手機RF原理及設(shè)計

1、手機設(shè)計開發(fā)流程手機RF原理雙頻手機RF部分的設(shè)計高頻板布線要求手機設(shè)計流程Lagaut、一些基本原則建立完整的Lagaut思想信號環(huán)路是一切的基礎(chǔ)。系統(tǒng)仿真，計算傳輸函數(shù)。實際Lagaut仿真考慮Lagaut限制下的在線仿真。熱分析確定在各種條件下熱分布，以提供靈敏度設(shè)計的參數(shù)。選擇套片、可靠性、成本、開發(fā)周期、兼容性。構(gòu)建原理圖，注意系統(tǒng)特性。理想狀態(tài)下版圖仿真不考慮布版限制的仿真。做FTA測試制作PCB板貼片，調(diào)試一手機原理1接收部分天線開關(guān)為FET器件（雙工器）是一個雙刀擲模擬開關(guān)，其中一個刀進行收發(fā)信號切換，另一個刀接測試口，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

2、RXE和TXE。當控制信號RXEN為高電平時，天線開關(guān)處于接收狀態(tài)，接收信號通過天線開關(guān)進入陶瓷帶通濾波器BPF3，BPF2進行高頻濾波，然后再經(jīng)過耦合電容C103，C19，C109送到PMB6253內(nèi)進行低噪聲放大，放大后的信號送入混頻器，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RXVCO一起送入混頻器完成兩信號的混頻，混頻后產(chǎn)生中頻信號經(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。中頻信號在收發(fā)IC內(nèi)完成接收信號正交解調(diào)處理，完成解調(diào)處理后產(chǎn)生模擬接收基帶信號，RXI/RXQ接收I/Q基帶信號分別從IC的8、9腳輸出。在收發(fā)IC、U1內(nèi)部，接收部分

3、包括中頻、中頻放大、混頻、PLL。13MHZ主時鐘、主壓器振蕩器、接收中頻和發(fā)射中頻等。手機高頻原理方向圖JAVA手機 二 發(fā)射部分經(jīng)CPU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TXIFIN與TXVCO在U1內(nèi)進行混頻，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，達到改變發(fā)射信號的功率等級。當控制信號TXEX為高電平時，天線開關(guān)于發(fā)射狀態(tài)。Panasonic P211i GSM900/DCS1800 雙頻手機RF部分的設(shè)計 Desige

4、of RF Unit for GSM900/DCS1800 Dual-band Handset 現(xiàn)介紹GSMDCSl800雙頻段手機RF部分的基本工作原理和各單元的設(shè)計方案、技術(shù)指標和參數(shù)計算。對幾種不同的雙頻手機RF方案，在經(jīng)過分析和比較之后，提出一種性能價格比較高的技術(shù)方案。 GSM手機屬高科技通信產(chǎn)品，其銷售對象是千家萬戶，因此對手機的性能價格比要求特別高，手機的利潤只能體現(xiàn)在大批量的生產(chǎn)和銷售中。針對這種情況，在滿足歐洲電信標準ETS GSMll10技術(shù)規(guī)范的前提條件下，RF部分的設(shè)計者必須在先行方案設(shè)計中就充分注意到性能價格比，這將對手機在未來的市場上能否有競爭力產(chǎn)生十分重要的影響。

5、 GSM手機的性價比是由各個組成單元的性價比來決定的，所以，對RF部分各個單元電路進行認真、細致的分析和比較，這對于提高整機的性價比是十分重要的。 l GSM900DCSl800雙頻手機的特點 雙頻手機有以下特點：根據(jù)基站的控制信令，雙頻手機即可以工作在900MHz頻段網(wǎng)絡(luò)，也可以工作在1800MHz頻段網(wǎng)絡(luò)，當一個網(wǎng)絡(luò)繁忙或信號質(zhì)量差時，雙頻手機可自動切換到另一個頻段的網(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，從近來國際上手機的發(fā)展趨勢和FTA(full type approval)認證的情況來看，雙頻手機以經(jīng)是主流產(chǎn)品。雙頻手機在兩個不同的工作頻段上，其基帶部分信源編碼、信道編碼

6、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RF部分的主要技術(shù)指標和設(shè)計要求 GSM900MHz部分的主要RF指標如下： 工作方式： TDMATDD 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 每載波時隙數(shù)： 8(當前全速率)16(今后半速率) 每幀長度： 4615ms，每時隙長：577s 傳輸速率： 270833kbps(即在每時隙上傳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/

7、RBER(Resiodual BER)2 動態(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° 射頻輸出功率：5級(33dBm)-19級(5dBm)，級差：2dB，共有15個功率等級。 DCS1800部分的主要RF指標： 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

8、出功率：3級(24dBm)-15級(0dBm)，共有13級功率；步進2dB 3 雙頻手機RF部分基本工作原理   31 RF部分基本組成框圖 32 GSM900下行鏈路接收機單元 由蜂窩小區(qū)基站發(fā)出的已調(diào)載波通過Um無線接口，傳到手機天線端。在接收時隙接收到的信號先通過收發(fā)隔離器，再經(jīng)過GSM900MHz的LNA(低噪聲放大器)，將微伏量級的弱信號放大。放大后的信號經(jīng)過GSM900的第一RF混頻器后，將得到的第一中頻信號進行窄帶(200kHz)濾波，以濾除帶外噪聲，保證接收機選擇性指標。然后信號經(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

9、信號由具有AGC功能的第二中頻放大器進行放大。放大后的信號進入IQ正交解調(diào)器解調(diào)，正交解調(diào)后的模擬I、Q信號平衡輸出到后面的基帶、音頻部分等待作進一步的信道譯碼和倍源譯碼處理。 DCS1800MHz頻段接收單元的信號處理過程與GSM900相同，只是工作頻段不同而已。接收機中AGC的作用是：當天線端的RF信號電平在大范圍內(nèi)變化時，保證IQ輸出信號的電平基本不變；在監(jiān)聽時隙探測相鄰小區(qū)基站的下行廣播信號強度，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，在發(fā)射時隙期間雙端平衡輸入到中頻IQ正交調(diào)制器，調(diào)制后的中頻信號經(jīng)過發(fā)射中頻聲表面(SAW)窄帶濾波器

10、(200kHz)，濾波后的信號經(jīng)過上變頻后，再經(jīng)過35MHz帶寬的900MHz發(fā)射濾波器，濾波器輸出的信號先通過功率激勵級放大以達到末級RF功放(PA)所需的激勵電平。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功率電平等級滿足5dBm-33dBm的變化要求，以避免在多用戶組網(wǎng)時發(fā)生“遠近”干擾。 DCS1800MHz頻段發(fā)射單元的信號處理過程與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   在滿足技術(shù)要求的前提下，

11、可以有幾種不同的接收機RF解決方案： (1)3次變頻方案：采用此法頻率合成器實現(xiàn)復(fù)雜，中頻頻點多，容易產(chǎn)生組合干擾，一般不采用。 (2)2次變頻方案：為簡化電路，第2中頻頻點選取手機的基準時鐘頻率13MHz或其2分頻 65MHz。這種方案在早期的接收機中廣泛采用。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濾波器指標的提高，這種方案在目前的手機電路中廣泛采用。它可以簡化電路，從而降低制造成本，而選擇性指標仍可滿足技術(shù)要求。目前許

12、多雙頻手機采用了這種方案。 (4)零中頻直接解調(diào)的方案：因為以前AD變換器和DSP的技術(shù)水平不能滿足實時處理數(shù)百MHz高頻信號的要求，而且噪聲、選擇性和功耗指標也難以保證，所以，采用這種方案到現(xiàn)在才剛剛開始。41計算理論靈敏度和估算實用靈敏度 根據(jù)噪聲功率的計算公式：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)，對于GSM體制，取200kHz。 計算結(jié)果為：噪聲功率：10lgPN1mW10lgPN十30一121dBm 上述計算結(jié)果為在理想情

13、況下的噪聲功率，在實際應(yīng)用中，還要考慮前端失配的影響(約1dB)，收發(fā)隔離器的影響(約2dB)，接收機NF(約2dB)，基帶部分的解調(diào)門限（約9dB/RBER2?；谏鲜隹紤]，我們可以估算出實用靈敏度約為：實用靈敏度-121十1十2十2 十9-107dBm 對于DCSl800頻段，它的實用靈敏度約為：DCSl800頻段的實用靈敏度-121十2十2十3十9一105dBm 42 下行鏈路接收機增益分配計算 ETS GSMll10技術(shù)規(guī)范中要求手機的參考靈敏度為-102dBm/RBER2 (GSM900)和-100dBmRBER2(DCSl800)。從生產(chǎn)的角度考慮手機的設(shè)計者應(yīng)將該項指標略為提高，

14、可分別選為-106dBm和-104dBm。將模擬IQ路單端輸出的直流電平值設(shè)計為500mVpp(177mV有效值)，這樣，整個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)和增益指標會變得差一些，這時接收機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

15、為80dB，整個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一般由一級放大器來完成，其增益不能太高，否則，整機抗阻塞和互調(diào)指標難以達到。 (3)功耗：4mA8mA(FET管)，12mA(雙極型管)。 (4)具有鍵控式AGC控制功能(通過偏置控制來實現(xiàn))。 LNA的NF、CP和輸入、輸出阻抗匹配對于收機整機指標將產(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)：6dB-8dB，GP：

16、8dB10dB (3)本振電平：-5dBm0dBm，過高的本振電平會產(chǎn)生手機功耗加大，EMC性能變差的問題45 第1中頻頻點和IF SAW濾波器選擇時應(yīng)考慮的因素 (1)高階組合干擾頻率點數(shù)越少越好，有利于抑制鏡像干擾頻率(選高本振、高中頻)；(2)同時兼顧GSM900和DCSl800頻段的要求； (3)IF頻率點選得過低時，易產(chǎn)生本振干擾有用信號；IF頻率點選得過高時，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，一般IF頻點在200MHz400MHz之間選?。?(5)IF SAW濾波器插損小于8dB、帶寬200kHz46 中頻放大器設(shè)計技術(shù)要求 (1)功率增益：約

17、70dB； (2)AGC可控范圍：約70dB、步進間隔2dB，AGC的控制范圍和控制斜率會影響手機的越區(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 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)點是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，缺點是PLL要復(fù)雜一些，易產(chǎn)生互調(diào)干擾。

18、 (2)采用單中頻：這種方案的優(yōu)點是PLL電路簡單，不易產(chǎn)生互調(diào)干擾，F(xiàn)e和Pe指標比較好，缺點是選擇性指標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)點是電路簡單，缺點是選擇性指標比較差，F(xiàn)e和Pe指標難以保證。 (4)末級TxVCO采用上變頻：其優(yōu)點是電路相對簡單，缺點是Fe和Pe指標稍差。 (5)末級TxVCO采用PLLVC0：其優(yōu)點是Fe和Pe指標容易保證，缺點是電路要相對復(fù)雜一些。 (6)采用開環(huán)控制的PA：此方案的優(yōu)點是可以省去定向耦合器、功率檢測和比較電路，外圍電路相對簡單一些。該方法的缺點是要在PA的供電回路中采用一個大電流(1dmax6

19、A)的MOS開關(guān)管(其作用是相當于一個有源降壓電阻)，而該管在使用中的故障率比較高，從而造成手機無法開機的故障。 (7)采用閉環(huán)控制的PA：優(yōu)點是PA直接和電池連接，而不用MOS管，故穩(wěn)定性、可靠性比較高，缺點是需要用定向耦合器、功率檢測和比較電路，電路要復(fù)雜一點。 我們認為采用發(fā)射單中頻，末級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)中頻頻點選擇200MHz400MHz之間； (2)I/Q輸入直流偏置電平：1V15V，IQ輸入交流電平：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

20、4。； (4)IF輸出電平：0dBm5dBm。   52 RF變頻器和PA設(shè)計技術(shù)要求 (1)供電電壓：DC：31V45V(標稱工作電壓：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)檢測控制； (4)調(diào)制頻譜、開關(guān)頻譜、功率等級指標均應(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； (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，對于GSM900應(yīng)能達到35dBm

21、，對于DCSl800應(yīng)能達到26dBm。 6 頻率合成器設(shè)計 基于前面的考慮，收發(fā)信機均采用一次變頻技術(shù)獲得較高的性能價格比。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)信機采用不同的中頻頻點：缺點是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)信機共用中頻部分：采用此法可使電路簡化，降低成本，提高可靠性。 (3)在同一頻段內(nèi)(同在GSM900或DCSl800)接收中頻和發(fā)射中頻采用不同的頻點：采用此法PIL電路和控制相對復(fù)雜一些。 (4)在不同的頻段內(nèi)，收發(fā)中頻頻點均相同：采用此

22、法的理論依據(jù)是GSM900DCSl800均采用TDMA體制。采用該法可使整個PLL電路和控制最為簡單、實用。 61 IF和RF頻率合成器鑒相頻率的選擇 因為IF是一個固定的頻點，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，對于GSM而言，鑒相頻率可取200kHz(CH)或100kMz(05CH)，一般取200kMz。62 鎖定時間 根據(jù)GSM通信體制的要求，鎖定時間需同時滿足下列兩個條件： (1)按幀(時隙不變)進行跳頻，跳頻速率：217跳/秒，根據(jù)GSM TDMA的幀結(jié)構(gòu)，要求TlockT幀T時隙

23、7時隙長7×0577=4ms。 (2)GSM技術(shù)規(guī)范中要求，具有相同幀號的上行幀和下行幀之間，在時間上相差3個時隙(上行幀滯后)，同時要求手機能在這三個時隙的時間內(nèi)，進行信道的切換和調(diào)諧，故鎖定時間應(yīng)滿足： Tlock3時隙3×0577173ms。 綜合起來，RF頻率合成器的鎖定時間應(yīng)小于：173ms7 GSM900DCSl800雙頻手機RF部分解決方案的方框圖 關(guān)于圖2的幾點說明： (1)接收機采用一次變頻方案，LNA的AGC控制采用鍵控控制方式，即通過控制LNA的偏置電流來實現(xiàn)。GSM900和DCS1800這兩個頻段的接收部分僅是RF調(diào)諧器不同，中頻以后的部分相同。 (

24、2)發(fā)射單元采用一次變頻方案，GSM900和DCSl800兩頻段在IF之前的部分是相同的。采用了PLL控制發(fā)射VC0的方案，該方案比上變頻的方案能獲得更好的頻率誤差，特別是相位誤差指標。 (3)為簡化電路，可使發(fā)射中頻等于接收中頻，其值根據(jù)具體情況可在200MHz400MHz之間選取。(4)為使雙頻段調(diào)諧器的VC0易于實現(xiàn)GSM900的第一本振采用高本振，而在DCS1800頻段則采用低本振。第一本振的工作頻率可用下式來計算： EGSM900接收狀態(tài)：925十FIF960十FIF MHz E-GSM900發(fā)射狀態(tài):880十FIF915十FIF MHz DCSl800接收狀態(tài):1805-FIF18

25、80- FIF MHz DCS1800發(fā)射狀態(tài)： 1710-FIF1785-FIF MHz 上式中FIF代表中頻頻率。 (5)為保證手機的EMC性能和降低功耗，LNA、接收中頻放大和解調(diào)、調(diào)制器、PA、PLL、TXVC0這些單元的供電宜采用單獨的電源供電。  測試所使用儀器手機電路板的布線與工藝一、印制電路板的設(shè)計對單片機系統(tǒng)能否抗干擾非常重要。要本著盡量控制噪聲源，盡量減小噪聲的傳播與耦合，盡量減小吸收這三大原則設(shè)計印制電路板和布線。1、印制電路板要合理分區(qū)，單片機系統(tǒng)通?？煞譃槿齾^(qū)，即模擬電路區(qū)（怕干擾），數(shù)字電路區(qū)（抗干擾，又產(chǎn)生干擾），功率驅(qū)動區(qū)（干擾源）。2、印制板單點接地

26、原則送電。三個區(qū)域的電源線，地線由該點分三路引出，噪聲元件與非噪聲元件要離得遠一些。3、時鐘振蕩電路，特殊高速邏輯電路部分用地線圈起來，讓周圍電場趨近于零。4、I/O驅(qū)動器件，功率放大器件盡量靠近印制板的邊，靠近引出接插件。5、能用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率的時鐘，時鐘產(chǎn)生器要盡量靠近用到該時鐘的器件。6、石英晶體振蕩器外殼要接地，時鐘線要盡量短，且不要引得到處都是。7、使用45度的折線布線，不要使用90度折線，以減小高頻信號的發(fā)射。8、單面板，雙面板，電源線，地線要盡量粗，信號線的過孔要盡量少。9、四層板比雙面板噪聲低20dB，6層板比4層板噪聲低10dB。經(jīng)濟條件允許時盡量用多層板。10、關(guān)鍵

27、的線盡量短并要盡量粗，并在兩邊加上保護地，將敏感信號和噪聲場帶信號通過一條扁帶電纜引出的話，要用地線信號地線方式引出。11、石英振蕩器下面不要形成環(huán)路，如不可避免，環(huán)路應(yīng)盡量小。12、時鐘線垂直于I/O線比平行于I/O線干擾小，時鐘線要遠離I/O線。13、對A/D類器件，數(shù)字部分可繞一下也不要交叉，噪聲敏感線不要與高速線、大電流平行。14、單片機及其它IC電路，如有多個電源、地端的話，每端都要加一個去耦電容。15、每個IC要有一個去耦電容，要選擇信號好的獨石電容作去耦電容。去耦電容焊在印制電路板上時，引腳盡量短。16、從高噪聲區(qū)的信號要加濾波，繼電器線圈處要加放電二極管。可以用一個電陰的辦法來軟化IO