GSM手機射頻工作原理與電路分析

1、GSM手機射頻工作原理與電路分析GSM手機射頻工作原理與電路分析2 Outline匹配網(wǎng)絡(luò)（Matching）收發(fā)雙工器（Diplexer）聲表面波濾波器聲表面波濾波器( (SAW)SAW)（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GSM手機射頻工作原理與電路分析3匹配網(wǎng)絡(luò)（Matching）匹配的定義：后級輸入阻抗與前級輸出阻抗共扼匹配網(wǎng)絡(luò)的類型： L型 T型 型GSM手機射頻工作原理與電路分析4天線匹配的舉例返回GSM手機射頻工作原理與電路分析5收發(fā)雙工器（Diplexer）收發(fā)合用

2、一路天線，因此使用天線收發(fā)雙工器（Antenna Switch）4/對發(fā)射為對發(fā)射為openTXRX為發(fā)射波長為發(fā)射波長對接收為對接收為shortGSM手機射頻工作原理與電路分析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LMC33Data Sheet返回GSM手機射頻工作原理與電路分析7聲表面濾波器（SAW） 在手機中，接受信號從天線開關(guān)到接收處理電

3、路之間采用聲表面濾波器（SAW）聲表面濾波器（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轉(zhuǎn)換為平衡信號的功能。SAW的濾波特性詳見 SAW Data Sheet lc03c lc66e返回GSM手機射頻工作原理與電路分析8平衡網(wǎng)絡(luò)（Balance）Balance電路構(gòu)成： UI 分別經(jīng)過低通、高通得到反相的UO1 、UO2LCCULjCjCjUUIIo11111LCCLUIUO1UO2CLLULjCjLjUUIIo112RdiffRsRsRs：特性阻抗 Rdiff ：輸入阻抗GSM手機射頻工作原理與電路分析9由計算可知UO1 、UO2始終有180度相差（D

4、ifferential）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 Rdiff ：輸入阻抗該電路可能集成于SAW中diffsdiffsRRfCfRRL212GSM手機射頻工作原理與電路分析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/PO/PI/PO/PI/PO/PC返回GSM手機射頻工作原理與電路分析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)、信號與檢測等多個方面。 鎖相環(huán)四個基本構(gòu)成元素 基本構(gòu)成電路分析 鎖相環(huán)在手機中應(yīng)用舉例 G

5、SM手機射頻工作原理與電路分析12鎖相環(huán)四個基本構(gòu)成元素鑒相器（PD）鑒頻器（FD）鑒相鑒頻（PFD）： PD/FD/PFD是一個相位/頻率比較裝置，用來檢測輸入信 號與反饋信號之間的相位/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 參考信號源（Reference signal source）： 參考信號源提供與反饋信號鑒相鑒頻用的對比輸入信號GSM手機射頻工作原理與電路分析13PLL Block Diagram返回GSM手機射頻工作原理與電路分析14基本構(gòu)

6、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 Oscillator）分頻器（DIV）GSM手機射頻工作原理與電路分析15鑒相器（Phase Detector）鑒相器的主要作用:檢測輸入信號與反饋信號之間的相位差。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GSM手機射頻工作原理與電路分析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

7、：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的輸出信號需經(jīng)過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)。GSM手機射頻工作原理與電路分析17環(huán)路低通濾波器（Low Pass Filter）phasedetectorRzCzCpVCOR4C4To important the transient characteristics The loop can track better a change in input frequ

8、encyTo further reduce the phase noise of the charge pumpGSM手機射頻工作原理與電路分析18環(huán)路低通濾波器的應(yīng)用舉例返回GSM手機射頻工作原理與電路分析19 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。LC10GSM手機射頻工作原理與電路分析20分頻器（DIV）鎖相環(huán)通常用于N倍參考頻率的發(fā)生器

9、： 其中N為分頻比，它由環(huán)路中分頻器DIV提供 參見分頻器 rfNf0返回GSM手機射頻工作原理與電路分析21鎖相環(huán)在手機中應(yīng)用舉例RX（接收）頻率合成器 GSM手機射頻工作原理與電路分析22TX-VCO鎖相環(huán)路 GSM手機射頻工作原理與電路分析23收發(fā)器（Transceiver）收發(fā)器即調(diào)制解調(diào)器 調(diào)制：發(fā)射時基帶信號加載到射頻信號 解調(diào)：接收時射頻信號過濾出基帶信Transceiver根據(jù)其工作頻率可分為：單頻、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)GSM手機射頻工作原理與電路

10、分析24Transceiver 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PLL（包括一個內(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)時鐘、RXVCO、TXVCO、基帶控制信號等詳見UAA3535 Data Sheet 我們需要研究其內(nèi)部各重要節(jié)點的頻率、 帶寬，信號轉(zhuǎn)換的流程等細(xì)節(jié)GSM手機射頻工作原理與電路分析25返回GSM手機射頻工作原理與電路分析26衰減網(wǎng)絡(luò)（Attenuation）為了達(dá)到系統(tǒng)中對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)

11、通常衰減網(wǎng)絡(luò)形式有：T型、 型衰減網(wǎng)絡(luò)的計算 型衰減網(wǎng)絡(luò)型衰減網(wǎng)絡(luò)型衰減網(wǎng)絡(luò)型衰減網(wǎng)絡(luò)R1R2R3R1R2R3GSM手機射頻工作原理與電路分析27衰減網(wǎng)絡(luò)的計算已知網(wǎng)絡(luò)參數(shù)求衰減系數(shù)A Zin1： 短路輸入電抗 Zin2： 開路輸入電抗 Zout1：短路輸出電抗 Zout2： 開路輸出電抗2121212111lg1011lg10)(outoutoutoutininininZZZZZZZZdBAGSM手機射頻工作原理與電路分析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T型： 對型： )(1lg20dBAKoutinVVK 1211203021KKRRKKRRRKKR

12、RKKRRR2111201032GSM手機射頻工作原理與電路分析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)可以緩和前級與后級的阻抗變化 GSM手機射頻工作原理與電路分析30衰減網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用返回GSM手機射頻工作原理與電路分析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)路可以將功率較穩(wěn)定的控

13、制在我們的設(shè)定值上，這個設(shè)定值可以隨時間根據(jù)需要不斷變化。GSM手機射頻工作原理與電路分析32功率控制環(huán)路構(gòu)成功率放大器功率放大器功率耦合器功率耦合器檢檢波波器器功率功率比較比較控制器控制器PISourcefromVCOCouplingPowerPcPo比較信號比較信號用于用戶用于用戶設(shè)定功率值設(shè)定功率值耦合檢波信號耦合檢波信號差值功率差值功率控制信號控制信號功率功率控制控制環(huán)路環(huán)路返回GSM手機射頻工作原理與電路分析33功率放大器（Power Amplifier）目前手機用PA一般是厚膜模擬電路制成，它要求將低功率射頻信號線性無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

14、出功率（壓縮點）線性放大對輸入功率要求輸入、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的形式及要求噪聲特性等等 詳見PA-BGY280 Data Sheet返回GSM手機射頻工作原理與電路分析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GSM手機射頻工作原理與電路分析35功率檢波

15、器（Power Detector）功率檢波器對Coupler的耦合高頻信號進(jìn)行包絡(luò)檢波進(jìn)而得到一個體現(xiàn)耦合信號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，后級常為低通積分電路。例如：Coupler 輸出輸出耦合電容耦合電容Cc檢波檢波二極管二極管D檢波電壓輸出檢波電壓輸出低通低通積分積分電路電路GSM手機射頻工作原理與電路分析36負(fù)包絡(luò)檢波的對二極管要求： 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，若極電容過大，將會使負(fù)包絡(luò)過多的耦合流失到低，導(dǎo)致檢波效果變差 返回GSM手機射頻工作原理與電路分析37 功率比較、控制器 Power Comparator&

16、;Controller功率比較、控制器的功能： 功率比較器將功率檢波信號與設(shè)定功率信號相比較得到一個功率控制信號給功率控制器，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PCF5078 Data Sheet GSM手機射頻工作原理與電路分析38功率控制環(huán)路（APC）的應(yīng)用返回GSM手機射頻工作原理與電路分析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)GSM手機射頻工作原理與電路分析40通用濾波網(wǎng)絡(luò)濾波器是抑制除特定帶寬以外信號及噪聲的裝置。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； 無源濾波器、有源濾波器 以下我們以單階無源濾

17、波器為例做一些簡介GSM手機射頻工作原理與電路分析413dB3dBRRLLCCUUfffHfL單階無源低通（LP） 單階無源高通（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)GSM手機射頻工作原理與電路分析42低通濾波器的3dB衰減點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GSM手機射頻

18、工作原理與電路分析43電源濾波去耦網(wǎng)絡(luò)對于射頻電路而言，電源穩(wěn)定由特別重要的意義，不僅它自身不穩(wěn)定會影響電路性能，而且各用電單元也會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。實際電路中電源去耦電路無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。GSM手機射頻工作原理與電路分析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/關(guān)時間以外是直流穩(wěn)定的，不希望它的端電壓出現(xiàn)紋波、抖動、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

19、分提供一個到地的通路，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)。GSM手機射頻工作原理與電路分析45電源濾波去耦網(wǎng)絡(luò)基本構(gòu)成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；用用電電單單元元Power BatteryDecouplingResistor/InductorDecouplingCapacitorR/LC1

20、C2GSM手機射頻工作原理與電路分析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，我們還使用扼流磁珠來獲得更強的隔離效果。 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能提供好的通路，而在高頻時由于其寄生電感的存在阻抗將變大無法提供濾波通路； 陶瓷電容C2由于其容量一般較小，所以在低頻時阻抗較大無法提供濾波通路，而在高頻時阻抗變小則會有很好的濾波特性； 這樣可以看出C1、C2的濾波特性是互補的，需要同時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。 詳見高速電路板設(shè)計技術(shù)GSM手機射頻工作原理與電路分析47電源濾波去耦網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用GSM手機射頻工作原理與電路分析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)驗比例 一般應(yīng)用時取電容標(biāo)稱值在計算值附近就可以了C2的選擇： C2uF以下取值 trUBurstUt