Leccion 14 Audio

Cuaderno del Técnico Reparador

Cómo Funcionan los Teléfonos Celulares

El Sistema de Audio de un Teléfono Celular El sistema de audio de un teléfono celular es, quizá, una de las etapas que más diferencias puede 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. En esta nota veremos cómo se realiza la “transmisión y recepción” de audio en un microteléfono tomando como base el sistema 920 de Motorola, tal como venimos haciendo en este “curso” sobre funcionamiento de teléfonos celulares. Preparado por: Ingeniero Horacio Daniel Vallejo e-mail: [email protected] Introducción 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 digi-

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tal-analógico de 16 bit 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 encaminada 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 del teléfono

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Figura 1

(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

Figura 2

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El Sistema de Audio de un Teléfono Celular 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 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 interrumpción del PCAP que es enviado a 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 apro-

piada, 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 opracional 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

Figura 3

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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

Cuaderno del Técnico Reparador 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.

Figura 4

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 conmutación integrado en el conector de auricula-

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El Sistema de Audio de un Teléfono Celular Figura 5

res 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 bit, con codificación PCM. Las señales digitales de audio resultantes son transferidas al POG DSP a través de una interfase serial de 4 hilos (ASAP).

Etapa de Audio de Potencia & PCAP En la figura 5 se puede apreciar el diagrama en bloques de la

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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 RS-232/USB · Control de luz de fondo · Control de encendido de Leds · Realiza el multiplexado de entradas para monitoreo de tensiones y temperatura.

Cuaderno del Técnico Reparador · Control dual de interfase SPI para permitir al acceso de dos procesadores de banda de base independientes · Posee un conversor DA Estéreo · Realiza el control de protección de sobretensión

Figura 6

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.

Procesador de Banda Base El POG (procesador de banda de base) integra un Microcontrolador de Comunicaciones (MCU) 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 periférico asociados y coprocesadores. A continuación brindaremos una breve descripción de los corazones 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:

·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

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El Sistema de Audio de un Teléfono Celular Figura 7

procesador 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.

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·ASAP: interfase para PCAP y bluetooth de audio. ·Serial BBIF (interfase de Banda de base): Transporte de datos GSM. ·MQSPI2 (interfase periférica serial): Realiza el control de señales GSM. ·EL1T2 (temporizador): Tem-

Cuaderno del Técnico Reparador Figura 8

porizador de acontecimientos GSM. ·CKIH: Reloj GSM de 13MHz. Además del sistema de memo-

ria 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 corre a 42-45MHz.

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El Sistema de Audio de un Teléfono Celular Figura 9

Glosario de Términos A modo de complemento, daremos la definición de algunos términos muy utilizados, referentes a los sistemas de telefonía celular:

basado en una norma ampliamente aceptada. El sistema GSM funciona normalmente en las bandas de frecuencia de 900MHz, 1800MHz y 1900 MHz. Sistema GPS: Sistema de localización y seguimiento de GSP.

Sistema de Localización de Transmisores (TLS): Sistema para geolocalización de fuentes generadoras de interferencia radioeléctrica.

Sistemas SMS: System Short Message, Sistema de mensajes cortos, sistema gracias al cual se envían mensajes alfanuméricos.

Sistema Global de Comunicaciones Móviles (GSM): Global System for Mobile Communication. Sistema global para comunicaciones móviles. Sistema digital para las comunicaciones móviles

Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (UMTS): Sistema europeo de comunicaciones móviles de tercera generación basado en tecnología WCDMA y normalizado por el ETSI. Además

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de voz y datos, el sistema UMTS permite la transmisión de audio y vídeo a dispositivos inalámbricos. Telefonía GSM900: La idea detrás de GSM era la de diseñar un estándar digital capaz de proveer mayor capacidad, seguridad, claridad y servicios que lo que era posible utilizando tecnología análoga convencional. Telefonía GSM1800, PCS (Personal Communication Systems): Sistemas de Comunicación Personal, es un nombre dado a los sistemas inalámbricos que están empezando a operar en la banda de los 1800MHz. ✪