手機設計概述

手機設計概述（一）教授，工學博士Dept.ofElectronics&Communication

EngineeringHarbinInstituteofTechnologyHarbin

150001, P.R.

China微波技術課系列講座 March

2003目

錄微波技術課系列講座 March

2003數(shù)字手機原理框圖手機供電系統(tǒng)框圖GSM

手機設計CDMA手機設計手機功率放大器設計手機電路組成AntennaRFSubsystem(Analog)Base-BandSubsystem(Digital)占1/3占2/3微波技術課系列講座 March

2003數(shù)字手機原理框圖微波技術課系列講座 March

2003手機供電系統(tǒng)框圖為保證手機的EMC性能，LNA、

IF、

Modulator、Demodulator、PA、

PLL、

TX-VCO應采用獨立電源GSM

手機設計微波技術課系列講座 March

2003GSM手機設計內容微波技術課系列講座 March

2003隨著GSM手機用戶的不斷增大，雙頻段手機成為將來的發(fā)展趨勢，因為能從900MHz自動切換到1.8GHz，或者甚至到1.9GHz的網(wǎng)絡。作為手機的制造商，除手機外觀設計外，必須尋求實現(xiàn)雙頻段或三頻段接入的技術解決方案，同時還要進一步解決手機體積變小、提高通話和待機時間，提高產(chǎn)品競爭力。GSM傳輸方式微波技術課系列講座 March

2003眾所周知，在900MHz頻段，接收(Rx)和發(fā)射(Tx)頻段之間雙工分離，890MHz至915MHz用于移動臺到基站的傳輸，935MHz至960MHz用於基站到移動臺的傳輸，Rx和Tx頻段都包含有124個200kHz帶寬的頻率載波信道。在GSM1.8GHz頻段，提供374個200kHz帶寬的頻率載波信道，同900MHz系統(tǒng)保持相同的訊號處理和協(xié)議（見下表）。GSM頻帶分配表GSM信號的傳輸與越區(qū)切換過程微波技術課系列講座 March

2003GSM使用FDMA和TDMA的組合，使用戶共享無線頻譜資源。通過TDMA

4.6ms幀，每個載波頻率提供8個信道("突發(fā)"或577μs的"時隙")，一個物理信道一次只用一個時隙(即一個話音連接)。在每一幀內，移動臺在一個時隙發(fā)射的同時，監(jiān)視5個相鄰基站及它所對應基站的空閑接收時隙，用于接收信號場強指示RSSI(receivesignalstrengthindication)。此信息在每一秒鐘至少傳一次給BSC，與BSC切換算法一起確定呼叫轉換到下一個基站的時間，基站也應用RSSI確定是否和什么時候改變手機的功率電平(以2dB的間隔)。

“切換”允許手機從一個單元移動到另一個單元，并以新的功率電平在新的時/頻位置注冊。手機報告6個最強的訊號場強并識別相鄰單元(通常16中選6)。移動臺和MSC都能啟動切換，它可發(fā)生在一個信道內(時隙內)、單元內、不同單元之間、從微單元漫游到傘形宏單元。GSM

900MHz/1800雙頻網(wǎng)絡微波技術課系列講座 March

2003對于4類手機，

GSM

900MHz

手機功率電平高至33dBm（或2W）。因此，蜂窩式單元的半徑可達35km。典型1.8GHz

GSM手機功率電平為30dBm（或1W），而1.8GHz無線信號的衰減幾乎是900MHz的兩倍，因此GSM1800有限的工作距離僅100m至4km。但比GSM900能提供更高的通訊容量。雙頻段

900/1800網(wǎng)絡的優(yōu)點是網(wǎng)絡運營商可以使用雙頻段，為GSM900用戶提供更大的覆蓋范圍；同時，為GSM1800用戶提供更高的通訊容量。接收信號的動態(tài)范圍微波技術課系列講座 March

2003最小接收訊號為-102dBm，最大接收訊號為-33dBm。到達天線的干擾訊號可達到0dBm，接收機必須對它進行處理。接收機前端必須具有很大的動態(tài)范圍，前端IC要求具有高的壓縮點和低的噪聲系數(shù)。RF前端和PA關系微波技術課系列講座 March

2003如接收前端的信號純度高，就可以減小對PA之前濾波器的高要求，在PA之前減小相位誤差，使PA以更高的效率工作(PA進入非線性狀態(tài))，而不提高系統(tǒng)的相位誤差(小於20pprms)?？梢蕴峁┏^50dB線性范圍的準確控制。在GSM1900頻帶使用1.8GHzPA進行接續(xù)或寬帶匹

配時，則需要一些增加外部電路。對三頻帶手機電路，濾波器、振蕩器、PA和天線的設計就更關鍵。雙頻帶應用，天線后面的接收通路必須分成兩個，所以可用兩個獨立的接收濾波器。如果集成鏡像消除濾波器，可把傳統(tǒng)前端、雙帶的5個SAW濾波器數(shù)量減少到3個。對于三頻帶接收機，還需要增加一個前端濾波器，但1.8GHz和1.9GHz頻帶可以共享。GSM

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2003GSM

手機有四項重要RF電氣指標射頻輸出功率頻率誤差接收靈敏度相位誤差其中前三項是發(fā)射指標。而相位誤差（PE）也是一項重要的指標發(fā)射通道技術方案微波技術課系列講座 March

2003上變頻方案電路簡單OFFSET頻率方案頻率誤差和PE較小；絕大多數(shù)手機都采用OFFSET頻率方案。上兩種方案的差別：主要是RF已調信號的形成方法。對于上變頻方案，通過傳統(tǒng)的IF到RF的頻譜搬遷；對于OFFSET頻率方案，則是

通過增加一個IF

PLL，其輸出控制一個專用的發(fā)射VCO，達到實現(xiàn)RF調制信號的目的。?GSM手機射頻電路通用設計--接收單元微波技術課系列講座 March

2003一般采用一次變頻或二次變頻的接收機方案（多次變頻將導致總的濾波器數(shù)目的增加）低噪聲放大器LNA– (1)NF：1.5dB-2.5dB,第一級為0.8-1dB。

(2)G：15dB-20dB，LNA可用一級放大器來實現(xiàn)，增益太高將導致整機抗阻塞和互調指標差。(3)功耗：4mA-8mA(FET)，1-2mA(Bipolar)。(4)具有鍵控式AGC控制功能(通過偏置控制來實現(xiàn))。第1混頻器采用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。噪聲系數(shù)：6dB—8dB，G：8dB—10dB本振電平：

-5dBm—0dBm．過高的本振電平會增加功耗。GSM手機射頻電路通用設計--發(fā)射單元

（1）微波技術課系列講座 March

2003有多種可以采用的電路方案：(1)單中頻優(yōu)點：PLL電路簡單，不易產(chǎn)生互調干擾，re和Pe指標較好。缺點：選擇性指標比采用雙中頻的方案要差一些。(2)雙中頻優(yōu)點：選擇性指標容易保證，帶外抑制指標比較高，頻差Fe和相差Pe指標比較好，缺點：PLL要復雜一些，易產(chǎn)生互調干擾。(3)直接調制到RF(無中頻)優(yōu)點：電路簡單，缺點：選擇性指標比較差，re和Pe指標難以保證。?GSM手機射頻電路通用設計--發(fā)射單元（2）微波技術課系列講座 March

2003(4)末級Tx—VC0采用上變頻優(yōu)點：電路相對簡單。缺點：re和Pe指標稍差。(5)末級Tx—VCO采用PLL

VCO優(yōu)點：Fe和Pe指標容易保證。缺點：電路要相對復雜一些。???PA采用開環(huán)控制優(yōu)點：省去定向耦合器、功率檢測和比較電路。PA采用閉環(huán)控制優(yōu)點：PA直接與電池連接，無需MOS管，穩(wěn)定性、可靠性較高。缺點：需要用定向耦合器、功率檢測和比較電路，電路復雜。雙頻GSM900MHz技術指標微波技術課系列講座 March

2003?工作頻率：上行TX

：880MHz-915MHz下行RX：

925MHz-960MHz雙工頻率間隔：

45MHz，載波間隔：200KHz調制方式：I/Q正經(jīng)GMSK動態(tài)范圍：-47dBm-110dBm射頻功率輸出：33dBm(5級)-5dBm(19級)，級差：2dB(15個功率等級)*30dBm(1W)雙頻DCS1800MHz技術指標微波技術課系列講座 March

2003工作頻率：上行TX

：1710MHz-1785MHz下行RX：

1805MHz-1880MHz收發(fā)頻率間隔：

95MHz，靜態(tài)接收靈敏度：-100dBm射頻功率輸出：24dBm(3級)-5dBm(19級)，級差：2dB(13個功率等級)*

24dBm(200mW)CDMA手機設計微波技術課系列講座 March

2003CDMA技術指標微波技術課系列講座 March

2003靈敏度和動態(tài)范圍的最低要求靈敏度:-104

dBm(1.23MHz帶寬)定義：保證接收幀誤率FER<0.5%所需的最低CDMA信道功率動態(tài)范圍:典型90dB線性（最大輸入信號功率為-25dBm）因為CDMA包絡起伏變化大，典型的峰平比為8-10dB,要求接收機在接收信號動態(tài)范圍內保持良好的線性。手機發(fā)射功率數(shù)據(jù)比較：

IS98cdma2000GSM27dBm24dBm(200mW)30dBm(

1W)CDMA手機LNA設計微波技術課系列講座 March

2003在設計高性能CDMA接收機中，最為苛刻的部分應屬于低噪聲放大器（LNA），當接收靈敏度為-104

dBm、IIP3（雙音三階互調失真截距點）為幾個+dBm，則要求LNA噪聲系數(shù)小于2dB，才能獲得批量生產(chǎn)時達到2-3dB，這就是說，LNA要有最大的動態(tài)范圍。為使LNA具有幾個+dBm

、IIP3(+3~+5dBm)，而滿足低的噪聲系數(shù)(<

2dB)，所需要的電流消耗就是幾十mA

(~20mA)。由此可見，同時實現(xiàn)低功耗、高線性度以及低噪聲設計是CDMA

LNA的技術關鍵。當接收信號強度高時（-30-20dBm），混頻器對接收通道是一個關鍵門檻，所以還要求LNA具有15dB的增益動態(tài)范圍。手機功率放大器設計微波技術課系列講座 March

2003功率放大器微波技術課系列講座 March

2003PA把微弱的功率調制信號放大到所要求的輸出功率，在GSM中是采用GMSK是調制方式，其特點是恒包絡調制，為使PA效率更高，

PA輸出就要出現(xiàn)輕微的非線性。通常雙工器也產(chǎn)生一定的損耗，如采用無雙工器的電路結構就可降低對PA的輸出功率要求。根據(jù)GSM標準，天線上功率最大值是-33dBm。假如手機一直處于最高功率，PA效率大於40%，而電池容量為550mAh。如果電池可以用到其容量的70%而不降低供電電壓，可提供的平均dc功率是P1=550mAH×Vcc/0.7(見下表)。功率放大器特點微波技術課系列講座 March

2003功率放大器是手機中消耗電量最大的部件，它的效率直接影響到連續(xù)通話時間的長短。如取效率為30％時的通話時間作為標準，將效率從40％提高到50％，連續(xù)通話時間將可增加15分鐘。對手機中用的功放(PA)，不僅要求其體積小，且效率高，理論上講，PA的放大效率為78.5

％(B級工作)，可是，其效率與保持低失真之間存在著矛盾，需在滿足低失真前提下，追求PA的最大效率化。目前PA的效率在50％以上。各種手機標準對功放（PA）設計的獨特要求微波技術課系列講座 March

2003手機制式（標準）的差異，對功放（PA）設計有很大影響。因此，有各種PA設計方法以滿足每種標準的獨特要求。每種標準的主要參數(shù)，都有不同的數(shù)值參數(shù)（見下表）功放（PA）多種標準的主要參數(shù)微波技術課系列講座 March

2003DMA

IS-54/136（時分多址標準）和CDMA

IS-95（碼分多址標準）微波技術課系列講座 March

2003DMA

IS-54/136（時分多址標準）和CDMA

IS-95（碼分多址標準）采用線性調變技術，對幅度和相位失真要求很嚴，因此要求PA以“線性”方式工作。為使相鄰和交換通訊信道的失真度符合規(guī)范，PA的工作功率必須比飽和功率低2至6dB，以保證線性度。PA在上述功率電平下，比在飽和功率狀態(tài)下工作效率要低得多。對TDMA來說，在最大發(fā)射功率時，輸出級效率通常在35%至45%的范圍內，而對CDMA則為25-35%。好在CDMA標準中，采用較低發(fā)射功率，否則，就要用很大的器件，更無法用電池供電。調制方式微波技術課系列講座 March

2003MPS（FM調制）和GSM（GMSK高斯濾波最小頻移鍵控調變），是采用等包絡調制技術，幅度失真對其影響較小，這樣，PA就可工作在各種功率、直至飽和狀態(tài)，達到更高的效率。占空比是PA設計中的概念微波技術課系列講座 March

2003占空周期可以從通常的時間意義上入手，也可側重從功率的觀點來考慮。在CDMA

IS-95中，PA峰值發(fā)射功率是28dBm，但平均發(fā)射功率至少要低15至30dB（這種情況只是CDMA）。在低發(fā)射功率下具有小的靜態(tài)電流，可以獲得最長的通話時間。占空比是PA設計中的概念微波技術課系列講座 March

2003對于其它標準，還是以通常的時間概念來看待占空周期。GSM采用1/8占空周期。PA只有1/8時間在工作，這就降低了通話時間對PA效率的敏感度。TDMA采用的占空周期是1/3，而AMPS是100%時間工作。對于類似AMPS這樣是100%占空周期，PA設計中就最重視PA的效率。RFIC芯片和器件的選型微波技術課系列講座 March

2003制造芯片所采用的材料有硅（Si）和砷化鎵（GaAs）器件：Si

bipolar、Si

MOSFET、GaAs

MESFET、GaAsHBT和GaAsPHEMT。為簡單起見，可從功率附加效率（PAE）*、工作電壓、成本三個方面來比較這些技術

（見下表）。PAE與每次電池充電后通話時間長短直接有關。PAE考慮了器件集電極或漏極的效率，以及為達到某一

輸出功率，需要多大的輸入射頻功率。故PAE能很好地反映器件的功率增益。*PAE參數(shù)定義為：（射頻輸出功率

-

射頻輸入功率）/總直流輸入功率RFIC芯片和器件的選型微波技術課系列講座 March

2003對于900MHz，PAE就應該根據(jù)成本、工作電壓性能折衷來選擇器件。

SiMOSFET和GaAs

MESFET成本較低，常被優(yōu)先選用。對900

MHz的低電壓操作，就選用Si

BJT和GaAs

PHEMT。對于1.8GHz，MOSFET增益低。如采用3V供電，GaAs

PHEMT和Si

BJT都可選用。器件材料特性參數(shù)微波技術課系列講座 March

2003GPS與手機合成微波技術課系列講座 March

2003手機輻射問題與EMC考慮微波技術課系列講座 March

2003手機輻射問題微波技術課系列講座 March

2003微波技術課系列講座 March

2003手機輻射值微波技術課系列講座 March

2003ＣＤＭＡ手機輻射值在５０－１５０微瓦／平方厘米之間ＧＳＭ大都在８００微瓦以上，輻射最高的達１００００微瓦。內藏天線小于外置天線，但內置天線手機的背部電磁輻射比前板多出好幾倍。防輻射手機天線設計微波技術課系列講座 March

2003為保護人體大腦不直接受電磁波輻射,已開始設計一種功能環(huán)保天線。因手機接聽時要將電話貼緊

大腦，根據(jù)天線方向圖改變，最大輻射場強繞開人體大腦的原則設計，在天線內部安裝不同角度的反射器改變了天線最大輻射方向，從而起來

保護長期使用手機用戶的目的。人體模型輻射測試研究微波技術課系列講座 March

2003各種GMS手機天線微波技術課系列講座 March

2003可折疊式方案QueenMary,Universityof

London,UK微波技術課系列講座 March

2003方向圖控制式方案微波技術課系列講座 March

2003TokyoInstituteof

Technology,JapanFDTDTissue

Modeling--BrighamYoung

University微波技術課系列講座 March

2003國家專利(1)微波技術課系列講座 March

2003專利名稱：

環(huán)保型移動通信手機天線專利申請?zhí)枺?/p>

97240233IPC分類號：

H01Q

9/00國別省市代碼：

81代理人：

朱麗華專利所有權人：

電子工業(yè)部第七研究所發(fā)明人：

劉禮白所有權人地址：

(510310)廣東省廣州市新港中路３８１號專利文摘：

本實用新型提供了一種環(huán)保型的移動通信手機，是在移動通信機背面（即與貼近使用人面部的機殼相對的一面）放置反射板的平面型天線，在不影響正常通信的前提下，大大減少天線輻射的電磁能量進入人體頭部，起到保護大腦和眼睛的作用。本實用新型適用于所有的移動通信手機。國家專利(2)微波技術課系列講座 March

2003“防輻射移動電話”發(fā)明專利（專利號：99123046.9）該技術在于對現(xiàn)有手機的拉桿天線進行了改進，在使用時天線可彈出一個拋物面防護罩，以防止手機輻射可能對手機用戶的危害。海爾防輻射手機新概念???微波技術課系列講座 March

2003手機釋放出的電磁波在電話撥號至接通時最強，達到1000微瓦/平方厘米。在通常通話時，電磁波強度達到300微瓦/平方厘米。測試表明，手機電磁輻射的一半被人體吸收，其中四分之一被人腦吸收。根據(jù)輻射強度在手機接通期間對人體危害最大這一關鍵點，利用軟件技術研制開發(fā)手機的接通提示功能。用戶在撥號呼叫過程中，不必放在身邊監(jiān)聽，對方通話后，自動發(fā)出一聲接通提示音或振動提示電話已接通。手機EMI問題微波技術課系列講座 March

2003通訊產(chǎn)品微波技術課系列講座 March

2003交換機接入網(wǎng)移動通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信傳輸系統(tǒng)視訊系統(tǒng)智能電源STP智能網(wǎng)網(wǎng)管系統(tǒng)計費產(chǎn)品手機集中監(jiān)控系統(tǒng)變電站自動化手機噪聲的傳播機理微波技術課系列講座 March

2003噪聲傳播有兩種途徑：傳導和輻射。傳導是通過導線、印刷電路板線跡、金屬機殼或電子元件（如電容器）傳播噪聲。輻射是通過空氣或PCB傳播噪聲能量。傳導噪聲可用傳統(tǒng)電路技術濾波；輻射噪聲通常用屏蔽技術使其減至最小。手機中的EMI問題微波技術課系列講座 March

2003目前生產(chǎn)的手機都是數(shù)字式。盡管稱作數(shù)字蜂窩電話，但還是離不開許多的模擬功能。手機電路面臨混合信號設計問題。便攜式通信設備繼續(xù)縮小尺寸、減輕重量而不斷增加功能和芯片的集成度。設計電路板要避免干擾、噪聲引起的誤差和地回波是很艱巨的任務。隨著芯片幾何尺寸的進一步減小和板上線距的縮短，其物理定律開始失去部分意義。緊靠在一起的PCB并行線將存在的更大的寄生電容耦合，對鄰近線之間產(chǎn)生耦合干擾。在電源管理中的DC-DC變換器本身就是潛在的EMI噪聲源

。手機開關電源所產(chǎn)生的噪聲頻譜圖微波技術課系列講座 March

2003手機開關電源所產(chǎn)生的噪聲控制微波技術課系列講座 March

2003開關電源產(chǎn)生的噪聲頻譜最低頻率為800KHz，

是開關電源的開關工作頻率，也是基波頻率。各次諧波頻率之間的頻帶寬度剛好等于基波頻率。如何分布則與時域波形電流大小電感電容取值以及PCB布線/

布局都有關

系開關噪聲可通過傳導方式到達開關電源的輸入端、輸出端、地線，還可通過PCB線跡發(fā)射成為輻射干擾，因此必須使開關電源的紋波電壓及傳導噪聲盡可能的小。傳統(tǒng)設計方法出現(xiàn)的問題微波技術課系列講座 March

2003電磁干擾（EMI）問題環(huán)路設計，形成天線效應電源層的槽縫會構成了四分之一波長的天線。密集過孔（如BGA封裝器件）大型接插件（特別是背板）感性元件。注意：在元件面的兩個平行放置的電感會構成變壓器。由于不完全接地層的影響,內層低阻抗引起外層較大的瞬態(tài)電流。GSM手機的EMC設計微波技術課系列講座 March

2003EMC認證要求和執(zhí)行國家標準微波技術課系列講座 March

2003進入WTO，手機產(chǎn)品首先要通過EMC認證手機EMC國家標準（制訂中）國家質量技術監(jiān)督局發(fā)布《電磁兼容認證管理辦法》，批準建立了“中國電磁。容認證委員會”。國家質量技術監(jiān)督局將對移動電話強制實行電磁兼容認證。微波技術課系列講座 March