Timer
Kartenleser
Stromversorgung
Wandler
Digitaler Signalprozessor
Mikroprozessor
Special IC ASIC

Was ist in einem GSM Telefon?

Gegenüber den Mobilfunkgeräten der ersten Generation wie z.B. C-Netz war ein GSM-Mobiltelefon deutlich komplexer. Bislang war das Senden und Empfangen analog und bedurfte nur wenig Überwachung. Mit der digitale Übertragung muss man permanent umfangreiche digitale Operationen durchführen. Es bedarf also spezieller digitaler Technik und eines Digitalen Signalprozessors. 

Die obige Abbildung zeigt wie ein „einfaches“ GSM Telefon Anfang der neunziger Jahre aufgebaut war.

Referenzoszillator

Ein Kernelement des Mobiltelefons ist der Referenzoszillator. Dieser läuft aus bestimmten Gründen genau auf 26 MHz. Die Anforderungen an die FrequenzGgenauigkeit sind enorm hoch. Der Oszillator muss genau auf die Frequenz einer Basisstation abgestimmt werden um die digitale Daten empfangen zu können. Hierfür wurden wie besprochen spezielle frequency correction bursts definiert.

Der Oszillator muss somit spannungsgesteuert  sein (VCO = Voltage Controlled Oscillator). Die Korrekturspannung erzeugt man üblicherweise durch einen kleinen Digital Analog Wandler welcher von dem Controller des Mobiltelefons gesteuert wird.

Wie in vorherigen Kapiteln beschrieben ist ein Kristalloszillator zwar sehr stabil aber noch temperaturabhängig. Aus diesem Grunde wurde auch die Temperatur des Oszillators geregelt. Man nennt solche Oszillatoren TC-VCXO, Temperature Compensated Voltage Controlled Chrystal Oscillator.

Der Referenzoszillator bildet den Grundtakt für alle anderen Einheiten, speziell auch dem Frequenzsynthesizer welcher die Frequenzen für den Sender und Empfänger erzeugt.

Timer

Ein TDMA-System wie GSM hat komplexe Zeitabläufe, welche genau eingestellt werden müssen. Die genauen Zeitpunkte müssen erzeugt werden wann z.B. die Analog/Digital Wandler beginnen einen Zeitschlitz für das Senden zu erzeugen bzw. wann sie genau beginnen die Eingangsdaten eines Zeitschlitzes abzutasten. Noch bevor diese Zeitpunkte eintreten muss man Sender bzw. Empfänger einschalten, damit sie bei Beginn der Abtastung stabil laufen. Somit benötigt man einen spezieller Baustein, in dem eine Vielzahl von Zählern programmiert und betreiben werden können. Diesen Baustein nennt man den Timer.

Kartenleser

Zum Lesen und Schreiben der SIM-Karte war anfangs ein eigener Baustein nötig der oft sogar einen eigenen Microprozessor beinhaltete. Er steuerte alle Abläufe im Zusammenhang mit der SIM-Karte inclusive dessen Stromversorgung. Die Ansteuerung einer solchen Karte hat sehr strenge Vorgaben. Ein solcher Kartenleser muss etwa auch in der Lage sein ein Ziehen der SIM-Karte zu erkennen und darauf zu reagieren. Es war vorgeschrieben, dass wenn eine SIM-Karte gezogen wird, das Mobiltelefon sofort seinen Funkbetrieb einstellt.

Stromversorgung

Eine Stromversorgung hat mehrere Aufgaben. Zunächst überwacht sie die Spannung des Akku. Sie ist auch für das Laden des Akkus zuständig und überwacht die Akkuspannung während des Betriebs, um einen sicheren Betrieb des Mobiltelefons zu gewährleisten. Ist die Spannung zu niedrig gibt sie eine Warnung den Betrieb abzubrechen. 

Hauptaufgabe der Stromversorgung ist außerdem unterschiedliche stabile Spannungen mit unterschiedlichen Strömen für die einzelnen Bausteine des Mobiltelefons zu erzeugen und diese zu gewährleisten, auch wenn sich die Spannung des Akkus mit der Zeit leicht erniedrigt. Verschieden Bausteine brauchen unterschiedliche Spannungen. Digitale Schaltungen kommen meist mit geringer Spannung aus während analoge Komponenten wie z.B. die Sendeleistungsverstärker eine hohe Spannung benötigen. 

Wandler

Man braucht Analog/Digital Wandler für die Sprachdaten und für die Radiodaten. Bei Sprache arbeitet man mit der üblichen Abtastfrequenz von 8 kHz. Auf der Radioseite brauchte man Modulatoren, die aus dem 270 kbit/s Datenstrom Eingangswerte I/Q Signale des Radios zu erzeugen bzw die I/Q Daten beim Empfänger abtasten.

Neben diesen Wandlern gab es auch eine Vielzahl weiterer Wandler mit denen digital bestimmte analoge Werte eingestellt werden konnten, wie etwa die Spannungen zur Steuerung des Referenzoszillators.

Digitaler Signalprozessor

Der Digitale Signal Prozessor (DSP) war hauptsächlich für die Sprachkodierung und die Sprachdekodierung zuständig. Man nutzte ihn aber auch für Aufgaben in der Kanalkodierung und/oder für die Kanalentzerrung.

Man nutzte ausschließlich 16 bit Prozessoren etwa von Texas Instruments oder von AT&T. Später entwickelten man auch spezielle DSPs für die Anwendung in Mobiltelefonen. 

Mikroprozessor

Zentrales Kernstück eines jeden Mobiltelefons war der Mikroprozessor. Seine Aufgaben waren durch die Vielfalt und die Komplexität des GSM-Standards so groß, dass ein einfacher 8 bit Prozessor wie man ihn noch für analoge Mobiltelefone verwendete nicht mehr ausreichte. Somit wurden leistungsfähige 16 bit Prozessoren benötigt wie etwa der 68000 von Motorola. Das war ein Prozessor wie man ihn auch für Personal Computer nutzte.

Der Prozessor musste alle zeitkritischen Abläufe regeln. Besonders kritisch war die sogenannte unterste Schicht (engl. Layer 1 oder Physical Layer). In dieser wurden über Register alle Funktionen gestartet oder gestoppt. Ein flüssiger TDMA Betrieb musste stets und unter allen Umständen aufrechterhalten werden. Vor allen bei kritischen Handover Szenarien. Vor allen die eingehende Kontrollinformationen muss man sofort bearbeiten.

Man musste weiterhin ein strenges Protokoll der Kommunikation mit dem Netzwerk einhalten. Die zugehörige Software nannte man den Protokoll Stack und er war ein wichtiges Stück Entwicklung der stets man stets erweiterte und verbesserte. 

Darüber hinaus war der Microprozessor für die Benutzerführung zuständig. Dies war anfangs noch eine recht einfache Aufgabe. Man bearbeitete Tastatureingaben und bediente die Anzeige. Diese war mittlerweile eine Punktmatrix-Anzeige, um auch Text angeben zu können. Diese gab es als LED oder LCD-Anzeige, wobei sich vor allen LCD-Anzeige wegen des geringeren Stromverbrauchs durchsetzte. Der Microprozessor konnte auch ein persönliches Telefonbuch erzeugen und unterschiedliche Modi des Telefons verwalten.

Spezial ICs ASICs

Man bekam nicht für alle Funktionen eines GSM Telefons passende Komponenten. Manche Dinge wie DSP und Microprozessor waren Standard ICs aber bestimmte Hochfrequenzkomponenten oder spezielle Schaltungen wie den Timer gab es nicht in der Form wie man es wünschte. Daher wurden spezielle ICs für diese Anwendungen bei Halbleiterfirmen in Auftrag gegeben. Diese nennt man ASICs (Application Specific Integrated Circuits). Einige Firmen wie z.B. Siemens, Philips, Motorola hatten hierfür eigene Halbleiterfertigungen. Andere Firmen wie z.B. Ericsson und Nokia gingen enge Kooperationen mit Halbleiterfirmen ein um ASIC´s zu bauen.

Hierbei gab es auch das Geschäftsmodell, dass die Mobilfunkfirmen die Elektronik oder die Schaltungen auf den ASIC´s selbst entwickelten und auch die Rechte darauf behielten. Die Halbleiterfirmen dienten dadurch nur noch der Produktion der Schaltungen.