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文档对手机RF的讲解深入浅出,涵盖内容丰富。
虽然文档比较老,但是拿来作为一篇深入介绍性的文档,却也不错。
可以给哪些从事手机RF开发或者感兴趣的同学做个参考。
前言
射频部分是通信设备的重要组成部分,是进行双向沟通的桥梁。
了解该部分的组成和工作原理对我们开展工作有很重要的意义。
为此,DIAGL9的同事针对该部分编写了这个专题培训资料,它包括了:
接收机原理、接收机基本电路、手机的RF基本电路、手机的相关技术、手机的诊断和维修编写这个资料的目的是为了扩展大家的思维,起到抛砖引玉的作用。
由于时间仓促,有些资料难以找到,加上我们的知识水平有限,因此其中可能有所缺漏,欢迎大家批评指正。
RF应用回顾
1.RF基本电路介绍
1.1超外差调幅接收机
一般使用的调幅接收机的接收方式大多使用能稳定得到高增益、频率选择性好的超外差方式。
下图是表示超外差方式的调幅收音机的构成方框图:
高频放大部分的作用:
高频放大部分由输入电路、高频放大器、混频器成。
以下是高频放大部分的作用和必要条件。
1)提高接收机的信噪比
在调幅接收机中,若对高频放大器和变频器的噪声指数进行比较时,后者大。
为此,通过使用第一级噪声指数小、增益高的高频放大器,可以改善接收机的总噪声指数。
2)频率选择性好
随着调谐电路级数的增多,邻近频率或乱真电波的接收可以受到控制,设置输入电路、高频放大器使频率选择性好。
3)使本机振荡频率成分不从天线发射
通过在天线和变频器之间设置高阻抗的高频放大器,可以防止从天线发射本机振荡频率成分。
变频器的作用:
变频器由混频器和本机振荡器构成。
其作用如下:
1)变频的原理
基本原理是外差检波,它是将频率Fc的载波和频率FL的本机振荡器的输出加到非线性的有源电路上,从其输出成分中取出FL—Fc的拍频,利用它作为中频的方法
2)变频器的分类
a)自激式变频器
b)它激方式变频器。
3)本机振荡器的性能
本机振荡器要求频率稳定性好,高次谐波成分的含有率少。
其理由是,当频率不稳定时,不能接收,含有很多高次谐波时,产生假信号响应发生笛声等。
本机振荡器除自激式外,还有晶体控制振荡器或频率合成器方式的振荡器。
中频放大部分的作用:
1)得到高增益
与高频放大部分比较,由于频率固定,并且频率低,可以得到高增益,因此可以为用检波器进行线性检波提供充分大的输入,从而使检波器的灵敏度提高,并且可以减少检波输出的失真。
2)提高选择性和保真度
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。
通频带由于接收对称的电波类型而不同,因此只要为选择接收的信号设定必需的最小限度的带宽即可。
检波部分、低频放大部分的作用:
1)检波部分工作的必要条件:
检波输出没有失真
灵敏度高
电路结构简单
工作稳定
2)低频放大器的作用
因为从检波器所得到的低频输出很微小,即使直接加到扬声器上,扬声器械也不动作。
低频放大器用于放大电压和功率,获得足够大的输出使扬声器动作的电路。
1.2超外差调频接收机
对于调频收音机,在高频端对由天线接收6~108MHZ的电波进行调谐、放大,变换为中频(10.7MHZ)。
然后经中频放大后进行调频检波得到低信号。
最后对低频信号放大使扬声器发出声音。
对于收音机,调频检波器(FM
DET)的输出是音频信号,所以不称为低频放大器(LFAMP),大多称为音频放大器(Audio
FrequencyAmplifier,
AFAMP)。
其方框图如下:
1.3调频立体声接收机
调频立体声接收机的组成:
调频立体声接收机的方框图如下图所示。
在调频检波器以前与调频单声道接收机的组成相同。
接收立体声广播时,调频检波器输出得到立体声复合信号(主信道信号+副信道信号+导频信号)。
立体声解调器(MPX)由这三类信号对L.R信号进行解调。
接收单声道广播时,检出不包含导频信号的信号,并使立体声解调器停止工作,左.右扬声器都为单声道输出。
高质量的调频解调器在电路组成上下功夫,使得发送方的音质几乎可以不被恶化地接收。
并且为了适应将来的调频广播的多局化,要制造排除干扰能力强的接收机。
2.GSM手机的电路结构
2.1GSM手机的电路结构
手机的电路结构可分为三部分,即射频处理,逻辑/音频以及输入输出接口。
射频部分一般指手机电路的模拟射频,中频处理部分,包括天线系统,发射通路,接收通路,模拟调制,解调以及进行信道调谐用的频率合成器等。
射频部分包含发送部分,接收部分与频率合成器。
一、发送部分
发送部分包括带通滤波器,GMSK调制器,射频功率放大器,天线开关等。
具体的调制方式大致分为两种:
1)调制音频信号先调制到某一中频,再经过一次上变频,变换到GSM射频信道上。
2)调制音频信号直接上变频到GSM射频信道上。
二、接收部分
包括天线开关,射频滤波,射频放大,混频,中频滤波和中频放大等,其接收的频率对应900MHzGSM规定频点,经过下边频道中频,中频多为100MHz附近的某个固定值。
之所以采用中频为射频信号处理的过渡环节,是为了得到更好的灵敏度和稳定性。
解调大都在中频处理集成电路内完成,解调后得到频率为67.71KHz的同相正交信号,然后进入逻辑/音频处理部分进行后级的处理。
三、逻辑音频部分
逻辑/音频部分可分为两个子部分:
音频信号处理和系统逻辑控制。
音频信号处理子部分对数字信号进行一系列处理:
发送通道的脉码调制,话音编码,信道编码,交织,加密,TDMA帧形成,接收通道的自适应信道均衡,信道分离,解密,信道解码和语音解码,音频放大等。
基带信号处理控制对整个手机的工作进行控制和管理,包括开机操作,定时控制,数字系统控制射频部分控制以及外部接口,键盘,显示器控制等。
逻辑音频部分包括:
中央处理器:
相当于单片机的处理核心,作用是射频部分控制,键盘控制,其他集成电路的控制及相互之间的数据传送。
RAM:
随机存储器,作用是存储手机工作时的数据。
ROM:
(1)EPROM
存放手机主程序和监控程序。
(2)EEPROM存放功率控制表,数模转换表,
自动频率控制表,自动增益控制表等。
(3)短消息业务存放码表,显示控制程序。
接口:
(1)总线接口负责同外部设备的通信,包括A/D,D/A。
(2)射频接口负责将模拟信号(I/Q)转换成数字信号和将数字信号转换成模拟信号(I/Q)。
I/O设备:
键盘输入、功能翻盖开关输入、话筒输入、液晶显示屏输出、听筒输出、振铃输出手机状态指示灯输出这些都是人与手机之间的I/O.射频部分的接收通路(RX)和发送通路(TX)使手机与基站间的I/O。
其他的集成电路都是为这五大类服务。
有电源、同步时钟等。
四、输入输出接口部分
输入输出接口部分由模拟接口、数字接口、人机接口三部分。
话音模拟接口:
包括A/D、D/A变换等。
数字接口:
主要是数字终端适配器。
人机接口:
包括显示器、键盘、振铃器、听筒、话筒。
手机原理方框图如下页,概括了GSM手机全部的工作原理。
2.2双频手机射频电路技术参数
一、GSM900/DCSl800双频手机的特点
双频手机与现阶段普及型的单频手机相比,有下面的特点:
根据基站的控制信令,双频手机即可以工作在900MHz频段网络,也可以工作在1800MHz频段网格,当一个网络繁忙或信号质量差时,双频手机可自动切换到另一个频段的网络上工作,而且这种切换基本上不影响话音质量。
另外,从近来国际上手机的发展趋势和FTA(fulltypeapproval)认证的情况来看,双频手机在将来会是主流产品。
双频手机在两个不同的工作频段上,其基带部分信源编码、信道编码的算法和处理、信令处理的方法和帧格式、调制解调方式、信道间隔等均相同,与单频手机在电路结构上的差别在于射频前端和相对应的控制软件。
二、GSM900/1800双频手机RF部分的主要技术指标和设计要求
四类机,阶段2增强型(classIVphaseⅡphase
)E―GSM900MHz部分的主要RF指标如下:
工作方式:
TDMA―TDD
工作频率:
上行Tx(反向)880MHz-915MHz,下行Rx(正向)925MHz―960MHz
双工频率间隔:
45MHz,载波间隔:
200kHz
每载波时隙数:
8(当前全速率)/16(今后半速率)
每帧长度:
4.615ms,每时隙长:
577μs
传输速率:
270.833kbps(即在每时隙上传156.25bits)
调制方式:
采用I/Q正交GMSK调制
静态参考灵敏度:
优于-102dB/RBER(ResiodualBER)<2%
动态范围:
-47dBm―110dBm
频率误差:
<
1×
10-7,相位误差的均方根值<
5°
,相差
峰值:
20°
射频输出功率:
5级(33dBm)--19级(5dBm),级差:
Δ=2dB
共有15个功率等级。
DCS1800二类手机(classⅡ)部分的主要RF指标:
上行Tx:
1710MHz--l785MHz,
下行Rx:
1805MHz―1880MHz,
收发频率间隔:
95MHz
静态接收参考灵敏度:
-100dBm/RBER<2%
发射单元频率误差:
Fe<
10-7,相位误差均方根值<5°
,峰值<200
3级(24dBm)--15级(0dBm),共有13级功率;
步进Δ=2dB
其余设计要求与GSM900相同。
三、双频手机RF部分基本工作原理
1)RF部分基本组成框图
2)GSM900下行链路接收机单元
由蜂窝小区基站发出的已调载波通过Um无线接口,传到手机天线端。
在接收时隙接收到的信号先通过收发隔离器,再经过GSM900MHz的LNA(低噪声放大器),将微伏量级的弱信号放大。
放大后的信号经过GSM900的第一RF混频器后,将得到的第一中频信号进行窄带(200kHz)滤波,以滤除带外噪声,保证接收机选择性指标。
然后信号经过具有AGC功能的第一中频放大器放大,再经过第二混频器和第二中频滤波器。
在这之后,输出的信号由具有AGC功能的第二中频放大器进行放大。
放大后的信号进入I/Q正交解调器解调,正交解调后的模拟I、Q信号平衡输出到后面的基带、音频部分等待作进一步的信道译码和倍源译码处理。
DCS1800MHz频段接收单元的信号处理过程与GSM900相同,只是工作频段不同而已。
接收机中AGC的作用是:
当天线端的RF信号电平在大范围内变化时,保证I/Q输出信号的电平基本不变;
在监听时隙探测相邻小区基站的下行广播信号强度,配合完成越区切换功能。
3)上行链路发射单元
由基带部分传输过来的I、Q正交模拟基带信号,在发射时隙期间双端平衡输入到中频I/Q正交调制器,调制后的中频信号经a过发射中频声表面(SAW)窄带滤波器(200kHz),滤波后的信号经过上变频后,再经过35MHz带宽的900MHz发射滤波器,滤波器输出的信号先通过功率激励级放大以达到末级RF功放(PA)所需的激励电平。
最后再经过功率放大器PA和收发隔离器,通过天线把已调载波发射出去。
PA部分APC控制电路的作用是:
保证RF功率电平等级满足5dBm-33dBm的变化要求,以避免在多用户组网时发生“远近”干扰。
DCS1800MHz频段发射单元的信号处理过程与GSM900相同,只是工作频段不同而已。
4)频率合成器单元
该单元与FM电台中采用的频合器相类似,主要差别在于增加了AFC电路。
四、接收单元电路设计
在满足技术要求的前提下,可以有几种不同的接收机RF解决方案:
1)3次变频方案:
采用此法频率合成器实现复杂,中频频点多,容易产生
组合干扰,一般不采用。
2)2次变频方案:
为简化电路,第2中频频点选取手机的基准时钟频率
13MHz或其2分频6.5MHz。
这种方案在早期的接收机中广泛采用。
例:
摩托罗拉GC87、诺基亚8110、爱立信GH/G5388、摩托罗拉8200。
该方案复杂程度适中,而且还可获得高的选择性,中频放大器的增益分配比较容易实现,不易产生自激。
3)一次变频方案:
随着IC器件和SAW滤波器指标的提高,这种方案在目前的手机电路中广泛采用。
它可以简化电路,从而降低制造成本,而选择性指标仍可满足技术要求。
目前许多双频手机采用了这种方案
4)零中频直接解调的方案:
因为目前AD变换器和DSP的技术水平还不能满足实时处理数百MHz高频信号的要求,而且噪声、选择性和功耗指标也难以保证,所以,在目前采用这种方案是不现实的。
1.计算理论灵敏度和估算实用灵敏度
根据噪声功率的计算公式:
PN=K•T•B
(w)
上式中:
K为波尔兹曼常数,其值为:
1.38×
10-23;
T为工作温度(°
K),一般取常温3000°
K(27℃);
B为带宽(Hz),对于GSM体制,取200kHz。
结果为:
噪声功率:
10lgPN/1mW=10lgPN十30=一121dBm
上述计算结果为在理想情况下的噪声功率,在实际应用中,还要考虑前端失配的影响(约1dB),收发隔离器的影响(约2dB),接收机NF(约2dB),基带部分的解调门限(约9dB/RBER<2%=。
基于上述考虑,我们可以估算出实用灵敏度约为:
实用灵敏度=-121十1十2十2十9=-107dBm
对于DCSl800频段,它的实用灵敏度约为:
DCSl800频段的实用灵敏度=-121十2十2十3十9=一105dBm
2.下行链路接收机增益分配计算
ETSGSMll.10技术规范中要求手机的参考灵敏度为-102dBm/RBER<2%
(GSM900)和-100dBm/RBER<2%(DCSl800)。
从生产的角度考虑手机的设计者应将该项指标略为提高,可分别选为-106dBm和-104dBm,将模拟I/Q路单端输出的交流电平值设计为500mVpp(177mV有效值),这样,整个GSM接收通道的电压增益为:
GPtotal=20lg{177/2241g-1(-106/20)}=201g(177/0.00112)=104dB
各单元增益分配的结果如下(已包含SAW滤波器):
前端LNA放大器为16dB,第一混频器为8dB,IF放大器和解调器为80dB(AGC控制范围约70dB)。
对于DCSl800频段,由于工作频率的上升,RF前端的噪声系数和增益指标会变得差一些,这时接收机各单元的增益分配如下:
LNA的增益为14dB,第一混频器为8dB,IF放大器和解调器增益为80dB,整个DCS1800接收通道的增益为102dB。
3.LNA(低噪声放大器)技术要求
1)NF:
1.5dB一2.5dB
2)GP:
15dB--20dB,LNA一般由一级放大器来完成,其增益不能太高,否则,整机抗阻塞和互调指标难以达到。
3)功耗:
4mA―8mA(FET管),1―2mA(双极型管)。
4)具有键控式AGC控制功能(通过偏置控制来实现)。
5)LNA的NF、CP和输入、输出阻抗匹配对于收机整机指标将产生决定性的影响。
4.第1混频器技术要求
1)要采用RF平衡输入,IF平衡输出的有源混频器,以提供足够的增益,降低串话的干扰。
2)噪声系数:
6dB--8dB,GP:
8dB
3)本振电平:
-5dBm―0dBm,过高的本振电乎会产生手机功耗加大,EMC性能变差的问题。
5.第1中频频点和IFSAW滤波器选择时应考虑的因素
1)高阶组合干扰频率点数越少越好,有利于抑制镜像干扰频率(选高本振、高中频);
2)同时兼顾GSM900和DCSl800频段的要求;
3)IF频率点选得过低时,易产生本振干扰有用信号;
IF频率点选得过高时,中放增益难以保证,易自激、不稳定;
4)IFSAW滤波器的技术指标,一般IF频点在200MHz―400MHz之间选取;
5)IFSAW滤波器插损小于8dB、带宽200kHz
6.中频放大器设计技术要求
1)功率增益:
约70dB;
2)AGC可控范围:
约70dB、步进间隔2dB,AGC的控制范围和控制斜率会影响手机的越区切换;
3)双端输入阻抗能与IFSAW滤波器的输出阻抗相匹配。
7.I/Q正交解调器设计要求
1)平衡输入、输出;
2)输出直流偏置电平:
1V,交流电平:
1Vpp;
3)I/Q路输出幅度乎衡:
土1.5dB,I/Q路输出相位平衡:
小于4。
4)具有差分直流偏置校正功能。
五、发射单元方案设计
发射单元可以采用几种不同的电路方案:
1)采用双中频:
该方案的优点是选择性指标容易保证,带外抑制指标比较高,频差Fe和相差Pe指标比较好,缺点是PLL要复杂一些,易产生互调干扰。
2)采用单中频:
这种方案的优点是PLL电路简单,不易产生互调干扰,Fe和Pe指标比较好,缺点是选择性指标比采用双中频的方案要差一些。
3)采用直接调制到RF的方案(即无中频):
该方案的优点是电路简单,缺点是选择性指标比较差,Fe和Pe指标难以保证。
4)末级Tx―VCO采用上变频:
其优点是电路相对简单,缺点是Fe和Pe指标稍差。
5)末级Tx―VCO采用PLL―VC0:
其优点是Fe和Pe指标容易保证,缺点是电路要相对复杂一些。
6)采用开环控制的PA:
此方案的优点是可以省去定向耦合器、功率检测和比较电路,外围电路相对简单一些。
该方法的缺点是要在PA的供电回路中采用一个大电流(1dmax>6A)的MOS开关管(其作用是相当于一个有源降压电阻),而该管在使用中的故障率比较高,从而造成手机无法开机的故障。
7)采用闭环控制的PA:
优点是PA直接和电池连接,而不用MOS管,故稳定性、可靠性比较高,缺点是需要用定向福合器、功率检测和比较电路,电路要复杂一点。
8)采用发射单中频,末级TX―VC0采用PLL―VC0,PA闭环控制的方案较为理想。
1.中频正交I/Q调制器技术要求
1)中频频点选择200MHz―400MHz之间;
2)I/Q输入直流偏置电平:
1V―1.5V,I/Q输入交流电平:
1Vpp(平衡输入);
3)调制后,I、Q路的幅度平衡度小于土0.3dB,相位平衡度小于4。
;
4)F输出电平:
0dBm―5dBm。
2.RF变频器和PA设计技术要求
1)供电电压:
DC:
3.1V--4.5V(标称工作电压:
DC3.6V);
2)RF变频器本振电平:
―3dBm--十3dBm;
3)PA效率:
PAE(power
addedefficiency):
45%―50%,APC控制方式:
闭环检测控制;
4)调制频谱、开关频谱、功率等级指标均应满足ETSGSMll.10技术规范中的要求;
5)PA输出I/Q幅度平衡度:
土0.5dB,相位误差均方根值:
<5,峰值<20;
6)PA最大射频输出功率:
考虑到后面的定向耦合器和收发隔离器的影响,对于GSM900四类机应能达到35dBm,对于DCSl800二类机应能达到26dBm。
六、频率合成器设计
基于前面的考虑,收发信机均采用一次变频技术获得较高的性能价格比。
在采用这种方法的条件下,又有下面的几种方案可供选择:
GSM900和DCSl800两频段的收发信机采用不
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