GSM手机工作原理.docx

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GSM手机工作原理

GSM手机工作原理概述

我们在对某一型号手机进行维修之前，必须对其电气和机械结构有全面的了解。

机械方面通常比较简单，主要指手机的外壳、电路板、麦克风、扬声器的折装顺序和拆装特点，有时可能需要一些厂家专门提供的夹具来进行折装。

从射频与逻辑电路角度看，GSM手机其实是一个相当复杂的系统，下面我们就按射频与逻辑两部分来介绍GSM手机的原理。

GSM手机主要组成如下图：

早期GSM手机大都由二块电路板组成，一块负责射频信号的处理--射频板，另一块负责音频信号和逻辑控制信号的处理--音频逻辑板（有时也称为数字板），这二块板之间一般用插座相连（有时也会看到用排线相连的手机）。

随着技术的发展，现在的手机射频板和音频板已合二为一，这样集成度更高，体积也更小，但维修难度也将显著增大。

从射频原理图上可以看到，从天线进来的信号首先进入双工器DUP，然后进入一个低噪声放大器LNA，从GSM手机的原理上看双工器并不是必要的，因为手机的信号

接收与发射之间并不是同时进行的，而是相差三个时隙，这一点与模拟TACS手机是有很大不同的，但为了进一步增大收发信号之间的隔离度和消除外界干扰信号，在很多型号的手机中还是在天线前端设置了双工器。

低噪声放大器LNA通常其增益在10~20dB范围，其噪声系数不大于3dB，经过LNA放大的信号将与接收本振混频下变频到中频IF信号，有的型号手机可能只有一级变频电路和一级IF信号，有的手机的接由信号可能会经过二级变频，有二级IF信号，但结构是一样的。

混频后的信号滤波后进入具有自动增益控制的中频放大器AGCIF放大器中放大，尔后滤波后的IF信号送到0.3GMSK调制解调器芯片中解调出I和Q二路信号,I,Q信号可进一步送到DSP芯片中进行自适应均衡等处理,以消除传送过程中的各种衰落与干扰。

有的手机把信道检验，纠错解码等功能也放到DSP芯片中。

当手机开机登录时，它将与当前小区发出的BCH广播控制信道中的同步信号SCH，FCH锁相，以使手机的基础本振锁定在基站的频率基准上。

手机通常有一个基础本振信号，其频率通常为13MHz或其整数倍，手机的接由与发射本振通常由基础本振变频得到，因此一旦基础本振锁定之后Tx/Rx本振也就锁定了。

在射频的发射回路上，从DSP过来的基带信号在0.3GMSK调制解调器中进行调制，其输出为一中频调制信号，一般在几十MHz~一百多MHz，经过适当的放大，滤波后即与发射本振混频，上变频到发射频点上去，经过滤波后进入功放电路，功放电路一般由多级放大器组成，可以是普通三级管的功放，也可以是专用功放芯片。

多级功放中一般有一到二级功放增益可调，其余为固定增益放大器。

功放增益控制一般会根据输出功率等级，输出频点来决定其输出的增益控制电压。

由于手机功放电路其幅频特性并不是理想的线性，因此在手机生产和维修后常要对其功放增益控制电路进行校准，功放控制电路同时也会通过RF输出耦合回来一部分输出信号作反馈控制。

功放以后的信号经滤波器、双工器后就进入天线发射出去了。

逻辑部分主要有主处理器MCU、话音编解码器，外设控制驱动等电路。

主处理器实际上是GSM手机的大脑，它控制手机的各部分电路协调起来工作，除此以外，一般主处理器还负责通信过程中呼叫接续控制等信令的操作。

从DSP过来的数据，如果是信令，就由MCU处理，如果是话音，则送到话音Codec去处理，MCU通常还带有EEPROM，FlashRAM、RAMROM等存贮体作为其程序、数据的存放处。

一般软件升级，只需在EEPROM和FlashRAM中重写程序与数据即可。

话音Codec主要是对话音信号，依据GSM话音信号RELP-LTP编解码方案，进行语音信号的编解码，同时也包含一部分信道编码，如交织，CRC处理等。

话音Codec一般通过话音控制驱动芯片与麦克风、扬声器等外设相连，一方面是驱动外设，另一方面是保护Codec芯片。

手机上的其它一些外设，如电池、充电器、键盘、显示面板等一般也有专用的接口电路接到MCU上，接口电路同样也起着保护MCU的功能。

第二章射频部分

2.1RF公共电路

由于GSM是一个TDMA系统，接收和发射是时分复用的，即接收时不能发射，发射时不能接收。

因此，手机中应有相应的电路支持收、发的转换。

另外，手机中接收机和发射机共用一幅天线，以及为了方便手机的调试和测试，也需要设置负载选择电路。

以上电路构成了手机的RF公共部分的电路。

由于天线阻抗往往不是50Ω纯阻，而手机在设计、调试和测试时是以50Ω纯阻作为负载的。

因此，天线与手机的输入输出阻抗需要一个匹配网络，使之达到要求的驻波比，使射频功率能够有效辐射。

如果天线匹配电路有问题，将会造成发射机射频信号的反射过大，辐射效率下降，给PA造成较大的负担，这时PA的直流损耗会很大（即发射电流大），严重时会烧坏PA。

由于TDMA系统的接收和发射在时间上不能同时进行，手机必须设置收发转换电路，以实现接收发射的转换。

V8088的天线电路采用一个开关电路，使用开关电路来进行接收机信号通道及发射机信号通道的转换。

该电路由开关电路U101和控制电路Q101、Q102及其外围电路构成。

天线开关U101是一个复合开关，它不但进行接收发射的切换，还进行GSM、DCS信号的分离。

GSM系统有三个工作频段：

GSM900、DCS1800和PCS1900。

V8088手机工作在两个频段：

GSM800和DCS1800，通过GSM-SEL和DCS-SEL信号的控制，使信号经天线开关U101选择进入GSM或DCS通道。

2.2RX电路

V8088接收机是一个超外差一次变频接收机，射频电路方框图如下：

GSM射频信号经过天线开关切换，进入GSM通道的声表面带通滤波器FL460滤波，然后到Q461进行放大，再经过第二级声表面滤波器FL470滤波，与接收VCO信号一起进入混频器。

DCS射频信号经天线开关切换，进入DCS通道的声表面带通滤波器FL450滤波，然后到Q451进行放大，再经过第二级声表面滤波器FL465滤波，与接收VCO信号一起进入混频。

混频使用的本机振荡信号来自接收VCO频率合成环路。

对GSM，RXVCO振荡在1335.2～1359.8MHz；对DCS，RXVCO振荡在1405.2～1479.8MHz。

由复合中频模块（U913）产生SF－OUT电压为RXVCO电路提供工作电压，控制信号RVCO-250控制RXVCO信号进入混频器。

DCS-VCO信号经CR251，使CR251导通或断开，由此控制RXVCO振荡在GSM/DCS频段上。

射频信号和RXVCO信号由Q1254混频，得到400MHz的中频信号，经中频滤波器FL457滤波，Q490放大器放大（Q490的供电来自U913提供的SW-Vcc），输出中频信号到U913模块。

400MHz的接收中频信号进入U913后，在芯片内与接收中频VCO信号的2分频信号（400MHz）进行第二次混频，然后产生基带I/Q信号。

这两个分别进行滤波、放大，得到RXI和RXQ信号，然后再在U913内进行解调，串行数据经过RXSPI总线将这数字信号送到U700电路。

串行数据总线包括SDFS、SDRX和SCLK-OUT，当RX-ACQ信号电平变高后，U913开始通过串行数据总线发送数据到U700。

U700对接收信号进行解码、纠错，并从中读取控制数据。

U700通过AUDIOSPI总线把话音信号送到U900模块，在U900内进行D/A转换（PCM解码），并对其放大后送到受话器或蜂鸣器，使之发出声音。

2.3TX电路

1．发射机电路结构

发射机射频电路，通常是指逻辑电路的TXI/Q信号输出到功率放大器输出之间的电路。

V8088发射机是一个带发射变换电路的发射机。

应当注意，V8088电路及新推出的摩托罗拉GSM手机对这种模糊起来。

由于手机电路中芯片的集成度越来越高，射频电路与逻辑电路之间的接口电路被集成在复合中频处理电路中，RXI/Q直接在这个芯片中（U913）被还原成数字的语音信号。

而TXI/Q信号的形成与发射的变换功能也在这里完成。

V8088发射机电路方框图如图33所示。

话音信号经J910送入发射机电路。

话音信号首先进入U900模块，在U900内，经PCM编码，将模拟的话音电信号转换为数字的话音信号从U900的AUDIOSPI接口输出。

数字语音信号通过AUDIOSPI总线输送到U700模块，在U700内，对这个数字语音进行处理（信道编码、加密、分间插入等），得到数码的语音信号，并且手机所有的控制bit被加入其中，从U700的串行接口输出BDX和BCLKX。

U700输出的信号到U913电路，数据信号在U913内完成GMSK调制，同时这个数据被并行输入到一个合成器，由这个频率合成器输出TXVCO信号。

然后到U913模块内的TIC中的鉴相器，与发射已调中频进行处理，产生一个控制电压由CP-TX线输出。

U913模块输出的CP-TX信号经LPF电路后，控制TXVCO电路输出最终发射信号，该信号经Q455缓冲放大，进入功率放大器。

当手机工作在GSM模式下时，信号经CR301、Q400，输入到GSM功率放大器U400的7脚；当手机工作在DCS模式下时，信号通过CR300、Q300，输入到DCS功率放大器U300的2脚，经功率放大器放大，由天线发射出去。

2．发射音频通道

进行对话的话音信号只有被变换成话音电信号，才能够经处理加到高频载波上，通过天线发送出去。

送话器电路提供声-电转换。

图34所示的就是V8088的送话器电路。

送话器的偏压由U900的K3端口提供。

手机使用者的话音经送话器转换成模拟的电信号。

送话器转换的模拟话音电信号的频率成分非常丰富，在20Hz～20KHz之间。

通信中，若采用如此宽的话音频带，则技术实现与制造上非常困难。

实际上，只需取这个频率范围中（300～3400HZ）的信号进行通信，就可得到比较满意的效果，且技术设备简单。

在送话器的输出端，有一个RC话音频带形成电路，它只允许300～3400HZ的信号进入发射机电路。

由于送话器转换的声音电信号比较微弱，故话音信号从U900的K1、J2输入到话音前置放大器，将其放大到一定的幅度，以满足后级电路的需要。

U900模块内包含了发射路径中的A/D转换（PCM编码器），它将模拟的话音信号转换成数字式的话音信号。

转换得到的数字话音信号从U900的AUIDOSPI总线输出（VDR、VFSRX、VCLK），送到U700模块。

在U700模块电路中，数字语音信号经DSP等处理（信道编码、加密、分间插入等），得到数码信号。

数码信号从U700的BDX和BCLKX（TXCLK）信号线输出，到复合中频处理电路U913模块。

若发射音频电路工作不正常，则会导致手机能打电话，但对方听不到声音故障。

第三章逻辑部分

3.1主要芯片功能简介

998系列、8088手机均采用了以GCAPII、WHITECAP为核心的芯片组，射频部分采用MAGIC与逻辑部分进行联系，下面以V8088为例，分别对这几部分的功能进行介绍。

它们分别是：

（1）GCAPII（U900）电源模块

（2）WHITECAP（CPU）模块

（3）MAGIC复合中频处理芯片

GCAPII（U900）电源模块

V8088手机主电源电路以音频模块GCAPII（U900）为基础。

U900模块是一个复合电源管理模块，主要完成音频处理及电源调节等功能。

（1）电源管理模块

电源管理模块产生5个电压：

V1、V2、V3、VERF和VSIM1。

V1电压为5V，给MAGIC供电。

V2电压为2.75V，给整个逻辑电路供电。

V3电压为2V，给WhiteCap（U700）电路模块供电。

VREF电压为2.75V，给MAGIC（U913）供电。

VSIM1电压为5V，给SIM卡供电。

（2）A/D和D/A电路

A/D电路：

将送话器接收的语音模拟信号转换为语音数字信号，然后再传送给WhiteCAP。

D/A电路：

将WhiteCAP输出给GCAPII的语音数字信号转换为语音模拟信号，然后将信号送至喇叭。

（3）逻辑控制电路

开机时产生一个复位信号，复位整个逻辑部分电路。

开机和关机控制电路，用于整个电路的工作模块。

输出PW-SW信号和输入STDBY信号。

（4）晶振电路

晶振电路产生一个32.768kHz的时钟信号，供实时时钟电路使用，用作睡眠状态下的工作时钟。

（5）充电控制电路

（6）DSCBUS接口电路Uplink和Downlink信号。

（7）SIM卡接口信号

CLK：

时钟信号，3.25MHz，SIM卡与GCAPII之间的通信时钟。

SIM-Reset：

复位信号。

SIMI/O：

与GCAPII之间的通信输入/输出线。

Vsim1：

SIM卡的供电电压，为5.0V。

（8）其他功能

对听筒、振铃的音频信号放大以及送话器和外部送话器的音频信号的放大。

产生一个ALRTVcc电压用于驱动振铃和背景灯。

MAGIC复合中频处理芯片

V8088中频电路包括中频放大、锁相解调及I/Q分离。

中频放大由Q490提供，其他的中频处理则由专用ICU913完成。

U913是一个复合电路，他不但包含接收机的中频处理（RXI/Q）解调、发射机的中频处理（TXI/Q调制）、频率合成中的PLL电路，而且包含了逻辑射频接口电路。

V8088中频电路是一个复合GSM射频处理电路。

它包括如下功能电路：

∙接收第一本机振荡RXVCO电路；

∙参考时钟；

∙射频电源调节；

∙功率控制PAC（powercontrol）电路；

∙接收信号处理；

∙接收第二本机振荡；

∙发射中频处理。

（1）接收电路的第一本振电路（RXVCO）

对于EGSM来说，该电路接收机提供第一本振频率为1325.2～1359.8MHz的VCO信号。

第一中频是RXVCO信号与接收频率的差频为400MHz。

对于DCS1800频段来说，接收第一本振频率为1405.2～1479.8MHz；第一中频为接收频率与RXVCO的差频同样是400MHz。

对于这一点，应注意的是，EGSM的第一中频是RX-VCO减接收频率，而DCS1800的中频则是接收频率减RXVCO信号得到。

接收第一本振信号只有在接收信号时才产生。

CPU通过串行数据总线对频率合成环路中的分频器进行编程，控制RXVCO输出信号的频率。

U913模块内锁相环路中PD（鉴相器）输出的控制电压控制外接的RXVCO振荡频率。

VCO输出的信号一路送到接收混频电路，另一路回到程控分频器给锁相环路作取样信号。

（2）参考振荡

晶体振荡电路产生一26MHz的参考时钟。

U913外接一锁相环13MHzVCO电路。

它从CLK-OUT端口输出一个13MHz信号给逻辑电路作时钟信号。

CLK-OUT端口若无信号输出，则手机不能开机。

开机时，26MHz信号2分频以后由CLK-OUT端口输出给逻辑电路，这时CLK-SEL（时钟选择信号）为低电平。

最后，CLK-SEL被拉高，WHITECAP芯片将CLK-SELECT拉高，以激活AFC电路。

（3）射频电源稳压

射频电源稳压电路提供RF-V1和RF-V2两个稳压电源及一个超线性电压（SUPERFILTER）给RXVCO电路作电源（SF-OUT），给VCO的缓冲放大器器供电。

稳压电源RF-V1和RF-V2是在2.75V的电源基础上产生的。

给VCO电路供电的SF-OUT由RF-V1产生。

它精度高，稳定性强，以减小推频效应对VCO输出信号频率的影响。

（4）接收第二本机振荡

第二本机振荡由U913外接的VCO电路产生一个800MHz的中频VCO信号。

在复合IC内部，800MHz被2分频，所以真正的第二本机振荡频率为400MHz。

VCO电路的控制电压在1.0～3.0V之间。

（5）、功率控制PAC

D/A转换的接口电路提供PACIC控制信号，这就使话音的逻辑部分可通过串行外接接口来发送数据，并可用一逻辑信号线来激活发射机。

PACIC输出功率控制信号。

WHITECAP（CPU）模块

WHITECAP，即手机的控制核心CPU，即U700，主要功能如下：

∙执行程序，与外部的SRAM、EEPROM及EPROM之间进行数据交换。

∙输出射频控制信号，控制射频部分的接收与发射。

∙处理键盘、输出驱动液晶显示、驱动背景灯等驱动信号。

∙控制与SIM卡之间的通信。

∙控制MAGIC芯片的工作。

∙进行数字语音编码（DSC）。

∙进行数字信号处理（DSP）。

∙通过串行外设接口与U900之间进行数据交换。

∙控制与外部设备之间的通信。

∙提供其他控制信号。

（1）执行程序，与外部SRAM、EPROM及EEPROM之间进行数据交换

U700是逻辑电路部分的核心部分，它控制着整个逻辑部分的正常运行。

执行程序，保证各部分电路的正常运行。

U700通过地址总线和数据总线与SRAM、EPROM及EEPROM之间进行数据通信。

U700可以对不同的存储器发出片选信号（CS）和R-W（读写信号）。

SRAM：

随机存储器，存储容量为64K*16bit。

主要用于存储U700在执行程序时的临时数据。

Flash：

该芯片集成了一个EPROM和EEPROM，EPROM内存储着手机的软件，EEPROM中存储着各种控制信息，例如功率控制数字信息，RF部分的频率控制，AGC控制等。

（2）输出RF控制信号，控制RF部分的接收和发射

（3）处理键盘，输出驱动液晶显示、驱动背景灯等驱动信号

键盘编码信号和通电开关中断信号输入：

KBR0、KBR1、KBR2和KBC0、KBC1、KBC2、KBC3以及通电开关中断信号HS-INT。

驱动液晶显示：

A0和数据总线D0-D7，以及显示驱动信号DP-EN。

背景灯驱动信号BKLT-EN：

背景灯驱动控制信号。

其他信号：

HEAD-INT，耳机中断输入信号；

VIB-EN，振动器驱动信号；

LED-GRN，绿灯驱动信号；

LED-RED，红灯控制信号。

（4）SIM卡接口

通过SIM卡接口与SIM卡之间进行通信。

通信信号分别为LS1-IN、LS2-IN、LS3-TX、LS3RX。

（5）系列串行外设接口，输出控制U913芯片的工作信号，以及传送接收和发射的数据信号

（6）进行数字语言编码（DSC）

对U900输出给U700的音频数字信号进行编码（由数字语音DSC完成），然后经调制后发射出去，以及完成U913输入给U700的数字信号的解码。

（7）进行数字信号处理（DSP）

U913将接收到的数据信号输至U700，由U700内部的数字信号处理器（DSP）进行解码，并将解码后的数据传送给U900，完成编码和解码后的数字信号的进一步处理。

（8）通过串行外设接口与U900之间进行数据交换；通过串行外设接口对U900进行编程给U900输出一个13MHz的时钟信号。

（9）控制与外部设备之间的通信

通信方式有两种：

①与计算机之间进行通信。

通过RS232串行通信口与计算机之间进行通信。

②通过DSCBUS，与外部测试设备之间进行通信。

这时需与连接设备EMMI相连接，再与测试设备相连接。

DSCBUS包括DSC-EN、UPLINK和DOWNLINK3个信号。

（10）其他控制信号

▪CLK-SELCECT，输出此信号用于选择主时钟信号，时钟频率为13MHz。

▪MAGIC-13MHz，由U913输出至U700的主时钟信号，时钟频率为13MHz。

▪RESET，复位信号，对U700进行复位，同时对FLASHROM和显示部分进行复位。

▪U700模块还提供背景灯控制。

背景灯控制信号来自U700的K3端口。

Q939构成控制开关电路，它们的工作电流恒定，以防止电流过大损坏器件。

3.2电源与逻辑部分

一．电源切换

V8088手机不但可以使用电池电源，还可以使用外接电源。

外接电源从手机底部的连接座输入。

外接电源与电池电源的切换由一个电源切换电路完成。

当外接电源EXT_B+加到手机上时，手机被自动切换到外接电源。

电源切换电路主要由Q942、CR940组成。

该电路构成一个电子开关电路，进行手机电池电源与外接电源路径的切换。

电池电源BATT+连接在Q942的5-8脚上，从Q942的1-3脚输出电源B+给手机电路供电。

当手机被加上外接电源时，U900模块检测到这种变化，从F10断口输出控制信号到Q942的4脚，Q942关闭电池供电路径。

外接电源EXTB+经二极管CR940给手机供电。

电源切换电路如图所示

当话机使用手机电池供电时,手机电池通过电子开关Q942给手机供电.电池正极连接至Q942的5～8脚,这时Q942的4脚为低电平"0",Q942到导通,电池电压从Q942的1、2、3脚输出给手机供电。

若Q942损坏,将会导致手机用电池不能开机,须从底部用外接电源开机；若CR940损坏,则导致手机用电池能开机,用外接电源不能开机。

二．开机电路

V8088手机的开机触发及电源电路由专用模块U900提供。

U900电路是一个复合电路，其功能参见前面的芯片功能介绍。

V8088手机为低电平触发开机，且它与其他摩托罗拉的GSM手机的开机电源模块电路很相似。

开机信号可有两路：

一路为按键开机信号；一路为外接开机信号。

通过开关键产生的开机信号经电阻R804到U900的开机触发端；

通过手机底部系统接口的9脚产生的开机信号经二极管CR920到U900的开机触发端。

当电源开关键未按下时，R804处电压应为高电平"2.75V"。

当电源开关键按下时，R804处电压应为"0"电平（1V以下），否则应检查开关键到R804脚的线路。

V8088手机的开机信号线路如图所示。

当手机的电源开关键被按下并保持足够的时间时，一个低电平触发脉冲经电阻R804到达U900的开机触发端（C8端口，PWRON）。

一旦开机触发信号送到U900电路，开机程序启动。

U900内的电压调节器被打开，分别产生V_BOOST1、V1、V2、V3、V_SIM1等电压。

当U900输出的电源送到U913电路及基准频率时钟电路时，基准频率时钟电路开始工作。

手机一开机，Y230与U913构成的基准频率时钟电路就会产生一个26MHz的信号，26HMz信号在U913内被2分频，得到13MHz的信号。

13MHz信号作为逻辑时钟信号从U913的J6端口输出，到U700的G14端口（经电容C704），经U700处理后，U700又输出一个GCAP-CLK时钟信号到U900的F5端口。

当软件开始运行，手机成功开机后，U700输出时钟信号CLK-SEL到U913的G6端口，选择由CR230电路提供的稳定的13MHz信号作为逻辑电路的时钟信号。

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在时钟信号处理的同时，逻辑电路送出一个系统复位信号到U900及中央处理器U700，U700因此复位清零，通过通信总线启动开机程序。

如果得到软件的支持，U700到P8端口输出一个高电平（WATCHDOG，看门狗），作为开机维持信号，该信号到电源摸块U900，使U900保持电压输出，完成开机过程。

在关机方面，当手机处于开机状态，如电源开关键按下并保持足够的时间时，一低电平关机触发脉冲经电阻R804到达U900的开关机触发端，逻辑电路检测到这一关机信号，即通过串行通信线将这个信息传输到中央处理器U700，U700启动关机程序，U700撤消P8端口的高电平，控制U900关闭电压调节器，停止输出电源，完成关机。

三．U900