GSM手機(jī)RF工作原理（課堂PPT）

1、2021/3/5,1,GSM手機(jī)射頻工作原理與電路分析,2021/3/5,2,Outline,匹配網(wǎng)絡(luò)（Matching） 收發(fā)雙工器（Diplexer） 聲表面波濾波器(SAW) 平衡網(wǎng)絡(luò)（Balance） 鎖相環(huán)（PLL） 收發(fā)器（Transceiver） 衰減網(wǎng)絡(luò)（Attenuation） 功率控制環(huán)路（APC） 濾波網(wǎng)絡(luò)（Filter） 其它,2021/3/5,3,匹配網(wǎng)絡(luò)（Matching,匹配的定義：后級(jí)輸入阻抗與前級(jí)輸出阻抗共扼 匹配網(wǎng)絡(luò)的類型： L型 T型 型,2021/3/5,4,天線匹配的舉例,返回,2021/3/5,5,收發(fā)雙工器（Diplexer,收發(fā)合用一路天線，因此

2、使用天線收發(fā)雙工器（Antenna Switch,對(duì)發(fā)射為open,TX,RX,為發(fā)射波長(zhǎng),對(duì)接收為short,2021/3/5,6,收發(fā)雙工器的特性參數(shù)（TX/RX,Frequency Range (MHz) Insertion Loss (dB) Attenuation(dB) V.S.W.R. Isolation (dB) Harmonics 2xfo, 3xfo (dBc) Power Capacity (dBm) 詳見(jiàn)LMC33Data Sheet,返回,2021/3/5,7,聲表面濾波器（SAW,在手機(jī)中，接受信號(hào)從天線開(kāi)關(guān)到接收處理電路之間采用聲表面濾波器（SAW） 聲表面濾波器

3、（SAW）可以提供較寬的通頻帶、較低的損耗，此外有的SAW器件還集成有將非平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為平衡信號(hào)的功能。 SAW的濾波特性詳見(jiàn) SAW Data Sheet lc03c lc66e,返回,2021/3/5,8,平衡網(wǎng)絡(luò)（Balance,Balance電路構(gòu)成： UI 分別經(jīng)過(guò)低通、高通得到反相的UO1 、UO2,L,C,C,L,UI,UO1,UO2,Rdiff,Rs,Rs,Rs：特性阻抗,Rdiff ：輸入阻抗,2021/3/5,9,由計(jì)算可知UO1 、UO2始終有180度相差（Differential）適合在Balance系統(tǒng)上傳輸。 L、C的取值要求： f：系統(tǒng)中心頻率 Rs：特性阻抗 R

4、diff ：輸入阻抗 該電路可能集成于SAW中,2021/3/5,10,差模、共模在Balance系統(tǒng)上的傳輸,差模（Differential Mode） A B B的傳輸量為A的一半 共模（Common Mode,I/P,O/P,I/P,O/P,I/P,O/P,C,返回,2021/3/5,11,鎖相環(huán)（PLL,鎖相環(huán)應(yīng)用于濾波、頻率綜合、調(diào)制解調(diào)、信號(hào)與檢測(cè)等多個(gè)方面。 鎖相環(huán)四個(gè)基本構(gòu)成元素 基本構(gòu)成電路分析 鎖相環(huán)在手機(jī)中應(yīng)用舉例,2021/3/5,12,鎖相環(huán)四個(gè)基本構(gòu)成元素,鑒相器（PD）鑒頻器（FD）鑒相鑒頻（PFD）： PD/FD/PFD是一個(gè)相位/頻率比較裝置，用來(lái)檢測(cè)輸入信

5、號(hào)與反饋信號(hào)之間的相位/頻率差 環(huán)路濾波器Loop Filter（LP）： LP一般為N階低通濾波器 電壓控制振蕩器（VCO）： VCO是一個(gè)電壓-頻率變換裝置 ，輸出振蕩頻率應(yīng)隨輸 入控制電壓線性地變化 參考信號(hào)源（Reference signal source）： 參考信號(hào)源提供與反饋信號(hào)鑒相鑒頻用的對(duì)比輸入信號(hào),2021/3/5,13,PLL Block Diagram,返回,2021/3/5,14,基本構(gòu)成電路分析,鑒相器（Phase Detector） 電荷泵環(huán)路低通濾波器 （Charge PumpLoop Filter ） 壓控振蕩器（Voltage Controlled Osci

6、llator） 分頻器（DIV,2021/3/5,15,鑒相器（Phase Detector,鑒相器的主要作用:檢測(cè)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之間的相位差。 鑒相器的數(shù)學(xué)模型,返回,Kdsin(,1(t,v(t,e(t) =1(t) -v(t,Vd(t)=Kdsine(t,鑒相器的數(shù)學(xué)模型,2021/3/5,16,電荷泵環(huán)路低通濾波器 （ Charge PumpLoop Filter,電荷泵的的作用主要是：給鎖相環(huán)路提供理想恒定的電流源，保持良好的線性關(guān)系，使得頻率范圍易于控制 環(huán)路低通濾波器（LPF） 由PFD的輸出信號(hào)需經(jīng)過(guò)低通濾波器再去控制VCO。一般采用電阻、電容構(gòu)成積分形式的低通濾波器，它可

7、以為單階或多階濾波器。它的通頻帶由電阻、電容參數(shù)決定，它的截止速度取決于其階數(shù),2021/3/5,17,環(huán)路低通濾波器（Low Pass Filter,phase detector,Rz,Cz,Cp,VCO,R4,C4,To important the transient characteristics The loop can track better a change in input frequency,To further reduce the phase noise of the charge pump,2021/3/5,18,環(huán)路低通濾波器的應(yīng)用舉例,返回,2021/3/5,19,

8、壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator,壓控振蕩器一般是由變?nèi)荻O管為主構(gòu)成的諧振回路： 諧振回路的中心頻率由其回路的等效L、C特性決定： 變?nèi)荻O管的等效電容量由加在其兩端的電壓控制，這樣通過(guò)電壓的變化就能轉(zhuǎn)換成回路諧振頻率的變化，就構(gòu)成了壓控振蕩器VCO,2021/3/5,20,分頻器（DIV,鎖相環(huán)通常用于N倍參考頻率的發(fā)生器： 其中N為分頻比，它由環(huán)路中分頻器DIV提供 參見(jiàn)分頻器,返回,2021/3/5,21,鎖相環(huán)在手機(jī)中應(yīng)用舉例,RX（接收）頻率合成器,2021/3/5,22,TX-VCO鎖相環(huán)路,2021/3/5,23,收發(fā)器（Transceiv

9、er,收發(fā)器即調(diào)制解調(diào)器 調(diào)制：發(fā)射時(shí)基帶信號(hào)加載到射頻信號(hào) 解調(diào)：接收時(shí)射頻信號(hào)過(guò)濾出基帶信 Transceiver根據(jù)其工作頻率可分為：?jiǎn)晤l、雙頻、三頻等 Transceiver根據(jù)其中頻特征可分為有中頻、零中頻、近零中頻等 以DB2009為例介紹Transceiver UAA3535的內(nèi)部結(jié)構(gòu),2021/3/5,24,Transceiver UAA3535（Philips,UAA3535是近零中頻收發(fā)器，它最多可以作三頻收發(fā) 它內(nèi)部有： 三個(gè)PLL（包括一個(gè)內(nèi)置VCO）、正交混頻解調(diào)器、可控增益低噪放大器、混頻調(diào)制器等 它需外接： 13MHz參考基準(zhǔn)時(shí)鐘、RXVCO、TXVCO、基帶控制

10、信號(hào)等 詳見(jiàn)UAA3535 Data Sheet 我們需要研究其內(nèi)部各重要節(jié)點(diǎn)的頻率、 帶寬，信號(hào)轉(zhuǎn)換的流程等細(xì)節(jié),2021/3/5,25,返回,2021/3/5,26,衰減網(wǎng)絡(luò)（Attenuation,為了達(dá)到系統(tǒng)中對(duì)輸入輸出功率要求高的部分的功率適配，我們通常在輸出端到輸入端之間加上功率衰減網(wǎng)絡(luò) 通常衰減網(wǎng)絡(luò)形式有：T型、 型 衰減網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算,型衰減網(wǎng)絡(luò),型衰減網(wǎng)絡(luò),R1,R2,R3,R1,R2,R3,2021/3/5,27,衰減網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算,已知網(wǎng)絡(luò)參數(shù)求衰減系數(shù)A Zin1： 短路輸入電抗 Zin2： 開(kāi)路輸入電抗 Zout1：短路輸出電抗 Zout2： 開(kāi)路輸出電抗,2021/3/5,

11、28,已知衰減系數(shù)A求網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（R0：特性阻抗） 由 求得K值： 則可得對(duì)T型： 對(duì)型,2021/3/5,29,衰減網(wǎng)絡(luò)的作用,衰減網(wǎng)絡(luò)主要是為了使輸出功率符合下級(jí)輸入功率的要求 利用衰減網(wǎng)絡(luò)可以提高系統(tǒng)的信噪比 利用50歐姆衰減網(wǎng)絡(luò)可以緩和前級(jí)與后級(jí)的阻抗變化,2021/3/5,30,衰減網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,返回,2021/3/5,31,功率控制環(huán)路（APC,功率控制環(huán)路構(gòu)成： 功率放大器（Power Amplifier） 功率耦合器（Power Coupler） 功率檢波器（Power Detector） 功率比較、控制器（Power Comparator& Controller ） 這樣構(gòu)成的環(huán)

12、路可以將功率較穩(wěn)定的控制在我們的設(shè)定值上，這個(gè)設(shè)定值可以隨時(shí)間根據(jù)需要不斷變化,2021/3/5,32,功率控制環(huán)路構(gòu)成,功率放大器,功率耦合器,檢 波 器,功率 比較 控制器,PI,Source from VCO,Coupling Power,Pc,Po,比較信號(hào) 用于用戶 設(shè)定功率值,耦合檢波信號(hào),差值功率 控制信號(hào),功率 控制 環(huán)路,返回,2021/3/5,33,功率放大器（Power Amplifier,目前手機(jī)用PA一般是厚膜模擬電路制成，它要求將 低功率射頻信號(hào)線性無(wú)失真的放大到一定功率值。 它的主要參數(shù)有： 工作頻率、帶寬 最大線性輸出功率（壓縮點(diǎn)） 線性放大對(duì)輸入功率要求 輸入

13、、輸出需要的匹配阻抗 工作電源及電壓、電流的要求 控制信號(hào)的形式及要求 噪聲特性等等 詳見(jiàn)PA-BGY280 Data Sheet,返回,2021/3/5,34,功率耦合器（Power Coupler,為了達(dá)到功率控制，我們需要使用到的功率傳感器就是功率耦合器，一般為Directional Coupler。 它的主要參數(shù)有：詳見(jiàn)LDC Data Sheet 耦合量（Coupling） 插入損耗（Insertion Loss） 隔離度（Isolation） 方向性（Directivity） 單位（dB,返回,2021/3/5,35,功率檢波器（Power Detector,功率檢波器對(duì)Coupl

14、er的耦合高頻信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波進(jìn)而得到一個(gè)體現(xiàn)耦合信號(hào)幅值大小的檢波電壓。 我們采用二極管負(fù)包絡(luò)檢波電路，后級(jí)常為低通積分電路。例如,Coupler 輸出,耦合電容Cc,檢波 二極管 D,檢波電壓輸出,低通 積分 電路,2021/3/5,36,負(fù)包絡(luò)檢波的對(duì)二極管要求： 檢波二極管D以P極為輸入端 檢波二極管的極電容要求較小的肖特基二極管，若極電容過(guò)大，將會(huì)使負(fù)包絡(luò)過(guò)多的耦合流失到低，導(dǎo)致檢波效果變差,返回,2021/3/5,37,功率比較、控制器 Power Comparator&Controller,功率比較、控制器的功能： 功率比較器將功率檢波信號(hào)與設(shè)定功率信號(hào)相比較得到一個(gè)功率控制信號(hào)

15、給功率控制器，由功率控制器產(chǎn)生控制電壓給功率放大器（PA） 它的具體參數(shù)詳見(jiàn)PCF5078 Data Sheet,2021/3/5,38,功率控制環(huán)路（APC）的應(yīng)用,返回,2021/3/5,39,濾波網(wǎng)絡(luò)（Filter,通用濾波網(wǎng)絡(luò) 電源濾波去耦網(wǎng)絡(luò),2021/3/5,40,通用濾波網(wǎng)絡(luò),濾波器是抑制除特定帶寬以外信號(hào)及噪聲的裝置。 按照不同標(biāo)準(zhǔn)它可分為： 低通、高通、帶通、帶阻濾波器； 一階、二階、高階濾波器； 無(wú)源濾波器、有源濾波器 以下我們以單階無(wú)源濾波器為例做一些簡(jiǎn)介,2021/3/5,41,3dB,3dB,R,R,L,L,C,C,U,U,f,f,fH,fL,單階無(wú)源低通（LP,單階

16、無(wú)源高通（HP,高頻截止頻率fH 與L、C參數(shù)有關(guān),低頻截止頻率fL 與L、C參數(shù)有關(guān),2021/3/5,42,低通濾波器的3dB衰減點(diǎn)的頻率為高頻截止頻率fH，它截止的斜率與其階數(shù)相關(guān) 高通濾波器的3dB衰減點(diǎn)的頻率為低頻截止頻率fL ，它截止的斜率與其階數(shù)相關(guān) 如果將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)，而且 fH fL 就能構(gòu)成帶通濾波器，其通頻帶為fL fH。 如果將低通濾波器和高通濾波器并聯(lián)，而且 fH fL 就能構(gòu)成帶阻濾波器，其阻頻帶為fH fL,濾波特性,返回,2021/3/5,43,電源濾波去耦網(wǎng)絡(luò),對(duì)于射頻電路而言，電源穩(wěn)定由特別重要的意義，不僅它自身不穩(wěn)定會(huì)影響電路性能，而且各用電

17、單元也會(huì)以電源為途徑互相傳遞干擾造成很大的不穩(wěn)定因數(shù)，去耦即去除電源與用電單元之間的交流耦合。 實(shí)際電路中電源去耦電路無(wú)論在電源輸出端還是在用電輸入端都需要，而且去耦電路離用電模塊越近達(dá)到的去耦效果越好,2021/3/5,44,電源濾波去耦網(wǎng)絡(luò)基本理論,我們一般希望電源供電除了開(kāi)/關(guān)時(shí)間以外是直流穩(wěn)定的，不希望它的端電壓出現(xiàn)紋波、抖動(dòng)、跳變等不穩(wěn)定因數(shù)存在，電源去耦網(wǎng)絡(luò)正是為這些交流成分提供了短路到地的通路。 去耦電阻、去耦電容及去耦電感構(gòu)成的低通網(wǎng)絡(luò)為電源的交流成分提供一個(gè)到地的通路，它們的參數(shù)與電源提供的電流量、需要特別濾除的頻率成分等相關(guān),2021/3/5,45,電源濾波去耦網(wǎng)絡(luò)基本構(gòu)成

18、,電源去耦低通濾波網(wǎng)絡(luò) 如右圖： 去耦電阻或電感-R/L （Decoupling Resistor/Inductor） 去耦電容-C1、C2 （Decoupling Capacitor） 以上部分部不要求全部具備， 去耦電阻及去耦電感有時(shí)就可不用 去耦電阻R在電路中將緩和電源上升、下降沿的速度，從而抑制高頻噪聲的形成,用 電 單 元,Power,Battery,Decoupling Resistor/Inductor,Decoupling Capacitor,R/L,C1,C2,2021/3/5,46,去耦電感L在回路中必然阻礙高頻交流成分達(dá)到隔離效果； 有時(shí)，我們還使用扼流磁珠來(lái)獲得更強(qiáng)的隔

19、離效果。 去耦電容由C1、C2并聯(lián)分別承擔(dān)低頻、高頻交流成分濾波的任務(wù)。 電解電容C1一般容量較大在低頻時(shí)能提供好的通路，而在高頻時(shí)由于其寄生電感的存在阻抗將變大無(wú)法提供濾波通路； 陶瓷電容C2由于其容量一般較小，所以在低頻時(shí)阻抗較大無(wú)法提供濾波通路，而在高頻時(shí)阻抗變小則會(huì)有很好的濾波特性； 這樣可以看出C1、C2的濾波特性是互補(bǔ)的，需要同時(shí)利用才能得到較寬頻的有效濾波范圍。 當(dāng)然，如果需要更寬的濾波頻段還可用更多不同 類型的電容并聯(lián)得到。 詳見(jiàn)高速電路板設(shè)計(jì)技術(shù),2021/3/5,47,電源濾波去耦網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,2021/3/5,48,電源去耦電路參數(shù)的選擇,C1的選擇： 假設(shè)電源提供電流為I， 則 K取10是經(jīng)驗(yàn)比例 一般應(yīng)用時(shí)取電容標(biāo)稱值在計(jì)算值附近就可以了 C2的選擇： C2位高頻陶瓷電容，一般在0.1uF以下取值,tr,U,Burst,返回,2021/3/5,49,其它,上拉、下拉電阻 數(shù)字控制信號(hào)的高頻抑制措施 隔直（Block）電容,2021/3/5,50,上拉、下拉電阻 上、下拉電阻是為了防止擾動(dòng)引入輸入端，保持開(kāi)關(guān)狀態(tài)的穩(wěn)定性而設(shè)置的,上拉電阻RH（Pull High） 下拉電阻RL