第四章：手机功能电路介绍 本章系统分析了手机射频部分、逻辑音频部分和电床糠殖Ｓ玫囊恍┕δ艿缏罚 榛钣τ煤驼莆照庑┲ 叮 强焖倥卸虾头治龉收系那疤帷Ｒ虼耍 蘼凼浅跹д呋故怯幸欢ɑ 〉氖只 奕嗽保 斫夂驼莆毡菊履谌荻际 直匾 ?br> 第一节 射频接收功能电路分析 一、接收电路的基本组成 移动通信设备常采用超外差变频接收机。这是因为天线感应接收到的信号十分微弱，而鉴频器要求的输入信号电平较高而且稳定。放大器的总增益一般需在120dB以上。这么大的放大量，要用多级调谐放大器且要稳定，实际上是很难办得到的。另外高频选频放大器的通带宽度太宽，当频率改变时，多级放大器的所有调谐回路必须跟着改变，而且要做到统一调谐，这也是难以做到的。超外差接收机则没有这种问题，它将接收到的射频信号转换成固定的中频，其主要增益来自于稳定的中频放大器。 手机接收机有三种基本的框架结构：一种是超外差一次变频接收机，一种是超外差二次变频接收机，第三种是直接变频线性接收机。 超外差变频接收机的核心电路就是混频器，可以根据手机接收机电路中混频器的数量来确定该接收机的电路结构。 1.超外差一次变频接收机 接收机射频电路中只有一个混频电路的称作超外差一次变频接收机。超外差一次变频接收机的原理方框图如图4-1所示。它包括天线电路(ANT)、低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)、中频放大器(IF Amplifier)和解调电路(Demodulator)等。摩托罗拉MOTOROLA 手机接收电路基本上都采用以上电路。 超外差一次变频接收机工作过程是：天线感应到的无线蜂窝信号(GSM900频段935,--960MHz或DCSl800频段1805---1880MHz)不断变频，经天线电路和射频滤波器进入接收电路。接收到的信号首先由低噪声放大器进行放大，放大后的信号再经射频滤波器后，被送到混频器。在混频器中，射频信号与接收VCO信号进行混频，得到接收中频信号。中频信号经中频放大后，在中频处理模块内进行RXI／Q解调，解调所用的参考信号来自接收中频VCO。该信号首先在中频处理电路中被分频，然后与接收中频信号进行混频，得到67.707kHz的RXI／Q信号。 2.超外差二次变频接收机 若接收机射频电路中有两个混频电路，则该机是超外差二次变频接收机。超外差二次变频接收机的方框图：如图4-2所示。 与一次变频接收机相比，二次变频接收机多了一个混频器和一个VCO，这个VCO在一些电路中被叫作IFVCO或VHFVCO。诺基亚NOKIA 手机、爱立信手机、三星samsung 三星samsung 、松下panasonic 松下panasonic 和西门子siemens 等手机的接收电路大多数属于这种电路结构。 在图4—1和图4-2中，解调电路部分也有VCO，应注意的是，该处的VCO信号是用于解调，作参考信号而且该VCO信号通常来自两种方式：一是来自基准频率信号13MHz，另一种是来自专门的中频VCO。 超外差二次变频接收机工作过程是：天线感应到的无线蜂窝信号(GSM900频段935~960MHz或DCSl800频段1805—1880MHz)经天线电路和射频滤波器进入接收电路。接收到的信号首先由低噪声放大器进行放大放大后的信号再经射频滤波后被送到第一混频器。在第一混频器中，射频信号接收VCO信号进行混频，得到 接收第一中频信号。第一中频信号与接收第二本机振荡信号混频，得到接收第二中频。接收第二本机振荡来自VHFVCO电路。接收第二中频信号经二中频放大后，在中频处理模块内进行RXI／Q解调，解调所用的参考信号来自接收中频VCO。该信号首先在中频处理电路中被分频，然后与接收中频信号进行混频，得到67.707kHz的RXI／Q信号。 3.直接变频线性接收机 随着新型手机的面世，一些新型手机采用了直接变频线性接收电路。如诺基亚NOKIA 的8210、8250、3310手机等。这种接收机的电路结构如图4-3所示。 从前面的一次变频接收机和二次变频接收机的方框图可以看到，RXI／Q信号都是从解调电路输出的，但直接变频线性接收机中，混频器输出的就是RXVQ信号了。 但不管电路结构怎样变，它们总有相似之处：信号是从天线到低噪声放大器，经过频率变换单元，再到语音处理电路。 二、天线电路 天线电路是手机接收电路的第一级电路，也是发射电路的最后一级电路。主要作用有以下几点：一是将天线将空中的电磁波转化为高频电流并将其输送到接收电路中。二是分离发发射和接收信号，避免二者相互干扰。由于GSM手机使用了TDMA技术，接收机与发射机间歇工作，天线开关在逻辑电路的控制下，在适当的时隙内接向接收机或发射机通道。三是用于切换内接和外接天线电路。四是对于双频或三频手机，天线电路还可以将GSM900MHz、GSMl800MHz或PCNl900MHz信号分开。 目前，手机的天线电路主要采用了以下三种形式，下面分别介绍。 1.天线开关电路 天线开关电路一般由集成电路和外接元件组成，如摩托罗拉MOTOROLA P7689手机就采用了这种方式，主要由U150、U151及相关外围元件组成，如图4-4所示。 该天线开关电路主要有以下三点作用： (1) 用于内置天线ANTl与外接收天线EXT-ANT切换； (2)用于收发信切换； (3)用于收信1800MHz、900MHz、1900MHz切换。 外接天线由底部接插座J600的第2脚提供，其中，INT-2是收信1800MHz频段信号输出，1NT-3是收信900MHz和1900MHz频段信号输出，RX275-DCS是DCS频段控制信号，RX275-GSM-PCS是GSM、PCN频段控制信号，均来自于CPU；TXIN为发射信号输入，RF-V1为收发切换器正电源，TXON为发射允许信号，RX- 0N为接收允许信号，FILTERED为负电源。 该天线开关电路有四路控制信号： (1)U151的2脚输出的ANTl信号控制U150内的内天线开关是转向接收电路还是转向发射电路。 (2) U151的3脚输出的ANT2信号控制U150内的外天线开关是转向接收电路还是转向发射电路。 (3) RX275-DCS信号控制U150内的DCS频段信号是否和内置或外接天线接通。 (4)RX275-GSM-PCS信号控制U150内的GSM、PCN频段信号是否和内置或外接天线接通。 2、双工滤波器 有些手机的天线电路采用了双工滤波器（双工器）。双工器是一种无源器件。内部包括发射滤波器和接收滤波器，它们都是带通滤波器。双工器有三个端口，即公共端天线接口、发射输出端及接收输入端。诺基亚NOKIA 5110手机就采用发这种形式的天线电路，有关电路见图4-5所示。 双工器的ANT端接天线，RX端为接收信号的输出端，TX端为发射信号的输入端。 3.双讯器 在有的手机中，天线电路采用了双讯器(Diplexer)。双讯器实际上和双工滤波器差不多，所不同的是，双讯器除将发射信号和接收信号分开外，还将GSM900MHz与GSMl800MHz信号分开。诺基 3310手机的天电路就采用了双讯器，有关电路见图4-6所示。 图中所示的是一个带开关电路的双讯器的组件，TXVGSM与TXVDCS是控制端，GSM-TX、GSM-RX 别代表GSM的发射、接收端口，DCS-TX、DCS-RX分别代表1800MHz收发信机的发射、接收端口。双讯器GSM射频信号与DCS射频信号进行分离，而开关电路则将发射射频信号与接收射频信号分离。 诺基亚NOKIA 3310手机使用内置天线。天线感应接收到的无线蜂窝信号被转化成高频电信号，这些信号包含GSM900接收射频信号。DCSl800接收射频信号和其他一些无用信号。 天线接收到的射频信号首先到达Z502。Z502是一个包含射频开关的双讯器。它对GSM射频信号和DCS射频信号通道进行切换，同时也对接收与发射射频信号进行分离。Z502的控制信号来自N500模块。当TXVGSM信号有效时，Z502将天线连接至GSM接收机和发射机电路；当TXVDCS信号有效时，Z502将天线连接至DCS接收机和发射机电路。 从上面分析中可以看出，双讯器和天线开关在电路结构和功能上十分相似，不同的是，天线开关集成电路内部只是一组开关而没有滤波器，而双讯器内部不但有双工滤波器，而且还包含开关电路。 三、低噪声放大电路 低噪声放大器在电路中主要是对天线感应到的微弱的射频信号进行放大，以满足混频器对输入信号的幅度的要求。在手机电路图中，低噪声放大器的英文缩写是LNA(LowNoiseAmplifier)。 低噪声放大器是接收机的第一级放大电路，位于天线电路之后。在低噪声放大器的前后，通常都有射频滤波器。 低噪声放大器是一个高频小信号放大器，这个放大器中的三极管要求截止频率高，放大倍数大，噪声系数小。第一级信号很小，工作点通常设得比较低，同时加电流负反馈，减小噪声。 高频放大电路采用低噪声放大器可以改善接收机的总噪声系数。同时高频放大器还防止RXVCO信号从天线路径辐射出去。分立元件的低噪声放大器通常都采用共发射极电路，用以将微弱的射频信号进行放大并弥补射频滤波器带来的插入损耗。在低噪声射频晶体管放大器中，从低噪声性能出发，其偏压或偏流的供给都是通过电抗滤波器供给的，这样做可以避免电源噪声和偏置电阻的热噪声引入到射频通道中，影响放大器的噪声性能。图4-7是摩托罗拉MOTOROLA P7689手机中的GSM900低噪声放大器电路。 在电路中，三极管Q400是低噪声放大器的核心器件。Q400与周边元件一起构成了GSM900低噪声放大器。其中C402是输入电容，C405是集电极输出电容。LA02、R401、C403等一起构成一个电抗滤波供电电路，将RX-275-GSM电源进行滤波，然后给Q400的集电极供电；I_A01、R403、C403等也构成一个电抗滤波电路，对RX-275-GSM电源滤波后给Q400的基极供电。 R401是交流负载电阻，Q400的放大作用就是通过该电阻表现出采。L402则是集电极的直流通道。在基极电路中，电阻R403构成一个固定式偏置电路。 在以Q400为核心的低噪声放大器电路的前一级和后一级，都有一个射频滤波器。这两个射频滤波器都是带通滤波器，只允许GSM接收频段内的射频信号通过。 在电路中，RX-275-GSM给Q400的集电极和基极提供工作屯压，当该信号为高电平时，启动低噪声放大器。 需要注意的是：有些手机并没有设置以上分立元件组成的低噪声放大器，其低噪声放大电路已集成在集成电路中。 四、混频电路 对于超外差一次变频接收机和直接变频线性接收机，接收机需对高频信号变频一次，对于超外差二次变频电路，接收机需对高频信号变频两次。这项工作由混频电路来完成。 混频就是将两个不同的信号——本机振荡信号和信号频率加到非线形器件上，进行频率组合后取其差频或和频，从而满足电路的需要。而这个差频或和频是固定不变的，我们也把这种变化称为频谱搬移。混频的英文缩写是MIX。 超外差接收机的频率变换单元一般有自激式变换器和它激式变换器。如果本机振荡与混频由同一电路完成，则为自激式变频器；如果频率变换和本机振荡信号的产生分别由不同的器件构成则称其为它激式变频器。所有的手机均采用它激式变频电路。在这种变频电路中，我们称其频率变换单元为混频器。所以变频器与混频器是两个不同的概念。 自激式变频器和它激式变频器电路框图如图4-8和4-9所示。 手机的混频器有两个输入端和一个输出端，即：一个信号输入端、一个本机振荡输入端和一个信号输出端。 1.混频器的上变频和下变频 (1)上变频电路 当变频器的输出为信号频率与本振信号之和，且比信号频率高时，所用的变频器被称为上边带上变频。当变频器的输出信号为信号频率与本振信号之差，且比信号频率高时，所用的变频器被称为下边带上变频。上变频器主要用于发射电路中。 (2)下变频电路 当变频器的输出为信号频率与本振信号之差，且比信号频率低，则此变频器为下变频器。手机接收机电路中的混频器都是下变频器。 2.混频电路的基本形式 (1)二极管混频电路 用二极管做非线性混频元件的混频电路叫做二极管混频电路。这种混频器的最大优点是电路简单、噪声系数小，但是，因为二极管没有放大能力，所以混频增益低。采用二极管混频电路的手机不多，只有早期的诺基亚NOKIA 8110、3810等少数几种手机采用。 (2)晶体管混频电路 晶体管混频器有多种电路形式。其中双极型晶体管混频器可在共发射极电路基础上构成。摩托罗拉MOTOROLA 手机的混频器多采用此种电路。信号和本振信号由基极输入，或信号由基极输入、本振信号由发射极输入。下面以摩托罗拉MOTOROLA P7689手机的混频电路为例进行说明，有关电路见图4—10所示。 电路中，三极管Q450不是工作在放大区，而是工作在三极管的非线形区域。该电路是一个固定式偏置的共发射电路，R450、R45l、R452、C450、L450构成了电路的偏置电路，R450、R451、R452、C450、L450也构成一个去耦电路(滤波电路)，防止电源中的噪声对混频器造成干扰。 (4) 集成电路混频电路 集成电路混频电路在手机混频电路中应用的最多，在早期的手机中，有的混频器单独使用一个集成组件，如今手机中的混频器多被集成在一个复合的射频处理或中频处理模块中。 五、中频放大器 1.中频放大器的作用 手机的接收机均要使用中频放大器。中频放大器最主要的作用是： (1)获取高增益：与射频放大部分相比，由于中频频率固定，并且频率较低，可以很容易地得到较高的增益，因而可以为下一级提供足够大的输入。 (2)提高选择性：接收机的邻近频率选择性一般由中频放大器的通频带宽度决定。 2.中频放大器的要求 对于中频放大器，不仅需要得到高的增益、好的选择性，还要有足够的通频带和好的频率响应、大的动态范围等。而接收机的邻近信道选择性一般由中频放大器的通频带宽度决定，由于中频信号为单一的固定频率，其通频带可最大限度地做得很小，以提高相邻信道选择性。在实际应用中，一般采用多级放大器，并使每级实现某一技术要求。不论接收机采用一次或二次变频技术，中频放大器总是位居于变频之后。 为避免镜频干扰，提高镜频选择性，接收机通常采用降低第一本机振荡频率提高第一中频频率和多次变频的方法，使信号频谱逐渐由射频搬移到较低频率上。 3.手机常见中频放大电路 手机电路中使用的大多是各厂家自己的专用芯片。分离元件的中频放大器电路形式与低噪声放大器的电路形式很相似，也是一个共发射极电路，只是它们工作的频点不一样。 在目前大多数手机电路中，摩托罗拉MOTOROLA 手机中的中频放大器通常使用分离元件的中频放大器，其他手机中的中频放大器通常都是在一个集成电路中。如上图4-11是摩托罗拉MOTOROLA P7689手机的中频放大器电路。 中频放大器的电路形式与低噪声放大器的电路形式相差无几，但它们工作的频罩不同。低噪声放大器是一个宽带放大器，而中频放大器是一个窄带放大器。 在上图所示的电路中，混频后的信号经C460送人FL457，由FL457选出400MHz中频信号，中频信号经Q480放大后送到中频ICU200解调，Q480的偏置电压由U200的C7脚送来的SW-VCC提供。 需要说明的是：在超外差一次变频接收机电路中，有一个中频放大器；在超外差二次变频接收机中，则通常有第一、第二中频放大器；在直接变频线性接收机中，没有中频放大器。 六、解调电路 在移动通信和手机电路中，常用的解调技术有锁相解调器、正交鉴频解调器等。 锁相环路(PLL)可以跟踪输入信号，也可以用做解调。图4—12为一个锁相解调器的方框图。摩托罗拉MOTOROLA 928手机采用的就是锁相解调器。锁相解调器的参考信号则来自一个430MHz的振荡器。鉴相器通过对输入的两个信号的相位比较，输出一个跟踪调制信号的低频信号，通过低通滤波器滤出高频噪声后即得到解调输出。摩托罗拉MOTOROLA 手机、诺基亚NOKIA 手机与三星samsung 三星samsung 手机等电路使用的都是锁相解调。 图4—13为正交鉴频器的原理框图。 在正交鉴频器中，相移网络将频率的变化变换为相位的变化，乘法器将相位的变化变换为电压的变化。将调频信号与其移相信号相乘，通过低通滤波器将乘法器的输出信号中的高频成分滤出，就得到解调信号。通常，在现代通信设备的电路中，除正交线圈外，鉴频器的其他电路均被集成在芯片内。需注意的一点是：这里说的解调是指接收射频电路中将包含信息的射频或中频信号还原出67.707kHz的基带信号的解调(针对GSM手机而言)。在逻辑音频电路中还有一个GMSK解调，它是将67.707kHz的信号还原出数码信号。 接收机射频部分的解调电路输出的是接收机基带信号，该信号的中心频率为67.707kHz。摩托罗拉MOTOROLA 、诺基亚NOKIA 、爱立信早期手机的RXI／Q信号都是两条信号线(RXI、RXQ)，而GD90有四条信号线(DQ、DQX、DI、DIX)，爱立信T28手机也有四条线(RXIA、RXIB、RXQA、RXQB)。摩托罗拉MOTOROLA ，V998、A6188、L2000、P7689等手机的RXI／Q信号在集成电路电路内部，没有外接引脚，所以，无法用示波器测出其波形图。 二节 射频发射功能电路分析 一、发射电路的基本组成 GSM手机的发射电路大致有三种框架结构：带发射上变频的发射机、带发射变换电路的发射机和直接变频发射机。 1.带发射VCO的发射机电路结构 带发射VCO的发射机电路结构如图4-14所示。 发射流程如下：数字语音处理电路处理后得到的发射I、Q基带信号TXUQ送到解调电路对载波信号进行调制，得到TXUQ发射已调中频信号。用于TXFQ调制器的载波信号来自VCO模块输出的中频VCO信号(一般来自接收二本振信号)。 发射已调中频信号在鉴相器中与发射参考中频信号进行比较，得到一个包含发送数据的脉动直流信号，去控制发射VCO的工作。发射参考中频信号来自发射VCO信号与一本振RXVCO信号的混频。 发射VCO输出最终的发射信号(GSM900频段890---915MHz或DCSl800频段1710～1785MHz)经功率放大器放大后，由天线发送出去。 摩托罗拉MOTOROLA 、爱立信、三星samsung 三星samsung 、西门子siemens 和松下panasonic 松下panasonic 等手机的发射电路结构都采用这样结构。这种结构的发射电路稳定性好，但电路稍复杂。 2.带发射二次上变频的发射机电路结构 带发射二次变频的发射机电路结构如图4-15所示。 发射已调信号在一个发：射混频器中，与RXVCO(或UHFVCO、RFVCO)混频，得到最终发射信号(GSM900频段890,--915MHz或DCSl800频段1710～1785MHz)。 这种结构简单，但稳定性差，只有诺基亚NOKIA 早期手机(如8110、3810、6150、3210、7110等)的发射机电路结构采用了这种结构。 3.直接变频发射机电路结构 随着新型手机的面世，一些新型手机采用于直接变频发射电路。如诺基亚NOKIA 的8210、8850、3310手机。这种接收机的电路结构如图4-16所示。 这种发射机电路中，逻辑音频电路输出的TXI／Q信号直接对SHFVCO信号(这种结构的本振电路一般称之为SHFVCO)进行调制，得到最终发射信号。 二、TXUQ调制电路 1.调制 使一个信号的某种特性参数随另一个信号而变化的过程或处理方法称为调制。按载波参数随调制情号变化的不同，调制可分为两大类：连续调制和脉冲调制。 连续调制又分为三种： 调幅(AM)：载波的振幅随信号波的振幅变化而变化； 调频(FM)：载波的频率随信号波的振幅变化而变化； 调相(PM)：载波的相位随信号波的振幅而变化。 数字手机使用了数字调制技术。数字手机之所以被称为数字手机，就是它采用了数字调制技术。 不论是哪一种发射机电路结构，TXI／Q信号从逻辑音频电路输出后，都是到射频电路中的TXI／Q调制器。在TXI／Q调制器中，67．707kHz的TXI／Q信号对发射中频载波进行调制，得到己调中频信号。TXI／Q调制器通常都是在一个中频处理模块中，少数的发射机则有一个专门的调制器模块。TXI／Q调制所用的载波信号来自一个中频VCO电路。对于大多数手机来说，接收中频VCO与发射中频VCO共用，个别手机的则有一个专门叫发射中频VCO，如摩托罗拉MOTOROLA 的928手机。 TXI／Q调制示意图如图4-17所示。 需要说明的是：诺基 3310、8210、8850等手机的调制电路比较特殊，调制后的信号就是最终的发射信号(经平衡／不平衡转换器直接加到功放)，而不是发射已调中频信号。 三、发射变换电路 TXI/Q调制后的信号进行发射变频电路进行处理，不同的手机发射变频电路有所不同，但主要有两种方式， 下面分别介绍。 1.发射VCO(TXVCO)电路 在发射变频电路中，TXVCO输出的信号一路到功率放大电路，另一路TXVCO信号与RXVCO信号进行混频，得到发射参考中频信号；发射己调中频信号与发射参考中频信号在发射变换模块中的鉴相器中进行比较，再经一个泵电路(一个双端输入，单端输出的转换电路)，输出一个包含发送数据的脉动直流控制电压信号。去控制TXVCO电路，形成一个闭环回路，这样，由TXVCO电路输出的最终发射信号就十分稳定。方框图如图4-18所示。绝大大多手机的发射变频电路均采用了这种方式。 2.发射上变频器电路 发射上变频器实际上是一个频谱搬移电路，用于带发射上变频器的发射机电路中。在发射上变频器中，发射中频处理电路输出的发射已调中频信号，与RXVCO(或UHFVCO、RFVCO)信号进行混频，得到最终发射信号。发射上变频器是一个混频电路。 在混频器中讲过，混频器有两个输入信号，一个输出信号。发射上变频器也是一样，它的输入信号是发射己调中频信号与UHFVCO(RXVCO、RFVCO)，输出信号是最终发射信号。目前，只有诺基亚NOKIA 早期生产的部分手机采用了这种方式。 四、功率放大器 根据工作频带的宽窄不同，高频功放可分为窄带型和宽带型两大类。所谓频带的宽窄，指的不是绝对频带，而是相对频带，即通频带与其中心频率的比值。手机电路中的功率放大器都是高频宽带功率放大器。功率放大器通常用PA表示。用于放大高频信号并获得足够大的输出功率。 宽带型高频功放采用工作频带很宽的传输线变压器作为负载，由于采用谐振网络，因此，可以在很宽的范围内变换工作频率而不必调谐。 传输线变压器是由绕在高导磁率磁环上的传输线构成的。在一些手机电路中，广泛使用微带线电路。 调制后的射频信号经功率放大后，就可以进行传输。我们把这个功率放大器称为发射功率放大器。对于射频功率放大器，需能在一给定频率上或频率范围内输出一定的射频功率。射频功率放大器总是工作在大信号状态下。在手机中，常采用硅场效应管和砷化镓场效应管为功率放大管，它们的导热率比锗高许多。而且越来越多的手机使用功率放大器组件。一个完整的功率放大电路通常包括驱动放大、功率放大、功率检测及控制、电源电路等。 对功率放大器的主要要求是输出功率、带宽和效率，其次为输入输出电压驻波比等。 图4-19是摩托罗拉MOTOROLA P7689手机的功率放大电路。 功率放大电路主要由放大模块U300等元件组成，来自发射前置放大电路的信号由U300的第7脚输入，经U300内两级放大后，由U300的第14脚送出到天线切换开关，其中，TX-DCS是1800MHz频段发射允许信号，TX-GSM是900MHz频段发射允许信号，U300的第8脚是内部功能模块控制信号输入脚。 五、功率控制电路 手机的发射功率是可控的，它在不同的地理位置，根据系统的控制指令工作在不同的发射功率级别上。图4-20是一般手机功率控制的原理方框图。 该控制环路工作原理如下所述：功率放大器放大的发射信号送到天线转化为 高频的电磁波发送出去。在功放的输出端，通过一个取样电路取一部分发射信号，经高频整流得到一个反映发射功率大小的直流电平。这个电平在比较电路中与来自逻辑电路的功率控制参考电平进行比较，输出一个控制信号去控制功放电路的偏压或电源，从而达到控制功率的目的。 摩托罗拉MOTOROLA P7689手机的功率控制电路如图4-21所示。 功率控制电路主要由U390构成。U390的第12脚是射频功率检测输人脚，第7脚是功率控制输出脚，第8脚是来自基端的基准功率控制电平，功率检测信号与基准控制电平进行比较后自动调整U390第7脚EXC功率控制电平的大小，以达到功率控制的目的。 第三节 手机频率合成器电路分析 在现代的移动通信中，常要求系统能够提供足够的信道，移动台也需能根据系统的控制变换自己的工作频率。这就需提供多个信道的频率信号，使用多个振荡器是不现实的。在实际电路中，通常使用频率合成器来提供有足够精度、稳定性好的工作频率。 将一个或多个基准频率信号变换为另一个或多个所需频率信号的技术即为频率合成，或称为频率综合技术。 一、频率合成器的基本组成 手机通常使用的为带锁相环的频率合成器。每个频率合成环路都包括5个基本的功能电路：基准时钟振荡器、鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和分频器。如图4-22所示。 设基准振荡信号为f1，设VCO输出信号为f2。分频器输出的信号为f2／N。整个环路的控制目的就是要使f1=f2／N 1. 基准时钟振荡电路 手机基准时钟振荡电路，是手机的一个十分重要的电路，产生的13MHz时钟，一方面为手机逻辑电路提供了必要条件，另一方面为频率合成电路提供基准时钟。 手机的13MHz基准时钟电路，主要有两种电路： 一是专用的13MHzVCO组件，VCO组件一般有4个端El：输出端、电源端、AFC控制端及接地端。 图4-23是西门子siemens 2588手机的13MHzVCO电路。 图4-24是诺基 3310手机的26MHzVCO电路。 另一种是由一个13MHz(26MHz、19．5MHz)石英晶体、集成电路和外接元件构成晶振振荡电路。 图4-25是爱立信T28手机的13MHz晶振振荡电路。由N234和13MHz晶体B320、变容二极管V322、V321等构成，该电路产生13MHz的信号，经N234模块处理后输出两路：一路经电容C300、C302到D300模块的15脚，给频率合成电路提供参考信号；另一路从N234的52脚输出，给逻辑电路提供逻辑时钟信号； 13MHz电路的控制信号VCXOCONT来自N800模块。 图4-26是摩托罗拉MOTOROLA V998手机的26MHz振荡电路。由26MHz石英晶体Y230、变容二极管CR230及中频模块U913内部的振荡电路所组成。电路中，Y230是4脚晶体，其中三只脚是连在一起作为接地端，而另外一脚则作为输出， 自动频率控制电压AFC从U913的J7端输出，U913的J8脚为供电端，U913振荡器产生 13MHz基准频率一路作为基准频率信号源去合成各种载频，另外一路则从U913的J6端输出送到中央处理器，作为手机的逻辑时钟。 图4-27是三星samsung 三星samsung A188手机19.5MHz振荡电路。 由U101和石英晶体Y101等元件组成，石英晶体Y101的谐振频率(基准频率)为19.5MHz，在U101模块内进行1.5倍分频处理，得到频率合成的参考信号和逻辑电路的13MHz时钟信号。频率合成的参考信号从U101的C10脚输出；逻辑时钟信号从U101的H7脚输出。 U101的D10脚为供电端。 不管是VCO组件还是晶振组成的振荡电路，都需要AFC控制信号，AFC信号由逻辑电路中的DSP(数字语音处理器)输出。由于GSM手机采用时分多址(TDMA)技术，以不同的时间段(时隙)采区分用户，手机与系统保持时间同步就显得非常重要。如手机时钟与系统时钟不同步，则会导致手机不能与系统进行正常的通信。 在GSM系统中，公共广播控制信道(BCCH)包含频率校正信息与同步信息等。手机一开机，就会在逻辑电路的控制下扫描这个信道，从中获取同步与频率校正信息。如手机系统检测到手机的时钟与系统不同步，手机逻辑电路就会输出AFC信号。AFC信号改变13MHz电路中VCO两端的反偏压，使该VCO电路输出频率发 生变化。从而保证手机与系统同步。 常见手机所采用的基准时钟电路对比见下表。 2.鉴相器 鉴相器简称PD、PH或PHD(PhaseDetector)。是一个相位比较器，它将VCO振荡信号的相位变化变换为电压的变化，鉴相器输出的是一个脉动直流信号，这个脉动直流信号经低通滤波器(LPF)滤除高频成分后去控制VCO电路。 鉴相器是相位比较器，它对基准信号输入与VCO产生的信号输入进行相位比较，输出反映两信号相位误差的误差电压。鉴相器多种多样，有数字的，也有模拟的。如双口鉴相器、鉴频鉴相器等。 当采用数字鉴相器时，由于其输出为双端口输出，：在与环路滤波器的连接上就成问题。通常在两者之间加人一个双端输人单端输出的，而且能将鉴相器输出的相位误差信号正确地反映出来的电路，这个电路被称为电荷泵或泵电路。在摩托罗拉MOTOROLA 的GSM手机中，其发射频率合成器中基本上都使用了泵电路。 在频率合成器中，为了作精确的相位比较，鉴相器是在低频状态工作的。 在手机电路中，鉴相器通常与分频器被集成在一个专用的芯片中，这个芯片通常被称为PLL(锁相环)，或被集成在一个复合芯片中（即该芯片包含多种功能电路）。 3.低通滤波器 低通滤波器简称LPF(LowPassFilter)。低通滤波器在频率合成环路中又被称为环路滤波器。它是一个RC电路。位于鉴相器与VCO电路之间，低通滤波器电路基本形式如图4-28所示。 低通滤波器通过对电阻电容进行适当的参数设置，使高频成分被滤除。由于鉴相器PD输出的不但包含直流控制信号，还有一些高频谐波成分。这些谐波会影响VCO电路的工作。低通滤波器就是要把这些高频成分滤除，以防止对VCO电路造成干扰。 4.压控振荡器 压控振荡器简称VCO(VoltageControlOscillator)。压控振荡器是一个“电压—频率”转换装置。它将鉴相器PD输出的相差电压信号的变化转化成频率的变化。 顾名思义，VCO电路是一个电压控制电路。电压控制功能的完成是通过一个特殊的器件来完成的，这个器件就是变容二极管。 鉴相器输出的相差电压实际上是加在变容二极管两端的。当鉴相器输出发生变化时，变容二极管两端的反偏发生变化，导致变容二极管的结电容改变，VCO振荡回路改变，VCO输出频率也随之改变。在实际应用中，变容二极管为反向偏置使用，其线性好，可控范围大。 在手机电路中，VCO从电路形式上来说，有分离元件电路与VCO组件。但VCO组件采用的电路也基本与分立元件的VCO电路相似。相比较采说，摩托罗拉MOTOROLA 手机常使用分立元件的VCO电路，而其它手机则较多地采用了VCO组件。无论是分立元件还是VCO组件，一般都是一个电容三点式振荡电路。 VCO在锁相环中比较重要，是频率合成及锁相环路的核心电路。它应满足这样一些特性：输出幅度稳定性要好，在整个VCO工作频带内均应满足此要求，否则会影响鉴相灵敏度；频率覆盖范围要满足要求且有余量；电压一频率变换特性的线性范围要宽。 5.分频器 鉴相器是将VCO输出信号与基准信号进行比较。在频率合成中，为了提高控制精度，鉴相器在低频下工作。而VCO输出频率是比较高的，为了提高整个环路的控制精度，就离不开分频技术。 手机中的频率合成环路多，不同的频率合成环路使用的分频器不同： 接收机的第一本机振荡(RXVCO、UHFVCO、RFVCO)信号是随信道的变化而变化的，该频率合成环路中的分频器是一个程控分频器，其分频比受控于频率合成数据信号(SYNDAT＼SYNCLK、SYNSTR)。 二本振VCO，也称中频VCO(1FVCO、VHFVCO)，信号是固定的，中频VCO频率合成环路中的分频器的分频比也是固定的。 分频器输出的信号送到鉴相器，和基准时钟信号进行相位比较。 二、频率合成器的基本工作过程 1.VCO频率的稳定过程 当VCO处于正常工作状态时，VCO输出一个固定的频率。若某种外界因素如电压、温度导致VCO频率升高，则分频输出的信号为f2／N比基准信号n高，鉴相器检测到这个变化后，其输出电压减小，使变容二极管两端的反偏压减小。这使得变容二极管的结电容增大，振荡回路改变，VCO输出频率降低。若外界因素导致VCO频率下降，整个控制环路则执行相反的过程。 2.VCO频率的变频过程 上面是说明的是怎样使VCO输出的频率稳定。那怎样使VCO的频率能改变呢?在说明这个问题前，先解释一下为什么VCO的频率要改变这个问题。因为手机是移动的，移动到了另一个地方，为手机服务的小区(CELL)就变成了另一对频率，所以手机就必须改变自己的接收和发射频率。 VCO改变频率过程如下：手机在收到新小区的改变频率的信令以后，将信令解调、解码，手机的CPU就通过三条线(即CPU的SYNDAT、SYNCLK、SYNSTR脚)对锁相环电路发出改变频率的指令，去改变程控分频器的分频比，并且在极短的时间内完成。在这三条线的控制下，锁相环输出的电压就改变了，用这个己变大或变小了的电压去控制压控振荡器内的变容二极管，则VCO输出的频率就改变到新小区使用的频率上了。 三、手机常用频率合成器电路 在手机电路中，通常包含几个频率合成环路：一本振VCO频率合成环路(UHFVCO、RFVCO、RXVCO)、二本振VCO频率合成环路(1FVCO、VHFVCO等)、发射中频VCO频率合成环路等。不管是哪一个频率合成环路，其电路结构都基本一样，且它们的参考信号都来自基准频率时钟电路。 1.一本振VCO频率合成器 对于带发射VCO电路的手机，一本振VCO频率合成器产生一本振信号，一方面送到接收一混频电路，和接收信号进行混频，从混频器输出一中频信号。另一方面，产生一本振信号与发射VCO(TXVCO)输出的信号进行混频，输出发射中频参考信号，发射中频参考信号和发射己调中频信号在发射变换模块鉴相器中进行比较，输出包含发送数据的脉动直流信号，再去控制发射VCO电路。 对于带发射上变频电路的手机(较少，如诺基亚NOKIA 6110手机)，一本振VCO频率合成器产生一本振信号，一方面送到接收一混频电路，和接收信号进行混频，从混频器输出一中频信号。另一方面，产生的一本振信号直接与发射已调中频信号进行混频(因为没有发射VCO电路)，得到最终的发射信号。下面以松下panasonic 松下panasonic GD90手机的一本振VCO频率合成电路为例进行说明，有关电路图见图4-29所示。 松下panasonic 松下panasonic GD90手机的接收第一混频和发射的变换电路都要使用到RXVCO信号，而RXVCO电路由U302模块提供。U302模块可工作在GSM模式或DCS模式下，频段切换控制信号DCS-GSM通过Q301电路使U302工作在相应的模式下。U302的1脚是信号输出端；3脚是频段切换控制端；5脚是控制端；7脚是电源端。当U302工作于GSM频段时，从1脚产生1160~1185MHz的一本振信号。当U302工作于DCS频段时，从重脚产生1580--1665MHz的一本振信号。 U302的输出分为两路：一路到U101的39脚作为输出信号；另一路到锁相环U301的13脚作取样信号。该信号在U301内被分频，并与基准时钟信号进行比较，得到电压控制信号从U301的9脚输出，信号经电阻R302、R303和R304及电容C311等构成的低通滤波器电路到U302的5脚，通过改变U302内变容二极管两端的反偏压，从而控制U302的输出频率。 当逻辑电路通过SYNEN、SYNDATA、SYNCLK三条线改变U301中分频器的分频比时，U301的9脚的电压随之改变，U302的输出频率也随之改变，达到信道转换的目的。 2.二本振VCO频率合成器 对于超外差二次变频电路的接收电路：二本振VCO频率合成器的主要作用是产生二本振信号，送到接收二混频电路，与接收二混频电路输入的一中频信号进行混频，产生二中频信号。 对于超外差一次变频电路的接收电路：二本振VCO频率合成器的主要作用是产生二本振信号，送到接收解调电路，以解调出RXI／Q信号。 下面以松下panasonic 松下panasonic GD90手机的二本振电路为例进行说明，有关电路图见图4-30所示。 二本振VCO电路(1FVCO)由VCO组件U303模块提供，U303的1脚是信号输出端，5脚是控制端，脚是电源端。U303电路将产生540MHz的二本振信号。 U303输出的信号分为两路：一路到U101的36脚作为输出信号；另一路到U301的4脚作取样信号。 U101的8脚输出中频VCO的控制信号。 3.发射中频VCO频率合成器 发射中频VCO频率合成器主要是产生发射中频载波信号。手机在设计时，为了简化电路，发射中频频率合成器常和二本振VCO频率合成器合在一起，这样，二本振VCO频率合成器和发射中频VCO频率合成器就合成了一个电路。 另外，需要说明的是：发射VCO(TXVCO)电路从原理上分析也是一个频率合成器，前面已有分析，这里不再多述。 第四节手机逻辑音频电路分析 逻辑／音频部分可以分为逻辑控制和音频信号处理两个部分。它完成对数字信号的处理和对整机工作的管理和控制。 1.逻辑电路 手机逻辑部分电路主要由CPU和存储器组成。 在手机程序存储器中，字库(版本)主要是存储工作主程序、码片主要存储手机机身码(俗称串号)和一些检测程序，如电池检测、显示电压检测程序等。 CPU与存储器组之间通过总线和控制线相连接。所谓总线，是由4条到20条功能性质一样的数据传输线组成。所谓控制线就是指CPU操作存储器进行各项指令的通道，例如片选信号、复位信号、看门狗信号和读写信号等。CPU就是在这些存储器的支持下，才能够发挥其繁杂多样的功能，如果没有存储器或其中某些部分出错，手机就会出现软件故障。CPU对音频部分和射频部分的控制处理也是通过控制线完成的，这些控制信号一般包括MUTE(静音)、LCDEN(显示屏使能)、LIGHT(发光控制)、CHARGE(充电控制)、RXEN或RXON(接收使能)、TXEN或TXON(发送使能)、SYNEN(频率合成器使能)、SYNCLK(频率合成器时钟)等，这些控制信号从CPU伸展到音频部分、射频部分和电源部分，去完成整机复杂的控制工作。 所有电路的工作都需要时钟，即前面所说的13MHz。有些机型为26MHz或19.5MHz，在内部进行分频后再使用。另外还有一块实时时钟晶体，频率一般为32.768kHz。主要供显示屏提供正确的时间显示及让手机进行睡眠状态。早期机型没有这块晶体，所以没有时间显示和睡眠功能。 二、音频电路 1.接收音频处理电路 接收机解调得到的接收基带信号被送到逻辑音频电路进行处理。图4-31是GSM接收机信号变化的示意图。 接收时，天线接收到的射频信号经低噪声放大、混频、中频放大、RXI／Q解调电路，解调出67．707kHz的模拟基带信号，模拟基带信号再进行GMSK解调(模数转换)、在DSP电路内进行解密和去交织，接着进行信道解码，经过语音编码后，得到64kbit／s的数字信号，最后进行PCM解码，产生模拟语音信号，经音频放大后驱动听筒发声。 2.发射音频处理电路 发射时，话筒送来的模拟语音信号，在音频部分进行PCM编码，得到64kbit／s的数字信号，进行语音编码、信道编码、加密、交织、GMSK调制(数模转换)，最后得到67.768kHz的模拟基带信号，送到解调电路进行变频处理。图4-32是一种常见的发射音频处理电路示意图。 三、其它逻辑音频功能电路 其它逻辑音频电路还包括振铃电路、振子电路、键盘电路、背景灯电路、键盘灯电路、服务指示灯电路显不电路、SM卡电路和实时时钟电路等。将在分析具体机型时进行分析。 第五节 手机电源电路分析 一、手机电源电路的基本工作过程 电源电路是手机其他电路的“食堂”，电源电路只有“按质”(电压要符合标准)、“按量”(各路输出要正常)、“按时”(该输出时要输出)地完成“本职工作”，其他电路才能工作，手机任何一个电路，只要他的供电不正常，他就会“罢工”，表现出各种各样的故障现象，可见电源系统在手机电路中的重要性。 手机所需的各种电压一般先由手机电池供给，电池电压在手机内部需要转换为多路不同电压值供给手机的不同部分。手机的开机过程是：按下电源开机键后(一般需超过2秒)，电源集成电路输出电压为CPU供电，输出复位信号供CPu复位，同时，电源集成电路还输出13Ⅷz振荡电路的供电电压，使13MHz振荡电 路工作，产生的系统时钟输入到CPU；CPU在具备电源、复位、时钟”三要素”后，若再得到软件的支持，则输出开机维持信号，送到电源集成电路，以代替开机键，维持手机的正常开机。 手机电源开机过程如图4-33所示。 二、手机电源基本电路 1.电池供电电路 手机电池的类型多种多样，其连接电路也多种多样，但它们都有一个共同特点：电池电源通常用VBATT、VBAT、BATT、BATT+表示。也有用VB、B+来表示的。 对于摩托罗拉MOTOROLA 手机来说，既可以通过电池供电，也可以通过外接电源供电，电池供电用BATT+表示，外接电源用EXT-B+表示，经过外接电源和电池供电转换后的电压一般用B+，表示。 有的手机电池电路中还有一个比较重要的信号线路—电池识别电路。电池通过四条线和手机相连。即电池正极(BATT等)、电池信息(BSI、BATID、BATT-SER-DATA等)、电池温度(BTEMP)、电池地(GND)。此信号线通常是手机厂家为防止手机用户使用非原厂配件而设置的，它也用于手机对电池类型的检测，以确定合适的充电模式。其中，电池信息和电池温度与手机的开机也有一定的关系。接触不良，手机也可能不开机。 2.开机信号电路 手机的开机方式有两种，一种是高电平开机，也就是当开关键被按下时，开机触发端接到电池电源，是一个高电平启动电源电路开机；一种是低电平开机，也就是当开关键被按下时，开机触发线路接地，是一个低电平启动电源电路开机。 爱立信的手机基本上都是高电平触发开机。摩托罗拉MOTOROLA 、诺基亚NOKIA 及其他多数手机都是低电平触发开机。如果电路图中开关键的一端接地，则该手机是低电平触发开机，如果电路图中开关键的一端接电池电源，则该手机是高电平触发开机。 开机信号常用ON／OFF或PWR-SW、PWRON、nPOWKEY等表示。另外，在开机信号电路中，会看到一个开机维持信号(看门狗信号)，这个信号采自于CPU，以维持手机的正常开机，开机维持信号常用WDOG、DCON、CCONTCSX、PWERON等表示。 3.升压电路 手机的电池电压较低，而有些电路则需要较高的工作电压，另外，电池电压随着用电时间的延长会逐渐降低，为了供给手机各电路稳定的、且符合要求的电压，手机的电源电路常采用升压电路。下面以摩托罗拉MOTOROLA V998手机的升压电路为例进行说明。有关电路图见图4-34所示。 该升压电路其实一种开关稳压电源，开关稳压电源最明显的特点是电路中有一个电感，在V998中这个电感就是L901，许多人称它为升压电感，这是不确切的，这个电感是储存能量用的，所以叫储能电感，它还要和电源工C(U900)、放电电容(C934)、续流二极管(CR901)配合起来工作才能稳压供电。 电源IC(U900)在开关稳压电源中的作用象一个高级开关，为什么称它为高级开关呢?因为这个开关合上与断开时间的长短可以随着输入和供出的电压高低而自动改变，供出电压变高了，合上的时间就变短一些，反之则反。合上的时间可以改变，实质上是调整了脉冲的宽度，叫做脉冲宽度调制(PWM) 两次合上之间或两次断开之间的时间叫做脉冲的周期，当输入电压(在V998手机中为B+)变低的时候，脉冲的周期也能自动变长，同时合上的时间自动变长，再加上L901自感电动势作用，使输出(供电出去)的电压不致下降。周期变长就是频率降低，实质上是调整了脉冲的频率，所以叫做脉冲频率调制(PFM)。 周期不变，开关合上时间变长或断开时间变短(叫做改变占空比)都可以使输出的平均电压变高(调宽)，或者使相邻脉冲到来的时间变短(调频，改频周期)，也能使输出的平均电压变高。 在V998手机中的开大稳压电源这两种方式同时被采用了，所以叫做调宽、调频式开关稳压电源。 手机加上稳压电源后，不开机，在C934与地之间就可测到B+电压，这是因为CR901处于正向偏置，C934立即被充至B+的缘故。 单板开机，CR901正极波形如图所示，可以看到是一个周期性的波形，周期约7微秒到8微秒，当电源电压调到3.6V时，周期为7.48us，频率为133.7kHz，电源电压调至3V时，周期变长了一点，为8.1us，频率为123.5kHz，这说明，输入电压(B+)降低时，高级开大的频率变低了，这叫PFM--调频，即开关脉冲的频率被调节了，目的是使输入电压变低的电压调回来。而且开关频率如此之高，输出电压的波纹也小，与此变化的同时，也发生着脉冲宽度的变化(调宽)。这样使B点即供给U900内的稳压器的电压，在V998手机中称之为VBOOST保持5.6V不变，这就是稳压器在起作用。 稳压过程是：当输入电压(B+)变低时，U900内的误差比较放大电路控制“高级开关”的导通时间变长，这样，L901中流过电流的时间变长，电流越来越大，储存的能量也越多，电感L901的电流在突然被切断时，L901产生左正右负的感应电压，它与B+串联后，总电压仍维持在6.4V，使C934电压为5.6V。达到了稳压的做用，反之变反。 续流二极管CR901为开关断开后为电路提供一个放电通路，使电流变成连续的，所以称为续流二极管，而且电流只能从A点流向B点，如果CR901短路，电流就变为500mA，这是C934两端的电压又通过“高级开关”流回的短路电流。时间一长，电源IC中的“高级开关”就烧坏了。 其它手机也常采用开关稳压升压电源，如三星samsung 三星samsung A188手机，不过三星samsung 三星samsung A188手机的“高级开关”放在电源IC的外面了，即Q401。有关电路图见图4-35所示。 电路正常工作后，在电源集成电路U401的39脚，将产生一稳定的5V升压电压(VBOOST)。 4、非受控电源输出电路 手机中的很多电压是不受控的，即只要按下开机键就有输出，这部分电压大部分供给逻辑电路，基准时钟电路，以使逻辑电路具备工作条件(即供电、复位、时钟)，并输出开机维持信号，维持手机的开机。 非受控电压一般是稳定的直流电压，用万用表可以测量，电压值就是标称值。 5.受控电源输出电路 手机中除非受控电压外，还输出受控电压，也就是说，输出的电压是受控的，这部分电压大部分供给手机射频电路中的压控振荡器、功放、发射VCO等电路。手机为什么要输出受控电压呢?主要有两个原因：一是这个电压不能在不需要的时候出现，否则手机就乱套了。二是为了省电，使部分电压不需要时不输出。 受控电压一般受CPU输出的RXON、TXON等信号控制，由于RXON、TXON信号为脉冲信号，因此，输出的电压也为脉冲电压，需用示波器测量，用万用表测量要小于标称值。第六节手机电路中的常用英文缩写 手机电路中各种英文缩写很多，掌握了解这些缩写对我们分析电路帮助很大。下面，介绍在手机中较常 |
