手机仿真系统硬件平台设计说明.docx
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手机仿真系统硬件平台设计说明
技术文件
技术文件名称：
手机仿真系统硬件平台设计说明
技术文件编号：
版本：
V1.0
文件质量等级：
共23页
（包括封面）
拟制朱哲勇刘淑良
审核
会签
标准化
批准
深圳市中兴通讯股份有限公司
目录
1概述4
1.1版本背景介绍4
1.2缩略语4
1.3参考文献4
2设计输出4
3系统位置5
4设计原理5
4.1射频模拟电路板5
4.1.1射频模块5
4.1.1.1模拟接口6
4.1.1.2串行接口6
4.1.1.3控制接口7
4.1.2模拟基带芯片7
4.1.2.1工作时钟和复位8
4.1.2.2电源和控制信号9
4.1.2.3控制寄存器9
4.1.2.4基带模块9
4.1.2.5音频模块10
4.1.2.6控制模块10
4.1.3电源电路11
4.1.4键盘、显示和SIM卡驱动电路12
4.2DSP电路板12
4.2.1工作主频的确定12
4.2.2串口通信13
4.2.3HPI口13
4.2.4存储器选择14
4.2.5复位和JTAG调试14
4.2.6接口信号定义15
4.3MCU电路板16
4.3.1存储器接口16
4.3.2SIM卡接口17
4.3.3背光/LCD显示接口17
4.3.4MCU与DSP的接口18
4.3.5测试接口18
4.3.6可编程逻辑器器件18
4.3.6.1时间处理单元TPU18
4.3.6.2与EEPROM的接口20
4.3.6.3键盘接口20
4.3.6.4与射频模块的接口20
4.3.6.5其它功能20
4.3.6.6FPGA与MCU的接口20
4.3.7接口信号定义21
评审记录23
1概述
1.1版本背景介绍
文档名称
手机仿真系统硬件平台设计说明
文档编号
版本号
版本生成时间
修改人
修改原因
1.0
99/11/12
朱哲勇
刘淑良
初版。
1.2缩略语
GSMGlobalSystemforMobilecommunication全球移动通信系统
ASICApplicationSpecificIntegratedCircuit特定用途集成电路
SOCSystemonchip片上系统
DSPDigitalSignalProcessor数字信号处理器
MCUMicrocontrollerUnit微控制器单元
SIMSubscriberIdentificationModule用户识别模块
GMSKGaussionFilteredMSK高斯滤波最小移频键控
MMIManMachineInterface人机界面
1.3参考文献
<>TI芯片手册
<>TI芯片手册
<>ATMEL芯片手册
<>TTP资料
<>ADI芯片手册
<>ADI芯片手册
<>LINEAR芯片手册
<>TI基带芯片资料
<>文档何反修1999.8
<<手机仿真系统方案设计报告>>文档朱哲勇1999.8
2设计输出
●《手机仿真系统硬件平台设计说明》
●《射频模拟电路板电路原理图》
●《DSP电路板电路原理图》
●《MCU电路板电路原理图》
3系统位置
手机仿真系统中，硬件平台是用来仿真手机中LAY1部分的所有软、硬件所实现的功能，并为手机协议栈和MMI应用层软件提供一个程序调试的硬件环境。
其目标为设计一个硬件仿真板，在该仿真板上可以运行和调试DSP算法程序、MCU控制程序和通信协议等。
4设计原理
整个仿真板由三个部分电路组成：
射频模拟电路板、DSP电路板和MCU电路板，这三个部分电路之间都有通信接口。
下面我们将对电路的设计原理及其之间的通信接口作一详细的介绍。
4.1射频模拟电路板
射频模拟电路板包括射频模块、模拟基带芯片、键盘和显示、SIM卡、话音输入输出和电源等电路，同时该电路板还提供了一个25针的双排插座同DSP电路板进行串口通信以及一个64针的双排插座同MCU电路板进行通信。
4.1.1射频模块
射频模块采用TDK公司的射频模块，通过一个50针的双排连接器连接到电路板上。
TDK公司的射频模块共有50个管脚，分别与天线、模拟基带芯片和MCU芯片等连接，其各管脚的名称和功能见下表所示。
引脚号
管脚名称
信号方向
信号
类型
信号功能描述
1
RFCLK
输出
模拟
13MHz参考时钟
2
VSYNTHEN
输入
数字
频率合成器电源使能
3
SYNTHCLK
输入
数字
频率合成器/AGC串行时钟
4
SYNTHEN1
输入
数字
频率合成器数据选通信号
5
IRXP
输出
模拟
基带接收数据
6
IRXN
输出
模拟
基带接收数据
7
ITXP
输出
模拟
基带发送数据
8
ITXN
输出
模拟
基带发送数据
9
RAMPDAC
输入
模拟
发送Ramp/功率控制
10
TXEN
输入
数字
发送器使能
11
TXPA
输入
数字
功放/天线开关使能
12~15
4.8V_PA
输入
模拟
功放电源，额定值为4.8V
16
DCSSEL
输入
数字
DCS收发器使能
17
GSMSEL
输入
数字
GSM收发器使能
18
GND
输入
模拟
AFCDAC/VCLK地
19～35
GND
输入
模拟
公共电源/信号地
36~38
4.8V_PA
输入
模拟
功放电源，额定值为4.8V
39
RXON1
输入
数字
接收器前端使能
40
TXPHASE
输入
数字
功放负电源发生器使能
41
RXON2
输入
数字
接收器后端使能
42
VBAT
输入
模拟
电池供电输入，额定值3.6V
43
QTXP
输入
模拟
基带发送数据
44
QTXN
输入
模拟
基带发送数据
45
QRXN
输入
模拟
基带接收数据
46
QRXP
输入
模拟
基带接收数据
47
AGCA
输入
数字
AGC数据选通信号
48
SYNTHDATA
输入
数字
频率合成器/AGC串行数据
49
VCLK
输入
模拟
13MHz参考时钟的电源输入，额定值2.85V
50
AFCDAC
输入
模拟
AFCVCTCXO频率校正信号
——
NT
输入/输出
模拟
天线连接端
4.1.1.1模拟接口
射频模块共有12个模拟接口信号，分别与模拟基带芯片中的相应管脚相连接。
具体如下：
●RFCLK：
模块中的13MHzVCTCXO为基带处理器和射频系统提供主时钟。
VCTCXO设计了输出缓冲，用于满足基带处理器和PLL芯片的要求。
为基带处理器提供的时钟信号是一个交流耦合的13MHz正弦波信号，信号幅度的典型值600mVpp。
负载的阻抗必须5k，电容25pF。
该信号通过一电缆分别连接到DSP电路板和MCU电路板上，作为DSP芯片和MCU芯片的外接时钟信号源。
●VCLK：
该信号由基带提供，用于给模块中13MHzVCTCXO和缓冲放大器供电。
在电路中该信号直接接到模拟电源提供的2.8V_A上。
●基带I、Q信号：
为射频模块和模拟基带芯片之间传递的双路差分模拟基带信号。
其中射频模块发送给模拟基带芯片的为4个信号：
IRXP、IRXN、QRXP、QRXN，射频模块从模拟基带芯片接收到的也为4个信号：
ITXP、ITXN、QTXP、QTXN。
在电路中，这些信号分别接到AD6421B的对应的管脚上。
●RAMPDAC：
用于控制发送器的功率控制环路。
RAMPDAC信号决定射频模块所发送突发脉冲的输出功率和功率/时间曲线。
RAMPDAC信号在功率控制环路中被滤波，以去除D/A转换器所产生的高频能量。
在电路中，该信号连接到模拟基带芯片AD6421B的一个辅助D/A转换器提供的RAMP信号。
●AFCDAC：
该信号用于控制射频模块中的13MHzVCTCXO。
基带处理器根据FCCH突发脉冲上测量的结果来调整13Mhz晶体振荡器的频率，并在传输TCH突发脉冲的过程中时刻跟踪测量结果。
在电路中，该信号连接到模拟基带芯片AD6421B的一个辅助D/A转换器提供的AFC信号。
●天线：
天线通过一个单50端口连接，完成GSM900/DCS1800射频信号的发送和接收。
4.1.1.2串行接口
射频模块包含了一个串行编程接口，用于合成器芯片和HD155121的中频AGC放大器的控制。
射频模块包含了一个国半LMX2336L双PLL合成器芯片——它控制540MHz中频VCO和双频UHFVCO模块。
合成器芯片和HD155121共享数据和时钟线，两个锁存使能信号SYNTHEN和AGCA决定数据是对AGC增益设置进行编程还是对合成器频率进行编程。
在电路中，该编程接口由MCU电路板来提供。
该接口共有四个引脚，分别连接到MCU提供的同名的4个信号：
●SYNTHEN1：
LMX2336合成器的“锁存使能”信号。
●SYNTHDATA：
合成器芯片和HD155121合用的串行数据线。
其中，合成器的编程字长为22比特，数据是MSB先移入，各位比特的作用请参看LMX2336数据手册。
AGC增益编程字长为8比特，开始的两个数据位D7、D6有以下作用：
D7用于控制第一阶接收混频器：
“0”=正常增益值
“1”=缩减的增益值
D6用于控制中频放大器/第二阶混频器：
“0”=正常增益值
“1”=缩减的增益值
其余的6个比特（D5~D0）用于编程AGC增益。
●SYNTHCLK：
合成器芯片和AGC放大器合用的串行移位时钟，时钟的上升沿有效。
●AGCA：
HD155121芯片的AGC串行编程寄存器的“锁存使能”信号。
4.1.1.3控制接口
控制接口共有8个接口信号，分别用来控制射频模块中电源的供应、发射和接收的允许等。
这些信号全部由MCU电路根据需要进行控制：
●VSYNTHEN：
合成器和HD155121F射频芯片的电源调整器控制信号。
高电平有效，当该引脚为“低”，射频模块处于待机模式。
该信号由MCU提供的RADIOON信号进行控制。
●DCSSEL：
DCS频段选择信号，高电平有效。
当为“高”时，GSMSEL必须为“低”。
该信号连同下面的GSMSEL、TXPHASE和TXEN信号分别连接到MCU提供的同名信号。
●GSMSEL：
GSM频段选择信号，高电平有效。
当为“高”时，DCSSEL必须为“低”。
●TXPHASE：
该信号用于打开给GaAS功放提供偏置电压的负电压发生器的开关。
●TXEN：
该信号用于控制发送器。
TXEN用于控制发送VCO、功放和功率控制环路的供电部分，另外TXEN信号用于使能锁相环的偏置部分和HD155121射频芯片内部的时钟分频器。
●TXPA：
该信号用于控制TX/RX天线开关，它与DCSSEL一起获得所需发送时隙之外的额外的PA隔离。
该信号接到MCU提供的PASUPPLYON信号。
●RXON1：
用于控制接收器前端的操作。
另外RXON1与DCSSEL一起用于在TX/RX天线开关之间切换合适的接收信号路径。
●RXON2：
用于控制接收器的后端，IF放大器和解调器。
在电路中，RXON1和RXON2接在一起，由MCU提供一个RXON信号进行统一控制。
4.1.2模拟基带芯片
模拟基带芯片采用AD公司的AD6421B芯片。
该芯片为音频、基带编解码器件，在其内部集成了GSM900、DCS1800和PCS1900频段无线通信时音频信号和模拟基带信号所需的所有A/D、D/A转换器，同时还提供了几个D/A转换器来控制射频模块和一个4通道的A/D转换器来检测一些模拟信号如电池的电压或电池的温度等。
整个芯片分为三个模块：
音频模块、基带模块和控制模块，每个模块都有一个串口和相应的控制寄存器与数字基带芯片进行通信。
其内部结构如下图所示：
4.1.2.1工作时钟和复位
AD6421B芯片工作时需要MCU电路板提供一个13Mhz的主时钟MCLK（方波数字信号）。
为了降低手机的功耗，当AD6421B不进行任何操作时，可以将这个时钟关断。
AD6421B分别给三个串口提供串行通信时所需的串行时钟，分别为ASCLK、VSCLK和BSCLK。
其中，ASCLK为输入（DSP电路板提供）时钟，是由外界提供的，其最大频率为6.5Mhz。
BSCLK和VSCLK为AD6421B芯片向外（DSP电路板）输出的时钟，它们的频率可以通过BSCLKRATE和VSCLKRATE控制寄存器来设置。
BSCLKRATE的取值范围为0～1023，当BSCLKRATE＝0时，BSCLK＝13。
AD6421B芯片的话音串口提供了两种串行数据传输方式：
通用模式和DAI模式。
通用模式下数据传输为16位，而DAI模式下数据传输为13位，这些13位比特为通用模式下16位数据的高13位。
在通用模式下，VSCLKRATE的取值为0～16，在DAI模式下的取值为24。
AD6421B芯片在复位时，其RESET管脚应当被设置为1个MCLK以内的低电平，其内部复位逻辑是边沿有效的，输入的低电平信号在信号变高之后被锁存并保持2个MCLK的时间。
在仿真板中，该复位信号由MCU电路板提供。
4.1.2.2电源和控制信号
AD6421B芯片需要两种电源：
2.8V模拟电源和2.8V数字电源。
在芯片的内部，每个部分电路的电源都可以单独地供给和关断，以尽可能地降低手机的功耗。
AD6421B的两个管脚TXON和RXON分别用来控制模拟基带信号的发射和接收，高电平有效。
这两个信号分别连接到MCU电路板提供的TXEN和RXEN信号上。
AD6421B芯片提供一个测试模式选择管脚MODE，在仿真板中由于不需对该芯片进行测试，因此将该管脚直接接到低电平上。
4.1.2.3控制寄存器
AD6421B芯片提供了一组共37个寄存器，每个寄存器的宽度为10比特，用来控制对整个芯片的操作。
每个控制寄存器都有一个地址，其读写操作是通过控制串口ASPORT或基带串口BSPORT来进行的。
控制寄存器的读写数据的格式如下图所示：
当对寄存器进行写操作时，D9～D0为所写入的值，A5～A0为所需写入寄存器的地址。
注意，D9为第一个写入的比特。
当对寄存器进行读操作时，按上述格式进行串口读之前，需要先向读地址寄存器写入所读寄存器的地址A5～A0，其写入的格式如下图所示：
在写入地址后的第4个MCLK周期即可进行寄存器读操作。
4.1.2.4基带模块
从AD6421B的内部结构图可以看出，在上行方向（手机发射方向），基带模块接收DSP发送的一个BURST数据并存储在BURST存储区中，当TXON信号为高时，AD6421B自动地将这些数据取出进行GMSK调制，再经过D/A转换成模拟基带I、Q信号，送给射频模块。
BURST存储区能够保存160个比特的数据，可以通过对控制寄存器TXDATA（address=0）进行16次连续写操作来完成。
值得注意的是，在写入的16个10比特的字中，写入的第一个字的D0比特将被第一个读出，而最后一个字的D9比特将被最后读出。
GMSK数字调制器是利用数字逻辑和ROM数据表来完成的，待发送的BURST比特首先被差分编码，然后进行脉冲成形，再乘上COS系数（I数据）和SIN系数（Q数据），经过D/A转换后即输出模拟基带I、Q信号。
基带模块的串口共有5个信号：
BSDI、BSDIFS、BSCLK、BSDO和BSDOFS，分别与TMS320VC549的BSP1串口提供的同名信号相接；10个模拟接口信号，其中IRXP、IRXN、QRXP、QRXN、ITXP、ITXN、QTXP、QTXN分别与射频模块的相应的管脚相接，BREFCAP通过一个0.1uF的电容接到地上，BREFOUT悬空。
4.1.2.5音频模块
音频模块有3个音频控制寄存器VCRA（Address=16H）、VCRB（Address=17H）和VCRC（Address=18H）。
VCRA用来控制音频部分输入、输出通道的选择，输出信号的增益和整个音频模块的电源供应。
VCRB用来控制音频部分输入信号的增益，片内音频参考和整个音频模块主时钟的开、关等。
VCRC用来控制音频串口是否处于13比特DAI模式和VSDO管脚是否处于高祖状态。
这些控制寄存器的值可以通过基带串口或控制串口进行设置，寄存器中各控制比特的具体值可参看AD6421B手册。
音频模块的串口提供了4个管脚VSCLK、VSFS、VSDI和VSDO，分别与TMS320VC549的BSP0串口提供的相应管脚相接。
其中，VSCLK同时连接到BSP0串口的输入、输出时钟管脚，该时钟由AD6421B来提供，时钟频率通过VSCLKRATE寄存器（Address=1BH）设置为8Khz，工作在DAI模式下（见2.1.2.1节）。
同VSCLK一样，VSFS也同时连接到BSP0串口的输入、输出帧同步管脚，信号由AD6421B来提供，频率为8/13Khz。
音频模块提供了多个音频模拟接口，包括麦克风、扬声器和蜂鸣器等及其驱动电路。
AD6421B模拟基带芯片提供了两个差分模拟输入信号VINNOR和VINAUX、输出信号VOUTNOR和VOUTAUX以及一个单端输出的蜂鸣器输出信号BUZZERCONTROL。
VINAUX和VOUTAUX为辅助输入、输出信号，在仿真板中不使用这些信号。
麦克风输出的模拟话音信号经过一个电阻、电容滤波网络后，连接到VINNOR的两个输入端，而模拟话音输出信号VOURNOR直接驱动了一个32欧姆的扬声器。
BUZZERCONTROL信号通过两个晶体管驱动后，推动蜂鸣器发出声音信号。
麦克风和扬声器的输入、输出话音信号的音量大小都可以通过相应的控制寄存器进行设置。
4.1.2.6控制模块
AD6421B芯片提供了三个D/A转换器和一个四通道的A/D转换器。
D/A转换器用来产生模拟控制信号，分别为IF接收的自动增益控制信号AGC、主时钟晶振的自动频率控制信号AFC、RF功放控制信号RAMP。
四通道的A/D转换器是一个通用的A/D，可以用来监测手机中的一些模拟信号，如：
电池电压、电池温度等。
1）RAMP信号
GSM手机在发射突发脉冲时，为了避免发射一些不需要的频谱成分，突发脉冲的功率大小必须遵循一个精确定义的曲线，这个曲线即是由RAMP信号来提供的。
在AD6421B中，提供了一个RAMP－RAM数据存储区和一个通用D/A转换器来实现这个信号。
RAMP－RAM为一个32*16比特大小的RAM，其中分别存储了用来定义功率上升和下降阶段曲线的16个字的值，手机在发射突发脉冲时，以540Khz的频率将这些数据取出送至D/A转换器，其输出电压与数据值之间的关系如下式所示。
其中，
为基带模块提供的参考电压。
W为在RAMP－RAM中存储的数据，
为RAMP模拟信号的输出电压。
当RAMP－RAM被设置为不用时，从串口传送的数据将被直接送往RAMP－DAC转换成AGC信号。
2）AFC信号
AFC信号由两个D/A转换器MainDAC和SubDAC组合在一起来完成的，分别用来对手机的主时钟频率进行粗调和微调控制。
其中，MainDAC为8比特，而SubDAC为10比特，SubDAC的高5位与MainDAC的低5位的值是相同的，两者在一起构成了一个通用的13比特D/A转换器AFCDAC，如下图所示。
在AD6421B中，有两个寄存器AFCDAC和SUBDAC，分别用来存放MAINDAC和SUBDAC的值。
若它们的值分别为M和S，则输出的AFC信号的电压为：
其中，
为基带模块提供的参考电压。
从该公式中可以看出，当M＝0，S＝0时，AFC输出的信号电压最小为
。
当M＝FFH，S＝3FFH时，AFC输出的信号电压最大为
，由于这个电压超过了控制模块所供给的最大工作电压2.7V，为确保芯片工作正常，规定M和S的最大值分别为M＝DFH，S＝3FFH，此时输出的AFC信号电压为2.46V.
3）通用A/D、D/A
AD6421B提供了一个4通道10比特的A/D转换器，用来监测一些模拟信号。
通道的选择和转换的启动都是通过相应的控制寄存器来控制的，转换的速率为13/128Mhz。
在仿真板中，由于TDK射频模块的自动增益控制是通过串口进行软件编程实现的，因此AD6421B芯片中用于AGC的D/A可以当作一个通用的D/A转换器来使用。
其输出信号的电压计算公式如下式所示。
其中，
为基带模块提供的参考电压，W为数据值。
在仿真板中，控制模块的串口同TMS320VC549的TDM串口相接，此时TDM串口工作在标准串口模式下，接法与基带串口相同。
AFC和RAMP信号分别直接连接到射频模块相应的管脚上，通用A/D的4个输入管脚和AGC信号的输出管脚连接到一个插座上，以供备用。
4.1.3电源电路
整个射频基带电路板需要的电源为：
3.6V，2.8V_D，2.8V_A和4.8V_A。
输入的直流电压经过一个电压调整器后，输出一个3.6V的电压，供整个电路板使用。
同时，经过两个2.8V的电压变换器后，分别输出2.8V的数字电压和2.8V的模拟电压。
此外，电源电路还提供射频功放所需的4.8V的工作电压。
具体的电源电路请参看电路图。
4.1.4键盘、显示和SIM卡驱动电路
键盘使用6×4的键盘，为6行4列，分别接到MCU上。
LCD采用LC99402并行显示器，接到MCU上。
SIM卡与数字基带芯片之间的接口是通过芯片LTC1555来实现的。
LTC1555芯片为SIM卡提供电源和进行3V到5V的信号电平转换，在MCU与SIM卡之间起着桥梁的作用。
LTC1555与MCU之间的接口信号主要有：
SIMCLOCK（串行时钟）、SIMDATA（串行数据）、SIMRESET（SIM卡复位信号）、SIMM0&SIMM1（SIM卡电压的模式选择）。
4.2DSP电路板
DSP采用TI的TMS320VC549芯片。
DSP电路板主要包括复位电路、程序存储器、JTAG调试口等电路。
4.2.1工作主频的确定
TMS320VC549的最高工作频率可以达到100Mhz，其工作时钟可以为射频模块提供的13Mhz的纯正弦波信号，也可以为晶振产生的13Mhz的纯正弦波信号，以便于调试。
两者之间通过一个跳线来选择。
射频模块的时钟信号通过电缆传输过来后，通过一个时钟驱动电路进行驱动，以保证DSP能够正常工作。
在TMS
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