Siglent社 SDS2000X Plus オシロスコープを用いたGSM無線プロトコルの解析
退役したSiemens A36携帯電話を使用して、この新しいSiglentオシロスコープの能力を学びました。利用可能なドキュメントと選択されたA36の中密度PCBにより、信号のプロービングが簡単に実施できました。当初はTEK P6243アクティブプローブを低容量負荷のために使用しましたが、後にモニターされた信号が非常に堅牢であることが判明したため、パッシブプローブに切り替えました。
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図１：Siemens A36の送信および受信経路におけるIQ信号のプロービング
携帯電話の動作をモニターするために選択された3つの信号：
- 送信IQベースバンド変調信号のQ成分、Pin 48にて（Scope Channel 11）。
- 受信IQベースバンド変調信号のI成分、Pin 12にて（Scope Channel 22）。
- バッテリー電流消費、0.1オーム抵抗器を介して、（-）電源と電話のグランド間に（Scope Channel 4）。
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図2：プローブ入力を含むPMB6250 Smarti ICのブロック図
最初に、電話がGSMネットワークに接続され、1秒ごとにページングチャネルで着信コールを確認する様子を観察しました。33秒ごとに、電話は他の基地局の信号レベルを確認し、電話が移動している場合に、ネットワークに対してより強い基地局にキャンプを要求します。
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図3：ページング用の受信信号（左）および隣接セル測定用の受信信号（右）
ページング信号受信と隣接セル測定
受信信号バーストの終わりに30mAの電流ピークが発生し、受信信号のデコードに必要な処理電力が示されています。隣接チャネル測定では、バーストの一部のみが必要で、3つのバースト間で周波数切り替え（PLL再調整）が可能です。その他の基地局のノイズの多さがわかり、サービス基地局の最初のバーストが最もノイズが少ないことが示されています。
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図4：受信信号の詳細と処理能力（消費電力）
オシロスコープのパーシスタンスとカラーヒストグラムを使用して、受信信号を視覚化しました。さらに、オシロスコープのゾーントリガ機能（エリア1）を使用して、データチャネルとページングチャネルを区別しました。信号受信が570µsのデータバースト長よりも長いことがわかり、多重経路伝搬に対応できる信号のデモジュレーションが可能です。山岳地域などでは、基地局信号が高速な直接経路で電話に到達するだけでなく、複数の反射を伴う経路を経由して到達することがあります。A36チャネル等化器は、最大±3シンボルの遅延を処理することができます。
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図5：1秒のパーシスタンスを持つ受信信号のヒストグラム
次に、電話とネットワーク間でコールを設定しました。初めて、電話の送信機動作が確認されました（黄色のChannel 1）。電話がページングチャネルから着信を受信すると、電話がアイドル状態からコール状態に移行し、ユーザーが呼び出し音を受け取った後にコールを開始します。
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図6：着信コールの設定フロー
送信バーストでは、音声信号を運ぶデータビットが絶えず変化している様子が観察されます。
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図7：コールのTxとRxバースト
バーストの最初と最後にある静的な不変ビットはテールビットです。最も重要なのは、バーストの中央にあるトレーニングシーケンスです。受信機のチャネル等化器は、このトレーニングシーケンスに最適な調整を行い、その調整をバースト全体に使用します。トレーニングシーケンスはバーストの中央に位置し、電話が移動しているときの伝搬条件が変化しても、バースト全体に最適な調整が可能です。1秒のパーシスタンス、カラーヒストグラム、ゾーントリガ機能を使用して、この動的な状況を視覚化しました。
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図8：1秒のパーシスタンスを持つ送信信号のヒストグラム
4V DCinでほぼ2Aのピーク電流が、Txパワーアンプの需要を満たします。コール受信中のピーク電流は100mAです。Rxページング受信の間に測定可能な電力消費はなく、実装されたエコモードは、次のページングのために電話をウェイクアップさせるために内部で32kHzのクロックのみを電源供給します。そのため、通話が行われない場合、バッテリーの充電は数日間持続します。
オシロスコープの大容量メモリ深度は、キャプチャされたデータをズームインするのに非常に役立ちました。さまざまなトリガオプションが、急速に変化する信号に対して安定したトリガを取得するのに役立ちました。
私たちは、新しいSiglent SDS2000X Plusオシロスコープの優れた性能と豊富な機能に非常に驚かされました。このミッドクラスエントリーモデルの性能は、筆者の1人がA36電話を設計した当時のハイエンドモデルのレベルにあります。このオシロスコープを興味のあるすべての読者にお勧めしますし、次回のプロジェクトではこのオシロスコープを使用してLTEおよび5G電話を確認するのを楽しみにしています。