi-ten el procesamiento de las señales de voz, las inter-

fases para procesar los señales I (fase) y Q (cuadra-tura) que pueden soportar los modos “single slot” y“multi slot”. También posee circuitos auxiliares parael control de RF, un regulador de tensión (provee unatensión regulada), el control de carga de la bateríay el sistema de análisis de encendido del teléfono.

Este circuito integrado también posee un sistemaque genera la tensión de alimentación y la tensiónde reset.

Para comunicarse con IC1 posee un puerto serialen banda base (BSP) y un puerto para comunicacio-nes de voz (VSP), ambos permiten comunicarse conel DSP. También posee un puerto serial UPS para co-municarse con el microcontrolador de IC1 y un puer-to serial TSP para comunicarse con la unidad deprocesamiento de tiempo real (con el reloj), paraque ambas etapas estén en sincronismo.

Diagrama en Bloques de la Etapa de Audio

En la figura 3 se muestra este bloque, que es unsistema multitarea que se encarga de activar el mi-crófono, los parlantes (bocinas) y el timbre del vibra-dor. En este caso, la frecuencia de vibración es de130Hz. *********

Figura 3

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I n t roducción

La recepción de señales en todas las bandas pormedio de un teléfono celular comienzan en la ante-na del móvil, ya sea externa o interna.

En la figura 1 podemos apreciar un diagramaen bloques de la etapa de antena de un teléfonoMotorola Nivel 3 (en este caso hacemos referenciaa un equipo A920 que además de las bandas nor-males de trabajo, también opera en UMTS en2.1GHz). M001 es un interruptor mecánico que unea la antena con el circuito interno y que desconectaa la antena del teléfono del circuito interno cuandose conecta una antena externa. El camino de la se-ñal de RF “cambiará” entonces, cuando se conecteuna antena externa al conector macho del tipoSMA. La señal (ya sea proveniente de la antena delteléfono o de una antena externa) llega a un FEM(Front End Module o módulo de salida) que se en-carga de seleccionar “el sistema” de trabajo y pro-veer las condiciones de operación para dicha ban-da (seleccionará entre EGSM, DCS, PCS Y WCD-MA). La selección para trabajar con tecnologíaGSM se realiza mediante líneas de control que enel diagrama en bloques tienen el N_BAND_1 yN_BAND_0_G. La selección de modo es hecha porlíneas de control (HL_TX_EN, RX_EN_LIFE, N_GS-M_EXC_EN, y GSM_EXC_EN). Note la forma enque se recepcionan señales WCDMA. Existe un“arreglo circuital” que permite que mientras que elteléfono esté trabajando en un sistema GSM encualquier banda, éste pueda descubrir señales deuna estación de base de WCDMA. El microcontro-lador podrá tomar la decisión de “sincronizarse consistema WCDMA, en función de cómo esté progra-mado.

De la misma manera, si el móvil está operandoen WCDMA y se detecta una estación base EGSMse podrá tomar la decisión de emigrar de WCDMAhacia EGSM para que el celular siga funcionando

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(ahora con otro sistema, de acuerdo con lo detecta-do de la estación base). Esto no será posible paraseñales de estaciones base que operen en las ban-das PCS y DCS.

Las señales recibidas en la antena entre 2110 y2170MHz verán el interruptor de RF como un circui-to abierto en cualquier posición. Por consiguiente,las señales de RX WCDMA (WCDMA_RX) serán en-viadas hacia el receptor WCDMA a través del blo-que FL010. Este bloque debería tener una pérdidade inserción máxima de ~0.5dB. Para otra bandaque no sea WCDMA, FL010 se comporta como uncircuito abierto, impidiendo a las señales llegar has-ta el receptor WCDMA.

Q902 es un dispositivo FET dual que se empleapara seleccionar la función N_BAND_) o la señalproveniente del bloque MAGIC LV a la función múl-tiple de la señal de control de N_BAND_0 que vie-ne de la Magic LV. Con el empleo de Q902, N_GS-M_EXC_EN seguirá a la banda N_BAND_0.

Q906 es otro sistema de selección tipo FET dualpara la selección entre GSM y WCDMA durante la

transmisión. Durante condiciones de transmisiónWCDMA, HL_TX_EN estará en un estado alto. Estoabrirá los interruptores FETs en Q906, incapacitan-do cualquier función de señal de líneas de controlNB_EXC_EN como N_BAND_0.

Q901 es usado para invertir la señal de controlque viene de Q906. Evidentemente, si Ud. no estáfamiliarizado con sistemas de transmisión y no cono-ce los principios de funcionamiento tanto de la tec-nología CDMA como de GSM, seguramente no vaa poder comprender las funciones recién especifica-das pero “tendrá una idea” de cómo es el procesa-miento de las señales en torno de la antena del ce-lular. En la figura 2 se reproduce el circuito eléctricodel circuito de antena de un móvil Motorola 920 enel que podrá encontrar en qué consiste cada uno delos bloques nombrados.

Cabe aclarar que estamos empleando una seriede términos que el lector debería conocer para com-prender la explicación que se está brindando y quemás adelante encontrará un vocabulario que lopodrá ayudar cuando se le presenten dudas sobrealgún término. ********************

Figura 1

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Figura 2

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I n t roducción

Es evidente que todos los teléfonos celulares ha-cen lo mismo (desde el punto de vista de comunica-ciones) y por ello lo explicado sobre la etapa de unmóvil puede extenderse a todos los aparatos. Con-tinuando con la descripción de las diferentes etapasque componen a un teléfono celular, en este aparta-do describiremos el diagrama en bloques de la eta-pa de recepción para la tecnología GSM. Veremosla etapa “final” y luego la descripción del sistemaque controla a este circuito, cómo se realiza la con-versión de señal para obtener información digitalque pueda ser procesada por el microcontroladordel teléfono. La explicación la haremos en base aldenominado “Magic LV”, circuito integrado (deno-minado como U500 en celulares Motorola) que, co-mo veremos, es el “corazón” del sistema.

El Circuito Front End

Una vez que una señal es detectada en la ante-na de un móvil, ya sea EGSM, PCS o DCS, prime-ro pasa por circuitos tipo “balun” (balanced-unba-lanced) que convierten a dicha señal en “balancea-da respecto de un punto de referencia” (convierteuna señal desequilibrada a la condición de líneaequilibrada, tal como sucede en un sintonizador deun receptor de televisión) para luego ser conducidaal circuito integrado, que realiza su tratamiento yque en el diagrama en bloques de la figura 1 co-rresponde al “LIFE U625”. Al respecto, reiteramosque hacemos la descripción de cada etapa basán-donos en un teléfono Motorola Nivel 3 A920, peroque lo explicado se aplica para saber cómo funcio-na cualquier teléfono celular con similar tecnología.

Los balunes suelen introducir pérdidas del ordende 1dB.

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El circuito integrado U625 posee un amplifica-dor de bajo ruido (LNA) que le da a la señal el ni-vel apropiado para su tratamiento, un osciladorcontrolado por tensión (VCO) y una etapa mezcla-dora convertidora para llevar a la señal recibida abanda base. Dentro del integrado, la señal recibi-da es mezclada con una señal para obtener unaFrecuencia Intermedia Muy Baja (VLFI) del orden delos 100kHz. Se emplea esta configuración paramejorar la salida del oscilador local (LO) cuya señalserá mezclada con la recepcionada por la antena yque ingresa al integrado luego de ser equilibradapor el balum. En esta etapa se realizan compensa-ciones de corriente continua, con el objeto de obte-ner una señal menos ruidosa. En el diagrama enbloques de la figura 1, se obtienen diferentes con-versiones según que la señal sea GSM, DCS o PCS.Luego del tratamiento de la señal recepcionada te-nemos, a la salida del integrado U625, las señalesde fase (I) y cuadratura (Q).

Para que el circuito integrado LIFE funcione sin-crónicamente, se envían señales SPI de datos y relojdesde una etapa “MAGIC” (regulador de tracking ytensión de aislación del VCO).

El integrado de tratamiento de señal de RF(U625 ó LIFE) posee cuatro amplificadores de bajoruido (de los cuales sólo se emplean tres) con doscaminos en cuadratura para la señal: uno que pue-de ser usado para la banda baja de 850MHZ ó900 MHz (GSM de 850MHz ó 900MHz) y otro pa-ra la banda alta en DCS de 1800MHz (1805MHza 1880MHz) ó en PCS de 1900MHz (1930MHz a1990MHz). Todos los amplificadores son progra-mables mediante interfase SPI (Serial To Parallel In-terface, interfase serie a paralelo). Un bus SPI con-siste en tres señales:

SPI_DATASPI_CLOCKSPI_LATCH

Figura 1

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Figura 2

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Generalmente a esta interfase se la emplea pa-ra controlar una señal interna por medio de un con-trolador externo, que es lo que ocurre con los VCOsdel LIFE que deben ser controlados por el bloqueMAGIC_LV.

La señal RX_VCO es reenviada al prescaler deentrada con una frecuencia que dependerá del ca-nal seleccionado. La señal en este canal tiene unaamplitud de 30dB.

LIFE contiene tres osciladores controlados portensión (RX_VCO) los cuales operan a frecuenciasdel orden de los 4GHz. Los tres osciladores interna-mente se tratan para que provean señales en perfec-ta cuadratura según la banda seleccionada (en es-te ejemplo empleamos las bandas GSM =900MHz, DSC = 1800MHz y PCS = 1900MHz).

La señal de entrada de RF de sintonía (RX_TU-NE) proveniente del procesador de entrada (MA-GIC_LV) selecciona la frecuencia de oscilación delVCO a través de la aplicación de una tensión com-prendida entre 0,5V y 4,5V.

De esta manera, las frecuencias de oscilación decada VCO local dependerá de cada tecnología obanda y será:

DCS: 3610MHz - 35759MHz, EGSM: 3700MHz - 3838MHz, PCS: 3859 - 3980MHz.

La señal de AGC (control automático de ganan-cia) es provista por un amplificador (común a lastres bandas) y compartida por los cuatro amplifica-dores. La ganancia del amplificador de AGC secontrola por medio de la tensión presente en un“pin”, utilizando un conversor DA de 6 bits.

El seteo del AGC se realiza mediante las líneasde programación SPIDATA, SPI_CLK y SPI_CE (figu-ra 2).

El integrado LIFE tiene un detector de RF internoen la entrada del amplificador de AGC.

El nivel de salida de corriente continua detecta-do será comparado contra una señal de referencia,que es seleccionable por medio del bus SPI, de mo-do que el umbral pueda ser puesto a 0dB, 3dB,6dB, o 9dB debajo del nivel, que causa el mal fun-cionamiento de mezclador.

Si el nivel de la señal detectada es superior al ni-vel de referencia, la línea AGC_GLAG irá a “1” ló-gico, el MAGIC_LV recibirá este cambio de nivel enla línea y cambia la ganancia del AGC hasta el ni-vel necesario que haga que desaparezca ese “1”en AGC_FLAG y vuelva a “0”.

Aclaremos nuevamente que tanto las señales defase (I/IX) como las de cuadratura (Q/QX), tienenuna frecuencia del orden de los 100kHz y represen-tan valores bajos de frecuencia intermedia (VLIF).

El pin de entrada RX_EN_LIFE controla el estadoON/OFF del receptor y del circuito PLL.

Para amplitudes de la señal presente en la ante-na del orden de –50dB, se espera tener una señalde VLFI de salida pico a pico del orden de 1mVpp.

El Circui to Back - EndFuncionamiento del U500 Magic LV

En la figura 3 podemos ver el diagrama en blo-ques del sistema “back end” de recepción de un te-léfono celular. Note que el primer bloque es la eta-pa Front End (GSM RX Front End).

El circuito integrado Magic LV, entre otras cosas,procesa las señales para las bandas EGSM, DCS YPCS (VLIF: RX_I, RX_I_X, RX_Q, Y RX_Q_X) que sonrecibidas y enviadas a un primer bloque de recep-ción (un circuito integrado llamado LIFE). Simple-mente, el MAGIC_LV realiza una conversión analó-gica a digital de las señales de fase y cuadratura(I/Q), y envía los datos al procesador (POG) a tra-vés de una interfase SSI (interfase serie sincrónica)).El MAGIC_LV también tiene un amplificador de FIdigital programable, capaz de mejorar el rechazode la frecuencia imagen.

En este circuito integrado, cada canal posee unAmplificador Mezclador (PMA), un filtro pasivo dedos polos integrado (IFA), un amplificador adicionalseguido de un filtro activo programable de dos po-los “antisolapamiento (principalmente requerido pa-ra encontrar señales interferentes, Anti Aliasing Fil-ter). Luego se tiene un conversor ADC pasabajo ti-po sigma-delta, con un oscilador (clock) programa-ble de sobremuestreo OVSCLK (sacado del oscila-dor de referencia) igual a 13MHz para un espacia-

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do de canal (ancho de banda) de 200kHz, con unaseñal de 13 bits.

Luego de los conversores sigma - delta, en cadacanal se colocan detectores digitales y fitros. De es-ta manera, las señales resultantes se comparan conun nivel definido por un detector de nivel (DET_LVL).

Si cualquiera de los niveles detectados excede elumbral programado, entonces el pin DET_FLAG espuesto en alto.

Esto indica que el nivel de señal es muy alto pa-ra el modulador de delta sigma. DET_FLAG es leídopor el procesador, que responderá programando o

ajustando el nivel de AGC (control automático deganancia) de modo que la señal vaya bajando, pro-ceso que continúa hasta que el pin DET_FLAG tomenuevamente un nivel bajo.

Las salidas de los moduladores de sigma-deltason procesadas digitalmente a través de un circuitode cancelación de ruido y filtros. Un segundo osci-lador local digital programable (LO), basado en da-tos leídos desde la memoria ROM, genera oscilacio-nes digitales en cuadratura, con corrección progra-mable de ganancia/fase (llamado multiplicador ba-lanceado complejo, Balanced Complex Mod) que

Figura 3

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Figura 4

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llevan a las señales I/Q (fase y cuadratura) a ban-da base por medio de cuatro mezcladores de cua-dratura, que proporcionan el rechazo de imagen delos canales adyacentes. Un oscilador digital de cua-dratura (Dig Quad Osc) se encarga de realizar lacorrección de ganancia y de fase, para compensarlos desajustes de las señales fase y cuadratura quese producen durante su procesamiento. Luego de laconversión a banda base y de la reducción de la se-ñal imagen, las señales de fase y cuadratura sonprocesadas por filtros digitales encargados de dar“selectividad” al canal (lo que significa que estos fil-tros son de alto factor de mérito) y un fuerte recha-zo al ruido.

Un bus serie que consiste en SDFS Y SDRX, trans-mitirá los datos RXI y RXQ en un formato de 2 seña-les complementarias. BDR y BFSR son salidas del

MAGIC LV. BFSR es una señal de formación que mar-ca el principio de transferencia de las señales de fa-se y cuadratura I/Q. BDR es el conjunto de datos se-riales. El reloj usado para la transferencia serial esBCLKR. Cuando NB_RX_ACQ toma el estado alto,MAGIC LV activará la interfaz SSI en la sección de“receptor digital”.

De esta manera comenzará la transmisión de in-formación sobre el bus serial como una sucesión nor-mal de datos I y Q que son reconocidos y procesa-dos internamente por el receptor digital. Por último,en la figura 4 se tiene el diagrama en bloques delas etapas intervinientes en este proceso, razón porla cual deberemos analizar los bloques FL500 yFL510, tema que desarrollaremos más adelante.

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