第2章 手机基本电路

1、第2章 手机基本电路 2.1 手机电路组成手机电路组成 2.2 基本单元电路基本单元电路 2.3 接收与发射电路接收与发射电路 2.4 频率合成器频率合成器 2.5 逻辑逻辑/音频电路与音频电路与I/O接口接口 2.6 手机电源电路及供手机电源电路及供电电路电电路 习题二习题二 2.1 手机电路组成 2.1.1 手机电路 手机接收时， 来自基站的GSM信号由天线接收下来， 经射频接收电路， 由逻辑/音频电路处理后送到听筒。 手机发射时， 声音信号由话筒进行声电转换后， 经逻辑/音频处理电路、 射频发射电路， 最后由天线向基站发射。 图2-1（a）、 (b)均为GSM手机电路原理框图。 图2-1

2、 GSM手机电路基本组成框图(a） GSM手机电路原理简略框图; (b） GSM手机电路原理组成框图 2.1.2 手机简要工作过程 1. GSM手机开机初始工作流程 GSM手机开机初始工作流程如图2-2所示。 当手机开机后， 首先搜索并接收最强的 BCCH (基站控制信道)中的载波信号， 通过读取BCCH中的FCH (频率校正信道)， 使自己的频率合成器与载波达到同步状态。 图2-2 GSM手机开机初始工作流程 2. 通话过程 当手机为主叫时， 在RACH(随机访问信道)上发出寻呼请求信号， 系统收到该寻呼请求信号后， 通过AGCH(接入允许信道)为手机分配一个SDCCH（独立专用控制信道），

3、 在SDCCH上建立手机与系统之间的交换信息。 然后在SACCH(慢速随路控制信道 )上交换控制信息， 最后手机在所分配的TCH (语音信道)上开始进入通话状态。 2.2 基本单元电路 2.2.1 放大器 放大器的作用是放大交流信号。 从基站到手机天线有很长的传播距离， 进入手机的无线电信号已非常微弱， 为了能对信号进行进一步的处理， 必须先对信号进行放大。 放大器分为以下几种： （1） 低频放大器： 用于放大低频信号， 工作频率较低， 其集电极负载是电阻。 （2） 中频放大器和射频放大器： 中频放大器的工作频率为几十兆赫兹或上百兆赫兹， 仅放大某一固定频率的信号， 一般采用窄带放大器。 （3

4、） 射频功率放大器： 功率放大器简称功放， 用于发射机中。射频功率放大器发射功率受到较严格的控制， 如图2-3所示。 图2-3 功放电路控制 2.2.2 振荡器 1. 振荡器的组成 振荡器广泛地用于电子设备中， 它的主要技术指标是频率的准确度、 稳定度和振幅的稳定度。 振荡器需要直流电源为之提供能量， 从这个意义上看， 振荡器也同放大器一样， 是将直流电源转换为交流振荡能量的装置。 下面以反馈式振荡器为例来说明振荡器的组成。 反馈式振荡器由以下三个部分组成： （1） 有功率增益的有源器件。 （2） 决定频率的网络。 （3） 一个限幅和稳定的机构。 图2-4是一个反馈式振荡器的组成框图， 在框图

5、中包括了具有功率增益的放大器， 决定频率的网络以及正反馈网络。 图2-4 反馈式振荡器组成框图 2. 压控振荡器VCO 压控振荡器简称为VCO， 是一个“电压频率”转换装置， 它将电压信号的变化转换成频率的变化。 这个转换过程中电压控制功能的完成是通过一个特殊器件变容二极管来实现的， 控制电压实际是加在变容二极管两端的。 压控振荡器中， 变容二极管是决定振荡频率的主要器件之一。 这种电路是通过改变变容二极管的反偏压来使变容二极管的结电容发生变化， 从而改变振荡频率， 如图2-5所示。 图2-5 压控振荡器VCO 在移动通信中， 手机的基准时钟一般为13 MHz， 它主要有两种电路： （1） 专

6、用的13 MHz VCO组件。 (2) 分立元件组成的晶体振荡电路由13 MHz的晶体、 集成电路和外围元件等构成。 图2-6 VCO组件 2.2.3 混频器 对于超外差式接收机和直接变频接收机， 接收时需要对高频信号变频一次， 对于双超外差式接收机需要变频二次， 这项工作由混频电路来完成。 混频是在无线电通信中广泛应用的一种技术， 混频器包括非线性器件和滤波器两个部分， 任何一种形式的模拟相乘器， 后面接入适当的带通滤波器， 都可以作为混频器来使用。 混频器的电路模型如图2-7 所示。 图2-7 混频器电路模型 2.2.4 电子开关电路 电子开关中的三极管工作于饱和、 截止两种状态， 控制用

7、的电信号是由逻辑电路提供的。 实现电子开关的电路器件可以是三极管、 场效应管、 集成电路等。 电子开关的电路模型如图2-8所示。 图2-8 电子开关电路模型 手机中有许多电子开关， 如供电开关， 天线开关等。 特别指出的是， 摩托罗拉系列手机经常采用8个引脚的集成块作为电子开关， 又称为模拟开关， 如图2-9所示。 图2-9 集成电子开关 2.2.5 滤波器 1. 滤波器的作用 滤波器的作用主要有： （1） 筛选有用信号， 抑制干扰， 这是信号分离 作用。 （2） 实现阻抗匹配， 以获得较大的传输功率， 这是阻抗变换作用。 根据信号滤波特性， 滤波器可以分为： 低通、 高通、 带通和带阻四种。

8、 图2-10给出了常用的低通滤波器、 高通滤波器、 带通滤波器和带阻滤波器的电路符号。 图2-10 滤波器电路符号(a) 低通滤波器； (b) 高通滤波器； (c) 带通滤波器； (d) 带阻滤波器 2. 滤波器的识别与检测 手机采用了各种滤波器， 如射频滤波、 本振滤波、 中频滤波、 低通滤波等。 根据器件材料不同， 又分为LC滤波器、 陶瓷滤波器、 声表面滤波器和晶体滤波器。 由于手机信道数目多， 信道间隔小， 因此在手机中， 往往需要衰减特性很陡的带通滤波器。 2.3 接收与发射电路 2.3.1 接收电路部分 接收电路部分一般包括天线、 天线开关、 高频滤波、 高频放大、 变频、 滤波、

9、 放大、 解调电路等。 它将935960 MHz（GSM900频段）或18051880 MHz（DCS1800频段）的射频信号进行下变频， 最后得到67.768 kHz的模拟基带信号（RXI、 RXQ）， 如图2-11所示。 图2-11 手机接收电路框图 1. 超外差一次变频接收电路 超外差一次变频接收机原理： 天线感应到的无线信号经天线电路和射频滤波器进入接收机电路。 接收到的信号首先由低噪声放大器进行放大， 放大后的信号再经射频滤波器滤波后， 被送到混频器。 MOTOROLA手机大多采用这种结构， 如图2-12所示。 图2-12 超外差一次变频接收电路框图 2. 超外差二次变频接收电路 与

10、一次变频接收机相比， 二次变频接收机多了一个混频器和一个VCO， 这个VCO在一些电路中被叫做IFVCO或VHFVCO。 诺基亚、 爱立信、 三星、 松下和西门子等手机的接收机电路大多数属于这种电路结构, 如图2-13所示。 图2-13 超外差二次变频接收电路框图 3. 直接变频线性接收电路 从前面的一次变频接收机和二次变频接收机的方框图可以看到， RXIRXQ信号都是从解调电路输出的， 但在直接变频线性接收机中， 混频器输出的直接就是RXIRXQ信号了。 直接变频线性接收电路框图如图2-14所示。 图2-14 直接变频线性接收电路框图 2.3.2 发射电路部分 发射电路部分一般包括带通滤波、

11、 调制器、 射频功率放大器、 天线开关等。 以I/Q（同相/正交）信号被调制为更高的频率模块为起始点， 发射电路将67.768 kHz的模拟基带信号上变频为890915 MHz（GSM900频段）或17101785 MHz（DCS1800频段）的发射信号， 并且进行功率放大， 使信号从天线发射出去， 如图2-15所示。 图2-15 手机发射电路框图 1. 带发射变频模块的发射电路 在图2-16所示的发射机结构图中， 其发射流程如下： 送话器将话音信号转化为模拟的话音电信号， 转化后的信号经PCM编码模块将其变为数字语音信号， 然后在逻辑电路中进行数字语音处理 .图2-16 带发射变频模块的发射

12、电路框图 2. 带发射上变频器的发射电路 图2-17所示的发射机在TXITXQ调制之前与图2-16是一样的， 其不同之处在于TXI/TXQ调制后的发射已调信号在一个发射混频器中与RXVCO(或UHFVCO、 RFVCO)混频， 得到最终发射信号。 图2-17 带发射上变频器的发射电路框图 3. 直接变频发射电路 如图2-18所示， 发射基带信号TXI/TXQ不再是调制发射中频信号， 而是直接对SHFVCO信号（专指此种结构的本振电路）进行调制， 得到最终发射频率的信号。 图2-18 直接变频发射电路框图 2.4 频 率 合 成 器 为了达到理想的效果， 我们在手机中普遍采用了锁相环（PLL）频

13、率合成器， 锁相环频率合成器具有很多特点， 比如产生工作频点数目多、 频点可变、 频率具有很高的稳定度等， 同时还具有以下优点： （1） 可以比较容易产生“所需频率”。 （2） 锁相环具有良好的窄带跟踪特性， 在选频的同时可以完成滤波， 将不需要的频率成分及噪声抑制掉， 同时通过具有较高频率跟踪特性的VCO， 可以使锁相式频率合成器输出具有较高频率稳定度和较高频谱纯度的信号。 （3） 利用锁相环路的同步跟踪特性， 能方便地变换频道。 2.4.1 频率合成器组成 手机中通常使用带锁相环的频率合成器， 其基本模型如图2-19所示。 它由基准频率、 鉴相PD、 环路滤波器LPF、 压控振荡VCO和分

14、频器等组成一个闭环的自动频率控制系统。 图2-19 频率合成器的基本模型 环路滤波器实为一低通滤波器， 实际电路中， 它是一个RC电路， 如图2-20所示。 通过对RC进行适当的参数设置， 使高频成分被滤除， 以防止高频谐波对压控振荡器VCO造成干扰。 图2-20 环路滤波器 2.4.2 锁相环基本原理 1. 频率的自动锁定过程 锁相环PLL的工作过程十分复杂， 下面从物理概念的角度对其进行定性分析。 鉴相器是一种相位比较电路， 其输入端加两个信号： 一个是基准信号fA； 另一个是本机信号fB/N， 它是由压控振荡VCO输出的频率fB反馈回来， 经过可变分频器得到的。 2. 频率的自动搜索过程

15、 前已述及， 手机入网、 通话均要进入相应信道， 至于进入哪个信道， 完全听命于基站的指令， 这就要求手机的收信、 发信频率不断地发生变化， 也就是PLL要具有自动搜索信道的能力， 也称扫描信道。 自动搜索过程是： 在锁定状态下， PLL满足关系式NffBA即 ABNff 2.5 逻辑/音频电路与I/O接口 2.5.1 系统逻辑控制部分 系统逻辑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。 在手机中， 以中央处理器CPU为核心的控制电路称为逻辑电路， 其基本组成如图2-21所示。 图2-21 逻辑控制电路简

16、单组成 2.5.2 音频信号处理部分 1. 接收音频信号处理 接收时， 对射频部分发送来的模拟基带信号进行GMSK解调（模数转换）、 在DSP（数字信号处理器）中解密等， 接着进行信道解码（一般在CPU内）， 得到13 kb/s的数据流， 经过语音解码后， 得到64 kb/s的数字信号， 最后进行PCM解码， 产生模拟语音信号， 驱动听筒发声。 图2-22为接收信号处理变化示意图。 图2-22 接收信号处理变化示意图 2. 发送音频信号处理 发送时， 话筒送来的模拟语音信号在音频部分进行PCM编码， 得到64 kb/s的数字信号， 该信号先后进行语音编码、 信道编码、 加密、 交织、 GMSK

17、调制， 最后得到67.768 kHz的模拟基带信号， 送到射频部分的调制电路进行变频处理。 图2-23为发送音频信号处理变化流程示意图， 图中： 信号1是送话器拾取的模拟语音信号。 信号2是PCM编码后的数字话音信号。 信号3是数码信号。 信号4是经逻辑电路一系列处理后， 分离输出的TXI/TXQ波形。 信号5是已调中频发射信号。 信号6是最终发射信号。 信号7是功率放大后的最终发射信号。 图2-23 发送音频信号处理变化流程示意图 2.5.3 I/O接口 输入输出（I/O）接口部分包括模拟接口、 数字接口以及人机接口三部分。 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

18、配器。 人机接口有键盘输入、 功能翻盖开关输入、 话筒输入、 液晶显示屏（LCD）输出、 听筒输出、 振铃输出、 手机状态指示灯输出和用户识别卡（SIM）等。 从广义上讲， 射频部分的接收通路（RX）和发送通路（TX）是手机与基站进行无线通信的桥梁， 是手机与基站间的I/O接口， 如图2-24所示。 图2-24 从计算机的角度看手机 2.6 手机电源电路及供电电路 2.6.1 电源IC 手机采用电池供电， 电池电压是手机供电的总输入端， 通常称为B+或BATT。 B+是一个不稳定电压， 需将它转化为稳定的电压输出， 而且要输出多路（组）不同的电压， 为整机各个电路（负载）供电， 这个电路称为直

19、流稳压电源， 简称电源。 大多数手机的电源采用集成电路实现， 称为电源IC。 例如摩托罗拉系列手机的电源IC-U900， 可产生多路稳压输出， 分别是逻辑5 V和2.75 V， 射频4.75 V和2.75 V。 电源IC的基本模型如图2-25所示。 图2-25 电源IC模型 2.6.2 手机电源电路的基本工作过程 手机电源电路包括射频部分电源和逻辑部分电源， 两者各自独立， 但同是手机电池提供。 手机的工作电压一般先由手机电池供给， 电池电压在手机内部一般需要转换为多路不同电压值的电压供给手机的不同部分 . 手机内部电压产生与否， 是由手机键盘的开关机键控制。 手机电源开机过程如图2-26所示。 图2-26 手机电源开机过程 2.6.3 升压电路和负压发生器 1. 电感升压 电感升压是利用电感可以产生感应电动势这一特点实现的。 电感是一个储存磁场能的元件，