手机原理手机RF原理及设计手机设计流程.docx
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手机原理手机RF原理及设计手机设计流程
手机原理手机RF原理及设计（手机设计流程）
1.接收部分
天线开关为FET器件（双工器）是一个双刀掷模拟开关，其中一个刀进行收发信号切换，另一个刀接测试口，其工作状态受开关管T3，T4组成的控制电路控制，控制指令为RX—EＮ和TX—EＮ。
当控制信号RX—EN为高电平时，天线开关处于接收状态，接收信号通过天线开关进入陶瓷带通滤波器BPF3，BPF2进行高频滤波，然后再经过耦合电容C103，C19，C109送到PMB6253内进行低噪声放大，放大后的信号送入混频器，高频放大器经过滤波后，和来自主压振荡器的接收本振信号RXVCO一起送入混频器完成两信号的混频，混频后产生中频信号经耦合电容C14，C87通过BPF1将其中的杂波滤除，再送到隔离放大器放大。
中频信号在收发IC内完成接收信号正交解调处理，完成解调处理后产生模拟接收基带信号，RXI/RXQ接收I/Q基带信号分别从IC的8、9脚输出。
在收发IC、U1内部，接收部分包括中频、中频放大、混频、PLL。
13MHZ主时钟、主压器振荡器、接收中频和发射中频等。
手机高频原理方向图
2.发射部分
经CPU送出的TX1、TXQ分别送入收发ICU1以产生TXIF发射中频，发射中频输入信号TXIFIN和TXVCO在U1内进行混频，鉴相，再产生振荡频率，预放大后从U1，28脚输出，经耦合电容C33到功放CX773014脚，X3为TXVCO，功率控制IC4输出误差电压以改变功放的放大量，达到改变发射信号的功率等级。
当控制信号TX—EX为高电平时，天线开关于发射状态。
新手机开发
现介绍GSM／DCSl800双频段手机RF部分的基本工作原理和各单元的设计方案、技术指标和参数计算。
对几种不同的双频手机RF方案，在经过分析和比较之后，提出一种性能价格比较高的技术方案。
GSM手机属高科技通信产品，其销售对象是千家万户，因此对手机的性能价格比要求特别高，手机的利润只能体现在大批量的生产和销售中。
针对这种情况，在满足欧洲电信标准ETSGSMll．10技术规范的前提条件下，RF部分的设计者必须在先行方案设计中就充分注意到性能价格比，这将对手机在未来的市场上能否有竞争力产生十分重要的影响。
GSM手机的性价比是由各个组成单元的性价比来决定的，所以，对RF部分各个单元电路进行认真、细致的分析和比较，这对于提高整机的性价比是十分重要的。
1.GSM900／DCSl800双频手机的特点
双频手机有以下特点：
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频段网络，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，双频手机以经是主流产品。
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。
2.GSM900／1800双频手机RF部分
的主要技术指标和设计要求
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%，相位误差峰值：
<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部分的主要RF指标：
工作频率：
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<1×10-7，相位误差均方根值＜5°，峰值＜200
射频输出功率：
3级（24dBm）--15级（0dBm），共有13级功率；步进Δ＝2dB
3.双频手机RF部分基本工作原理
3．1RF部分基本组成框图
3．2GSM900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和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。
3．3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和GSM900相同，只是工作频段不同而已。
3．4频率合成器单元
该单元和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。
4．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：
因为以前AD变换器和DSP的技术水平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，采用这种方案到现在才刚刚开始。
4．1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。
计算结果为：
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
4．2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路单端输出的直流电平值设计为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。
4．3LNA（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）。
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。
4．4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—10dB
（3）本振电平：
-5dBm—0dBm，过高的本振电平会产生手机功耗加大，EMC性能变差的问题
4．5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
4．6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）双端输入阻抗能和IFSAW滤波器的输出阻抗相匹配。
4．7I/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4o
（4）具有差分直流偏置校正功能。
5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，缺点是需要用定向耦合器、功率检测和比较电路，电路要复杂一点。
我们认为采用发射单中频，末级TX—VC0采用PLL—VC0，PA闭环控制的方案较为理想。
5．1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）IF输出电平：
0dBm—5dBm。
5．2RF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——+3dBm；
（3）PA效率：
PAE（poweraddedefficiency）：
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：
＜5o，峰值＜20o；
（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应能达到35dBm，对于DCSl800应能达到26dBm。
6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：
（1）GSM900和DCSl800两频段的收发信机采用不同的中频频点：
缺点是PLL电路复杂，两频段的中放部分不能共用，一般不宜采用。
（2）GSM900和DCSl800两频段的收发信机共用中频部分：
采用此法可使电路简化，降低成本，提高可靠性。
（3）在同一频段内（同在GSM900或DCSl800）接收中频和发射中频采用不同的频点：
采用此法PIL电路和控制相对复杂一些。
（4）在不同的频段内，收发中频频点均相同：
采用此法的理论依据是GSM900／DCSl800均采用TDMA体制。
采用该法可使整个PLL电路和控制最为简单、实用。
6．1IF和RF频率合成器鉴相频率的选择
因为IF是一个固定的频点，故IF鉴相频率可取得比较高，可在几百kHz到几MHz
之间选择，以提高IF频率合成器的频谱质量。
RF频率合成器的鉴相频率应不大于信道载波间隔，对于GSM而言，鉴相频率可取200kHz（ΔCH）或100kMz（0．5ΔCH），一般取200kMz。
6．2锁定时间
根据GSM通信体制的要求，锁定时间需同时满足下列两个条件：
（1）按帧（时隙不变）进行跳频，跳频速率：
217跳/秒，根据GSMTDMA的帧结构，要求Tlock＜T帧—T时隙＝7时隙长＝7×0．577=4ms。
（2）GSM技术规范中要求，具有相同帧号的上行帧和下行帧之间，在时间上相差3个时隙（上行帧滞后），同时要求手机能在这三个时隙的时间内，进行信道的切换和调谐，故锁定时间应满足：
Tlock＜3时隙＝3×0．577＝1．73ms。
综合起来，RF频率合成器的锁定时间应小于：
1．73ms
7GSM900／DCSl800双频手机RF部分解决方案的方框图
关于图2的几点说明：
（1）接收机采用一次变频方案，LNA的AGC控制采用键控控制方式，即通过控制LNA的偏置电流来实现。
GSM900和DCS1800这两个频段的接收部分仅是RF调谐器不同，中频以后的部分相同。
（2）发射单元采用一次变频方案，GSM900和DCSl800两频段在IF之前的部分是相同的。
采用了PLL控制发射VC0的方案，该方案比上变频的方案能获得更好的频率误差，特别是相位误差指标。
（3）为简化电路，可使发射中频等于接收中频，其值根据具体情况可在200MHz—400MHz之间选取。
（4）为使双频段调谐器的VC0易于实现GSM900的第一本振采用高本振，
而在DCS1800频段则采用低本振。
第一本振的工作频率可用下式来计算：
E—GSM900接收状态：
925十FIF——960十FIFMHz
E-GSM900发射状态:
880十FIF—915十FIFMHz
DCSl800接收状态:
1805-FIF—1880-FIFMHz
DCS1800发射状态：
1710-FIF——1785-FIFMHz
上式中FIF代表中频频率。
（5）为保证手机的EMC性能和降低功耗，LNA、接收中频放大和解调、调制器、PA、PLL、TX—VC0这些单元的供电宜采用单独的电源供电。
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