摘 要： 针对数字集群通信系统业务多样性的需求，对原有产品进行了升级，设计了一种数字集群智能手机设备。首先，手机基带单元以OMAP3530处理器为核心，可加载开放的操作系统；其次，对射频单元的接收通路与发射通路进行优化设计，论述了接收灵敏度和发射功率两个关键指标。实验表明硬件平台的处理能力获得大幅提升，同时，射频性能得到优化，使手机业务功能的扩展成为可能。
关键词： OMAP3530； 宽带业务； 接收灵敏度； 发射增益
中图分类号： TN713⁃34； TP311 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）13⁃0080⁃04
Design of digital trunking smartphone hardware
NIU Jin⁃hang， LIU Yu⁃bao， WU Guo⁃qiao
（North China Institute of Computing Technology， Beijing 100083， China）
Abstract： According to the diverse demands of digital trunking communication system services， the original product is upgraded and a digital trunking smartphone is designed. Firstly， the phone baseband unit which can load open operating system is designed based on OMAP3530. Secondly， both the receiving channel and transmit path of RF unit gain optimal design and two key indicators of the receiving sensitivity and transmit power are dissertated. Results show that the processing capacity of hardware platform gets improved significantly and RF performance is optimized， so the extension of mobile phone function becomes possible.
Keywords： OMAP3530； broadband service； receiving sensitivity； transmitting gain
0 引 言
随着数字集群通信系统向宽带化发展，集群宽带业务实现成为可能，如视频监控、可视电话、地理信息获取等，这就要求数字集群终端由简单功能型向智能型转变[1]。目前使用的数字集群手机处理器性能较低，业务以话音、短信为主，手机系统封闭，用户不能自行定制应用，已经越来越不能满足用户的需求。
本文对原有产品进行了改进，基于TI公司高性能双核架构处理器OMAP3530（ARM+DSP）设计了一种数字集群智能手机，设备硬件资源充足，操作系统开放，能够满足数字集群通信宽带业务的扩展性需求。另外，基于手持设备小型化、低功耗、低成本的考虑，手机射频收发通路选用集成度高的低功耗器件实现信号的上下变频及滤波处理，通过在OMAP3530内编程灵活控制射频前端，完成频率变换、功率控制等功能。
1 硬件平台总体架构
数字集群智能手机采用模块化设计，整机由天馈单元、射频处理单元、基带处理单元、人机交互单元、保密单元、SIM卡单元及电源七部分组成。数字集群手机的硬件架构如图1所示。
图1 数字集群智能手机硬件总体架构图
对手机各组成单元功能简单说明如下：
（1）天馈单元由收发切换和天线组成，收发切换实现收发共用一根天线。
（2）射频处理单元负责射频信号的发射和接收，由发射通路和接收通路组成。
（3）基带处理单元由基带信号处理模块和协议处理与系统应用模块组成。其中，基带信号处理模块负责完成音频信号处理、空口信号处理和射频处理单元控制；协议处理与系统应用模块负责完成数字集群空中接口数据的协议栈和信令处理以及与人机交互单元的数据通信。
（4）人机交互单元提供人机操作界面，为手机提供输入与输出接口，含耳机、麦克、显示屏和键盘等部件。
（5）保密单元根据专业用户需求，存储及更新通信密钥，对发射数据进行加密处理，对接收数据进行解密处理。
（6）SIM卡单元用于存储用户身份鉴权信息及网络信息。
（7）电源包括手机电池及充电电路，保证手机的续航时间。
2 核心单元硬件设计
以上简单介绍了数字集群智能手机的整体架构方案，其中，以基带处理单元和射频处理单元设计最有难度，下面针对这两部分进行阐述。
2.1 基带处理单元硬件设计
基带处理单元由基带信号处理模块和协议处理与系统应用模块组成。实现结构如图2所示。基带信号处理模块和协议处理与系统应用模块在TI公司的双核处理器OMAP3530上实现。其中，基带信号处理模块对应OMAP3530的DSP核，A/D，D/A和其他外围电路，协议处理与系统应用模块对应ARM核及其外围接口[2⁃3]。
OMAP3530芯片集成了600 MHz 主频ARM CortexTM⁃A8 内核、430 MHz DSP TMS320C64x+内核、图形引擎和视频加速器。其采用低工作电压，低功耗方式，配合电源管理芯片达到更佳的节电效果，非常适合手持通信设备，并且外设接口丰富，易于扩展[4]。
图2 基带处理单元实现框图
TPS65930芯片是针对OMAP系列设计的智能电源管理芯片，并集成了音频的模/数转换、通道切换和键盘管理等。在减少所需电路板空间的同时，能有效地管理系统电源及降低OMAP3530 处理器所需功耗[5]。在电路设计时，使用OMAP3530 的第一个 I2C与TPS65930通信，以实现对TPS65930的参数设置和电源工作模式控制；使用OMAP3530的第四个I2C与TPS65930通信，以智能映像（Smart Reflex）技术来实现动态功率切换，并能根据芯片处理和温度变化动态调整电压，以最大限度的降低功耗[6]。
A/D电路选用AD9874，其功能框图如图3所示[8]，内部集成了AGC电路、模拟下变频、带通ADC、抽取滤波、成帧输出等功能，可以大大减轻DSP的工作量，另外，DSP通过输出的基带成帧数据中RSSI字段检测AD9874输入模拟信号的电平大小，可以与片内AGC电路、接收通路射频前端共同完成手机的功率控制，节约整机功耗。结合接收通路设计及数字中频信号处理算法，设定AD9874工作参数如下：第一中频为45 MHz（模拟器件混频）；第二中频为1.92 MHz（AD9874内混频）；时钟参考选值为19.2 MHz；ADC工作时钟[fCLK]为15.36 MSPS；ADC的采样精度选用24 b；抽取滤波器的抽取参数选定240；基带信号输出[fCLKOUT][7]为64 KSPS。
图3 AD9874芯片功能图
D/A转换器选用TI公司的TLV5638双路输出的12位串行D/A，其最大串行时钟为20 MHz，数据格式为16 b，含12 b数据位和4 b控制位。本设计中基带输出数据速率为128 Kb/s，所以串行输出时钟采用2.048 MHz。另外，D/A参考电压选用2.048 V。
MCP芯片为K5D1257DCA⁃D090，片上集成了512 MB NAND FLASH和256 MB Mobile SDRAM，用于手机操作系统和应用程序的存储、运行等。外设接口有SD卡接口、USB接口和工程测试接口。
2.2 射频处理单元硬件设计
2.2.1 接收通路设计
射频接收通路完成射频信号接收，与AD9874芯片中模拟功能模块组成超外差接收机体制。如图4所示，接收机前端由预选滤波器、低噪声放大器、镜像抑制滤波器、混频器、频率合成器、中频滤波器组成，一中频的放大器和二中频的混频器、二中频的频率合成器都集成在中频数字化芯片AD9874中。其中，预选滤波器用于抑制接收机通带外信号的影响。低噪声放大器是为了降低接收机的噪声系数，提高接收机灵敏度，选型为RFMD公司的SPF⁃5043Z。镜频抑制滤波器主要抑制镜像频率处的大干扰信号进入混频器。中频滤波器进行信道化滤波，抑制混频后的各阶组合分量和信道外干扰。接收信号经过混频器（选用AD公司的ADL5350）下变频后得到第一中频模拟信号，然后输入至AD9874进行二次混频，混频之后送入AD9874内的ADC模块进行模/数变换。
图4 接收通路基本组成
接收前端的核心器件就是频率合成器，其中，锁相环芯片选用AD公司的低功耗分数锁相环ADF4157[8]。此芯片专为手持终端而设计，集成度高，一致性好，具有低功耗、小体积、低相噪的优点。其内部集成一个小数[N]分频的频率合成器，具有25 b固定模数，在6 GHz实现亚赫兹频率分辨率。芯片在3 V供电下总电流为23 mA，归一化噪声基底为-211 dBc/Hz。
接收通路的接收灵敏度指标要求信号强度不大于-116 dBm，由DSP内解调算法推知基带信号解调信噪比应不低于5.5 dB，考虑到数字量化误差等影响，保留1.5 dB余量[9]，即选用解调信噪比为7 dB作为预算。
根据理想接收机的灵敏度计算公式[10]：
[Pin min=-174+NF+10lgB+SNRout min]
已知MDS≤-116 dBm，即：
[-174+NF+10lg25+7-116]
则NF≤7 dB，即接收机灵敏度要达到-116 dBm，接收通路噪声系数必须要不大于7 dB。
接收机噪声系数的预算表见表1，根据多级线性网络级联的噪声系数计算公式[10]：
[F=F1+（F2-1）G1+（F3-1）G1*G2+…]
可知整机的噪声系数为5.8 dB，小于7 dB。所以，接收灵敏度满足指标要求，可以达到-116 dBm。
2.2.2 发射通路设计
射频发射通路采用直接正交上变频结构，基本组成如图5所示，由IQ低通滤波器、OP放大器、IQ调制器、数控衰减器、射频推动放大器、功率放大器、低通滤波器组成。其信号流程为：由OMAP3530内部的DSP产生的I、Q两路正交数字基带信号，经过双通道TLV5638转换变为模拟I/Q信号。模拟I/Q信号分别通过脉冲成形和抗码间干扰升余弦根低通滤波器后送入正交上变频器 AD8345，分别与正交的本振信号相混频后作代数和运算，抵消了无用边带。然后直接调制到射频载波上并送入后级射频前端，最终通过天线发射出去。
其中，IQ低通滤波器为LC低通滤波器，自行搭建完成。OP放大器选型为AD8137，其为低成本，低功耗差分输出运算放大器，5 V供电静态电流为2.6 mA。IQ调制器采用AD公司生产的AD8345正交调制芯片，其工作频率为140～1 000 MHz，具有0.2 dB的幅度平衡度和0.5 dB的相位平衡度，性能优秀。射频驱动选用东芝公司2SK3077和三菱公司的RD01MUS2串联推动，末级功放选用三菱公司的RD07MUS2B芯片，射频驱动和功放具有高效率特性，在饱和功率下效率可以达到60%以上。
表1 接收机噪声系数的预算表
[器件名称＼&噪声
系数＼&器件
增益＼&链路
增益＼&链路噪声
系数＼&收发开关
限幅器
预选滤波器
低噪放
镜像抑制滤波器
第一中频混频器
第一中频滤波器
＼&0.4
0.2
1.2
0.5
3
6.5
3.5
＼&-0.4
-0.2
-1.2
21
-3
-6.8
-3.5
＼&-0.4
-0.6
-1.8
19.2
16.2
9.4
5.9
＼&0.4
0.6
1.8
2.3
2.3
3.5
3.8
＼&第一中频放大器及
二中频混频器＼&8.1＼&16＼&21.9＼&5.8＼&]
图5 发射通路基本组成
为了节约成本，本设计中发射通路与接收通路共用频率合成器，通过基带单元控制收发切换。发射通路中的本振相位噪声与锁频时长仿真结果分别如图6和图7所示。
图6 本振相位噪声仿真曲线图
系统本振相位噪声要求优于-80 dBc/Hz@1 kHz和 -90 dBc/Hz@10 kHz，锁频时长要求小于0.5 ms，由发射通路仿真图可见设计完全满足要求。
发射机最大输出功率要求不小于3 W（即34.8 dBm）。因为低通滤波器及射频开关的输入插损约为1.2 dB，所以末级功放输出功率应该大于36 dBm。如图5所示，IQ调制器输出功率为-10 dBm，数控衰减器增益为-3 dB，射频驱动放大器增益为30 dB，功放增益为22 dB，低通滤波器增益为-2 dB。由发射增益来预算最终输出功率（单位：dBm）为：
[（-10）+（-3）+30+22+（-2）=37]
由于末级功放管RD07MUS2B的[P-1]值（1 dB压缩点）为38.5 dBm，所以最终输出功率约为37 dBm。指标要求是36 dBm，那么功率余量为1 dB，满足发射功率要求。
图7 锁频时长仿真曲线图
3 实 现
硬件平台具体实现中重点考虑了如下问题：
（1）处理器外设资源的合理配置
OMAP3530外围接口丰富，含多路UART、SPI、McBSP、I2C接口等，存在很多管脚复用的情况，在实现时，规划好外部器件接口关系，根据信号匹配和端口驱动能力，优先采用端口基本功能，再次考虑端口的第二、第三功能。利用空余端口做冗余设计，使某些功能的实现有一定的自由度[3]。
（2）系统电磁兼容性设计
手机终端PCB涉及到高速数字电路与模拟高频电路，要充分考虑抗干扰措施。实现时，基带单元与射频单元分开布板，基带板（手机主板）采用去耦电容、滤波设计、接地与隔离设计，射频板加屏蔽罩，两者分别供电。电源转换选用DC/DC与线性电源器件相结合的方式，既保证了锂电池的转换效率，降低功耗，又防止了纹波干扰，提高了设备稳定性。
目前，手机硬件平台已经全部完成，正在进行产品的结构与工艺优化。在实验验证中，同样的调制算法，在之前产品OMAP5912处理器中占用DSP核23%的资源，在OMAP3530硬件平台上仅占用5%左右。同时，ARM核既可以运行Linux 2.6.32内核加MiniGUI人机交互界面，也可以流畅运行Android 2.3操作系统，系统开放性的优势非常突出。另外，射频通路实测接收灵敏度为-117 dBm，发射功率最大为35.7 dBm，其他性能指标也符合要求，同时体积和功耗得到了改善。
4 结 语
本文设计的数字集群智能手机是在原有OMAP5912平台产品上的升级改进。基带处理平台的硬件资源得到了很大提升，可以运行最新的开放式操作系统，射频收发通路重新设计，选用了一些新的元器件，使整机性能指标更优，功耗更低。基于OMAP3530的智能手机外围接口丰富，系统灵活性高，扩展性好，支持二次开发，这就为宽带数字集群业务多样化提供了可能。将来，随着数字集群通信系统向宽带化转变，这款产品一定会有广阔的市场前景。
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