Telefonos celulares

Le proponemos el estudio de un curso que le enseña el funcionamiento de las diferentes etapas que constituyen a los teléfonos celulares de tecnología GSM. Nuestra idea es proporcionar conocimientos para que los estudiantes, técnicos e ingenieros puedan solucionar diferentes problemas que involucren a estos aparatos. Es necesario aclarar que para realizar este trabajo nos basaremos en los manuales de servicio de equipos de diferentes marcas, comenzando con el diagrama en bloques de un teléfono Sony y prosiguiendo con análisis detallados de unidades Motorola, dado que los desarrolladores de dicha empresa han tomado un cuidado especial en la elaboración de manuales, incluyendo etiquetas y diferentes colores para el seguimiento de las señales en los circuitos de las distintas etapas. Empezamos explicando cada uno de los bloques que integran a un teléfono celular, desde el circuito de antena hasta el sistema de apoyo del microcontrolador final que le permite comunicarse con el exterior. Para la explicación elegimos un teléfono Motorola de Nivel 3 porque puede operar tanto con tecnología GSM como CDMA y porque también puede operar en la banda de 2.1GHz en UMTS. Para la comprensión de este texto es preciso que el lector posea conocimientos de telefonía y de tecnologías utilizadas para telefonía celular, temas que fueron desarrollados en otras ediciones de Saber Electrónica y del Club Saber Electrónica y que Ud. puede bajar sin cargo de nuestra web www.webelectronica.com.ar, haciendo click en el ícono password e ingresando la clave: c u r s o c e l. Ud. debe ser socio del Club SE, lo cual es gratuito y puede concretar en la misma web. ¿Por qué es un curso? Porque Ud. tiene la oportunidad de ampliar cada tema expuesto en este tomo de colección y hasta “inscribirse” (o registrarse) como alumno regular y así poder hacerme consultas sobre telefonía celular de modo que cuando esté seguro de haber aprendido lo suficiente pueda rendir un test de evaluación (también por Internet) y al aprobarlo bajarse un Diploma que certifica que aprobó este curso. Cabe aclarar que en la sección a la que ingresa con la clave “cursocel” posee además un curso sobre mantenimiento, reparación, flasheo y liberación de teléfonos celulares y hasta un apartado con notas y videos sobre liberación de teléfonos celulares de diferentes marcas y modelos. Por último, en el tomo 41 de la colección Club Saber Electrónica habíamos mencionado que este ejemplar describiría la forma de trabajar con teléfonos celulares Sony Ericsson y Alcatel entre otras marcas pero decidimos “reprogramar” el contenido para que pueda conocer mejor a los teléfonos celulares por dentro; sin embargo, Ud. puede descargar todo ese material de nuestra web y hasta videos que lo guiarán paso a paso en el servicio de dichos aparatos. Club Saber Electrónica Nº 44. Fecha de publicación: AGOSTO de 2008. Publicación mensual editada y publicada por Editorial Quark, Herrera 761 (1295) Capital Federal, Argentina (005411-43018804), en conjunto con Saber Internacional SA de CV, Av. Moctezuma Nº 2, Col. Sta. Agueda, Ecatepec de Morelos, México (005255-58395277), con Certificado de Licitud del título (en trámite). Distribución en Argentina: Capital: Carlos Cancellaro e Hijos SH, Gutenberg 3258 - Cap. 4301-4942 - Interior: Distribuidora Bertrán S.A.C. Av. Vélez Sársfield 1950 - Cap. – Distribución en Uruguay: Rodesol SA Ciudadela 1416 – Montevideo, 901-1184 – La Editorial no se responsabiliza por el contenido de las notas firmadas. Todos los productos o marcas que se mencionan son a los efectos de prestar un servicio al lector, y no entrañan responsabilidad de nuestra parte. Está prohibida la reproducción total o parcial del material contenido en esta revista, así como la industrialización y/o comercialización de los aparatos o ideas que aparecen en los mencionados textos, bajo pena de sanciones legales, salvo mediante autorización por escrito de la Editorial. Revista Club Saber Electrónica, ISSN: 1668-6004

COMO FUNCIONAN

LOS

GENERALIDADES

DIAGRAMA

Y

TELEFONOS CELULARES. EN

BLOQUES

DE UN

MOVIL ..............................................................3 Diagrama en bloques de la sección de RF de un teléfono celular Sony .............................................3 Diagrama en bloques de sistema de banda base .5 Diagrama en bloques de la etapa de audio...........6

EL CIRCUITO

DE

ANTENA ..................................7

Introducción............................................................7

CIRCUITO DE RECEPCION GSM DE UN MOVIL. CIRCUITOS FRONT END Y BACK END ................10

Funcionamiento de este integrado MAX2309 .....31

PROCESAMIENTO

DE

SEÑALES. PROCESAMIENTO

DE LAS SEÑALES WCDMA EN BANDA BASE

“HARMONY LITE”. EL SINTETIZADOR. BLOQUE TRANSMISOR DEL HARMONY LITE.....................35 Introducción..........................................................35 El sintetizador de señales WCDMA.....................38 El transmisor del Harmony Lite............................38 El MAX2363 .........................................................41

MAX 2363 - TRANSMISOR WCDMA. EL MODULADOR DE TRANSMISION DE UN CELULAR 44 Introducción..........................................................44

Introducción..........................................................10 El circuito FRONT END .......................................10 El circuito BACK END. Funcionamiento del U500 Magic LV ..............................................................13

PA AMPLIFICADOR DE POTENCIA DE TRANSMISION WCDMA.......................................................48

FUNCIONES DEL CONTROL DEL CIRCUITO DE PROCESAMIENTO DE SEÑALES (MAGIC LV) ......17

CARGA

Introducción..........................................................17

SISTEMA

EL SINTETIZADOR / TRANSMISOR DEL CIRCUITO DE PROCESAMIENTO DE SEÑALES .........................21

Introducción..........................................................55 La Recepción de audio ........................................55 La Transmisión de audio .....................................57 Etapa de audio de potencia & PCAP ..................60 Procesador de banda base..................................60

Introducción..........................................................21

EL CIRCUITO DE VCO Y EL AMPLIFICADOR FINAL GSM.............................................................24 Descripción del oscilador controlado por tensión de un teléfono celular................................................24 Descripción del Amplificador PA GSM ................24

EL CIRCUITO CONVERSOR WCDMA MAX 2388 .27 Introducción..........................................................27 Que es WCDMA? ................................................27

EL SISTEMA

DE

FI

PARA

WCDMA MAX2388 .31

Introducción..........................................................31 Director de la Colección Club SE Ing. Horacio D. Vallejo Jefe de Redacción: Pablo M. Dodero Autor de esta edición: Ing. Horacio D. Vallejo Club Saber Electrónica es una publicación de Saber Internacional SA de CV de México y Editorial Quark SRL de Argentina

Editor Responsable en Argentina y México: Ing. Horacio D. Vallejo Administración Argentina: Teresa C. Jara Administración México: Patricia Rivero Rivero Comercio Exterior Argentina: Hilda Jara Comercio Exterior México: Margarita Rivero Rivero

Introducción..........................................................48 El Amplificador de salida TX................................48 DE

BATERIA

DE UN

TELEFONO CELULAR51

El Regulador de voltaje........................................52 DE

BLUETOOTH

AUDIO

DE UN

EN LOS

TELEFONO CELULAR 55

TELEFONOS CELULARES ....65

Introducción..........................................................65 Más sobre Bluetooth ............................................68

GPS

EN LOS

TELEFONOS CELULARES .............69

Introducción..........................................................69 GPS en los teléfonos celulares............................73 Póngale GPS a su celular....................................74

LA CAMARA Y EL PROCESADOR DE MANEJO DE PUERTOS .......................................................75 Introducción..........................................................75 El patrón RGB de Bayer ......................................75 Helen: El procesador de apoyo ...........................78 Director Club Saber Electrónica: Luis Leguizamón Responsable de Atención al Lector: Alejandro A. Vallejo Coordinador Internacional José María Nieves Publicidad Argentina: 4301-8804 - México: 5839-5277 Staff Víctor Ramón Rivero Rivero Olga Vargas

Liliana Vallejo Mariela Vallejo Javier Isasmendi Ramón Miño Fernando Ducach Areas de Apoyo Teresa Ducach Disprof Fernando Flores Paula Vidal Raúl Romero Internet: www.webelectronica.com.ar Web Manager: Luis Leguizamón

Vallejo, Horacio - Un teléfono celular por dentro / dirigido por Horacio Vallejo. - 1a ed. - Buenos Aires : Quark, 2008. 80 p. ; 28x20 cm. ISBN 978-987-623-074-2 1. Electrónica. I. Vallejo, Horacio, dir. II. Título CDD 621.3

2

Fecha de catalogación: 30/06/2008

Diagrama en Bloques de la Sección de RF de un Teléfono Celular Sony La figura 1 muestra el diagrama en bloques del sistema de transmisión y de recepción de un teléfono celular Sony de banda dual que opera con tecnología GSM. Note que el teléfono opera en las bandas de 900MHz y 1.8GHz; es decir, se trata de un equipo que no va a funcionar en determinados países de la región, pero la explicación que brindamos es válida para todos los teléfonos de características similares. La antena se acopla mediante un interruptor mecánico (se trata del sistema de encastre de la antena) y luego por medio de una llave electrónica recibe la señal desde el transmisor o envía la señal hacia el receptor. Sobre la línea de transmisión, entre la antena y el interruptor mecánico se coloca un conector para poder colocar una antena externa cuando su uso sea necesario. El interruptor es tal, que al colocar la antena externa se desconecta la antena fija. El receptor consiste entonces, en dos etapas de RF separadas para funcionar en E-GSM y DSC, por medio de un filtro de superficie (SAW) para la banda de 900MHz y por medio de un filtro cerámico para la banda de 1800MHz. Un primer filtro GMSK (Gaussian-filtered minimum shift keying, filtro gaussiano de mínimo ruido) lleva las señales, ya sea de 1800MHz o 900MHz, a un valor de frecuencia intermedia de 440MHz. La señal de FI de 440MHz es amplificada y nuevamente convertida por un demodulador IQ (demodulador de fase o de cuadratura) de modo que las señales resultantes son detectadas y filtradas para obtener las señales I (fase) y Q (cuadratura) que serán procesadas por las etapas de voz, de acuerdo con las indicaciones dadas por el microcontrolador. Para poder realizar estas tareas con éxito, se emplea un oscilador a cristal de 13MHz VCTCXO

Club Saber Electrónica 3

Figura 1

4 Club Saber Electrónica

(voltage-controlled-temperature-compensated crystal oscillator, oscilador a cristal controlado por tensión con compensación de temperatura). Dicho oscilador genera la señal de clock para el PLL y las etapas de banda base. En la etapa transmisora, la señal que llega en banda base se modula en una etapa “ModuladoraGMSK” para llevarlas a portadoras de las bandas de 900MHz y 1800MHz. Vea que la modulación se realiza por medio de dos osciladores controlados por tensión (VC0), uno de 195MHz para GSM y otro de 325MHz para DCS 1800. Estas conversiones se realizan por medio de moduladores balanceados IQ y un posterior bloque sumador (APC

Loop). Cabe aclarar que todas las señales IQ y de RF son tratadas en moduladores balanceados para disminuir interferencias (crosstalk effects). De acuerdo con las recomendaciones para GSM, el transmisor y el receptor nunca son activados al mismo tiempo.

Diagrama en Bloques del Sistema de Banda Base El sistema de banda base consiste en dos circuitos integrados, uno digital (IC1) y otro analógico (IC2), figura 2. La memoria externa que se puede

Figura 2


Figura 3

manejar es de 36 MBits, 32MBits para la Flash ROM y 4MBits para la memoria SRAM. El circuito integrado digital IC1 se encarga de procesar la señal GSM que ya está en banda base, de acuerdo con los protocolos de comunicaciones establecidos en el estándar ETSI. Este circuito integrado digital se encarga de procesar las señales por medio de un proceso digital DSP (Digital Signal Processing) de acuerdo a un programa interno y a los datos que se encuentran en la memoria. Para efectuar todas estas tareas, este circuito integrado posee al “corazón” del teléfono, que es el microcontrolador que efectúa las diferentes operaciones, apoyándose en una memoria RAM interna. El circuito integrado digital también posee el circuito de reloj y varios puertos y compuertas CMOS para comunicarse con otros elementos. En definitiva, es un integrado que realiza las tareas de codificación y decodificación necesarias para establecer las diferentes señales de transmisión y recepción. El integrado analógico IC2 posee un sistema A/D-D/A (conversor analógico/digital y digital/analógico) que permite el procesamiento de las señales IQ y de las señales de voz. Este integrado posee todas las etapas que permiten el procesamiento de las señales de voz, las inter-


fases para procesar los señales I (fase) y Q (cuadratura) que pueden soportar los modos “single slot” y “multi slot”. También posee circuitos auxiliares para el control de RF, un regulador de tensión (provee una tensión regulada), el control de carga de la batería y el sistema de análisis de encendido del teléfono. Este circuito integrado también posee un sistema que genera la tensión de alimentación y la tensión de reset. Para comunicarse con IC1 posee un puerto serial en banda base (BSP) y un puerto para comunicaciones de voz (VSP), ambos permiten comunicarse con el DSP. También posee un puerto serial UPS para comunicarse con el microcontrolador de IC1 y un puerto serial TSP para comunicarse con la unidad de procesamiento de tiempo real (con el reloj), para que ambas etapas estén en sincronismo.

Diagrama en Bloques de la Etapa de Audio En la figura 3 se muestra este bloque, que es un sistema multitarea que se encarga de activar el micrófono, los parlantes (bocinas) y el timbre del vibrador. En este caso, la frecuencia de vibración es de 130Hz. *********

I n t roducción La recepción de señales en todas las bandas por medio de un teléfono celular comienzan en la antena del móvil, ya sea externa o interna. En la figura 1 podemos apreciar un diagrama en bloques de la etapa de antena de un teléfono Motorola Nivel 3 (en este caso hacemos referencia a un equipo A920 que además de las bandas normales de trabajo, también opera en UMTS en 2.1GHz). M001 es un interruptor mecánico que une a la antena con el circuito interno y que desconecta a la antena del teléfono del circuito interno cuando se conecta una antena externa. El camino de la señal de RF “cambiará” entonces, cuando se conecte una antena externa al conector macho del tipo SMA. La señal (ya sea proveniente de la antena del teléfono o de una antena externa) llega a un FEM (Front End Module o módulo de salida) que se encarga de seleccionar “el sistema” de trabajo y proveer las condiciones de operación para dicha banda (seleccionará entre EGSM, DCS, PCS Y WCDMA). La selección para trabajar con tecnología GSM se realiza mediante líneas de control que en el diagrama en bloques tienen el N_BAND_1 y N_BAND_0_G. La selección de modo es hecha por líneas de control (HL_TX_EN, RX_EN_LIFE, N_GSM_EXC_EN, y GSM_EXC_EN). Note la forma en que se recepcionan señales WCDMA. Existe un “arreglo circuital” que permite que mientras que el teléfono esté trabajando en un sistema GSM en cualquier banda, éste pueda descubrir señales de una estación de base de WCDMA. El microcontrolador podrá tomar la decisión de “sincronizarse con sistema WCDMA, en función de cómo esté programado. De la misma manera, si el móvil está operando en WCDMA y se detecta una estación base EGSM se podrá tomar la decisión de emigrar de WCDMA hacia EGSM para que el celular siga funcionando


(ahora con otro sistema, de acuerdo con lo detectado de la estación base). Esto no será posible para señales de estaciones base que operen en las bandas PCS y DCS. Las señales recibidas en la antena entre 2110 y 2170MHz verán el interruptor de RF como un circuito abierto en cualquier posición. Por consiguiente, las señales de RX WCDMA (WCDMA_RX) serán enviadas hacia el receptor WCDMA a través del bloque FL010. Este bloque debería tener una pérdida de inserción máxima de ~0.5dB. Para otra banda que no sea WCDMA, FL010 se comporta como un circuito abierto, impidiendo a las señales llegar hasta el receptor WCDMA. Q902 es un dispositivo FET dual que se emplea para seleccionar la función N_BAND_) o la señal proveniente del bloque MAGIC LV a la función múltiple de la señal de control de N_BAND_0 que viene de la Magic LV. Con el empleo de Q902, N_GSM_EXC_EN seguirá a la banda N_BAND_0. Q906 es otro sistema de selección tipo FET dual para la selección entre GSM y WCDMA durante la Figura 1


transmisión. Durante condiciones de transmisión WCDMA, HL_TX_EN estará en un estado alto. Esto abrirá los interruptores FETs en Q906, incapacitando cualquier función de señal de líneas de control NB_EXC_EN como N_BAND_0. Q901 es usado para invertir la señal de control que viene de Q906. Evidentemente, si Ud. no está familiarizado con sistemas de transmisión y no conoce los principios de funcionamiento tanto de la tecnología CDMA como de GSM, seguramente no va a poder comprender las funciones recién especificadas pero “tendrá una idea” de cómo es el procesamiento de las señales en torno de la antena del celular. En la figura 2 se reproduce el circuito eléctrico del circuito de antena de un móvil Motorola 920 en el que podrá encontrar en qué consiste cada uno de los bloques nombrados. Cabe aclarar que estamos empleando una serie de términos que el lector debería conocer para comprender la explicación que se está brindando y que más adelante encontrará un vocabulario que lo podrá ayudar cuando se le presenten dudas sobre algún término. ********************

Figura 2


I n t roducción Es evidente que todos los teléfonos celulares hacen lo mismo (desde el punto de vista de comunicaciones) y por ello lo explicado sobre la etapa de un móvil puede extenderse a todos los aparatos. Continuando con la descripción de las diferentes etapas que componen a un teléfono celular, en este apartado describiremos el diagrama en bloques de la etapa de recepción para la tecnología GSM. Veremos la etapa “final” y luego la descripción del sistema que controla a este circuito, cómo se realiza la conversión de señal para obtener información digital que pueda ser procesada por el microcontrolador del teléfono. La explicación la haremos en base al denominado “Magic LV”, circuito integrado (denominado como U500 en celulares Motorola) que, como veremos, es el “corazón” del sistema.

El Circuito Fro n t E n d Una vez que una señal es detectada en la antena de un móvil, ya sea EGSM, PCS o DCS, primero pasa por circuitos tipo “balun” (balanced-unbalanced) que convierten a dicha señal en “balanceada respecto de un punto de referencia” (convierte una señal desequilibrada a la condición de línea equilibrada, tal como sucede en un sintonizador de un receptor de televisión) para luego ser conducida al circuito integrado, que realiza su tratamiento y que en el diagrama en bloques de la figura 1 corresponde al “LIFE U625”. Al respecto, reiteramos que hacemos la descripción de cada etapa basándonos en un teléfono Motorola Nivel 3 A920, pero que lo explicado se aplica para saber cómo funciona cualquier teléfono celular con similar tecnología. Los balunes suelen introducir pérdidas del orden de 1dB.


El circuito integrado U625 posee un amplificador de bajo ruido (LNA) que le da a la señal el nivel apropiado para su tratamiento, un oscilador controlado por tensión (VCO) y una etapa mezcladora convertidora para llevar a la señal recibida a banda base. Dentro del integrado, la señal recibida es mezclada con una señal para obtener una Frecuencia Intermedia Muy Baja (VLFI) del orden de los 100kHz. Se emplea esta configuración para mejorar la salida del oscilador local (LO) cuya señal será mezclada con la recepcionada por la antena y que ingresa al integrado luego de ser equilibrada por el balum. En esta etapa se realizan compensaciones de corriente continua, con el objeto de obtener una señal menos ruidosa. En el diagrama en bloques de la figura 1, se obtienen diferentes conversiones según que la señal sea GSM, DCS o PCS. Luego del tratamiento de la señal recepcionada tenemos, a la salida del integrado U625, las señales de fase (I) y cuadratura (Q).

Para que el circuito integrado LIFE funcione sincrónicamente, se envían señales SPI de datos y reloj desde una etapa “MAGIC” (regulador de tracking y tensión de aislación del VCO). El integrado de tratamiento de señal de RF (U625 ó LIFE) posee cuatro amplificadores de bajo ruido (de los cuales sólo se emplean tres) con dos caminos en cuadratura para la señal: uno que puede ser usado para la banda baja de 850MHZ ó 900 MHz (GSM de 850MHz ó 900MHz) y otro para la banda alta en DCS de 1800MHz (1805MHz a 1880MHz) ó en PCS de 1900MHz (1930MHz a 1990MHz). Todos los amplificadores son programables mediante interfase SPI (Serial To Parallel Interface, interfase serie a paralelo). Un bus SPI consiste en tres señales: SPI_DATA SPI_CLOCK SPI_LATCH

Figura 1


Figura 2


Generalmente a esta interfase se la emplea para controlar una señal interna por medio de un controlador externo, que es lo que ocurre con los VCOs del LIFE que deben ser controlados por el bloque MAGIC_LV. La señal RX_VCO es reenviada al prescaler de entrada con una frecuencia que dependerá del canal seleccionado. La señal en este canal tiene una amplitud de 30dB. LIFE contiene tres osciladores controlados por tensión (RX_VCO) los cuales operan a frecuencias del orden de los 4GHz. Los tres osciladores internamente se tratan para que provean señales en perfecta cuadratura según la banda seleccionada (en este ejemplo empleamos las bandas GSM = 900MHz, DSC = 1800MHz y PCS = 1900MHz). La señal de entrada de RF de sintonía (RX_TUNE) proveniente del procesador de entrada (MAGIC_LV) selecciona la frecuencia de oscilación del VCO a través de la aplicación de una tensión comprendida entre 0,5V y 4,5V. De esta manera, las frecuencias de oscilación de cada VCO local dependerá de cada tecnología o banda y será: DCS: 3610MHz - 35759MHz, EGSM: 3700MHz - 3838MHz, PCS: 3859 - 3980MHz. La señal de AGC (control automático de ganancia) es provista por un amplificador (común a las tres bandas) y compartida por los cuatro amplificadores. La ganancia del amplificador de AGC se controla por medio de la tensión presente en un “pin”, utilizando un conversor DA de 6 bits. El seteo del AGC se realiza mediante las líneas de programación SPIDATA, SPI_CLK y SPI_CE (figura 2). El integrado LIFE tiene un detector de RF interno en la entrada del amplificador de AGC. El nivel de salida de corriente continua detectado será comparado contra una señal de referencia, que es seleccionable por medio del bus SPI, de modo que el umbral pueda ser puesto a 0dB, 3dB, 6dB, o 9dB debajo del nivel, que causa el mal funcionamiento de mezclador.

Si el nivel de la señal detectada es superior al nivel de referencia, la línea AGC_GLAG irá a “1” lógico, el MAGIC_LV recibirá este cambio de nivel en la línea y cambia la ganancia del AGC hasta el nivel necesario que haga que desaparezca ese “1” en AGC_FLAG y vuelva a “0”. Aclaremos nuevamente que tanto las señales de fase (I/IX) como las de cuadratura (Q/QX), tienen una frecuencia del orden de los 100kHz y representan valores bajos de frecuencia intermedia (VLIF). El pin de entrada RX_EN_LIFE controla el estado ON/OFF del receptor y del circuito PLL. Para amplitudes de la señal presente en la antena del orden de –50dB, se espera tener una señal de VLFI de salida pico a pico del orden de 1mVpp.

El Circuito Back - End Funcionamiento del U500 Magic LV En la figura 3 podemos ver el diagrama en bloques del sistema “back end” de recepción de un teléfono celular. Note que el primer bloque es la etapa Front End (GSM RX Front End). El circuito integrado Magic LV, entre otras cosas, procesa las señales para las bandas EGSM, DCS Y PCS (VLIF: RX_I, RX_I_X, RX_Q, Y RX_Q_X) que son recibidas y enviadas a un primer bloque de recepción (un circuito integrado llamado LIFE). Simplemente, el MAGIC_LV realiza una conversión analógica a digital de las señales de fase y cuadratura (I/Q), y envía los datos al procesador (POG) a través de una interfase SSI (interfase serie sincrónica)). El MAGIC_LV también tiene un amplificador de FI digital programable, capaz de mejorar el rechazo de la frecuencia imagen. En este circuito integrado, cada canal posee un Amplificador Mezclador (PMA), un filtro pasivo de dos polos integrado (IFA), un amplificador adicional seguido de un filtro activo programable de dos polos “antisolapamiento (principalmente requerido para encontrar señales interferentes, Anti Aliasing Filter). Luego se tiene un conversor ADC pasabajo tipo sigma-delta, con un oscilador (clock) programable de sobremuestreo OVSCLK (sacado del oscilador de referencia) igual a 13MHz para un espacia-


do de canal (ancho de banda) de 200kHz, con una señal de 13 bits. Luego de los conversores sigma - delta, en cada canal se colocan detectores digitales y fitros. De esta manera, las señales resultantes se comparan con un nivel definido por un detector de nivel (DET_LVL). Si cualquiera de los niveles detectados excede el umbral programado, entonces el pin DET_FLAG es puesto en alto. Esto indica que el nivel de señal es muy alto para el modulador de delta sigma. DET_FLAG es leído por el procesador, que responderá programando o

ajustando el nivel de AGC (control automático de ganancia) de modo que la señal vaya bajando, proceso que continúa hasta que el pin DET_FLAG tome nuevamente un nivel bajo. Las salidas de los moduladores de sigma-delta son procesadas digitalmente a través de un circuito de cancelación de ruido y filtros. Un segundo oscilador local digital programable (LO), basado en datos leídos desde la memoria ROM, genera oscilaciones digitales en cuadratura, con corrección programable de ganancia/fase (llamado multiplicador balanceado complejo, Balanced Complex Mod) que

Figura 3


Figura 4


llevan a las señales I/Q (fase y cuadratura) a banda base por medio de cuatro mezcladores de cuadratura, que proporcionan el rechazo de imagen de los canales adyacentes. Un oscilador digital de cuadratura (Dig Quad Osc) se encarga de realizar la corrección de ganancia y de fase, para compensar los desajustes de las señales fase y cuadratura que se producen durante su procesamiento. Luego de la conversión a banda base y de la reducción de la señal imagen, las señales de fase y cuadratura son procesadas por filtros digitales encargados de dar “selectividad” al canal (lo que significa que estos filtros son de alto factor de mérito) y un fuerte rechazo al ruido. Un bus serie que consiste en SDFS Y SDRX, transmitirá los datos RXI y RXQ en un formato de 2 señales complementarias. BDR y BFSR son salidas del


MAGIC LV. BFSR es una señal de formación que marca el principio de transferencia de las señales de fase y cuadratura I/Q. BDR es el conjunto de datos seriales. El reloj usado para la transferencia serial es BCLKR. 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 información sobre el bus serial como una sucesión normal de datos I y Q que son reconocidos y procesados internamente por el receptor digital. Por último, en la figura 4 se tiene el diagrama en bloques de las etapas intervinientes en este proceso, razón por la cual deberemos analizar los bloques FL500 y FL510, tema que desarrollaremos más adelante. ************************

I n t roducción Hemos visto que en los teléfonos Motorola Series 920/925, el procesamiento final de las señales de RF para las bandas EGSM, DCS y PCS que está a cargo de un sistema funcional llamado MAGIC LV. Vimos cuál es el proceso de la señal durante la recepción y quedó establecido que las diferentes funciones deben ser controladas para el establecimiento de una comunicación. Ahora veremos cómo se realiza el control de estas funciones en el MAGIC LV. El circuito MAGIC LV contiene 4 reguladores de tracking (rastreo) y un superfiltro, que generará las tensiones de referencia para la mayor parte del IC así como para el circuito “front end” y del VCO principal. Los reguladores de tracking se alimentan a través de los pines REG_REF (vea en la figura 2 la relación de estos pines con U510 y C514). Los voltajes de referencia son filtrados y conducidos adecuadamente (buffereados) para el empleo sobre el circuito integrado. Estas tensiones deben realizar el tracking (el rastreo) dentro de un rango de 1.5%. La tensión de alimentación se aplicará a los reguladores de tracking, de modo que provocará un aumento sobre la línea REG_REF a los efectos de que se realice el “rastreo” correcto de la señal hasta que este valor baje a su potencial normal. Ahora bien, para la fuente externa del VCO se emplea un superfiltro. Este superfiltro está en cascada con un regulador externo y cualquier “filtración” o interferencia con el IC tendrá que proporcionar un rechazo de 80dB, de modo que por cada 0,1V en el VCO habrá un corrimiento de frecuencia de 217Hz con un “risetime” (tiempo de subida) de 20µs. Esto significa que la tensión de alimentación de la batería se incrementará en 0,1V por cada 217Hz de


variación con un tiempo de subida de 20µs y un ciclo de actividad de 0,125V. Este superfiltro usa un transistor de paso interno, que es capaz de conducir una corriente de 30mA con una diferencia de tensión menor de 0.4V entre los pines SF_SPLY y SF_OUT. En el pin SF_SPLY se debe colocar un capacitor de 1µF. Como el superfiltro “rastreará” la señal sobre SF_SPLY, se tendrá que sensar la energía durante el reset para “eliminarla” cuando sea necesario, aún cuando la tensión de alimentación permanezca activa. Todas las tensiones de alimentación dentro del IC deben estar dentro del 5% de sus valores finales después de transcurridos 5 milisegundos de detectado un evento en el POR_LB. Para esta finalidad se usa la tensión sobre el circuito de reset dentro del oscilador a cristal de referencia. El MAGIC_LV tiene dos juegos de interfaces SPI; un juego es para manejar la interfaz de control para el integrado LIFE (líneas AUXSPI) y otra como interfaz con POG (líneas SPI). AUX_SPI_DX es la línea de entrada de datos serial. AUX_SPI_CLK es la línea de entrada de reloj, de modo que los datos que cambian ocurren en el flanco (borde) creciente de esta señal. LIFE_CE es la línea de habilitación del reloj que se activa con un nivel alto para el integrado LIFE. MAGIC_LV integra un sistema conversor digital analógico (D/A) y controla la lógica para generar las

rampas de control del amplificador de potencia. Además, MAGIC_LV integra los amplificadores operacionales y comparadores que reciben la salida detectada del amplificador de potencia y crea el voltaje de control necesario para manejar el puerto de control del amplificador de potencia basado en las rampas de control. Cuando TX_KEYM va a estado alto, el regulador de rampa recibe una entrada positiva. Esto hará que el pin AOC_DRIVE directamente se eleve, lo que a su vez causará que la salida PA también se eleve. El aumento de la tensión de salida PA hará que DET_AOC comience a elevarse hasta que el nivel de corriente continua sobre DET_AOC exceda el nivel de corriente continua sobre DET_REF por la compensación del detector de RF, que hará una comparación con el nivel de referencia. En este punto el comparador "Detector Activo" pasará al nivel bajo y comparará el nivel de voltaje de entrada al integrador con el regulador de rampa. Esto causará que el nivel PA deje de elevarse, manteniendo el nivel presente como determinado por la comparación de los 8 bits del regulador de rampa. El lazo de control de PA necesita ahora una tensión mínima para mantener el sistema de control en un lazo cerrado. El circuito MAGIC LV utiliza dos líneas SPI - GPO que son usadas para controlar las bandas de operaFigura 1


ción de los circuitos de RF GSM. Ellos son N_BAND_0 y N_BAND_1. Cuando MAGIC LV va hacia el estado “ahorro de batería” deja de alimentar las secciones de recepción analógica (vía RX_EN_LIFE), El AOC, el sintetizador

principal y el superfiltro. Con esto nos aseguramos que, en condiciones de reposo, el teléfono tendrá un consumo mínimo, permitiendo una mayor duración de la carga de la batería. **********

Figura 2


I n t roducción En los teléfono Motorola 920/925, hay un bloque funcional encargado de realizar el procesamiento de las señales llamado MAGIC LV. Ya hemos explicado el procesamiento de las señales de RF para las bandas EGSM, DCS y PCS durante la recepción y cómo se realiza el control de estas funciones. A continuación veremos la sección del sintetizador de frecuencias para la transmisión. El Circuito de Procesamiento de Señales (MAGIC_LV) interactúa con el procesador de banda base (POG), recibiendo datos SSI para la transmisión en DMCS (la entrada digital para comenzar la modulación Tx: línea DMCS_MAGIC LV, en el diagrama en bloques de la figura 1). También recibe la señal de reloj para una transferencia serial o sucesiva en la línea TXCLK y los datos propiamente dichos en la línea SDTX (Tx datos en serie) de POG. Tanto el bit actual de los datos seriales como los tres bits sucesivos, se usan para establecer una de 16 formas de onda posibles basadas en la suma de pulsos Gaussianos almacenados en la memoria ROM. La señal resultante será transmitida a una tasa superior a 16x. Estos datos ingresan a un sintetizador (three-accumumalator fractional N synthesizer ) con una resolución de 24 bits. Las líneas de control del VCO deben efectuar todo el desplazamiento de frecuencias para una gama de tensiones de control comprendidas entre +0,3V y -0,3V de corriente continua. Los circuitos de carga tendrán su propio pin de alimentación. La tensión típica en este Terminal debe ser de 2.775V para que cada etapa cumpla satisfactoriamente con su función. Esto, a su vez, permitirá el control o manejo de filtros externos que operan en lazo, que a su vez


permitirán el manejo de otros osciladores controlados por tensión (VCOs). También se obtiene un modo de modulación de puerto dual con un conversor digital - analógico de 9 bits que realiza la modulación de la señal que se obtiene sobre el pin GPO3. Esta señal, entonces, se acopla al filtro de lazo para añadirla en los componentes de alta frecuencia de la modulación que pueden haber sido atenuadas en el camino del PLL. Esto permitirá el empleo de un ancho de banda menor para el PLL principal para mejorar la pureza espectral de la señal a transmitir. Para la banda EGSM la salida de sintetizador es de 880MHz a 915MHz, en DCS es de 1710MHz a 1785MHz con la modulación GMSK y directamente es amplificado a la salida de transmisor. El prescaler para el oscilador local (LO) principal es capaz de aceptar frecuencias de entrada superiores a 2.0GHz. El nivel de esta señal estará entre 20dbm y -10dbm. Hay dos entradas de prescaler a este punto, y cada uno tiene una resistencia de

100Ω en serie entre el pin de entrada y el prescaler real. El oscilador de referencia es un oscilador a cristal de 26MHz. También se provee un control automático de frecuencia (AFC) por el autobús SPI para efectuar compensaciones a través del sistema de división de N fraccionario. La división no se toma directamente del cristal de 26MHz. Hay un segundo sistema divisor que permite obtener fracciones de compensación de 200kHz que se sumarán o restarán a la frecuencia de la señal en función de los datos provistos por el AFC. Esta referencia entonces, es multiplicada en un PLL a 13MHz para el empleo como un reloj exacto en las secciones lógicas del transceptor. Recuerde que en este tomo de colección estamos explicando el funcionamiento de las diferentes etapas que constituyen a los teléfonos celulares de tecnología GSM. Nuestra idea es proporcionar conocimientos para que los estudiantes, técnicos e ingenieros puedan solucionar diferentes problemas que involucren a estos aparatos. ******* Figura 1


Figura 2


Descripción del Oscilador Contro l a d o por Tensión de un Teléfono Celular Prosiguiendo con la explicación de los circuitos que componen un teléfono celular, veremos cuáles son los bloques que intervienen en la selección de bandas GSM, ya sea el VCO o el amplificador PA. Las frecuencias del oscilador controlado por tensión (VCO) van desde 897 a 1880MHz, que cubren las bandas de las tres tecnologías (EGSM, DCS y PCS). Las bandas para las diferentes tecnologías son controladas por el MAGIC LV a través de las líneas de datos: N_ BAND_ 0 y N_ BAND_ 1. Las líneas CP_ TX y GPO3 (vea el diagrama en bloques de la figura 1) determinan el tipo de modulación del transmisor cuya frecuencia es controlada por tensión (TXVCO). Las líneas GSM_ EXC_ EN y N_ GSM_ EXC_ EN controlarán la habilitación del buffer U570. La línea TX_ EN se activa antes de establecer la comunicación con el decodificador (llave Q700 en la figura 1). TX_ VCO_ PRSC es una realimentación al MAGIC LV que permite la operación apropiada del lazo enganchado en fase (PLL). La frecuencia de salida para GSM se obtiene en la línea TX_ VCO_ LB y para la banda PCS / DCS se obtiene desde la línea TX_ VCO_ HB. La salida CPTX de MAGIC_ LV es la entrada (VT) para el VCO. En la figura 2 se puede apreciar el circuito U700, correspondiente al TXVCO GSM y sus conexiones con los otros bloques del teléfono.

Descripción del Amplificador PA GSM El módulo U800, cuyo diagrama en bloques se muestra en la figura 3, es un amplificador de potencia o amplificador final (PA) de 3 bandas que fun-


ciona con las bandas EGSM, DCS y PCS con una ganancia nominal promedio del orden de los 30dB. La entrada AOC_DRIVE, proveniente del MAGIC_LV controla la salida del PA. La tensión que aplica a este pin es directamente proporcional a la potencia del amplificador, es decir que si la tensión

en la línea AOC_DRIVE aumenta, entonces la potencia de PA también aumenta. La señal presente en N_BAND_0 determina la banda de operación. LV_ EXC_ EN permitirá la operación PA. El detector de poder recibe la señal GSM amplificada en el pin *1 (EGSM_ EN), mientras que las señales PCS y DCS estarán presentes en el pin *12 (DCS_ PCS_

Figura 1

Figura 2


EN) del U800. El módulo U810 es una combinación que permite el acople en ambos sentidos entre el PA y el módulo final de RF, compensado en temperatura. El detector de poder acopla la entrada del amplificador de potencia de transmisión y la salida (como una realimentación) hacia el MAGIC_LV a través de DET_AOC. Un comparador, dentro del bloque MAGIC_LV, recibirá las muestras desde DET_AOC y basado en un amplificador tipo rampa

proporcionará las tensiones de ajuste para variar la ganancia del amplificador a través de AOC_DRIVE. El pin DET_REF provee una tensión de referencia al MAGIC_LV para comparar la tensión presente en DET_AOC. La pérdida nominal esperada en este bloque es menor a 3dB. Por último, en la figura 4, se puede observar el circuito del U800 y su conexión con los bloques asociados. *************

Figura 3

Figura 4


I n t roducción Los teléfonos celulares de tecnología 2,5, permiten la comunicación de datos de velocidad superior a los 144 kbaudios ya sea a través de GSM o CDMA (el denominado GPRS). Veremos cómo funciona el circuito que permite recibir la señal en WCDMA para llevarla a banda base, es decir, a un valor de frecuencia intermedia que permitirá su posterior tratamiento. Por si Ud. lee este capítulo sin haber leído los anteriores, aclaramos que estamos realizando este curso en base a teléfonos Motorola 920/925 y que anteriormente explicamos el procesamiento de las señales de RF para las bandas EGSM, DCS y PCS durante la recepción y transmisión y cómo se realiza el control de estas funciones.

¿Qué es WCDMA? WCDMA (acceso múltiple por división de códigos Wideband) es la tecnología de acceso por radio usado en los sistemas celulares de tercera generación. Los sistemas 3G con servicios wideband tienen acceso a Internet de alta velocidad, manejan videos con transmisión de imagen de alta velocidad y alta calidad (con la misma calidad que las redes fijas). En sistemas de WCDMA, la interfaz de aire de CDMA se combina con las redes basadas en GSM. El estándar de WCDMA fue desarrollado con el proyecto de la sociedad de la tercera generación (3GPP) que apunta a asegurar interoperabilidad entre las distintas redes 3G. El estándar que surge con este proyecto se basa en el sistema móvil universal de la telecomunicación de ETSI (UMTS) que se conoce comúnmente como acceso de radio terrestre de UMTS (UTRA). El esquema del acceso para UTRA es el acceso múltiple de la división de códigos directa de la secuen-


cia (DS-CDMA), con un ancho de banda que puede llegar a los 5MHz. Este ancho de banda amplio dió lugar al Wideband de CDMA conocido como WCDMA. En WCDMA, hay dos modos de operación posible: T D D (Sistema dúplex por división de tiempo): En este método las transmisiones del uplink y del downlink son transportadas en la misma banda de frecuencia, usando intervalos sincronizados del tiempo distintos. Así las ranuras de tiempo en un canal físico se dividen en una partición para transmisión y otra para recepción. F D D (Sistema dúplex por división de frecuencia): En este método las transmisiones del uplink y del downlink emplean dos bandas de frecuencia. Se asignan dos bandas separadas en frecuencia para establecer una conexión. Ahora bien, como distintas regiones tienen diversos esquemas para la asignación de la frecuencia, la capacidad para funcionar en modo de FDD o de TDD permite la utilización eficiente del espectro disponible. Las principales características de WCDMA son: Alta velocidad de transmisión de datos: 384Kbps con cobertura amplia del área, 2Mbps con cobertura local.

Figura 1


Alta flexibilidad del servicio: Permite el empleo de diferentes servicios con tarifa variable que pueden ejecutarse simultáneamente (en paralelo). Permite la transmisión en Dúplex, por división de la frecuencia (FDD) y duplex por división de tiempo (TDD). Diseñado para operar con tecnologías futuras con una amplia gama de posibilidades de uso de antenas con diferentes tecnologías. Permite la interrelación con sistemas GSM, con un acceso eficiente al tratamiento de paquetes de datos. En el diagrama en bloques de la figura 1 se puede observar que el primer circuito integrado en la línea del sistema receptor “demodulador” WCDMA de un teléfono Motorola A920, es el MAX2388 (U310) que es un dispositivo que combina a un amplificador lineal (LNA) con un conversor (mezclador/demodulador). La señal recibida se mezclará con la proveniente de un oscilador local, de modo de obtener una FI de 190MHz. El circuito integrado MAX2388 posee un pin (MAX2388_SHDN*) que hace que el receptor funcione en modo de sleep o stand-by cuando no se recibe señal con el objeto de ahorrar batería. Este U310 se alimenta desde el PCAP a través de la línea RC_ VCCA (tomado de RX_2_ 775V). La ganancia promedio de esta etapa

Figura 2


está en torno de los 15dB. El U310 opera en modo de alta ganancia cuando se lo selecciona desde la línea RX_ RF_ ATTEN por la HARMONY_ LITE . De esta forma se espera tener una ganancia superior a 15dB, teniendo en cuenta que si se recepciona una señal de amplitud elevada, durante su tratamiento se desconecta el LNA. El mezclador de la etapa receptora no es más que un sencillo modulador balanceado. La entrada RF_ LO (pin 5) recibe la señal del oscilador local (VCO), con una frecuencia que oscila entre 2330MHz y 2360MHz a través de FL310 desde U140 (que es el VCO, vea la figura 1). La entrada de RF (LNA_ IN, pin #10) recibe la señal de RX (2110MHz a 2170MHz) desde FL002. La línea de entrada MIX_ IN (pin 3) se conecta a la salida del LNA (LNAOUT, pin 1) a través de FL300. La función del FL300 es la de rechazar la frecuencia imagen para filtrar interferencias.

Vocabulario A los efectos prácticos, a continuación daremos el significado de algunos términos que empleamos en este curso para familiarizar a los principiantes en el vocabulario para telefonía celular. SMA: es un conector similar al de las puntas de los osciloscopios; en celulares es más pequeño. EGS: Sistema Global Mejorado para Comunicaciones Móviles. DCS: Siglas de la expresión inglesa DIGITAL CELLULAR SYSTEM. Sistema Digital de transmisión y recepción propuesto por el Reino Unido al Grupo Especial de Móviles ( GSM ) y aceptado para operar en la banda de 1800MHz. PCS: El término PCS (Personal Communications Services) o Servicios Personales de Comunicación, es un servicio telefónico inalámbrico similar al servicio telefónico celular con un énfasis en el servicio personal y la movilidad. El término "PCS" es utilizado usualmente en lugar "celular digital", pero el significado verdadero de "PCS" es que el teléfono incluye otros servicios tales


El proceso de conversión de frecuencia, realizado por el mezclador (en combinación con el oscilador local) nos dará una señal de frecuencia intermedia FI que posteriormente será amplificada. La salida de FI del mezclador de 190MHz se presenta sobre los terminales diferenciales IFPOS (pin 8) e IFNEG (pin 7). Estos son terminales “open colector” de tercer estado que requieren de inductores externos (L320 y L321), tal como se observa en el circuito de la figura 2, para desacople de corriente continua. La señal de FI de 190MHz se envía a un filtro SAW (FL320) con una frecuencia central de 190MHz y un ancho de banda de 3,84MHz. Considerando el tratamiento de los elementos de entrada (C323, C324 & L322), de los elementos de salida (L327, L328, C328, C329, & C325) y del filtro (FL320), se espera una pérdida del orden de los 10dB. ***********

como identificación de llamada, radiolocalizador, y correo electrónico. La tecnología celular fue diseñada para su uso en autos, pero la de PCS fue diseñada con la movilidad del usuario en mente desde un principio. Las PCS utilizan celdas más pequeñas, por lo que requieren más antenas para cubrir un área geográfica. WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access - Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha), es la tecnología de interfaz de aire en la que se basa la UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), el cual es un estándar europeo de Tercera Generación (3G) para los sistemas inalámbricos. La tecnología WCDMA está altamente optimizada para comunicaciones de alta calidad de voz y comunicaciones multimedia, como pueden ser las videoconferencias. También es posible acceder a diferentes servicios en un solo terminal; por ejemplo, podemos estar realizando una videoconferencia y al mismo tiempo estar haciendo una descarga de archivos muy grande, etc. Puede soportar completamente varias conexiones simultáneas, como puede ser una conexión a internet, una conversación telefónica, videoconferencia, etc. En esta plataforma se emplean estructuras de protocolos de red similares a la usada en GSM (Global System for Mobile Communications). Por lo tanto, está en la capacidad de utilizar redes existentes.

I n t roducción La señal de CDMA captada por un teléfono celular primero debe ser demodulada para llevarla a un valor de frecuencia intermedia de 190MHz y luego debe ser amplificada y demodulada (demodulación en cuadratura) para obtener la información en banda base. Este procedimiento, en el teléfono Motorola A920 es realizado por un circuito integrado que posee un amplificador de ganancia variable, un demodulador en cuadratura, un VCO y un sintetizador para realizar todas las funciones.

Funcionamiento de este Integrado MAX2309 El bloque receptor-demodulador de WCDMA de los teléfonos celulares poseen un circuito integrado que realiza todas las funciones de amplificación, demodulación en cuadratura y tratamiento de la señal en una frecuencia intermedia. El A920 de Motorola posee, para realizar esta función, a un MAX2309. Esto significa que el teléfono celular recibe la señal CDMA, que es convertida por un circuito integrado como el MAX2388 y luego es enviada al circuito de frecuencia intermedia, basado en este caso en un MAX2309, con una frecuencia de 190MHz. Los circuitos integrados MAX2306/MAX2308/MAX2309 son sistemas de FI CDMA diseñados para trabajar en dos bandas, en modo dual y en modo simple para sistemas de teléfonos celulares N-CDMA y W-CDMA. El camino de señal atraviesa un amplificador de ganancia variable (VGA) y un demodulador de cuadratura (I/Q). Las características del dispositivo son garantizadas para una tensión de alimentación de 2.7V para una ganancia por encima de los 110dB. Aclaramos que N-CDMA es el término emplea-


do para definir Acceso Múltiple por División en Código para Banda estrecha (Narrowband Code Divi-

Figura 1

Figura 2


sion Multiple Access), o el antiguo CDMA. También conocido en EE.UU. como IS-95. Desarrollado por Qualcomm y caracterizado por su alta capacidad y radio de células pequeño. Tiene un espectro de propagación de 1.25MHz en el aire. Usa la misma banda de frecuencia que AMPS y soporta AMPS, empleando la tecnología de propagación de espectro y un esquema de codificación especial. Fue adoptado por la TIA en 1993. Como ya sabemos, W-CDMA es el término empleado para CDMA de banda ancha. A diferencia de otros dispositivos similares, la familia MAX2306/9 incluye osciladores duales y sintetizadores para formar subsistemas de FI autónomos. La referencia del sintetizador y los “sistemas” de RF son to-

Figura 3


talmente programables por un bus serial de 3 cables, permitiendo el trabajo con sistemas con arquitecturas de banda dual usando una referencia común y una misma frecuencia intermedia (FI). Las salidas de banda base diferenciales tienen bastante amplitud para satisfacer tanto sistemas NCDMA como sistemas W-CDMA, ofreciendo niveles de salida saturados de 2.7Vp-p con una tensión de alimentación del circuito integrado de +2.75V. Incluyendo el oscilador controlado por tensión de bajo ruido (VCO) y el sintetizador, el MAX2309 sólo tiene un consumo de 26mA cuando es alimentado con 2.75V y está operando en CDMA en modo diferencial de FI. El MAX2309 está disponible en chips de 28 patitas. En la figura 1 se reproduce un circuito típico para el MAX2309 propuesto por el fabricante mientras que en la figura 2 se da el diagrama en bloques de la etapa receptora WCDMA propuesta por Motorola. En esta figura se observa el bus de programación de 3 líneas para establecer las condiciones de trabajo tanto para los bloques de RF como para obtener las señales de frecuencia variable para el conversor de FI (ASPI_ CLK, aSPI_ DATA, MAX2309_ CS). La señal de FI de 190MHz es obtenida demodulando las señales de fase (I+ / I-) y cuadratura (Q+ / Q-) y luego se dirige al circuito final del receptor (HARMONY LITE) a través de las líneas RX I+, RX I-, RX Q+ y RX Q-. El circuito integrado opera con un par de tensiones de alimentación (RX_

VCCD y RX_ VCCA) que provienen de VRF_ RX_ 2_ 775V (vea el circuito de la figura 3). La frecuencia del salida del VCO del MAX2309 se controla por medio de un sintetizador con un lazo enganchado en fase (PLL) interno. El lazo externo está formado por los componentes conectados entre el pin 1 y al pin 2 (y pin 26). La frecuencia de salida del VCO (Tank+ / Tank-) presentes en los pines 1 y 2 se dividen internamente para poder compararlas en forma adecuada. La señal de referencia presente en el pin 7 (REF_ 15.36MHz) también se divide internamente con el mismo sistema de comparación. Las dos frecuencias se comparan con un detector de fase digital “three state”. El detector de fase interno conduce la señal resultante de la comparación por medio del pin (CP_ HACIA FUERA) la cual es procesada por el filtro de lazo externo cambiando la frecuencia del VCO (380MHz) y cerrando el lazo. El control automático de ganancia (AGC) asegura que las entradas de Q I al bloque “HARMONY LITE” tengan un nivel de señal constante. La ganancia se controla por la línea IF_ AGC con una gama de control de corriente continua de 1.2V a 2.1V. El MAX2309 tiene un modo de “reset” o shutdown que lo desconecta vía MAX2309_ SHDN cuando no se debe usar esta etapa, con el objeto de conservar la vida de la batería. RX_ STBY es usado para “desconectar” a los amplificadores VGA y al demodulador, manteniendo alimentado al VCO, al PLL y a la interfase serial. ****** Figura 4


I n t roducción Hemos analizado diferentes bloques de un teléfono celular, tales como el sistema de antena, TX, RX, conversión de señales y etapa de FI con lo cual sabemos cómo la señal es recepcionada o la que vamos a transmitir cuando está en banda base. Comenzaremos a ver cómo es el procesamiento de señales WCDMA cuando está en banda base y como interactúa con otros bloques. El procesamiento de señales WCDMA en banda base del teléfono celular Motorola de la serie A920, se lleva a cabo en el bloque denominado “Harmony Lite” donde se desarrollan varias funciones, a saber: 1 Maneja las salidas en secuencia para dispositivos externos 2 Control de clock (reloj) on/off, manejo de señales de control de ahorro de batería, etc. 3 Selección de frecuencia de reloj adecuada para cada señal 4 DCOC registran la selección de modos gruesos, medios y finos Este procesador (Harmony Lite) tiene dos juegos de interfaces SPI; un juego es para manejar la interfaz de control para el “transceptor” (líneas AUXSPI) y otro para comunicarse con el POG (líneas SPI ). Se debe aclarar que todas las señales SPI para las interfaces se generan en el POG y se envían al “HARMONY_ LITE” aunque también puede existir interacción con otros bloques (U200 y U310, por ejemplo), tal como se analizará oportunamente. Recuerde que SPI (Serial To Parallel Interface) es el nombre que le damos a una interfase serie a paralelo y que un bus SPI consiste en tres señales: SPI_DATA, SPI_CLOCK y SPI_LATCH. Por otra parte,


el POG es el “verdadero procesador” que forma parte del Harmony Lite, tal como se aprecia en la figura 1. Otras señales controlan la funcionalidad de la sección de RF y su relación con la interfase que le permitirá emitir señales al “aire”. Hay tres señales definidas sobre cada sección de transmisión y recepción del transceptor que se establecen en distintas líneas de este bloque de control (vea la figura 2 para localizar estas líneas en función del texto siguiente). Primero deben “afirmarse” las líneas TX_ PRE_ KEY y RX_ ON para poder establecer la secuencia de funcionamiento de los diferentes bloques, antes de transmitir o recibir información (datos). TX_ RAMP y RX_ AQUIRE son afirmados cuando debe comenzar la transmisión y/o la recepción realmente. RX_ SLOT y TX_ SLOT se emplean durante la transmisión y la recepción continua de datos Figura 1


de forma de permitir la generación de acontecimientos para colocar estas señales continuas en diferentes ranuras de tiempo. Es importante reiterar que TX_ RAMP directamente corresponde al retorno de PA y RX_ AQUIRE corresponde a datos enviados al WCSP. Es prácticamente imposible entender cómo se realiza el control de procesos en banda base durante la transmisión y la recepción por medio del Harmony Lite sin explicar cuáles son las señales de control presentes en cada proceso. Es por eso que más adelante realizaremos un análisis pormenorizado de las diferentes secciones que conforman este bloque. Por último, recuerde que estamos analizando un teléfono celular de tecnología GSM y que WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access - Acceso Múltiple por División de Código de Banda An-

Figura 2


cha) , es la tecnología de interfaz de aire en la que se basa la UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), el cual es un estándar europeo de Tercera Generación (3G) para los sistemas inalámbricos. La tecnología WCDMA está altamente optimizada para comunicaciones de alta calidad de voz y comunicaciones multimedia, como pueden ser las videoconferencias. También es posible acceder a diferentes servicios en un solo terminal. Por ejemplo, podemos estar realizando una videoconferencia y al mismo tiempo estar haciendo una descarga de archivos muy grande, etc. Puede soportar completamente varias conexiones simultáneas como puede ser una conexión a internet, una conversación telefónica, videoconferencia, etc. En esta plataforma se emplean estructuras de protocolos de red similares a la usada en GSM (Global System for Mobile Communications). Por lo tanto, está en la capacidad de utilizar redes existentes.

El Sintetizador de Señales WCDMA En este “curso” estamos explicando los bloques que constituyen un teléfono celular. Al respecto re-

cordemos que en la red de telefonía celular un móvil funciona dentro de un sistema de estaciones transmisoras-receptoras de radio, llamadas torres o estaciones base (que están formadas por una torre que aloja al equipo de radio) y un conjunto de centrales telefónicas. El concepto “celular” fue propuesto por Bell Labs en 1947 y consiste en una red de pequeñas torres transmisoras, ubicadas en una “celda” o “zona” con un radio de unos 5 kilómetros. Cada torre utiliza algunas de las frecuencias asignadas al sistema. La comunicación realizada desde o hacia un celular viaja a través de las celdas, pasando de torre en torre, haciendo posible la comunicación (entre teléfonos móviles o entre teléfonos móviles a red fija). Dicho de esta manera, el celular debe poder distinguir la frecuencia de operación de la torre más cercana, tendrá un sistema de TX, otro de RX y otro de procesamiento de señales. En los teléfonos Motorola, el procesamiento de las señales en banda base se realiza en un bloque denominado Harmony Lite (que comenzamos a describir anteriormente). En la figura 3 se puede observar el diagrama en

Figura 3


Figura 4


bloques del sintetizador de frecuencias correspondiente al procesamiento de las señales WCDMA en banda base. La fuente de reloj (clock) para el bloque “Harmony Lite” (HLite) es un oscilador (TCXO) de 15.36MHz). La frecuencia de 15,36MHz se fija por medio del componente Y130. El control automático de frecuencia para Y130 se realiza a través de la línea AFCDAC. La señal de reloj de 15,36MHz se establece por medio de un bit SPI (Serial To Parallel Interface, interfase serie a paralelo) interno y una señal de control externa que está presente en la línea 15.36M_CLK_EN *. La señal de reloj de 15,35MHz se aplica a todos los circuitos A/Ds, DACs, referencias externas y circuitos digitales internos del Harmony. Además, se generan referencias de reloj para el POG (procesador de banda base), y los circuitos de RF tanto RX como TX (vea la figura 4). EL oscilador controlado por tensión (VCO) WCDMA (U140) tiene una gama de frecuencia de 2.3GHz a 2.36GHz, funcionando como un oscilador local tanto para transmisión como para recepción. La frecuencia de este circuito es controlada por HARMONY_LITE por medio de una tensión de control variable entre 0.5V y 2.5V, con una potencia de salida del orden de -3dBm. La frecuencia de salida del VCO WCDMA es controlada por medio de un lazo enganchado en fase (PLL) interno del sintetizador. El lazo enganchado en fase usa un “lazo” divisor que permite una rápida corrección de frecuencia en la señal de salida. La frecuencia de salida del VCO se envía a un prescaler para ser comparada con una señal de referencia. La frecuencia de referencia de 15,36MHz también es dividida para ser comparada con la frecuencia de la señal de salida a los fines de obtener la señal de error que permita “el control automático de frecuencia”. Las dos frecuencias divididas son comparadas en un detector de fase, y la salida se envía a la carga. La salida de esta carga es procesada por el filtro de lazo externo y enviada a una red resonante, cambiando la frecuencia del VCO y cerrando el lazo que permite el control de la frecuencia de la señal generada. El bloque “superfiltro”, interno del Harmony Lite (vea la figura 4) proporciona la tensión de alimen-


tación regulada y filtrada al VCO WCDMA. Por último y a modo de “recordatorio” digamos que GSM es un sistema digital de comunicación que transmite voz y dato y es considerado como la Segunda Generación (2G) de la telefonía celular ya que a diferencia de la primera generación de celulares, utiliza tecnología digital y transmisión por división de acceso múltiple (TDMA). GSM digitaliza y comprime la información y luego divide cada canal de 200MHZ en ocho espacios de tiempo de 25MHZ. Este sistema opera en las bandas 900MHZ y 1800MHZ en Europa, África, Venezuela y Asia y en las bandas 850MHZ y 1900MHZ en Estados Unidos y casi todos los países de América Latina. La banda 850MHZ también se utiliza para GSM y 3GSM en Canadá, Australia y en varios países de Latinoamérica. Dos de las grandes ventajas del GSM es que permite la transmisión de datos a velocidades de hasta de 9.6 kbt/s facilitando el servicio de mensajes cortos (SMS) y facilita el roaming internacional, que permite el uso de un celular en cualquier país del mundo donde exista la tecnología GSM.

El Tr a n s m i s o r d e l H a rm o n y L i t e EL BBIF (BBIF_TX) es el camino de datos de transmisión para transferir digitalmente las señales de fase y cuadratura (I/Q) desde y hacia el procesador POG. La unidad de demultiplexado (Demux) separa las señales de fase y cuadratura para enviarlas a los filtros pasa banda FIR. El diseño de filtro FIR cumple con las exigencias del sistema 3GPP para la transmisión simultánea de un canal piloto y de múltiples canales de datos, cada uno de los cuales requiere un código de extensión diferente y un control por separado. Nota: Debemos aclarar que 3GPP es un sistema que surge de un acuerdo de colaboración en tecnología de telefonía móvil, que fue establecido en Diciembre de 1998. Esta cooperación es entre ETSI (Europa),

ARIB/TTC (Japón), CCSA (China), ATIS (América del Norte) and TTA (Corea del Sur). El alcance del sistema 3GPP permite globalizar aplicaciones de tercera generación 3G de teléfono móvil con especificaciones de sistemas ITU's IMT2000. Los sistemas 3GPP surgen como una evolución de los sistemas GSM, comúnmente conocidos como sistemas UMTS y no debe confundirse con 3GPP2 cuyo estándar de especificación está basada en tecnología IS-95, comúnmente conocida como CDMA2000. El generador de secuencia PN proporciona señales I/Q en intervalos de 8 bits PN de datos en la sección de demultiplexado. El bloque de corrección DC (DCOC) se encarga de corregir desvíos en la señal DC de los bloques conversores D/A, en los filtros de antisolapamiento (anti-aliasing) y en los filtros de transmisión FIR por medio de un lazo de realimentación de control. Un lazo de control de modo mixto localizado en la salida del filtro de transmisión FIR se emplea para corregir compensaciones de corriente continua y desequilibrios en las ganancias de las señales de I/Q. Las salidas de la unidad de ecualización de señales I/Q son enviadas a conversores digitales analógicos en secuencias de 10 bits tanto para la señal de fase (I) como para la señal de cuadratura (Q). Los filtros de antisolapamiento de ganancia programable y los filtros de transmisión aceptan componentes de señales I/Q diferenciales cuyas frecuencias van desde corriente continua hasta

1,92MHz provenientes de los convertidores digitales analógicos y atenúan o eliminan las señales de reloj (clock) no deseadas de 15.36MHz, es decir, filtran las señales que van hacia el modulador TX (MAX2363). La salida del filtro TX se envía a un MUX (multiplexor) A/D de 6 bits mediante un esquema de “muestreo y retención”. Esto permite generar una muestra DC para la tensión de modo común que corresponde a las salidas de los filtros de transmisión de las señales I/Q y que es parte de un lazo de corrección digital. Las señales diferenciales de transmisión de fase y cuadratura finalmente se envían al modulador WCDM, tal como se muestra en la figura 5, que en el caso de teléfonos celulares Motorola de la serie A920 corresponde a un circuito integrado MAX2363 que, en la figura 6, se muestra como el bloque U200.

El MAX2363 Circuito Integrado Transmisor MAX2363 en 2.3GHz con 16-QAM El MAX2363 fue diseñado para trabajar en WCDMA para aplicaciones en la banda de 1.95GHz con excelentes resultados. También se lo puede emplear en servicios especiales (WCS, por ejemplo), en la frecuencia de 2.3GHz con 16 QAM (modulación de amplitud en cuadratura), para lo cual se deben realizar ligeras modificaciones en la etapa de salida. Figura 5


Figura 6


El MAX2363 tiene un circuito interno de banda ancha para el puerto de salida. Sólo requieren un inductor de pull-up y un capacitor de filtro. En 2.3GHz, el valor del inductor se cambia de 15mH a 11mH para optimizar el desempeño de la etapa de salida (potencia de salida). La frecuencia intermedia con las que se han levantado las características del integrado es de 220.38MHz, ya que es un valor popular en PCS NCDMA. Entre la salida del mezclador y la entrada del conversor se usa un filtro de FI en NCDMA de 220.38MHz para filtrar el ruido existente en la banda. A este integrado se lo puede hacer trabajar con una señal de entrada de 16QAM con una tasa de 500ksps, con un ancho de canal de 625kHz. Las características eléctricas obtenidas (Potencia de salida vs. VGC ) se muestran en la tabla 1, para las siguientes condiciones: Vcc = 3.0V Rbias = 10k Figura 7 IF = 220.38MHz LO = 2094.62MHz RF = 2315MHz IF DAC = 110MHz

del MAX2363, usando un instrumento HP89449 se puede observar en la figura 8. *******************

Tabla 1

Figura 8

APCR típica En la figura 7 se muestra la medida de potencia de ruido de canal adyacente (APCR), las compensaciones de frecuencia son 625kHz y 1.3MHz para ACPR1 Y ACPR2 respectivamente, y el ancho de banda es 30kHz. En dicha figura se muestra el APCR típico a la salida del MAX2363 para una frecuencia de 2.31535GHz. Lectura EVM La tensión de salida de RF EVM


I n t roducción El Harmony Lite se encarga del procesamiento de las señales WCDMA y, en cuanto a la transmisión, hemos dicho que la modulación se efectúa en el circuito integrado MAX2363 que, si bien fue diseñado para operar en aplicaciones WCDMA de 1.95GHz, trabaja de modo muy aceptable cuando se lo usa en aplicaciones de telefonía celular en WSC de 2.3GHz con modulación de amplitud en cuadratura (16-QAM). Este integrado suele emplearse en modelos de Motorola como los de la serie A920 que venimos desarrollando en este curso y por tal motivo realizamos un detalle de cómo es el proceso de modulación para la transmisión.

En la sección moduladora de transmisión del circuito de control de un teléfono celular (al sistema de control general se lo denomina Harmony Lite en los teléfonos celulares Motorola de la serie A920), las entradas de fase (I) y cuadratura (Q) se reciben por los pines 23 (Q+), 24 (Q-), 25 (I+) y 26 (I-) del circuito integrado MAXTX, U200. Los niveles de tensión esperados en dichos terminales son de 1,3 a 1,4V por encima del nivel de continua para una señal mínima de 300mVpp. El circuito integrado MAX2363 recibe las señales diferenciales (I/Q) en banda base y las traslada a un valor de frecuencia intermedia de 380MHz a través de un modulador de cuadratura y un amplificador de ganancia variable (VGA). Note, en la figura 1, el diagrama en bloques del oscilador controlado por tensión. En el MAX2363, las entradas IFINH+ (pin 10) y IFINH(pin 11) se conectan al off-chip FL201 en las patas IFOUT+ (pata o pin 17) e IFOUT- (pin 16) respectivamente. La función del bloque FL201 es la de proveer fil-


Figura 1 tros que rechacen las frecuencias imagen y otras interferencias. La forma en que se realiza el proceso de conversión de frecuencias realizado por el mezclador y el oscilador determinará la calidad del sistema transmisor, lo cual depende de la habilidad

del sistema de sólo dejar pasar la señal de frecuencia intermedia para que ésta sea amplificada. El filtro de superficie SAW (FL201) trabaja a una frecuencia central nominal de 380MHz (valor de FI) con una pérdida de inserción del orden de los

Figura 2


Figura 3


3,5dB para todo el ancho de banda de 5MHz. Los amplificadores de ganancia variable (VGC1) son comunes para FI y RF y proveen los niveles de salida de IF y RF. El HARMONY_LITE controla la señal VGC con valores comprendidos entre 1,3 y 2,6V y provee un rango de control de ganancia del orden de los 75dB. La frecuencia de salida del VCO del MAX2363 es controlada por un lazo enganchado en fase sintetizador (PLL). El filtro de lazo externo consiste en los componentes conectados en los pines 33 y 32 (también en el 38). Las frecuencias de las señales de salida del VCO (TankH+ y TankH-) que están presentes en las patas 32 y 33 se dividen internamente para realizar una comparación de frecuencias; la señal de referencia presente en la pata 36 (REF_FREQ) también se divide para poder realizar la comparación en el PLL, la cual se efectúa en un detector de fase three state cuya salida provee un nivel lógico (2361_LOCK) en la pata 38 (IFCP) que es procesado por un filtro de lazo externo y enviado a una red resonante cuya sintonía o frecuencia de resonancia sera alterada en función de la fre-

Vocabulario Continuamos brindando el significado de algunos términos que empleamos en este curso para familiarizar a los principiantes en el vocabulario para telefonía celular. NCDMA: CDMA de banda estrecha. TDMA: Tecnología analógica para telefonía celular. Es la tecnolocía más empleada, y aún vigente en algunas zonas, hasta la aparición de CDMA. Es una tecnología inalámbrica de segunda genreación que distribuye la información en diferentes ranuras de tiempo que permite accesar diferentes informaciones en una frecuencia reducida. WCS: Wireless Communications Service, servicios de comunicaciones inalámbricas de 2310MHz a 2320MHz. Tecnología WCDMA: CDMA de alta velocidad o banda ancha. Acceso múltiple por división de código,

cuencia que debe ser comparada con la referencia, cambiando la sintonía del VCO cuyo valor central o de referencia es de 760MHz. Las señales diferenciales de FI en las patas 16 y 17 (IFOUTH+ e IFOUTH-) operan entonces a 380MHz. Luego la señal es conducida o enrutada a un chip que consiste en un filtro SAW de FI (FL201) y luego a un mezclador de RF a través de un filtro de rechazo de frecuencia imagen para ser finalmente conducido a un amplificador de RF de ganancia variable (VGA). La señal resultante se amplifica en un amplificador de potencia (PA driver). La señal de RF es enrutada por medio de un filtro SAW de RF interetapa (FL401). El sintetizador de frecuencia de FI (760MHz VCO, VCO de 760MHz) y el oscilador local (RF_LO) se programan a través de un buffer de 3 hilos. El “gerenciador” de secuencias del HARMONY_LITE programa los modos standby (TX_STBY*) y apagado (2361_SHDN). Este circuito integrado funciona con dos tensiones de alimentación: VCC_DIG (fuente aislada para IF_CP y 760VCO) y VCC_ANA derivada de VRF_TX_2_775V. ******

es el sistema utilizado en telefonía celular para transmisión de datos de alta velocidad. QAM: Quadrature Amplitude Modulation, modulación de amplitud en cuadratura. Es una modulación lineal que consiste en modular en doble banda lateral dos portadoras de la misma frecuencia desfasadas 90º. Cada portadora es modulada por una de las dos señales a transmitir. Finalmente las dos modulaciones se suman transmitiendo la señal resultante. PCS: El término PCS (Personal Communications Services) o Servicios Personales de Comunicación, es un servicio telefónico inalámbrico similar al servicio telefónico celular con un énfasis en el servicio personal y la movilidad. El término "PCS" es utilizado usualmente en lugar "celular digital", pero el significado verdadero de "PCS" es que el teléfono incluye otros servicios tales como identificación de llamada, radiolocalizador, y correo electrónico. La tecnología celular fue diseñada para su uso en autos, pero la de PCS fue diseñada con la movilidad del usuario en mente desde un principio.


I n t roducción Todo lo que hemos dicho hasta ahora aplica para las diferentes bandas destinadas a telefonía celular (850MHz, 900MHz, 1800MHz y 1900MHz). Para poder dar mayor alcance a la señal que debe transmitir el móvil es preciso amplificar la señal generada en el transmisor y esto se realiza en el bloque PA sin importar que la tecnología empleada sea CDMA, WCDMA o GSM. Recuerde que CDMA o Acceso múltiple por División de Código (en español AMDC), es una técnica de transmisión digital por la cual una estación base asigna un código único a cada dispositivo móvil para diferenciar dicho dispositivo de los demás conectados de forma inalámbrica. Las señales se codifican mediante un código que el receptor también conoce y puede utilizar para decodificar la señal recibida. WCDMA o Acceso Múltiple por División de Código de Banda Ancha es una tecnología inalámbrica móvil de tercera generación (3G) que ofrece elevadas velocidades de transmisión de datos en dispositivos inalámbricos móviles y portátiles que se usan tanto en teléfonos con chip (GSM) o sin ellos (CDMA). WCDMA se utiliza para mejorar la capacidad y cobertura de redes de comunicaciones inalámbricas, por ejemplo, en los sistemas de comunicaciones móviles de tercera generación como el UMTS.

El Amplificador de salida de Tx Aclarado este punto, digamos que en un teléfono Motorola como el que venimos describiendo, en el bloque de transmisión (figura 1), el U410 propor-


Figura 1

ciona la atenuación necesaria a la portadora de transmisión antes de alcanzar al amplificador final (PA), de modo que la señal no exceda el límite máximo aceptable de 1dBm para la entrada del PA y así poder controlar la potencia de salida total del transceptor (del teléfono). El bloque integrado U410 tiene una atenuación del orden de 16-18dB dependiendo de la tensión de control VGC2 aplicada en HYBOUT1 Y HYBOUT2, que es controlada por el “Harmony Lite”. El bloque integrado U420 es la etapa de potencia correspondiente a un amplificador “three state” (amplificador de tres estados) que maneja la banda WCDMA para transmisiones de 1920 a 1980MHz. La ganancia máxima nominal esperada para esta etapa está en torno de los 30dB. HARMONY_ LITE controla la polarización de RF del amplificador en los pines o patas #4 (PA_ BIAS1) y #5 (PA_ BIAS2) con una gama de control de 0 - 2.5V. HARMONY_ LITE también controla el pin #12 (VLD) para la conmutación de carga del amplificador PA. Aunque no sea puesto en práctica, la teoría de carga del PA que se pone en marcha en transmisiones WCDMA, es sumamente importante para conservar la duración de la batería del teléfono, evitando interferencias de radio innecesarias con estaciones bajas. Cuando VLD está en un estado bajo (0V), el transmisor está en el modo de “alta potencia” o potencia máxima, consumiendo la corriente más alta, pero con el total funcionamiento del PA. Cuando VLD está en un estado alto, el transmisor está en el modo de “bajo consumo”,

tomando menos corriente y haciendo que el PA funcione en forma limitada. En teoría, el funcionamiento del PA dependerá entonces del nivel de tensión presente en VLD, permitiendo así un mejor rendimiento de la etapa transmisora con el objeto de hacer que la duración de la batería se incremente. Si la potencia de transmisión decrece, como consecuencia de un requerimiento desde la estación base del teléfono, por debajo de los 14,5dBm, entonces VLD cambiará a estado alto. Si es preciso que la potencia de transmisión sea superior a 19dBm, entonces VLD tomará un estado bajo. El detector de poder recibe la señal de RF WCDMA amplificada en el cable RF_ EN (fíjese en el pin o pata #6) del PA. El bloque U450 es una combinación de un acoplador direccional con un detector de potencia compensado en temperatura con salida diferencial. El detector de poder acopla la entrada de poder de TX y las realimentaciones de salida RF_ DESCUBRE al Harmony Lite. El TEMP_ COMP también obtiene o permite el acoplamiento del amplificador, pero quita el contenido de señal de RF, dejando un nivel de corriente continua proporcional a la potencia de la señal acoplada. Este nivel de corriente continua se realimenta al Harmony Lite, esperando una pérdida nominal menor a 0,3dB. El aislador (FL460) provee un aislamiento (valga la redundancia) entre el Módulo Front-End y el camino de transmisión, con una pérdida de inserción inferior a 0,55dB. **************


Figura 2


I n t roducción Los teléfonos celulares poseen un circuito que establece las condiciones necesarias para que pueda realizarse la carga de su batería cuando se emplea el cargador apropiado. Veremos cómo es el circuito de carga de la serie A920 de los teléfonos Motorola y cuáles son las tensiones (los caminos de las tensiones) que proveen los diferentes reguladores de tensión integrados en un chip a las diferentes etapas del teléfono. En la figura 1 se puede apreciar el sistema de carga de la serie A920 de teléfonos celulares A920, que estamos empleando como “modelo” para explicar el funcionamiento básico de un teléfono celular. La mayoría de los componentes, encargados de efectuar el control de carga de batería del teléfono celular, se integran en el circuito PCAP. Esto incluye un convertidor digital-análogo, otro convertidor pero esta vez análogo-digital, un interruptor de feedback (regeneración), un interruptor de pullup a termistor y un sensor de control de corriente. Los transistores de efecto de campo externos Q3966 y Q3954 proveen las señales que permiten o bloquean la carga de la batería (señales EXT_B + y B +). La resistencia sensora R3961 y el transistor FET Q3960 proporcionan el control de carga entre EXT_B+ y la batería. Debido a la interacción de los diferentes terminales del bus CE, la señal de entrada de identificación de carga y la señal de salida de “realimentación de la batería” comparten un mismo pin o terminal accesorio. El software primero detectará la tensión de carga ID (AD6) antes de permitir la tensión de carga de batería a través del interruptor de carga de batería del PCAP. Este circuito no debe permitir la carga de batería si el cargador no posee los


Figura 1

parámetros de tensión y corriente apropiados (para evitar que un cargador no apropiado o de carga rápida pueda dañar el circuito). El Voltaje de Regeneración de Batería proporciona una tensión de referencia a la fuente de energía externa durante la carga. El interruptor de regeneración de batería quita el voltaje de regeneración de batería del bucle de realimentación del adaptador AC/DC o VPA cuando se completó la carga o después de que se haya presentado una situación anormal o un defecto. Este interruptor habilitará al cargador DAC antes de que comience la carga o, dicho de otra manera, sólo permitirá el suministro de energía desde el cargador a la batería cuando las condiciones de carga sean las adecuadas. La señal de referencia de realimentación proveniente de la batería debe estar bien establecida antes de que comience la carga (por más que coloque el cargador, si la batería está completa, la carga no será habilitada). En la batería se usa un termistor para determinar la temperatura de la célula del paquete de batería antes de que comience la carga. La información de estado de batería se enviará a la EEPROM vía (BATT_IO). Esta memoria contendrá los parámetros de límite que determinan las temperaturas mínimas y máximas entre las cuales se podrá realizar la carga. El PCAP tiene un circuito de detección de sobrevoltaje integrado que proporciona una protección si el cargador externo tuviera una tensión superior a 7V de corriente continua y, de esta manera, evitar que se dañe tanto el teléfono celular como la bate-


ría. Si ocurre una condición de sobrevoltaje, el EXT_B + FET (Q3963) será inhabilitado. Esto evitará el uso de cargadores con tensiones superiores a 7V. Por otra parte, cabe aclarar que la corriente máxima de carga admitida es de 400mA, situación que sólo puede alcanzarse con tensiones altas en el cargador que, como ya dijimos, no son aceptadas por medio del circuito de protección. Un cargador apropiado tendrá una tensión máxima de carga de 5,9V y éste proveerá una corriente inferior a los 400mA máximos admisibles. Cuando se establecen las condiciones de carga, a través del circuito +B se establecerán los 5,9V de carga, independientemente del voltaje BATT_FDBK. Si el teléfono está en modo0 de Tx, la corriente media será suministrada por la batería y el circuito de carga (la línea EXT_B+ (Q3966) será deshabilitada a través de la línea MIDRATE_1). No se permite la transmisión con la batería baja o sin la batería por más que el cargador esté conectado al móvil.

El Regulador de Voltaje La regulación de voltaje es proporcionada por el PCAP IC (U3000), figura 2. Se usan múltiples reguladores para proporcionar la mejor aislación entre el trazado de circuito de carga sensible y el trazado de circuito ruidoso. En la figura 2 se puede apreciar el diagrama en bloques del regulador de voltaje. Las señales son las siguientes:

Figura 2

Los reguladores y su trazado de circuito de carga son descritos debajo: · VBOOST_LX(VBOOST_5_5V) – Entradas del regulador de voltaje VUSB, V10. · VBUCK_LX(VBUCK_2_25V) - Entradas del regulador de voltaje V1, V3, V4, V7 y V8. · LX2(VBUCK2_1_6V) - Helen core. · V_VIB - Vibrador. · Vsim2(VSIMC) – Interfase SIM card. · Vaux1(VRF_TX_2_775V) – Circuitos RF, TX. · Vaux2(VRF_RX_2_775V) - Circuitos RF, TX. · Vaux3(VMMC_2_8V) - Interfase SD/MMC. · Vaux4(VAUX4_3V) – Procesador de imagen y xcvrs USB (procesador de aplicaciones y bluetooth USB). · VUSB - PCAP USB xcvr. · V1(VMEM_1_875V) – Procesador de aplicaciones flash de entrada/salida, procesador de aplicaciones DRAM de entrada/salida, Procesador de banda base. · V2(VA_2_775V) – Audio. · V3(VLVIO_1_95V) – Circuito Magic LV I/O, WCSP. · V4(VRF_REF_1_875V) – Referencia de RF. · V5(VGPS_RF_2_775V) - GPS RF. · V6(VHVIO_2_775V) – Entrada/salida HV, Display ( 20), Imagen (12), Banda base de GPS (8), GPS Flash, Procesador de aplicaciones SDRAM (200). · V7(VRF_DIG_1_875V) - RF digital. · V8(VBLUETH_1_875V) – Bluetooth. · V9(VRF_REF_2_475V) – Referencia de RF. · V10(VRF_HV_5V) - Para señal de RF HV.

¿ Se puede recuperar la batería de un celular? En principio sí. Para realizar la operación debe conseguir un adaptador de voltaje de 12 vot y de 500mA, pudiendo emplearse otro entre 9V y 15V. Debe averiguar cuál es la salida positiva y cuál la salida negativa tanto de la batería como del adaptador (en general, en el adaptador la positiva va marcada con una raya de color blanco y la negativa es todo el cable de color negro). Corte el cable en el extremo del final del cable del adaptador, no al principio del cable que sale del adaptador sino al extremo final en donde seguro encontrará una salida de tensión; conecta el negativo de la pila del celular al negativo del cargador y el positivo con el positivo. Esta operación puede hacerla utilizando pincitas (tipo caimán, cocodrilo o yacaré). Aguarde un par de minutos y mida con un multímetro la tensión en la batería (sin desconectar el cargador). Debe dar una tensión mayor a los 3,5V y menor a los 5V. Si dá menos, la batería es irrecuperable por este método y debe desconectar el adaptador de inmediato. Si dá más, desconecte el adaptador, haga unos chispazos invirtiendo los cables del adaptador y vuelva a intentar la recuperación. Cuando mida una tensión mayor a 3,7V desconecte la batería del adaptador, colóquela en el celular y póngalo a cargar. Normalmente esto es suficiente para que tome carga normal. Cuando compruebe que está cargando, déjelo unas 12 horas para que adquiera carga completa. ******



I n t roducción El sistema de audio de un teléfono celular es, quizá, una de las etapas que más diferencias pueden presentar entre distintos modelos de móviles debido a que no sólo debe poder captar la voz de un interlocutor y reproducir el sonido de un operador distante, sino que también debe encargarse de reproducir con volumen ajustable música guardada en la memoria del celular, permitir la conexión de auriculares, poder seleccionar entre parlantes internos y externos, etc. Por lo dicho, analizaremos cómo se realiza la “transmisión y recepción” de señales de audio en un microteléfono tomando como base el sistema 920 de Motorola, tal como venimos haciendo en esta obra. Vamos a dividir nuestra explicación en las etapas de recepción y de transmisión de audio para luego detenernos en la etapa de potencia y el procesador de banda base, teniendo en cuenta que todos estos bloques conforman el sistema de sonido de un teléfono celular.

La Recepción de Audio En la figura 1 se puede apreciar el diagrama en bloques del sistema de audio de un teléfono celular, orientado a la recepción de señales. Note el bloque “principal” que es la plataforma que realiza el control de audio (PCAP), su interacción con el procesador de banda base (POG) y la inclusión de filtros que conectan a los parlantes de la unidad. La recepción de datos de audio se transfieren desde el POG al PCAP a través de la interface ASAP para el modo monoaural y por medio de la interfase ASAP para recepción de datos en estéreo. Luego los datos son convertidos en una información analógica (análoga) por un conversor digital-


Figura 1

analógico de 16 bits para información estéreo o un CDA (conversor digital-analógico) de 13 bits para el audio de una comunicación telefónica (información mono). La salida del CDA interno del PCAP se aplica al PGA. La salida del PGA puede ser enca-

Figura 2


minada a una de las cuatro salidas a través de un multiplexor interno. Todas las salidas usan el mismo convertidor digital analógico y sólo una salida puede ser activa a la vez. El usuario puede ajustar la ganancia de las salidas de audio con los botones

de control de volumen. El parlante (bocina) del teléfono (Handset Speaker) recibe la señal de audio desde un amplificador diferencial (SPKR) que se encuentra en el interior de la PCAP. Las señales de salida del PCAP SPKR-Y SPKR + se aplican al parlante luego de pasar por un filtro a través de las líneas que en la figura 2 se denominan R4004 y R4005 respectivamente, y que luego se “unen” en dicho parlante. Note en el diagrama en bloques de la figura 1 y en el esquemático de la figura 2 que del camino SPKR-, SPKR_IN se envía a la entrada de un amplificador operacional A1 a través del capacitor C4002. Por otra parte, la línea o camino (cable) SPKR_OUT1 del PCAP se envía a SPKR- a través de C4000 y C4002 que es la salida CDA del codificador. Las líneas SPKR_IN y SPKR_OUT1 mantienen la tensión de polarización durante períodos de standby y esta tensión se “mantiene” por medio de un capacitor para evitar “ruidos” o “pequeñas explosiones” cuando comience a funcionar el amplificador como consecuencia de la recepción de una señal. Los auriculares utilizan un conector estéreo estándar de 2.5mm. El teléfono “notará” la presencia de los auriculares estéreos que usan la línea HS_SPKR_L del conector de auriculares (vea la figura 1), que posee la resistencia de pull-up R4395 para conectarse al PCAP a través de la línea ST_COMP (esto es una interrupción del PCAP que es enviado al MCU sobre el bus SPI, figura 2). La línea ST_COMP tomará un estado binario bajo cada vez que un auricular estéreo sea insertado en el conector del celular. Los auriculares pueden contener un interruptor momentáneo, que normalmente está cerrado y que se coloca en serie con el micrófono. Cuando se presiona el interruptor momentáneo, se interrumpirá la corriente que se suministra al micrófono, el teléfono notará esta acción y dará una respuesta apropiada, que podría ser, por ejemplo, contestar una llamada, terminar una llamada, o marcar el último número del bloc de notas. Los auriculares reciben la señal de audio desde un amplificador estéreo interno al PCAP a través de las líneas (caminos o cables) ARIGHT_OUT y ALEFT_OUT (figura 1), encaminados por C4356,

R4352 y C4306, R4302 respectivamente (figura 2), que por último se aplican al conector de auriculares. Note que se toma del camino ARIGHT_Out, a través del capacitor C4354, la señal ARITH_IN que se aplica a la entrada del amplificador operacional interno del PCAP, formando de esta manera una realimentación. De la misma manera, de la línea ALEFT_Out se toma señal que, a través de C4304, se envía a la entrada de otro amplificador operacional por medio de la línea ALEFT_IN. El parlante externo se conecta al pin 15 del J5000 (AUDIO_OUT), que es el conector que se emplea para poder conectar un parlante externo. El camino de audio es establecido por R4400 y C4400 que se aplica a EXTOUT del PCAP. El nivel de corriente continua de esta señal de audio de salida (Audio_Out ) también se emplea para establecer la condición de teléfono conectado o desconectado. Esto se logra tomando señal de audio (Audio_Out) a través de la línea ON2 del PCAP por medio del resistor R5053. Cuando se aplica una señal de corriente continua superior a 0,4V durante un tiempo mayor a los 700 milisegundos, el teléfono va del estado ON al estado OFF. El parlante externo recibe la señal de audio desde el amplificador ALRT que se encuentra en el interior de la PCAP (A2 en la figura 1). Las señales de este amplificador se envían a través de las líneas ALRT-y ALRT +. Como explicamos en los casos anteriores, ya sea en el caso del parlante interno (Handset Speaker) o de los auriculares, en este caso también se toma una señal de realimentación por medio de la línea o camino ALRT_IN a través de un resistor, en este caso R4201. La señal de salida de este amplificador operacional se encamina hacia el parlante externo a través de C4200 y R4200 que es la salida DAC del codificador.

La Transmisión de Audio En la figura 3 se muestra un diagrama en bloques que resume el funcionamiento del sistema de transmisión de un teléfono celular, en este caso de la serie 920 de Motorola. En la figura 4 se grafica


el circuito que corresponde a esta etapa, notando la conexión de los componentes periféricos al circuito U3000 que corresponde a la plataforma de control de potencia de audio (sistema amplificador final o PCAP). El Micrófono Interno es un componente físico a partir del cual se toma la señal que deberá ser amplificada para su procesamiento. En la figura 4 se puede apreciar que al micrófono se le conecta un resistor (R4103) para proveer una tensión de polarización de 2V en la línea MIC_BIAS desde la línea MIC_BIAS1 de la plataforma de control de potencia de audio (PCAP). Para mantener el ruido a un nivel mínimo, se establece un sistema de filtros cuya salida se conecta a la entrada de un MUX interno de la PCAP. En el caso de utilizar el micrófono que se encuentra en los auriculares externos, la señal se aplica a la línea HS_MIC que será “filtrada” para ingresar a la PCAP por medio de la línea MIC_BIAS2. De la misma manera que antes, se estable un sistema circuital que permite “balancear” el ruido para que se mantenga en un nivel adecuado para permitir la amplificación de la señal desde el auricular a través de la línea MIC_OUT. La línea HS_MAKE_DET supervisa la presencia de los auriculares por medio de la tensión presente en A1_INT de la PCAP, que pasa por R4398. Un mecanismo de

Figura 3


conmutación integrado en el conector de auriculares abrirá o cerrará el camino HS_MAKE_DET a tierra, dependiendo si los auriculares están o no conectados. La entrada del micrófono externo (AUDIO_IN) se obtiene (o se aplica según como lo interprete) del conector accesorio para el teléfono móvil y, por medio de componentes periféricos se aplica a la línea EXT_MIC de la PCAP. Note que a diferencia de los dos casos anteriores, aquí aplicamos la señal directamente al multiplexor de audio sin pasar por un amplificador previo. Además de la señal de audio, la línea AUDIO_IN detecta la presencia de dispositivos accesorios. El accesorio, conectado al bus CE tendrá una impedancia de salida que pondrá a la línea LOGIC_SENSE en un nivel predeterminado. El POG leerá el nivel de entrada de LOGIC_SENSE y configurará el de audio en consecuencia. El MUX de la PCAP elige la señal de entrada, ya sea del micrófono del celular o del micrófono de auriculares o proveniente de una entrada de audio a través de un Multiplexor de Audio (AUD MUX). Luego, un convertidor analógico-digital convierte las señales analógicas entrantes en palabras de13 bits, con codificación PCM. Las señales digitales de audio resultantes son transferidas al POG DSP a través de una interfase serial de 4 hilos (ASAP).

Figura 4


Etapa de Audio de Potencia & PCAP En la figura 5 se puede apreciar el diagrama en bloques de la unidad U3000, plataforma de control de potencia de audio PCAP que es un circuito integrado que maneja diferentes señales y realiza las siguientes tareas: · Filtrado y amplificación de la señal de entrada/salida de audio. · Selección de camino de audio · Regulación de Voltaje · Control de carga de batería · Proporciona un reloj de tiempo real · Control de ring/vibrador · Realiza la adaptación de los protocolos RS232/USB · Control de luz de fondo · Control de encendido de Leds · Realiza el multiplexado de entradas para monitoreo de tensiones y temperatura. Figura 5


· Control dual de interfase SPI para permitir el acceso de dos procesadores de banda base independientes · Posee un conversor D/A Estéreo · Realiza el control de protección de sobretensión Este circuito integrado es controlado y configurado por un circuito integrado procesador de banda base (POG) por medio de una interfase serial de 4 cables o hilos (SPI). El Procesador de banda base tiene acceso a la lectura/escritura de la PCAP. Los datos de audio son transmitidos/recibidos desde el procesador de banda base a través de una interfase SSI de cuatro cables.

P rocesador de Banda Base El POG (procesador de banda base) integra un Microcontrolador de Comunicaciones (MCU) de 32

bits con sistema RISC (sistema reducido de instrucciones), un procesador digital de 32 bits DSP (procesador digital de señales) y un Módulo Interprocesador de Comunicaciones de (IPCM) con periféricos asociados y coprocesadores. A continuación brindaremos una breve descripción de los núcleos y periféricos asociados que son usados en este diseño. El diagrama en bloques que representa la interconexión del Procesador de banda base se muestra en la figura 6. Las figuras 7 y 8 muestran el esquema circuital genérico del POG, con sus componentes asociados, donde se destaca lo siguiente:

Figura 6

·Posee un MCU, microcontrolador ·Incluye GPS ·Integra un DSP que procesa la señal GSM ·Tiene un EIM, módulo de interfase externo. ·Realiza comunicaciones en protocolos USB/Serial. ·Realiza conversiones Analógicas/digitales. En cuanto a los bloques del mencionado circuito integrado pro-


Figura 7


Figura 8


cesador POG, podemos decir lo siguiente: ·IPCM: proporciona DMA de varios canales entre el Mcore (procesador digital), el DSP y los periféricos. ·GQSPI: Interfase PCAP. ·EBIF: interfase externo del autobús para el transporte de datos DMA, WCDMA. ·MQSPI1: control de señales WCDMA. ·EL1T1: temporizador WCDMA. ·CKIH: es una interfase WCDMA de temporización de15.36MHz. ·ASAP: interfase para PCAP y bluetooth de audio. ·Serial BBIF (interfase de Banda de base): TransFigura 9


porte de datos GSM. ·MQSPI2 (interfase periférica serial): Realiza el control de señales GSM. ·EL1T2 (temporizador): Temporizador de acontecimientos GSM. ·CKIH: Reloj GSM de 13MHz. Además del sistema de memoria interno del POG, la arquitectura proporciona 128Mbits (16Mbyte de palabras de 8bits) de memoria flash externa proporcionado por memorias Intel de 64Mbit cada una (figura 9). El bus de estas memorias es de 23 bits de direccionamiento y 32 bits de datos. La memoria flash funciona entre 42-45MHz. *******

I n t roducción Como todos sabemos, Bluetooth es la norma que define un estándar global de comunicación inalámbrica, que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes equipos mediante un enlace por radiofrecuencia. Los teléfonos celulares modernos de alta gama poseen la posibilidad de operar con esta tecnología, teniendo alcances que oscilan entre los 50m y los 100m. Mediante Bluetooth es posible el intercambio de archivos utilizando muy poca energía, lo que la hace una tecnología ideal para las comunicaciones actuales. Bluetooth es una tecnología inalámbrica que opera en banda de 2.4GHz, donde no se necesita licencia. En general, podemos decir que es una tecnología diseñada para la implementación de redes de cobertura reducida, normalmente de unos 10 metros, aunque se alcanzan distancias de hasta 100 metros con dispositivos especiales. Las redes se suelen construir en modo “ad-hoc” utilizando dispositivos heterogéneos como teléfonos móviles, dispositivos manuales (“handhelds”) y computadoras portátiles. A diferencia de otras tecnologías inalámbricas como Wi-Fi, Bluetooth ofrece perfiles de servicio más detallados; por ejemplo un perfil para actuar como un servidor de ficheros basado en FTP, para la difusión de ficheros (“file pushing”), para el transporte de voz, para la emulación de línea serie y muchos más. En la figura 1 se puede apreciar el diagrama en bloques de la sección bluetooth de un teléfono Motorola de la serie A920. El circuito integrado U5600 es un BCM2033 que tiene un transceptor de radio integrado que ha sido optimizado para el empleo en 2.4GHz, para aplicaciones de comunicación en Bluetooth (sistemas inalámbricos de alto ren-


Figura 1

dimiento). Este integrado fue diseñado para proveer comunicaciones robustas con bajo costo para usos que funcionan en 2.4GHz a escala mundial en bandas ISM. Es totalmente compatible con las especificaciones para Bluetooth versión V1.1 y “excede” las exigencias para proporcionar la mayor calidad de comunicación. Como aclaración, digamos que ISM (Industrial, Scientific and Medical) son bandas reservadas internacionalmente para uso no comercial de radiofrecuencia en áreas industrial, científica y médica. En la actualidad estas bandas han sido popularizadas por su uso en comunicaciones WLAN (por ejemplo Wi-Fi) o WPAN (por ejemplo, Bluetooth). Las bandas ISM fueron definidas por la ITU (Unión Internacional de Telecomunicaciones). El uso de estas bandas de frecuencia está abierto a todo el mundo sin necesidad de licencia, respetando las regulaciones que limitan los niveles de potencia transmitida. Este hecho fuerza a que este tipo de comunicaciones tengan cierta tolerancia frente a errores y que utilicen mecanismos de protección contra interferencias, como técnicas de ensanchado de espectro. Por este motivo, las redes que funcionan en esta banda se les denomina redes de espectro ensanchado. El receptor tiene un alto grado de linealidad, un margen dinámico ampliado, y un alto filtrado sobre el canal de operación para asegurar una operación confiable en 2.4GHz sin ruidos en la banda ISM. El


BCM2033 es un circuito integrado que contiene un sistema de transmisión completo para operación en Bluetooth. Los datos de banda base son modulados en GFSK y trasladados a la banda de 2.4GHz mediante un mezclador interno, para poder operar en la banda ISM. Se usa una modulación GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) se usa, en donde un “1” binario representa una desviación de frecuencia positiva, y un “0” binario representa una desviación de frecuencia negativa. La desviación máxima de frecuencia está entre 140kHz y 175kHz. El Amplificador de Poder de salida (PA) proporciona una señal de salida nominal de 0dBm y tiene un control de potencia para proporcionar 24dB de control de ganancia en pasos de 8dB. El Oscilador Local (LO) genera frecuencias en saltos rápidos (1600 saltos por segundo) a través de los 79 canales disponibles para esta técnica. La unidad PU (UPU) realiza el control entre un “controlador de enlace” (LC: Link Control) que es un procesador digital de señales y la interfase HCI (Host Controller Interfase). La interfase HCI proporciona una “interfase de comandos” (valga la redundancia) para la controladora de banda base y para el gestor de enlace y permite acceder al estado de hardware y a los registros de control. Esta interfase proporciona una “capa” de acceso homogénea para todos los dispositivos Bluetooth de banda base.

El microprocesador es un sistema “mejorado” del conocido microcontrolador 8051. La B.B.C. (Bluetooth Base Band Core) maneja los buffers, la segmentación, y el envío de datos para todas las conexiones. Esto también protege los datos que pasan por allí. El control de flujo de datos programa las transacciones SCO/ACL TX/RX en una “ranura” Bluetooth, óptimamente segmenta y embala datos en paquetes de banda base, maneja indicadores de estado de conexión, y compone y descifra paquetes HCI. La Unidad Periférica de Transporte (PTU) maneja la Interfase del Dispositivo. El PTU soporta tres tipos de dispositivos: USB, UART, y PCM. EL PMU proporciona los rasgos de dirección de poder que pueden ser invocados por el software por registros de dirección de poder, o por "el manejo de paquete " en banda base. En la figura 2 se

Figura 2


puede apreciar el circuito asociado al sistema Bluetooth en un sistema celular Motorola de la serie A920.

M á s S o b re B l u e t o o t h Se dice que el nombre Bluetooth fue tomado de un Rey Danés del siglo X, llamado Harald Blátand (Bluetooth), que se hizo famoso por sus habilidades comunicativas, y por haber logrado, mediante el diálogo y la persuasión, la cristianización de su “sociedad” vikinga. La tecnología Bluetooth tiene como objetivo aumentar la efectividad de las comunicaciones entre dispositivos que se encuentran a cortas distancias, ya sea en el área de trabajo como en los espacios públicos. En 1998, un grupo de industrias líderes en computadoras y telecomunicaciones tales como IBM, Intel, Ericsson y Nokia, desarrollaron un dispositivo de bajo costo que servía para comunicar diversos dispositivos basado en un estándar estricto para que su uso se popularizara rápidamente. Las empresas investigadoras formaron un grupo de intereses especiales (Special Interests Group - SIG) que asegurara que el nuevo estandard sería la base para el desarrollo de dispositivos a nivel mundial. El SIG fue rápidamente ganando miembros, como las compañías 3Com, Axis Comunication, Compaq, Dell, Lucent Technologies UK Limited, Motorola, Qualcomm, Xircom, entre otras. La tecnología Bluetooth define un canal de comunicaciones con una velocidad máxima de 720kbyte por segundo con un rango óptimo de 10m (luego se implementó a 100m). El rango de frecuencia de trabajo está entre 2.4 a 2.48GHz con un amplio espectro y saltos de frecuencia con posibilidad de transmitir en sistema full duplex con un máximo de 1600 saltos por segundo. Los saltos de frecuencia se dan entre un total de 79 frecuencias con intervalos de 1MHz, lo que permite brindar seguridad y robustez al sistema. La potencia de salida para transmitir a una distancia máxima de 10m es de 1mW, mientras que la versión de largo alcance para 100 metros requiere una potencia del


orden de los 100mW. El bajo consumo y bajo costo se logró mediante el desarrollo de todo el sistema en un solo chip utilizando circuitos CMOS. El chip tiene 9x9mm y consume menos del 90% energía que un teléfono celular común, lo cual implica un rendimiento excelente. El protocolo de banda base para este sistema combina circuitos de swicheo (conmutación) y paquetes. Para asegurar que los paquetes no lleguen fuera de orden, los canales (slots) pueden ser reservados por paquetes sincrónicos, utilizando un salto diferente de señal para cada paquete. Por otro lado, la conmutación de circuitos puede ser sincrónica o asincrónica. Cada canal soporta tres canales de datos o de voz sincrónicos o un canal de voz sincrónico y un canal de datos asincrónico. Cada canal de voz puede soportar una tasa de transferencia de 64Kb/s en cada sentido, la cual es adecuada para la transmisión de voz. Un canal asíncrono puede transmitir como máximo 720Kb/s en una dirección y 56Kb/s en la dirección opuesta. Sin embargo, para una conexión asincrónica es posible soportar 432,6Kb/s en ambas direcciones si el enlace es simétrico. El hardware de un dispositivo Bluetooth está compuesto por dos partes: un sistema de radio encargado de modular y transmitir la señal y un controlador digital. El controlador digital está compuesto por una CPU, un procesador de señales digitales (DSP - Digital Signal Processor) llamado Link Controller (o controlador de Enlace) y de las interfaces con el dispositivo anfitrión. El LC o Link Controller se encarga del procesamiento de señales en banda base y del manejo de los protocolos ARQ y FEC. Además, se encarga de las funciones de transferencia (tanto sincrónicas como asincrónicas), de la codificación de Audio y encriptamiento de datos. El CPU del dispositivo remoto se encarga de atender las instrucciones relacionadas con el sistema Bluetooth del dispositivo anfitrión para simplificar su operación. Para ello, sobre la unidad central de proceso o CPU, corre un software denominado “Link Manager” que tiene la función de comunicarse con otros dispositivos por medio del protocolo LMP. *********************

I n t roducción La incorporación de sistemas GPS en los teléfonos celulares es todo una moda. Es más, hasta es posible tener la localización de un móvil sin necesidad de que el teléfono celular tenga este sistema, ya que los operadores suelen prestar este servicio a través de mensajes cortos (SMS). Los dispositivos dotados de GPS, además, podrán realizar cualquier tarea de navegación satelital como ser la elección de rutas correctas cuando están dentro de un automóvil o poder localizar un dispositivo en cualquier punto del planeta. Explicaremos sintéticamente qué es GPS y cómo funciona el circuito en un teléfono celular. Como lo hacemos siempre en este curso, nos basaremos en un móvil Motorola de la serie A920. G P S significa "Global Positioning System" o Sistema de Posicionamiento Global. Se trata de un Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) que permite fijar a escala mundial la posición de un objeto, una persona, un vehículo o una nave. La precisión de un sistema GPS puede determinar la posición de un objeto con errores mínimos, pudiendo determinar una posición con metros de precisión. El sistema de defensa de los Estados Unidos desarrolló este sistema basándose en una red de 24 satélites (21 operativos) en órbita a 20.200 Km que permite cubrir toda la superficie terrestre. Para fijar una posición, el navegador GPS localiza automáticamente, como mínimo, a 4 satélites de la red, de los que recibe señales que indican la posición de cada satélite y su reloj. El navegador GPS sincroniza su reloj y calcula el retraso de las señales (que viene dado por distancia al satélite), calculando la posición en que éste se halla. Una


Figura 1

vez en sincronismo (una vez establecidas las distancias a cada satélite) se fija con facilidad la propia posición relativa del GPS respecto a los satélites. Conociendo además las coordenadas o posición de cada uno de ellos por la señal que emiten, se obtiene la posición absoluta o coordenadas reales del punto de medición. Los GPS hoy son comunes en el mercado para los usuarios con fines muy diversos; localización de piezas, montañismo y hasta en los teléfonos celulares con fines diversos. No obstante, la utilización actual más extendida es su empleo en los vehículos que circulan por carreteras (coches, camiones, autobuses...). El GPS en los automóviles permite a los conductores un apoyo considerable. Estos dispositivos llevan programas con voz que le dan instrucciones al conductor sobre los movimientos que deben hacer para seguir la ruta correcta (giros, toma de salidas o entradas desde unas vías a otras, etc.); estas indicaciones de voz permiten al conductor fijar su atención en la carretera. En el auto, un GPS puede: * Indicar la ruta a seguir desde el punto de origen hasta el destino a través de mapas localizados en el GPS. * Establecer controles necesarios para advertir los límites de velocidad * Avisar la densidad de tráfico, etc.


El sistema GPS en un teléfono celular permite la localización en tiempo real del teléfono, utilizando satélites GPS y redes de telefonía celular (normalmente redes CDMA), para ofrecer resultados con alta precisión a través de los servicios de localización personal. Entre las ventajas de este servicio encontramos: ubicación en tiempo real, mejor supervisión y mayor control, alto nivel de precisión a través de mapas digitalizados, mayor flexibilidad, pues las localizaciones pueden efectuarse desde un celular o vía web. Por ejemplo, se puede conocer la ubicación de un celular con sólo enviar un mensaje de texto (y en este caso no es preciso que el móvil tenga sistema GPS!!!). El localizador deberá enviar un SMS (mensaje corto de texto) con el número de celular a ubicar. De inmediato, la persona buscada recibirá un mensaje en donde se le informa que un determinado número está intentando conocer su ubicación y se le pide que lo autorice, por única vez o para siempre. En caso de que la búsqueda sea autorizada, el solicitante recibirá un mensaje con la posición geográfica (latitud, longitud y una dirección postal cercana) donde se encuentra el móvil localizado. Un teléfono celular dotado de sistema GPS, puede recibir la señal satelital de 1575,42MHz a través de la antena planar para GPS interna PIFA (Planar Inverted F Antenna) o por medio de una antena

Figura 2


Figura 3


externa. La señal recepcionada por la antena planar PIFA pasa a través del filtro FL6055 y del amplificador lineal de bajo ruido (LNA) U6051. Note en los diagramas de la figura 1 y 2 que, posteriormente, dicha señal ingresa al filtro LNA U6050 a través del filtro FL6055 (si utiliza antena externa, la señal se aplica directamente al filtro FL6055). La señal que ingresa al amplificador LNA del integrado U6050 es una señal DSS (señal de Secuencia Directa de Espectro Extendido = Direct Sequence Spread Spectrum) de 1575,42MHz con una modulación bi fase (BPSK) extendida de 1,023 Mbps (BPSK = Bi-Phase Shift Keying). La señal DSSS se aplica a un circuito mezclador de rechazo de señal imagen. En el mezclador, esta señal DSS se “mezcla” con la señal proveniente de un oscilador local para producir una señal de frecuencia intermedia (FI) de 9,45MHz. Luego, la señal de salida de FI se amplifica y filtra para ser enviada a una etapa amplificadora con control automático de ganancia (AGC) antes de ser aplicada a un conversor Analógico - Digital (A/D). La etapa de FI también contiene un procesador de señales I-Q que realiza la operación de detección de fases, luego suma las señales I y Q y las envía a un solo canal. El circuito de AGC provee a la señal de FI la ganancia óptima para que pueda ser enviada al conversor analógico - digital de 2 bits. De esta manera, el conversor AD proveerá bits con la amplitud necesaria para ser aplicados al Bloque de Interfase (Interface Block). Las salidas del bloque de interfase proporcionan señales de reloj y datos de 2 bits al procesador GPS U6000 (CGSP2e/LP). Para simplificar la complejidad de la interfase, las señales provenientes del AD son del tipo PELC (Positive Emitter Coupled Logic = Lógica Positiva Acoplada por Emisor). Las entradas de bloque de interfaz son el cable “AGC interface” (AGCDAT) y el pin de control de potencia PWRCTL. El GPS (El sistema de posicionamiento global) DSP dentro de U6000 correlaciona las señales de entrada de datos MAG y SIGN. La amplia arquitectura paralela de rastreo permite la búsqueda simultánea de 1,920 tramas de tiempo/frecuencia, que permite una combinación poderosa de nueva

adquisición muy rápida con la capacidad de encontrar y rastrear señales muy débiles. El bloque de comunicaciones UART que está dentro del U6000, se usa para comunicar a la información de datos de interfaz entre el GSP2E/LP (U6000) y el POG. El circuito integrado GPIO proporciona “apoyo” a una serie de periféricos. RTC es un circuito de reloj de muy baja potencia y altísima precisión de 32kHz proveniente del PCAP. Este circuito es alimentado por VDDRTC para permitir una máxima duración de la batería. REF_FREQ se utiliza como una fuente de reloj externa para U6000. GPS_WAKEUP* es una señal (se activa en bajo) del POG utilizada para despertar al cliente SiRFLoc del modo de Sleep (modo de bajo consumo cuando no se utiliza al dispositivo). GPS_RESET* es una señal de puesta a cero (también activa en bajo) difícil para el SiRF BB IC y la memoria Flash. GPS_BOOT_SEL es usado por el POG para poner la configuración de “autoarranque” luego de un reset. GPS_TIME_SYNC es una señal que se activa en estado alto para proporcionar sincronismo, la cual se envía sobre el POG y sobre la UART.

GP S e n Teléfonos Celulare s Un teléfono celular con conexión a Internet, incluso sin el sistema GPS (Global Positioning System) puede ser ubicado por Google “a grandes rasgos”, es decir, es posible saber dónde está una persona gracias a la antena del aparato. La función que permite esto se denomina “My Location” y al momento de escribir estas líneas estaba todavía en etapa de prueba. Permite situar en los mapas de Google el lugar en el que se encuentra un móvil, con unos 1.000 metros de margen de error. Con esta aplicación Google registró las ubicaciones de las antenas gracias a datos enviados por usuarios de teléfonos con GPS que se conectan a Internet, lo que permitió cartografiar sus posiciones. Esta herramienta funciona con teléfonos equipa-


dos con sistemas Java, BlackBerry, Windows Mobile o Nokia/Symbian. Aunque este programa no es tan preciso como los aparatos con GPS, que permite ubicarse con un metro de margen de error, permite por ejemplo dar indicaciones de rutas. Debido a que el buscador aún no brinda datos sobre las calles de Buenos Aires y otras ciudades de la Argentina, este servicio no se encuentra disponible.

Póngale GPS a su Celular ¿Qué es hipoqih? La página http://www.hipoqih.com/home_pc_es.htm permite descargar un programa que, al ser instaldo en un teléfono celular, permite ubicarlo con buena precisión. Esta aplicación es gratuita y sirve: Para que cualquiera te pueda seguir en un mapa por Internet. Para localizar a tus amigos por todo el planeta. Para llevar tu agenda geolocalizada. Para ver y grabar avisos georreferenciados Para poder des-


cargar este programa (gratuito) debe registrarse en la página mencionada. Su configuración es sencilla y realmente brinda buenos resutados. La ubicación en el mapa está en inglés (yo no pude hacerlo funcionar en español aún). En base a esto, calculo que para dentro de unos años, todas las empresas van a empezar a utilizar este sistema de rastreo GPS como una herramienta práctica. ******

I n t roducción Para finalizar con la descripción y funcionamiento de un teléfono celular, vamos a explicar cómo funciona la cámara, qué formatos se emplean y cuáles son las señales que entran en juego cuando tomamos una fotografía o filmamos un video. Por último, analizaremos el bloque de apoyo del POG encargado de establecer las comunicaciones entre periféricos y microcontrolador. El sensor de imagen de la cámara de un teléfono celular suele ser un dispositivo CDD o un componente CMOS. En los teléfonos Motorola serie A920 se emplea un sensor de tecnología CMOS Conexant que toma imágenes VGA con una resolución de 15 cuadros por Segundo. El sensor Conexant entrega una salida RGB con datos de 8 bits para cada píxel a un procesador de imágenes (backend processor) que en el diagrama en bloques de la figura 1 está representado por el integrado U7600. El procesador final U7600 recibe las señales desde el sensor en el formato RGB de Bayer y las procesa en datos comprimidos o descomprimidos YUV de 8 bits, los cuales son enviados a través del bus VODATA al procesador de aplicaciones HELEN (es un procesador secundario empleado para el tratamiento de algunas aplicaciones de los teléfonos celulares).

El Patrón RGB de Bayer Cabe aclarar que RGB ( Red, Green, Blue) es la denominación del modelo teórico que compone un color en base a la intensidad de los colores primarios, el rojo, el verde y el azul. Es un modelo de color basado en la síntesis aditiva del la luz. Este es el que usamos en photoshop y el que siguen los fabri-


Figura 1 cantes de cámaras para los patrones Bayer de los sensores. En general, la mayoría de las cámaras digitales emplean el patrón Bayer (no sólo la de los teléfonos celulares). Esto es una cuadrícula con los tres colores primarios que se disponen de forma ordenada sobre cada uno de los “píxeles o fotosites”. Esta distribución permite que el procesador seleccione e interprete qué color corresponde a cada píxel. Volviendo a nuestro diagrama en bloques, para que el procesador sepa cómo interpretar cada señal procedente del sensor, los ingenieros se basan en lo que conocemos como espectro de luz. Cada rayo de luz solar se puede dividir mediante un prisma para poder observar los colores que lo forman. Algo similiar es lo que hace el patrón bayer, es decir, en vez de dividir la luz, sólo deja pasar la del color que esté en ese fotosite, el rojo, el verde o el azul. El procesador final (backen processor - U7600) es capaz de procesar señales de datos con resolución VGA de 640x480, QVGA de 320x240, CIF de 352x288 y QCIF de 1676x144. Las funciones de control de este procesador se realizan por medio de 2 líneas o cables de interfaz serial (SSCLK y SSDA).


Los dispositivos de calificación lógica QCIF (U7602 y U7603 en la figura 2) se utilizan para las funciones de captura de video y visor de imágenes (viewfinder). Las líneas o cables VSYNC y HSYNC se encargan de proveer el sincronismo a las señales de imagen. VSYNC indica el comienzo y el fin de un cuadro de video mientras que HSYNC señaliza el comienzo de una línea de imagen. VODATA envía datos de procesamiento de imagen de 8 bits en formato YUV 4: 2: 2 hacia el procesador Helen. La línea VODATA3 es compartida por la cámara y los dispositivos de conexión infrarroja (IrDA). Por motivos de hardware, la cámara y los dispositivos IrDA no se pueden usar al mismo tiempo. Por tal motivo se emplea la línea IRDA_SHUTDOWN para habilitar VODATA3 durante la operación de la cámara. La línea CAM_ROT_DETECT se emplea para indicar la posición de rotación del sensor de imagen. Un imán integrado en el sensor CONEXANT habilita a un interruptor de efecto Hall que causa un cambio en el estado de CAM_ROT_DETECT, con lo cual el procesador secundario Helen responderá realizando una inversión horizontal de la imagen. La imagen que recibe el procesador Helen pasa por un proceso DSP donde la señal YUV 4:2:2 se convierte en una señal 4: 2: 0. Para exhibir la ima-

Figura 2


Figura 3

gen en el display del celular, la señal YUV 4: 2: 0 pasa por un estado de procesamiento posterior DSP para convertirla en una señal RGB, luego la señal RGB pasa por un amplificador de video para ser aplicada al display. Cuando se desean almacenar fotos (imágenes inmóviles) se realiza el paso de formato YUV 4: 2: 0 a codificación JPEG y posteriormente se almacena el dato en el sector seleccionado (memoria flash, SD, MMC, etc.). Cuando se toman señales de video, la señal YUV 4: 2: 0 se codifica en formato MPEG4 H.263 y luego se transfieren al sector de almacenamiento seleccionado por el usuario, aunque también se puede enviar como transmisión de datos en tiempo real.

Helen: El Procesador de Apoyo Helen es un microprocesdor dual core (de dos cabezas o corazones) que incorpora las características de alta permormances de arquitectura TI925T MPU y TI TMS320C55x DS. En general podríamos decir que provee conexión entre el móvil y los diferentes accesorios. En otra palabra, es quien “maneja los puertos de


conexión” del celular con el exterior. Damos, a continuación, la descripción de los”corazones” y circuitos de apoyo que se emplean en este diseño (figura 3). ·Flash I/ F, SDRAM I/ F. interfaz para memorias FLASH y SDRAM. ·Keypad interfaz. Interfaz para teclado. ·LCD I/ F - Display Interfaz. interfaz para display. ·UART3 - IrDA interfaz. interfaz para puerto infrarrojo. ·MMC interfaz. Interfaz MMC. ·GPIO - For A/ Ds. Apoyo para conversores analógico-digitales. ·Secondary SPI - PCAP interfaz. Interfaz para circuitos de audio y fuentes. ·Bluetooth interfaz. interfaz para Bluetooth. ·Camera IF - Backend Pixel Processor interfaz. interfaz para procesador de imágenes. .I2C - Inter- Integrated Circuit Master and Slave interfaz. interfaz para conexión I2C. ·IPCL - Inter- Processor Communications Link for Helen to POG interfaz. interfaz para permitir la conexión de este procesador “core duo” con el procesador principal del teléfono, el POG.

Se trata de un dispositivo de muy bajo consumo (ULPD - Ultralow- Power Device), con un hilo (cable) de conexión con la mameria (1 wire Communication for Battery EPROM) que utiliza protocolo USB por medio de un tranceptor de señales USB como procesador cliente (PCAP’s USB transceiver). Posee una interfaz RS232 (UART1 - RS232 interfaz to CE bus), un bus serial para sistemas de audio estereo (McBSP1 - Multichannel Buffered Serial Port (VSAP)

for the PCAP stereo audio interfaz) y un bus serial para comunicaciones de audio a través de Bluetooth (McBSP2 - Multichannel Buffered Serial Port (ASAP) for the PCAP and Bluetooth audio interfaz). En las figuras 4 y 5 se puede apreciar el diagrama en bloques que representa la ubicación de este procesador Helen en el celular y su circuito de operación. *************** Figura 4


Figura 5


Telefonos celulares

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