GSM手机教材射频工作原理与电路分析

1、深圳市千目通讯科技有限公司Shenzhen Qianmu Communication technology Co,Ltd.GSM手机射频工作原理与电路分析深圳市千目通讯科技有限公司Shenzhen Qianmu Communication technology Co.,Ltd.Outline匹配网络(Matching)收发双工器(Diplexer) 声表面波滤波器(SAW)平衡网络(Balance) 锁相环(PLL)收发器(Transce i ver )衰减网络(Attenuat i on)功率控制环路(APC)滤波网络(Fi Iter)匹配网络（Matching）匹配的定义:后级输入阻抗与前

2、级输出阻抗共扼匹配网络的类型:L型T型n型天线匹配的举例29OUT12GNDC11922 PU24RF-TEST-PORTABU1ANTC300 一NC.0603GNDR170 1ORL26515NHaY 收发双工器(Diplexer)收发合用一路天线，因此使用天线收发双工器 (Antenna Switch)对接收为short及2/4 己点j为open 2为发射波长收发双工器的特性参数(TX/RX)Frequency Range (MHz)Insertion Loss (dB)Attenuation(dB)V.S.W.R.Isolation (dB)Harmonics 2xfo, 3xfo (

3、dBc)Power Capacity (dBm)详见LMC33Data Sheet声表面滤波器(SAW)在手机中，接受信号从天线开关到接收处 理电路之间采用声表面滤波器(SAW)声表面滤波器(SAW)可以提供较宽的通 频带、较低的损耗，此外有的SAW器件还 集成有将非平衡信号转换为平衡信号的功 能。SAW的滤波特性详见SAW Data SheetIcO3c Ic66e平衡网络（Balance） Balance电路构成:5分别经过低通、高通得到反相的Ui、U2Ui-_U01 = c = 0,一产一+ ja)LcoL jcoC(DC八 Ui - cdL 八 coLUo2 =Ui+ jaL coL

4、jcoCcoCUiRsRd附SqUQ2：Rs：特性阻抗Rdiff ：输入阻抗深圳市千目通讯科技有限公司Shenzhen Qianmu Communication technology Co.,Ltd.由计算可知UiU02始终有 180度相差（Differential）适合在Balance系统上传输。 L、C的取值要求:f：系统中心频率Rs：特性阻抗Rdjff:输入阻抗jRs RdiffL -2博飞 Rs Rdiff该电路可能集成于SAW中差模、共模在Balance系统上的传输差模(Deferential Mode)i/po/pBi/po/pB的传输量为A的一半共模(Common Mode)i/

5、po/p锁相环（PLL）锁相环应用于滤波、频率综合、调制解调、信号与检测等多个方面。锁相环四个基本构成元素锁相环在手机中应用举例锁相环四个基本构成元素鉴相器(PD)鉴频器(FD)鉴相鉴频(PFD)PD/FD/PFD是一个相位/频率比较装置，用来检测输入信 号与反馈信号之间的相位/频率差环路滤波器Loop Filter (LP)：LP一般为N阶低通滤波器电压控制振荡器(VCO)：VCO是一个电压-频率变换装置，输出振荡频率应随输入控制电压线性地变化参考信号源 (Reference signal source)：参考信号源提供与反馈信号鉴相鉴频用的对比输入信号PLL Block DiagramFi

6、gure 1. Basic IPLL Block Diagram基本构成电路分析鉴相器(Phase Detector)电荷泵一环路低通滤波器(Charge PumpLoop Filter )压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator)分频器(DIV)鉴相器(Phase Detector)鉴相器的主要作用:检测输入信号与反馈信号之 间的相位差。鉴相器的数学模型：e(t) = Qi(t)-Ov(t)0冏0v(t)KdSinoVd(t)=Kdsin 0e(t)鉴相器的数学模型电荷泵一环路低通滤波器(Charge PumpLoop Filter)电荷泵的的作用主要是：给锁相

7、环路提供理想恒 定的电流源，保持良好的线性关系，使得频率范 围易于控制环路低通滤波器(LPF)由PFD的输出信号需经过低通滤波器再去控制 VCOo 一般采用电阻、电容构成积分形式的低通 滤波器，它可以为单阶或多阶滤波器。它的通频 带由电阻、电容参数决定，它的截止速度取决于 其阶数。环路低通滤波器(Low Pass Filter)2009-8-17phasedetectorVCOTo important the transient characteristicsThe loop can track better a change in input frequency J RF DBTELTo f

8、urther reduce the phase noise of the charge pump环路低通滤波器的应用举例压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator2压控振荡器一般是由变容二极管为主构成 的谐振回路：谐振回路的中心频率由其回路的等效L、C特性决定：/ I69o = 1/v2LC变容二极管的等效电容量由加在其两端 的电压控制，这样通过电压的变化就能转 换成回路谐振频率的变化，就构成了压控 振荡器VCO。分频器（DIV）锁相环通常用于N倍参考频率的发生器:f0 = Nxfr其中N为分频比，它由环路中分频器DIV提供2009-8-17RF DBTEL参见分频

9、器锁相环在手机中应用举例 RX （接收）频率合成器深圳市千目通讯科技有限公司Shenzhen Qianmu Communication technology Co,Ltd. TX-VCO锁相环路惺功效来自RX-VCO“（海瀚收发器(Transceiver)收发器即调制解调器调制：发射时基带信号加载到射频信号 解调：接收时射频信号过滤出基带信Transceiver根据其工作频率可分为：单频 、双频、三频等Transceiver根据其中频特征可分为有中频 、零中频、近零中频等以DB2009为例介绍Transceiver UAA3535的内部结构Transceiver UAA3535 (Philip

10、s)UAA3535是近零中频收发器，它最多可以作三 频收发它内部有:三个PLL （包括一个内置VCO）、正交混频解调器、可控增益低噪放大器、混频调制器等它需外接:13MHz参考基准时钟、RXVCO、TXVCO、基带控制 信号等详见UAA3535 Data Sheet我们需要研究其内部各重要节点的频率、 带宽，信号转换的流程等细节-J1:1/22GSM二分频器DCS不分频SAW1805-1 380/DCSRX-彩二PCSRX.；：f925.960EGSMRX-GSM/DCS/ _ECS185021$20.2EGSM i1805,1788044万DCSRXVCO total:1801-1921GS

11、MTXPCSTX TXVCOBAL反控振荡器混频器VCOChargePump低噪放大器LNA-BAL平衡转换器Balance（乘法器）BAL近似零中频:100KHzYccQUADBALVccDIV高、低、带通 滤波器PVcp1:1/2 DIV鉴相鉴频器程控分频器ceiv6)UPhase Frequence Detectorll/OIB I/O 隼交基带信号(l/Q) Data:270.833kbit/s分频比8940-100101:1/23W BUS CTL REG分频比65730PWREN45.5MHz GSM 91MHz DCSDCSTX 1715-1780 11:6/7c1:1/2Lo（

12、：cZJ91MHZ GSM/D 以 078MHzPVccDATA CLOCK ENABLEVccVccQl/OQB I/Oc 13MHzVTCXOHDRTXONRXON SY NON衰减网络(Attenuation)为了达到系统中对输 入输出功率要求高的 部分的功率适配，我 们通常在输出端到输 入端之间加上功率衰 减网络通常衰减网络形式有 ：T型、n型01III10Ri ! R2。 I oT型衰减网络n型衰减网络衰减网络的计算衰减网络的计算1-11+ A(dB) = 101g 1 Zin1:短路输入电抗Zjn2;开路输入电抗 zout1;短路输出电抗zout2:开路输出电抗深圳市千目通讯科技有

13、限公司Shenzhen Qianmu Communication technology Co,Ltd.已知衰减系数A求网络参数（：特性阻抗）由求得K值:Vinout201g 上=4） K对n型:则可得对IM:K-lRi = R2 = RoK + lR3 = Ro7K2-1K + R2 = R3 = RoK-lRi = RoZl 2K衰减网络的作用衰减网络主要是为了使输出功率符合下级输 入功率的要求利用衰减网络可以提高系统的信噪比利用50欧姆衰减网络可以缓和前级与后级的 阻抗变化衰减网络的应用R251KR31R26 560RR27270RR3427DRIfTXRFI功率控制环路(APC)功率控制

14、环路构成:功率放大器(Power Amplifier)功率耦合器(Power Coupler)功率检波器(Power Detector)功率比较、控制器(Power Comparators Controller )这样构成的环路可以将功率较稳定的控制在我们的设定值上，这个设定值可以随时间根据需要 不断变化。功率控制环路构成PoSourcefromCouplingPower捡波器PcPi差值功率 控制信号功率耦合检波信号控制器VCO比较信号用于用户设定功率值功率放大器(Power Amplifier)目前手机用PA一般是厚膜模拟电路制成，它要求将 低功率射频信号线性无失真的放大到一定功率值。它的

15、主要参数有：工作频率、带宽最大线性输出功率(压缩点)线性放大对输入功率要求输入、输出需要的匹配阻抗工作电源及电压、电流的要求控制信号的形式及要求噪声特性等等i羊见PA-BGY280 Data2009-SheetRF DBTEL33功率耦合器(Power Coupler)为了达到功率控制，我们需要使用到 的功率传感器就是功率耦合器，一般为 Directional Coupler。它的主要参数有：详见LDC Data Sheet耦合量(Coupling)插入损耗(Insertion Loss)隔离度(Isolation)方向性(DirectMty)单位(dB)功率检波器(Power Detecto

16、r)功率检波器对Coupler的耦合高频信号进行包 络检波进而得到一个体现耦合信号幅值大小的 检波电压。我们采用二极管负包络检波电路，后级常为低 通积分电路。例如：耦合电容&Coupler 输出Tk检波二极管D低积DETELO检波电压输出35深圳市千目通讯科技有限公司Shenzhen Qianmu Communication technology Co.,Ltd.负包络检波的对二极管要求：检波二极管D以P极为输入端检波二极管的极电容要求较小的肖特基二极管，若极电容过大，将会使负包络过 多的耦合流失到低，导致检波效果变差功率比较、控制器Power Comparator&Controller功率比

17、较、控制器的功能：功率比较器将功率检波信号与设定功率信号 相比较得到一个功率控制信号给功率控制器 ,由功率控制器产生控制电压给功率放大器(PA)它的具体参数详见PCF5078 Data Sheet功率控制环路（APC）的应用IN h COUPLER /outr27RCOUFE MP7WR76B2RCHDJRX_EGSWGNDZl RJfJCSHY2 LDC15HA-1 1747、5HHzINC1Z6 39PI-R78IKxAAAD2 V BAT52.D3W -COUPLER /QuCOUP；cTtempVWR77 22DRC128NC.Q4D2NC.0402CNDC1321DQMF3 N8FX

18、GSMINGSM4fxdcs3999INDUS OOCJCDVCC TK工SEJGNDGNDC127-1-0AT62VCLWDDVINT YHOUEVS1VDACVS2 VSSC3Q6 HC.D4G2XGMDR21NCaarXRAMPy-滤波网络（Filter）通用滤波网络通用滤波网络滤波器是抑制除特定带宽以外信号及噪声 的装置。按照不同标准它可分为：低通、高通、带通、带阻滤波器；一阶、二阶、高阶滤波器；无源滤波器、有源滤波器以下我们以单阶无源滤波器为例做一些简介高频截止频率与L、C参数有关单阶无源高通（HP）A LR o-c低频截止频率h与L、C参数有关滤波特性低通滤波器的3dB衰减点的频率

19、为高频截止频率 %，它截止的斜率与其阶数相关高通滤波器的3dB衰减点的频率为低频截止频率 fL,它截止的斜率与其阶数相关如果将低通滤波器和高通滤波器串联，而且fH 就能构成带通滤波器，其通频带为fHo如果将低通滤波器和高通滤波器并联，而且fH v1就能构成带阻滤波器，其阻频带为对于射频电路而言，电源稳定由特别重要 的意义，不仅它自身不稳定会影响电路性 能，而且各用电单元也会以电源为途径互 相传递干扰造成很大的不稳定因数，去耦 即去除电源与用电单元之间的交流耦合。实际电路中电源去耦电路无论在电源输出 端还是在用电输入端都需要，而且去耦电 路离用电模块越近达到的去耦效果越好。电源滤波去耦网络基本理

20、论我们一般希望电源供电除了开/关时间以外 是直流稳定的，不希望它的端电压出现纹 波、抖动、跳变等不稳定因数存在，电源 去耦网络正是为这些交流成分提供了短路 到地的通路。去耦电阻、去耦电容及去耦电感构成的低 通网络为电源的交流成分提供一个到地的 通路，它们的参数与电源提供的电流量、 需要特别滤除的频率成分等相关。电源滤波去耦网络基本构成电源去耦低通滤波网络 如右图：去耦电阻或电感R/L(Decoupling Resistor/lnductor)去耦电容C2Decoupling Resistor/lnductorDecoupling Capacitor(Decoupling Capacitor) 以上部分部不要求全部具备，去耦电阻及去耦电感有时就可不用用电单元去耦电阻R在电路中将缓和电源上升、下降沿的速度，从而 抑制高频噪声的形成；去耦电感L在回路中必然阻碍高