手機射頻基礎知識

GSM手機硬件基礎知識

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手機硬件一部程微

2004年5月10日1內容綱要射頻基礎知識GSM手機基礎知識GSM手機射頻主要器件介紹GSM手機主板GSM手機測試常用射頻儀表校準和綜測仿真技術天線基礎2射頻基礎知識3射頻基礎知識多高的頻率才是射頻？30-300kHz LF300kHz-3MHz MF3-30MHz HF30-300MHz VHF300-1000MHz UHF1-2GHz L-Band2-4GHz S-Band4-8GHz C-Band4射頻基礎知識射頻=RadioFrequency(RF)→無線中波廣播 530-1700kHz短波廣播 5.9-26.1MHzRFID 13MHz調頻廣播 88-108MHz(無線)電視 54-88,174-220MHz遙控模型 72MHz個人移動通信 900MHz,1.8,1.9,2GHzWLAN,Bluetooth(ISMBand) 2.4-2.5GHz,5-6GHz注：ISM＝Industrial,ScientificandMedical5移動通訊關注的頻段EGSM900，雙工間隔為45MHz880－915MHz 上行頻率925－960MHz 下行頻率GSM1800，雙工間隔為95MHz1710-1785MHz上行頻率1805-1880MHz下行頻率CDMA800MHz824MHz～849MHz上行頻率869MHz～894MHz下行頻率WCDMAIMT1920MHz～1980MHz上行頻率2110MHz～2170MHz下行頻率

6分布系統(tǒng)與集總系統(tǒng)分布(distributed)系統(tǒng)與集總(lumped)系統(tǒng)–環(huán)路電壓和節(jié)點電流定律在任何時候都成立嗎？ 當然，如果你的模型沒錯的話。–任何電路、元器件、連接線本質上都是分布系統(tǒng)，在某些條件下它們的分布特性可以被忽略，正如在某些條件下微積分可以簡化為四則運算–對于一條長度為l的低損耗連接線和波長為λ的信號， 當l<<0.1λ，連線可以看成理想的電路連接線(阻抗為0的集總系統(tǒng)) 當l>0.1λ，我們認為它是一個分布系統(tǒng)－傳輸線7傳輸線同軸線或同軸電纜(coaxialcable)平行雙線(twin-lead,twowire)微帶線(microstrip)8波動方程和特性阻抗9元器件和寄生參數–分立無源元件的高頻模型電阻、電容和電感的阻抗在高頻時往往與它們的標稱值有很大的偏差，這時寄生元件造成的，它們降低了元件的品質因數和自諧振頻率–自諧振頻率頻率高到一定的程度，元件的阻抗會由原來的感性變成容性或由容性變成感性，這說明寄生效應已經占據主導地位，元件無法再工作。例如右圖中一個電感電抗隨頻率的變化。10接收機體系結構超外差低中頻或近零中頻零中頻或直接變換11超外差結構經典接收機架構，性能好，成本高使用混頻器將高頻信號搬到一個低得多的中頻頻率后再進行信道濾波、放大和解調解決了高頻信號處理所遇到的困難。組合頻率干擾射頻濾波器等元器件多，不易集成12低中頻結構具有與零中頻結構類似的優(yōu)點，同時避免了DC附近的問題要求很高的鏡頻抑制比，需要結合使用抑制鏡頻的變頻結構和額外的鏡頻抑制措施13零中頻結構及主要特點零中頻接收機中LO與有用RF信道的頻率相同–不存在鏡像頻率–不需要鏡頻抑制 濾波器–信道選擇只需低通濾波器（通常集成在射頻主芯片內）直流偏移問題（DCoffset）本振泄漏和放大器直流漂移等都會造成DCoffset14發(fā)射機體系結構直接上變頻(Direct-conversion)超外差式偏置鎖相環(huán)發(fā)射電路（OPLL）15直接上變頻–結構簡單–功放對本振形成干擾(LOpullingorinjectionlocking)–本振頻率可以通過加減一個偏移量來獲得，從而避免LOpulling16超外差式–功放與本振之間具有良好的隔離度–第一本振頻率較低，可以達到較高的調制質量–復雜度較高17偏置鎖相環(huán)發(fā)射結構調制信號的帶寬通過環(huán)路濾波器來控制，可以獲得很好的帶外抑制，雜散小只能用于恒包絡調制方式18頻率合成整數分頻(Integer-N)頻率合成器小數分頻(Fractional-N)頻率合成器直接數字頻率合成(DDS)19PLL頻率合成PLL基本原理20PLL頻率合成整數分頻(Integer-N)頻率合成器分頻的作用–輸出信號經分頻以后與輸入參考信號進行鑒相，鎖定時有 fr=fo/N因此 fo=Nfr改變分頻比N即可獲得不同的輸出頻率21PLL頻率合成小數分頻(Fractional-N)頻率合成器整數分頻結構簡單，但是有一個很重要的缺點，它的參考信號(PD的輸入)頻率必須等于信道間隔(或寬度)，這帶來了一些問題：–環(huán)路帶寬受到參考頻率限制，從而影響了響應速度以及對VCO噪聲的抑制–需要很大的分頻比，放大了PD輸入端的噪聲小數分頻頻率合成器的輸出信號頻率可以以參考信號頻率的小數倍變化，解決了以上問題。22直接數字頻率合成直接數字頻率合成(DDS)–不需要VCO和其它環(huán)路元件，因此其相位噪聲、響應速度和穩(wěn)定性均優(yōu)于鎖相環(huán)頻率合成器，并且可以對數字信號直接進行調制–最高輸出頻率受時鐘、DAC等的限制，同時功耗較大23GSM手機基礎知識24無線通信系統(tǒng)和信道–蜂窩通訊與頻率復用–噪聲與干擾的普遍存在 背景噪聲 同信道干擾 相鄰和臨近信道干擾 來自其它系統(tǒng)的干擾和阻塞–無線信道的不理想性 信號隨傳播距離迅速衰減 多徑衰落：不同反射路徑的 信號在接收天線處疊加，造 成幾十dB 的信號起伏–決定了接收機靈敏度、動態(tài) 范圍、選擇性，發(fā)射機功放 的結構，信號的泄漏等指標25GSM手機射頻部分的基本概念GSM使用了TDMA和FDMA的復用方式GSM900分為1-124CH，GSM1800分為512-885CH，每個信道200kHz，每個ARFCN分為8個時隙。

P-GSM900手機發(fā)：890～915MHz；手機收：935～960MHz。E-GSM900手機發(fā)：880～915MHz；手機收：925～960MHz。

DCS1800手機發(fā)：1710～1785MHz；手機收：1805～1880MHz。

GSM的調制方式是BT=0.3的GMSK，調制速率為270.833千波特，0.3表示了高斯濾波器的帶寬和比特率之間的關系。在GSM中，數據的比特率被選擇為正好是頻偏的4倍，這可以減小頻譜的擴散，增加信道的有效性。26GSM的多址方案FDMA與TDMA的混合方式每個載波帶寬為200kHz，含8個物理信道。27幀結構時隙（Slot)：一個時隙為15/26ms（約0.577ms）,包含156.25個碼元突發(fā)脈沖序列（Burst）：一個時隙的物理內容稱之為一個突發(fā)序列幀（Frame）：每個TDMA幀含8個時隙，共占60/13=4.615ms多個TDMA幀構成復幀多個復幀構成超幀（SuperFrame）,51*26個TDMA幀超高幀由2048個超幀構成28幀結構示意圖29BurstBurst分為：常規(guī)Burst，接入Burst，F(xiàn)Burst和SBurst30GSM手機射頻部分框圖前端開關(Front-endSwitchModel)收發(fā)芯片(Transeiver)功率放大器+功率控制芯片(PA+PAControlIC)溫補壓控晶體振蕩器(TCVCXO)GSM900(Rx)GSM1800(Rx)天線基帶芯片(B.BBlock)IQIQClockDataLeAFC

APC(PA_Lever)GSM900(Tx)GSM1800(Tx)RefClockcontrol31手機射頻主芯片的發(fā)展趨勢射頻方案ADIOthello

ADIOthellooneADIOthelloTVTIPascalTIRitaSkyworks74073單片射頻模塊接收機體制零中頻零中頻零中頻超外差零中頻零中頻頻段雙頻段三頻段四頻段雙頻段3個LNA（號稱4頻段）雙頻段內置VCO本振的RFVCO和發(fā)射的VCO均外接本振的RFVCO和發(fā)射的VCO均外接是本振的RF/IFVCO集成在主芯片內，發(fā)射的外接是是內置LDO否

是否是否內置功率控制環(huán)路否是

否是是是是32接收機的主要技術指標1.靈敏度

是指接收機在滿足一定誤碼率性能條件下接收機需輸入的最小信號電平。參考靈敏度電平≤-102dBm（GSM900/GSM1800）2.阻塞和雜散響應

指在非雜散相應或鄰頻道的頻率上，存在一個強無用信號的情況下，接收機接收有用的信號時，其性能不低于給定指標的能力。

33發(fā)射機的主要技術指標輸出射頻頻譜

是由于調制和功率切換等原因由MS在標稱載頻的鄰近邊帶上產生的射頻頻譜，它包括調制頻譜和切換瞬態(tài)頻譜。

34GSMTDMA功率包絡35GSM手機主要射頻器件36GSM手機主要器件介紹主要器件前端開關（ASM/FEM）收發(fā)芯片（Transceiver）壓控振蕩器（VCO）鎖相頻率合成器壓控溫補晶體振蕩器（VCTCXO）功率放大器（PA）37前端開關（ASM/FEM）集成了一個雙工器+兩個T/R開關+兩個低通濾波器，類似于一個集成的單刀四擲開關，分別在GSM的收發(fā)之間和DCS的收發(fā)之間進行轉換。它可以加大功放的工作時隙和非工作時隙之間的隔離。通常FEM還包括兩個SAW濾波器。38前端開關（ASM/FEM）FEM內部照片39射頻主芯片（Transceiver）射頻主芯片通常包括以下部分：頻率合成器（通常是分數分頻）接收機（目前零中頻最流行）OPLL發(fā)射通道內置VCO40Pascal超外差射頻方案41Othello零中頻方案42OthellooneTV零中頻方案43AeroI近零中頻射頻方案44射頻功率放大器模塊功率檢測性PA模塊功率控制精度高功率包絡較難控制駐波對輸出功率有影響45射頻功率放大器模塊電流檢測型功率包絡難控制輸出功率受駐波影響最大工作電流受駐波影響最小46射頻功率放大器模塊電壓控制型功率包絡容易控制輸出功率受駐波影響最小工作電流受駐波影響大47射頻功率放大器模塊電壓控制型PA48參考晶振和自動頻率控制GSM手機的參考頻率通常用一個13MHz（或26MHz）的本地的溫補壓控(VC-TCXO)晶振。一個AFC信號用來調整VC-TCXO的頻率。射頻模塊還提供一個13MHz的模擬參考時鐘到基帶子系統(tǒng)。GSM手機通過接收FCCH的廣播信號，來調整AFC，使參考頻率的精度達到0.1ppm。49ParameterCommentsMinTypMaxUnitfrequency26MHzFrequencytolerance±2.5ppmFrequencystabilityvs.temperaturevs.loadvs.supplyvoltage-30°C≤

TC≤

+80°C40pF±10%,10kΩ±10%2.8V±5%±2.0±0.2±0.3ppmppmppmFrequencyagingrateTC=25±5°C±0.7ppm/yrFrequencystabilityslope-30°C≤

TC≤

-10°C-10°C≤

TC≤

+60°C+60°C≤

TC≤

+80°C±0.3±0.15±0.3ppmppmppmTuningvoltage0.51.52.5VTuningsensitivity0.4≤Vtune≤

2.4V105.6230.4Hz/V參考晶振和自動頻率控制