GSM手机RF工作原理课件

1、 GSM手机射频工作原理与电路分析2022/8/181RF DBTEL第1页，共53页。 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（Transceiver）衰减网络（Attenuation）功率控制环路（APC）滤波网络（Filter）其它2022/8/182RF DBTEL第2页，共53页。匹配网络（Matching）匹配的定义：后级输入阻抗与前级输出阻抗共扼匹配网络的类型： L型 T型 型2022/8/183RF DBTEL第3页，共53页。天线匹配的举例返回2022/8/184RF D

2、BTEL第4页，共53页。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）对发射为openTXRX为发射波长对接收为short2022/8/185RF DBTEL第5页，共53页。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 (dBc)Power Capacity (dBm) 详见LMC33Data Sheet返回2022/8/186RF DBTEL第6页，

3、共53页。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 Sheet lc03c lc66e返回2022/8/187RF DBTEL第7页，共53页。平衡网络（Balance）Balance电路构成： UI 分别经过低通、高通得到反相的UO1 、UO2LCCLUIUO1UO2RdiffRsRsRs：特性阻抗 Rdiff ：输入阻抗2022/8/188RF DBTEL第8页，共53页。由计算可知

4、UO1 、UO2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 Rdiff ：输入阻抗该电路可能集成于SAW中2022/8/189RF DBTEL第9页，共53页。差模、共模在Balance系统上的传输差模（Differential Mode） A B B的传输量为A的一半共模（Common Mode）I/PO/PI/PO/PI/PO/PC返回2022/8/1810RF DBTEL第10页，共53页。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基本构成电路

5、分析锁相环在手机中应用举例 2022/8/1811RF DBTEL第11页，共53页。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2022/8/1812RF DBTEL第12页，共53页。PLL

6、 Block Diagram返回2022/8/1813RF DBTEL第13页，共53页。基本构成电路分析鉴相器（Phase Detector）电荷泵环路低通滤波器（Charge PumpLoop Filter ）压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator）分频器（DIV）2022/8/1814RF DBTEL第14页，共53页。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：返回 Kdsin() +1(t)v(t)e(t) =1(t) -v(t)Vd(t)=Kdsine(t)鉴相器的数学模型2022/8

7、/1815RF DBTEL第15页，共53页。 电荷泵环路低通滤波器 （ Charge PumpLoop Filter）电荷泵的的作用主要是：给锁相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VCO。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。2022/8/1816RF DBTEL第16页，共53页。环路低通滤波器（Low Pass Filter）phasedetectorRzCzCpVCOR4C4To importan

8、t the transient characteristics The loop can track better a change in input frequencyTo further reduce the phase noise of the charge pump2022/8/1817RF DBTEL第17页，共53页。环路低通滤波器的应用举例返回2022/8/1818RF DBTEL第18页，共53页。 压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator）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： 变容二极

9、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。2022/8/1819RF DBTEL第19页，共53页。分频器（DIV）锁相环通常用于N倍参考频率的发生器： 其中N为分频比，它由环路中分频器DIV提供 参见分频器 返回2022/8/1820RF DBTEL第20页，共53页。锁相环在手机中应用举例RX（接收）频率合成器 2022/8/1821RF DBTEL第21页，共53页。TX-VCO锁相环路 2022/8/1822RF DBTEL第22页，共53页。收发器（Transceiver）收发器即调制解调器 调制：发射时基带信号加

10、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2022/8/1823RF DBTEL第23页，共53页。Transceiver UAA3535（Philips）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UAA353

11、5 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2022/8/1824RF DBTEL第24页，共53页。返回2022/8/1825RF DBTEL第25页，共53页。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、 型衰减网络的计算 型衰减网络型衰减网络R1R2R3R1R2R32022/8/1826RF DBTEL第26页，共53页。衰减网络的计算已知网络参数求衰减系数A Zin1： 短路输入电抗 Zin2： 开路输入电抗 Zout1：短路输出

12、电抗 Zout2： 开路输出电抗2022/8/1827RF DBTEL第27页，共53页。已知衰减系数A求网络参数（R0：特性阻抗） 由 求得K值： 则可得对T型： 对型： 2022/8/1828RF DBTEL第28页，共53页。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 2022/8/1829RF DBTEL第29页，共53页。衰减网络的应用返回2022/8/1830RF DBTEL第30页，共53页。功率控制环路（APC）功率控制环路构成： 功率放大器（Power Amplifier）

13、功率耦合器（Power Coupler） 功率检波器（Power Detector） 功率比较、控制器（Power Comparator& 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。2022/8/1831RF DBTEL第31页，共53页。功率控制环路构成功率放大器功率耦合器检波器功率比较控制器PISourcefromVCOCouplingPowerPcPo比较信号用于用户设定功率值耦合检波信号差值功率控制信号功率控制环路返回2022/8/1832RF DBTEL第32页，共53页。功率放大器（Power Amplif

14、ier）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 详见PA-BGY280 Data Sheet返回2022/8/1833RF DBTEL第33页，共53页。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

15、（Insertion Loss） 隔离度（Isolation） 方向性（Directivity） 单位（dB） 返回2022/8/1834RF DBTEL第34页，共53页。功率检波器（Power Detector）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：Coupler 输出耦合电容Cc检波二极管D检波电压输出低通积分电路2022/8/1835RF DBTEL第35页，共53页。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

16、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 返回2022/8/1836RF DBTEL第36页，共53页。 功率比较、控制器 Power Comparator&Controller功率比较、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 2022/8/1837RF DBTEL第37页，共53页。功率控制环路（APC）的应用返回2022/8/1838RF DBTEL第38页，共53页。滤波网络（Filter）通用滤波网络电源滤波去耦网络2

17、022/8/1839RF DBTEL第39页，共53页。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2022/8/1840RF DBTEL第40页，共53页。3dB3dBRRLLCCUUfffHfL单阶无源低通（LP） 单阶无源高通（HP）高频截止频率fH与L、C参数有关低频截止频率fL与L、C参数有关2022/8/1841RF DBTEL第41页，共53页。低通滤波器的3dB衰减点的频率为高频截止频率fH，它截止的斜率与其阶数相关高通滤波

18、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 fL 就能构成带通滤波器，其通频带为fL fH。如果将低通滤波器和高通滤波器并联，而且 fH fL 就能构成带阻滤波器，其阻频带为fH fL。滤波特性返回2022/8/1842RF DBTEL第42页，共53页。电源滤波去耦网络对于射频电路而言，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

19、电模块越近达到的去耦效果越好。2022/8/1843RF DBTEL第43页，共53页。电源滤波去耦网络基本理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。2022/8/1844RF DBTEL第44页，共53页。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/Inducto

20、r） 去耦电容-C1、C2（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；用电单元Power BatteryDecouplingResistor/InductorDecouplingCapacitorR/LC1C22022/8/1845RF DBTEL第45页，共53页。去耦电感L在回路中必然阻碍高频交流成分达到隔离效果； 有时，我们还使用扼流磁珠来获得更强的隔离效果。 去耦电容由C1、C2并联分别承担低频、高频交流成分滤波的任务。 电解电容C1一般容量较大在低频时能

21、提供好的通路，而在高频时由于其寄生电感的存在阻抗将变大无法提供滤波通路； 陶瓷电容C2由于其容量一般较小，所以在低频时阻抗较大无法提供滤波通路，而在高频时阻抗变小则会有很好的滤波特性； 这样可以看出C1、C2的滤波特性是互补的，需要同时利用才能得到较宽频的有效滤波范围。 当然，如果需要更宽的滤波频段还可用更多不同 类型的电容并联得到。 详见高速电路板设计技术2022/8/1846RF DBTEL第46页，共53页。电源滤波去耦网络的应用2022/8/1847RF DBTEL第47页，共53页。电源去耦电路参数的选择C1的选择： 假设电源提供电流为I， 则 K取10是经验比例 一般应用时取电容标称值在计算值附近就可以了C2的选择： C2位高频陶瓷电容，一般在0.1uF以下取值 trUBurst返回2022/8/1848RF DBTEL第48页，共53页。其它上拉、下拉电阻数字控制信号的高频抑制措施隔直（Block）电容2022/8/1849RF DBTEL第49页，共53页。上拉、下拉电阻 上、下拉电阻是为了防止扰动引入输入端，保持开关状态的稳定性而设置的： 上拉