手機(jī)原理手機(jī)RF原理及手機(jī)設(shè)計(jì)流程

1、手機(jī)原理手機(jī)RF原理及設(shè)計(jì)(手機(jī)設(shè)計(jì)流程)    1.接收部分    天線開關(guān)為FET器件（雙工器）是一個(gè)雙刀擲模擬開關(guān)，其中一個(gè)刀進(jìn)行收發(fā)信號(hào)切換，另一個(gè)刀接測(cè)試口，其工作狀態(tài)受開關(guān)管T3，T4組成的控制電路控制，控制指令為RXE和TXE。當(dāng)控制信號(hào)RXEN為高電平時(shí)，天線開關(guān)處于接收狀態(tài)，接收信號(hào)通過天線開關(guān)進(jìn)入陶瓷帶通濾波器BPF3，BPF2進(jìn)行高頻濾波，然后再經(jīng)過耦合電容C103，C19，C109送到PMB6253內(nèi)進(jìn)行低噪聲放大，放大后的信號(hào)送入混頻器，高頻放大器經(jīng)過濾波后，與來自主壓振蕩器的接收本振信號(hào)RXVCO一起送入混

2、頻器完成兩信號(hào)的混頻，混頻后產(chǎn)生中頻信號(hào)經(jīng)耦合電容C14，C87通過BPF1將其中的雜波濾除，再送到隔離放大器放大。    中頻信號(hào)在收發(fā)IC內(nèi)完成接收信號(hào)正交解調(diào)處理，完成解調(diào)處理后產(chǎn)生模擬接收基帶信號(hào)，RXI/RXQ接收I/Q基帶信號(hào)分別從IC的8、9腳輸出。    在收發(fā)IC、U1內(nèi)部，接收部分包括中頻、中頻放大、混頻、PLL。13MHZ主時(shí)鐘、主壓器振蕩器、接收中頻和發(fā)射中頻等。    手機(jī)高頻原理方向圖    2.發(fā)射部分    經(jīng)CP

3、U送出的TX1、TXQ分別送入收發(fā)IC U1以產(chǎn)生TXIF發(fā)射中頻，發(fā)射中頻輸入信號(hào)TXIFIN與TXVCO在U1內(nèi)進(jìn)行混頻，鑒相，再產(chǎn)生振蕩頻率，預(yù)放大后從U1，28腳輸出，經(jīng)耦合電容C33到功放CX77301 4腳，X3為TXVCO，功率控制IC4輸出誤差電壓以改變功放的放大量，達(dá)到改變發(fā)射信號(hào)的功率等級(jí)。    當(dāng)控制信號(hào)TXEX為高電平時(shí)，天線開關(guān)于發(fā)射狀態(tài)。新手機(jī)開發(fā)現(xiàn)介紹GSMDCSl800雙頻段手機(jī)RF部分的基本工作原理和各單元的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)計(jì)算。對(duì)幾種不同的雙頻手機(jī)RF方案，在經(jīng)過分析和比較之后，提出一種性能價(jià)格比較高的技術(shù)方案。 GS

4、M手機(jī)屬高科技通信產(chǎn)品，其銷售對(duì)象是千家萬(wàn)戶，因此對(duì)手機(jī)的性能價(jià)格比要求特別高，手機(jī)的利潤(rùn)只能體現(xiàn)在大批量的生產(chǎn)和銷售中。針對(duì)這種情況，在滿足歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)ETS GSMll10技術(shù)規(guī)范的前提條件下，RF部分的設(shè)計(jì)者必須在先行方案設(shè)計(jì)中就充分注意到性能價(jià)格比，這將對(duì)手機(jī)在未來的市場(chǎng)上能否有競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生十分重要的影響。 GSM手機(jī)的性價(jià)比是由各個(gè)組成單元的性價(jià)比來決定的，所以，對(duì)RF部分各個(gè)單元電路進(jìn)行認(rèn)真、細(xì)致的分析和比較，這對(duì)于提高整機(jī)的性價(jià)比是十分重要的。     1.GSM900DCSl800雙頻手機(jī)的特點(diǎn) 雙頻手機(jī)有以下特點(diǎn)：根據(jù)基站的控制信令，雙頻手機(jī)即可以

5、工作在900MHz頻段網(wǎng)絡(luò)，也可以工作在1800MHz頻段網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)繁忙或信號(hào)質(zhì)量差時(shí)，雙頻手機(jī)可自動(dòng)切換到另一個(gè)頻段的網(wǎng)絡(luò)上工作，而且這種切換基本上不影響話音質(zhì)量。另外，從近來國(guó)際上手機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)和FTA(full type approval)認(rèn)證的情況來看，雙頻手機(jī)以經(jīng)是主流產(chǎn)品。雙頻手機(jī)在兩個(gè)不同的工作頻段上，其基帶部分信源編碼、信道編碼的算法和處理、信令處理的方法和幀格式、調(diào)制解調(diào)方式、信道間隔等均相同。      2. GSM9001800雙頻手機(jī)RF部分的主要技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求 GSM900MHz部分的主要RF指標(biāo)如下： 工作方式： T

6、DMATDD 工作頻率：上行Tx(反向)880MHz-915MHz， 下行Rx(正向)925MHz960MHz 雙工頻率間隔：45MHz，載波間隔：200kHz 每載波時(shí)隙數(shù)： 8(當(dāng)前全速率)16(今后半速率) 每幀長(zhǎng)度： 4615ms，每時(shí)隙長(zhǎng)：577s 傳輸速率： 270833kbps(即在每時(shí)隙上傳15625bits) 調(diào)制方式： 采用IQ正交GMSK調(diào)制 靜態(tài)參考靈敏度： 優(yōu)于-102dB/RBER(Resiodual BER)2 動(dòng)態(tài)范圍： -47dBm110dBm  頻率誤差：<1×10-7，相位誤差的均方根值<5%，相位誤差峰值：<20&#

7、176; 射頻輸出功率：5級(jí)(33dBm)-19級(jí)(5dBm)，級(jí)差：2dB，共有15個(gè)功率等級(jí)。 DCS1800部分的主要RF指標(biāo)： 工作頻率：上行Tx：1710MHz-l785MHz， 下行Rx：1805MHz1880MHz， 收發(fā)頻率間隔： 95MHz 靜態(tài)接收參考靈敏度： -100dBm/RBER2 發(fā)射單元頻率誤差： Fe<1×10-7，相位誤差均方根值5°，峰值200 射頻輸出功率：3級(jí)(24dBm)-15級(jí)(0dBm)，共有13級(jí)功率；步進(jìn)2dB   3.雙頻手機(jī)RF部分基本工作原理   31 RF部分基本組成框圖 32 G

8、SM900下行鏈路接收機(jī)單元 由蜂窩小區(qū)基站發(fā)出的已調(diào)載波通過Um無線接口，傳到手機(jī)天線端。在接收時(shí)隙接收到的信號(hào)先通過收發(fā)隔離器，再經(jīng)過GSM900MHz的LNA(低噪聲放大器)，將微伏量級(jí)的弱信號(hào)放大。放大后的信號(hào)經(jīng)過GSM900的第一RF混頻器后，將得到的第一中頻信號(hào)進(jìn)行窄帶(200kHz)濾波，以濾除帶外噪聲，保證接收機(jī)選擇性指標(biāo)。然后信號(hào)經(jīng)過具有AGC功能的第一中頻放大器放大，再經(jīng)過第二混頻器和第二中頻濾波器。在這之后，輸出的信號(hào)由具有AGC功能的第二中頻放大器進(jìn)行放大。放大后的信號(hào)進(jìn)入IQ正交解調(diào)器解調(diào)，正交解調(diào)后的模擬I、Q信號(hào)平衡輸出到后面的基帶、音頻部分等待作進(jìn)一步的信道譯碼

9、和倍源譯碼處理。 DCS1800MHz頻段接收單元的信號(hào)處理過程與GSM900相同，只是工作頻段不同而已。接收機(jī)中AGC的作用是：當(dāng)天線端的RF信號(hào)電平在大范圍內(nèi)變化時(shí)，保證IQ輸出信號(hào)的電平基本不變；在監(jiān)聽時(shí)隙探測(cè)相鄰小區(qū)基站的下行廣播信號(hào)強(qiáng)度，配合完成越區(qū)切換功能。 33 上行鏈路發(fā)射單元  由基帶部分傳輸過來的I、Q正交模擬基帶信號(hào)，在發(fā)射時(shí)隙期間雙端平衡輸入到中頻IQ正交調(diào)制器，調(diào)制后的中頻信號(hào)經(jīng)過發(fā)射中頻聲表面(SAW)窄帶濾波器(200kHz)，濾波后的信號(hào)經(jīng)過上變頻后，再經(jīng)過35MHz帶寬的900MHz發(fā)射濾波器，濾波器輸出的信號(hào)先通過功率激勵(lì)級(jí)放大以達(dá)到末級(jí)

10、RF功放(PA)所需的激勵(lì)電平。最后再經(jīng)過功率放大器PA和收發(fā)隔離器，通過天線把已調(diào)載波發(fā)射出去。    PA部分APC控制電路的作用是：保證RF功率電平等級(jí)滿足5dBm-33dBm的變化要求，以避免在多用戶組網(wǎng)時(shí)發(fā)生“遠(yuǎn)近”干擾。 DCS1800MHz頻段發(fā)射單元的信號(hào)處理過程與GSM900相同，只是工作頻段不同而已。  34頻率合成器單元 該單元與FM電臺(tái)中采用的頻合器相類似，主要差別在于增加了AFC電路。  4接收單元電路設(shè)計(jì)   在滿足技術(shù)要求的前提下，可以有幾種不同的接收機(jī)RF解決方案： (1)3次變頻方案：采用此法頻率合成

11、器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，中頻頻點(diǎn)多，容易產(chǎn)生組合干擾，一般不采用。 (2)2次變頻方案：為簡(jiǎn)化電路，第2中頻頻點(diǎn)選取手機(jī)的基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率13MHz或其2分頻 65MHz。這種方案在早期的接收機(jī)中廣泛采用。例：摩托羅拉GC87、諾基亞8110、愛立信GHG5388、摩托羅拉8200。該方案復(fù)雜程度適中，而且還可獲得高的選擇性，中頻放大器的增益分配比較容易實(shí)現(xiàn)，不易產(chǎn)生自激。   (3)一次變頻方案：隨著IC器件和SAW濾波器指標(biāo)的提高，這種方案在目前的手機(jī)電路中廣泛采用。它可以簡(jiǎn)化電路，從而降低制造成本，而選擇性指標(biāo)仍可滿足技術(shù)要求。目前許多雙頻手機(jī)采用了這種方案。 (4)零中頻直接解調(diào)的

12、方案：因?yàn)橐郧癆D變換器和DSP的技術(shù)水平不能滿足實(shí)時(shí)處理數(shù)百M(fèi)Hz高頻信號(hào)的要求，而且噪聲、選擇性和功耗指標(biāo)也難以保證，所以，采用這種方案到現(xiàn)在才剛剛開始。 41計(jì)算理論靈敏度和估算實(shí)用靈敏度 根據(jù)噪聲功率的計(jì)算公式：PNK·T·B (w) 上式中：K為波爾茲曼常數(shù)，其值為：138×10-23；T為工作溫度(°K)，一般取常溫3000°K (27)；B為帶寬(Hz)，對(duì)于GSM體制，取200kHz。 計(jì)算結(jié)果為：噪聲功率：10lgPN1mW10lgPN十30一121dBm 上述計(jì)算結(jié)果為在理想情況下的噪聲功率，在實(shí)際應(yīng)用中，還要考慮

13、前端失配的影響(約1dB)，收發(fā)隔離器的影響(約2dB)，接收機(jī)NF(約2dB)，基帶部分的解調(diào)門限（約9dB/RBER2。  基于上述考慮，我們可以估算出實(shí)用靈敏度約為：實(shí)用靈敏度-121十1十2十2 十9-107dBm 對(duì)于DCSl800頻段，它的實(shí)用靈敏度約為：DCSl800頻段的實(shí)用靈敏度-121十2十2十3十9一105dBm  42 下行鏈路接收機(jī)增益分配計(jì)算 ETS GSMll10技術(shù)規(guī)范中要求手機(jī)的參考靈敏度為-102dBm/RBER2 (GSM900)和-100dBmRBER2(DCSl800)。從生產(chǎn)的角度考慮手機(jī)的設(shè)計(jì)者應(yīng)將該項(xiàng)指標(biāo)略為提高，可

14、分別選為-106dBm和-104dBm。將模擬IQ路單端輸出的直流電平值設(shè)計(jì)為500mVpp(177mV有效值)，這樣，整個(gè)GSM接收通道的電壓增益為： GP total20lg1772241g-1(-106/20)201g(177000112)104dB 各單元增益分配的結(jié)果如下(已包含SAW濾波器)：前端LNA放大器為16dB，第一混頻器為8dB，IF放大器和解調(diào)器為80dB(AGC控制范圍約70dB)。 對(duì)于DCSl800頻段，由于工作頻率的上升，RF前端的噪聲系數(shù)和增益指標(biāo)會(huì)變得差一些，這時(shí)接收機(jī)各單元的增益分配如下：LNA的增益為14dB，第一混頻器為8dB，IF放大器和解調(diào)器增益為

15、80dB，整個(gè)DCS1800接收通道的增益為102dB。 43 LNA(低噪聲放大器)技術(shù)要求 (1)NF：15dB一25dB (2)GP：15dB20dB，LNA一般由一級(jí)放大器來完成，其增益不能太高，否則，整機(jī)抗阻塞和互調(diào)指標(biāo)難以達(dá)到。 (3)功耗：4mA8mA(FET管)，12mA(雙極型管)。 (4)具有鍵控式AGC控制功能(通過偏置控制來實(shí)現(xiàn))。 LNA的NF、CP和輸入、輸出阻抗匹配對(duì)于收機(jī)整機(jī)指標(biāo)將產(chǎn)生決定性的影響。    44 第1混頻器技術(shù)要求 (1)要采用RF平衡輸入，IF平衡輸出的有源混頻器，以提供足夠的增益，降低串話的干擾 (2)噪聲系數(shù)：

16、6dB-8dB，GP：8dB10dB (3)本振電平：-5dBm0dBm，過高的本振電平會(huì)產(chǎn)生手機(jī)功耗加大，EMC性能變差的問題 45 第1中頻頻點(diǎn)和IF SAW濾波器選擇時(shí)應(yīng)考慮的因素 (1)高階組合干擾頻率點(diǎn)數(shù)越少越好，有利于抑制鏡像干擾頻率(選高本振、高中頻)；(2)同時(shí)兼顧GSM900和DCSl800頻段的要求； (3)IF頻率點(diǎn)選得過低時(shí)，易產(chǎn)生本振干擾有用信號(hào)；IF頻率點(diǎn)選得過高時(shí)，中放增益難以保證，易自激、不穩(wěn)定； (4)IF SAW濾波器的技術(shù)指標(biāo)，一般IF頻點(diǎn)在200MHz400MHz之間選?。?(5)IF SAW濾波器插損小于8dB、帶寬200kHz 4

17、6 中頻放大器設(shè)計(jì)技術(shù)要求 (1)功率增益：約70dB； (2)AGC可控范圍：約70dB、步進(jìn)間隔2dB，AGC的控制范圍和控制斜率會(huì)影響手機(jī)的越區(qū)切換；  (3)雙端輸入阻抗能與IF SAW濾波器的輸出阻抗相匹配。   47 I/Q正交解調(diào)器設(shè)計(jì)要求 (1)平衡輸入、輸出； (2)輸出直流偏置電平：1V，交流電平：1Vpp； (3)I/Q路輸出幅度乎衡：土15dB，IQ路輸出相位平衡：小于4o (4)具有差分直流偏置校正功能。 5 發(fā)射單元方案設(shè)計(jì) 發(fā)射單元可以采用幾種不同的電路方案： (1)采用雙中頻：該方案的優(yōu)點(diǎn)是選擇性指標(biāo)容易保證，帶外抑制指標(biāo)比較高， 

18、頻差Fe和相差Pe指標(biāo)比較好，缺點(diǎn)是PLL要復(fù)雜一些，易產(chǎn)生互調(diào)干擾。 (2)采用單中頻：這種方案的優(yōu)點(diǎn)是PLL電路簡(jiǎn)單，不易產(chǎn)生互調(diào)干擾，F(xiàn)e和Pe指標(biāo)比較好，缺點(diǎn)是選擇性指標(biāo)比采用雙中頻的方案要差一些。 (3)采用直接調(diào)制到RF的方案(即無中頻)：該方案的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是選擇性指標(biāo)比較差，F(xiàn)e和Pe指標(biāo)難以保證。 (4)末級(jí)TxVCO采用上變頻：其優(yōu)點(diǎn)是電路相對(duì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是Fe和Pe指標(biāo)稍差。 (5)末級(jí)TxVCO采用PLLVC0：其優(yōu)點(diǎn)是Fe和Pe指標(biāo)容易保證，缺點(diǎn)是電路要相對(duì)復(fù)雜一些。 (6)采用開環(huán)控制的PA：此方案的優(yōu)點(diǎn)是可以省去定向耦合器、功率檢測(cè)和比較電路，外圍電路相對(duì)簡(jiǎn)

19、單一些。該方法的缺點(diǎn)是要在PA的供電回路中采用一個(gè)大電流(1dmax6A)的MOS開關(guān)管(其作用是相當(dāng)于一個(gè)有源降壓電阻)，而該管在使用中的故障率比較高，從而造成手機(jī)無法開機(jī)的故障。 (7)采用閉環(huán)控制的PA：優(yōu)點(diǎn)是PA直接和電池連接，而不用MOS管，故穩(wěn)定性、可靠性比較高，缺點(diǎn)是需要用定向耦合器、功率檢測(cè)和比較電路，電路要復(fù)雜一點(diǎn)。 我們認(rèn)為采用發(fā)射單中頻，末級(jí)TXVC0采用PLLVC0，PA閉環(huán)控制的方案較為理想。    51 中頻正交IQ調(diào)制器技術(shù)要求 (1)中頻頻點(diǎn)選擇200MHz400MHz之間； (2)I/Q輸入直流偏置電平：1V15V，IQ輸入交流電

20、平：1Vpp(平衡輸入)； (3)調(diào)制后，I、Q路的幅度平衡度小于土 03dB，相位平衡度小于4。； (4)IF輸出電平：0dBm5dBm。    52 RF變頻器和PA設(shè)計(jì)技術(shù)要求 (1)供電電壓：DC：31V45V(標(biāo)稱工作電壓：DC36V)； (2)RF變頻器本振電平：-3dBm+3dBm； (3)PA效率：PAE(power added efficiency)：4550，APC控制方式：閉環(huán)檢測(cè)控制； (4)調(diào)制頻譜、開關(guān)頻譜、功率等級(jí)指標(biāo)均應(yīng)滿足ETS GSMll10技術(shù)規(guī)范中的要求； (5)PA輸出IQ幅度平衡度：土05dB，相位誤差均方根值：5o，峰值20o；

21、 (6)PA最大射頻輸出功率：考慮到后面的定向耦合器和收發(fā)隔離器的影響，對(duì)于GSM900應(yīng)能達(dá)到35dBm，對(duì)于DCSl800應(yīng)能達(dá)到26dBm。  6 頻率合成器設(shè)計(jì) 基于前面的考慮，收發(fā)信機(jī)均采用一次變頻技術(shù)獲得較高的性能價(jià)格比。在采用這種方法的條件下，又有下面的幾種方案可供選擇： (1)GSM900和DCSl800兩頻段的收發(fā)信機(jī)采用不同的中頻頻點(diǎn)：缺點(diǎn)是PLL電路復(fù)雜，兩頻段的中放部分不能共用，一般不宜采用。 (2)GSM900和DCSl800兩頻段的收發(fā)信機(jī)共用中頻部分：采用此法可使電路簡(jiǎn)化，降低成本，提高可靠性。 (3)在同一頻段內(nèi)(同在GSM900或DCSl800)接收

22、中頻和發(fā)射中頻采用不同的頻點(diǎn)：采用此法PIL電路和控制相對(duì)復(fù)雜一些。 (4)在不同的頻段內(nèi)，收發(fā)中頻頻點(diǎn)均相同：采用此法的理論依據(jù)是GSM900DCSl800均采用TDMA體制。采用該法可使整個(gè)PLL電路和控制最為簡(jiǎn)單、實(shí)用。  61 IF和RF頻率合成器鑒相頻率的選擇 因?yàn)镮F是一個(gè)固定的頻點(diǎn)，故IF鑒相頻率可取得比較高，可在幾百kHz到幾MHz之間選擇，以提高IF頻率合成器的頻譜質(zhì)量。RF頻率合成器的鑒相頻率應(yīng)不大于信道載波間隔，對(duì)于GSM而言，鑒相頻率可取200kHz(CH)或100kMz(05CH)，一般取200kMz。 62 鎖定時(shí)間 根據(jù)GSM通信體制的要求，鎖定時(shí)間需同時(shí)滿足下列兩個(gè)條件： (1)按幀(時(shí)隙不變)進(jìn)行跳頻，跳頻速率：217跳/秒，根據(jù)GSM TDMA的幀結(jié)構(gòu)，要求TlockT幀T時(shí)隙7時(shí)隙長(zhǎng)7×0577=