GSM手机音频设计和测试

1、第34卷第6期河北工业大学学报2005年12月V ol.34No.6JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY December2005文章编号:1007-2373(200506-0051-06GSM手机音频设计和测试孙江胜,韩月秋(北京理工大学信息科学技术学院,北京100081摘要:详细叙述了终端的音频指标要求和测试调试方法,之后基于Infineon平台的一个实际项目中,论述了如何测试和配置控制数据全过程,使读者能够全面了解GSM手机音频方面的技术标准和电路调试过程.关键词:移动通信;音频处理;手机中图分类号:TN929.53文献标识码:AGSM Ha

2、ndset Audio Design and TestSUN Jiang-sheng,HAN Yue-qiu(School of Information Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,ChinaAbstract:The theme particular present acoustics requirements of terminal device and relative test methods.For the more,based on a project with Infino

3、en platform,provide the detail process of testing and configuring the audio control data,letthe reader fully understand the audio criterion of GSM handset and the course to realization.Key words:mobile communication;acoustic;handset随着手机基带IC集成度和性能的提高,手机音频电路设计的难点主要集中在测试与如何满足达到GSM规范和通过CTA的产品认证测试.由于这部分测

4、试涉及DSP控制技术、音频测试标准、音频测试环境、产品的物理结构、电路设计环境等方面的因素,因此需要采用综合方法和实验手段来完成.1GSM音频标准与测试方式GSM标准的终端音频规范1,明确规定了从终端的音频测试设备、测试的过程和测试项目这3方面内容,其目的是确保终端产品话音的传输质量和再现过程,具体测试项目包含如下几个方面:1呼叫建立和结束过程中语音信道建立(包括MT,MO,Network to MS,Call Hold等;2在RF收发环路工作状态的音频指标;3终端单方向发射状态下,网络射频接收调制获得的音频指标;4终端单方向接收状态下,网络标准音频发送信号在终端中获得的音频接收指标;5EFR

5、 Signal(增强型全速率语音编码方式下,手机环路工作状态的音频指标;6多方通话状态下,终端多时隙工作状态下的音频指标测试.在GSM标准中,所有测试项目均依据TMDA系统的无线通讯协议,规范并要求终端在各种协议规范的工作条件下,达到音频传递标准,从而保证整个GSM系统的完整性和性能的兼容性.这方面的测试是整个GSM协议栈测试验证的一个部分,由GSM终端芯片的平台方案提供商完成这部分的测试和调试,而各个平台厂家的测试方案也各不相同,因此这里仅就Infinoen一种平台方案的实现过程举例说明.图1为Infinoen公司基带IC支持音频输入/输出和针对GSM规范测试方面接口设计,其中DAI(Dig

6、ital Audio Interface在系统中是专门设计用于支持GSM标准协议认证所需要的音频控制和输入/输出接口.根据实际采用的实验设备,可以有多种不同的技术实现方式,图2给出了采用UR16设备建立的测试实验环境.收稿日期:2005-06-11作者简介:孙江胜(1968-,男(汉族,博士生.52河北工业大学学报第34卷2CTA 测试规范与GSM 标准要求的测试内容不同,CTA 中的音频测试主要从电话产品所要达到声音质量和音频传导特性角度出发.因此,CTA 测试内容要简化一些,对产品的特性指标测试与用户的实际使用感受更贴近一些,国内的GSM 终端产品主要采用CTA 标准2作为产品音频指标上所

7、要达到的指标,一般性的音频指标3主要有如下的内容.2.1发送灵敏度/频率响应(Sending sensitivity/frequency response 发送灵敏度/频率响应指标是输入测试音频率的函数,是指输出电平与输入声压(人工嘴处之比.2.2发送响度评定值(Sending loudness rating 发送响度评定值(SLR 是一种基于客观单音频测试的表示发送频率响应的方法.这种测试表征收听者对话音信号的感受情况,是终端测试过程中一个十分重要的测试指标.2.3接收灵敏度/频率响应(Receiving sensitivity/frequency response 接收灵敏度/频率响应指标

8、是输入测试音的函数,用dB 表示,是指输出声压(仿真耳中的与输入电平(以DAI 处PCM 比特流代表之比.2.4接收响度评定值(Receiving loudness rating 接收响度评定值(RLR 是一种基于客观单音测试的表示接收频率响应的方法,这种测试表征收听者对话音信号的感受情况,同SLR 指标一样,也是终端测试过程中一个十分重要的测试指标.2.5侧音掩蔽评定值(Side Tone Masking Rating 侧音响度评定值(STMR 是基于客观单音的测试,表示仿真嘴至仿真耳间的通路损耗,这种测试表征说话者说话时对他本人话音的感受(说话者侧音,由侧音掩蔽评定值-STMR 表示,或收

9、听者对从麦克风收到的背景噪声的感受(收听者侧音评定值-LSTR .2.6稳定度储备(Stability margin 收发稳定度储备是指为防治产生振荡而在基准话音编译码器的来去通路间插入的增益的度量.2.7发送失真(Distortion Sending 发送失真是发射信号与总失真之比,是对发射机设备线性度的量度.3终端的音频设计设计手机音频部分关键在于选择和计算音频通路上的各种参数,使之配合达到标准的要求.下面就Infineon 公司的手机平台方案作为一个实例,讲述整个电路构成和设计,及内部匹配的音频处理数字滤波器的原理和参数计算方式.图1基带IC 音频输入/输出及DAI 测试接口Fig.1A

10、udio in/out and DAI test ports in Baseband IC图2规范测试的搭建Fig.2Test environment for specification testEarpieceRingerCar KitDigital Audio InterfaceDSP PartV oice codingViterbi FilterV oice encodingDACADCDAI 受话输出受话输出话音输入Artifical mouthScale_inScale_outPhoneA r t i f i c i a l e a r53孙江胜,等:GSM 手机音频设计和测试第6期

11、3.1手机中基带IC 音频电路模型在Infineon 平台中,基带IC 提供了双路差分的语音信号输出和语音接收电路,除支持免提功能的手机需要外加音频功放外,基带IC 片内的音频输出电路完全能够提供普通手机送话器需要的信号功率.如图3所示,设计者可以通过灵活的参数设置,支持多种类型的送话器.因此设计工作关键是计算确定各放大器参数、并实际调试达到技术标准的要求.3.2各级模拟与数字音频信号放大控制与Biquad 滤波器的设计在IC 的收发音频电路中,通过软件设定控制寄存器设置图3中各级放大器的参数,来达到手机听筒音量的调整和音频指标.其中,收发通路上的Biquad 滤波器采用无限脉冲响应数字滤波器

12、来计算实现音频信号发送接收频响,如图4所示.其传输函数为:(设输入为:;输出为:,就有=12212º¯Êý±íʾ£¬ÆäÖÐ =1+2121+2.(2从到的传输函数为 +2121+2 ,21,. 4产品音频性能测试4.1发送频率响应的参数设置与调整按照图2准备好产品与实际的测试环境,调整发送频率响应到表1规定的范围内.图3基带IC 支持的语音通道Fig.3Voice channel in Baseband IC片外模拟电路部分数字电路部分VGTXVG1R

13、XVG2RXADCDACM U XScal_InScal_Out Scal_MicScal_RecBiquad-In #1Biquad-In #2Biquad-Out #2Biquad-Out #1Tone Generation#1DAI-InterfaceTone Generation#2T one Generation#3Speech _MixT o n e _M i xG a i n _O u tS i d e _T o n eV o i c e b a n d D a t a B u f f图4Biquad 滤波器的算法结构Fig.4The algorithm of Biquad fi

14、lterInputT1a02*a1a2Truncation to16bit2*b1b2OutputT154河北工业大学学报第34卷以紧急呼叫的方式(呼叫112在手机与CMU200综测仪之间建立通话的连接,并设置上行发送信道的放大器为0dB (Scale_In =0x7FFF ,保持Mic 的增益放大器一定的能量输出(设置Scale_Mic =0x2FFE ,最小时设置为0x4000,在这种情况下,将在Matlab 中计算出来的Biquad 滤波器系数分别设置入(Biquad_In #1和(Biquad_In #2之中,验证产品在表1规定的音频频率点发送响度是否在规范的要求之内.实验证明了理论计

15、算的系数在实际的测试中能有很好的匹配效果.最后,用1K 间隔的扫频方式来再次对比验证产品的发送频响情况,实验结果如图5所示,作为对比,图5a 为设置(Biquad_In #1和(Biquad_In #2为直通情况下的发送频率响应,图5b 是设置计算系数后的发送频率响应,可以看出图5b 的产品指标完全在规范要求之内.4.2调整确定发送响度评定值根据GSM 规范的要求,规定了上行音频发送信道在信号能量值方面需要达到的范围: = =6.5dB ,已 经在SLR 要求的范围内,为达到较好的信号偏差和容余,继续调整数字放大器的放大值使之继续降低1.5dB .通过计算,需要数字放大器减小1.2倍,因此计算

16、获得的设置数据为Scale_Mic =0x4000/1.2=0x3555.3设置=30dB ,保持Scale_In =0x4000(直通值,设置Scale_Mic =00x3555,在不同的频率下测试此时的1220003000620004634004 55孙江胜,等:GSM 手机音频设计和测试第6期接收频率响应的参数调整是手机产品中音频测试过程最容易发生问题的一项测试,从原理上产品参数的调整和计算方式与发送频率响应基本一样,调整的主要目标是针对Biquad 滤波器系数(Biquad_Out #1和(Biquad_Out #2,初步参数来源可以通过Matlab 计算,需要注意的是不同的产品由于使

17、用的Receiver 不同,需要采用不同的耳型(Type1和Type3.2两种耳型来测试和调试,这两种耳型在参数调整和响应曲线上会有比较大的不同.耳型的选择对于具体的测试来说非常 重要,一般说来,所采用的Receiver 会有两种不同类别的频率特性,一种是直线型频响的,这种Receiver 的频率特性曲线本身就是比较类似于GSM1110规范中的频率响应范围,所以这种频率特性的Receiver 就比较适合于无泄漏的耳型,也就是比较适合其频响特性完全的直接的无泄漏的Type1耳型来测试.另外还有一种新型Receiver ,本身具有一定的频率响应特性,低频响应比较好,高频的抑制特性较好,因为这种Re

18、ceiver 的频率特性是前高后低,所以比较适合Type3.2低泄漏型的耳型,因为Type3.2低泄漏型的耳型的特点是“Leak ”(泄漏,而泄漏一般是低频部分的泄漏比较明显,正因为其低频部分的响应比较好,所以就刚好适合被泄漏掉一部分,进而再结合Biquad 数字滤波器的调整来达到一个整体的平衡.4.4调整内部参数,达到接收响度评定值GSM 规范规定了下行音频发送信道在信号能量值方面需要达到的范围:RLR =2±3dB .同样的,需要最大限度的使用模拟放大器部分的增益,最小限度的使用数字放大器的增益;在实际产品测试中,使用EPN1的Reicver 信道,因此首先将模拟前端VG1RX

19、放大器的增益设置成最大;然后再调节后端数字增益放大器Scale_Out ,Scale_Rec ,使得信号增益落在标准范围之内.这样做的目的是最大限度的保证信号传递的质量.下面是实验中具体设置及测试数据的步骤:1设置VG1RX =0dB (最大值,Scale_Out =Scale_Rec =0x4000(直通值;测试此时的RLR =12(低2挡.2设置VGTX =12dB ,保持Scale_Out =Scale_Rec =0x4000(直通值;测试此时的SLR =1220003002520000534002µÄÉÏÏÞÖ

20、81;Ϊ2dB(300Hz /30056 河 北 工 业 大 学 学 报 第 34 卷 较，综合反映出系统信号-噪声及失真比 SINAD（Signal to Noise and Distortion Ratio） ，在测试中，不断增加人工 嘴的音量直到音频分析仪接收到的信号能量达到 10 dBm， 此时从人工嘴中发送出的音量电平就是声响参考 电平 ARL（Acoustic Reference Level） ；在人工嘴的音量 变化导致 ARL 在 35 +10 dBm 的变化范围，GSM 标 准容许的 SINAD 最小的比率如表 3 所规定 首先，我们认为测试的环境为绝对安

21、静，不会增加 附加的干扰；如果测试得到的 SINDA 值十分接近指标 的要求，只有 1 2 dB 的差距，这里提供的解决方法是： 减少上行信道的增益 2 3 dBm，虽然这样会影响 SLR 的指标，但仍然在标准的范围内，同时增强人工嘴的信 号输出 2 3 dBm；这样将有助于提供足够的余量保证 SINDA 值达到上表要求 表3 对比 ARL 值容许的最小 SINDA 比值 SINDA rating Tab. 3 Compared ARL, minimal permitted 信号 噪声及 失真比率 SINAD / dB 17.5 22.5 30.7 33.3 33.7 31.7 25.5 对应

22、的 ARL 值 / dB 35 30 20 10 0 7 10 另一种情况是，在某些 ARL 对应的值上无法达到标准要求，就需要具体情况具体分析：如果测试 在 ARL 比较低的信号情况时，可以通过测试，比较高时则测试无法达到标准，则这种情况很有可能是 由于信号失真产生的；理论上，上行信道的放大倍数越大，则信号失真产生的噪音分量就越大，一种比 较比较典型的造成上行信道失真的原因是波峰削顶，因此仔细检查上行信道各个放大器参数的设置，防 止波峰削顶的现象发生就可以解决这个问题 如果无法达标的情况反过来，在 ARL 比较高的信号情况下可以通过测试，而低时则无法达标，这 种情况将不是由于信号失真产生，极有可能的是在电路中，有噪声产生或直接的电路噪声窜扰造成，这 种情况分析起来将相当复杂唯一的办法是从电路的设计中寻找原因，特别是 MIC 附近的线路是否受 到干扰，假设 MIC 的信号输出为 10 mV，则只要 1.34 mV 的窜扰产生，就完全可以导致测试失败 4.7 检查稳定度储备指标 本项指标是测试手机的 MIC 与受话器之间产生自激的情况，通常