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手机测试

手机频率合成器电路分析

在现代的移动通信中，常要求系统能够提供足够的信道，移动台也需能根据系统的控制变换自己的工作频率。

这就需提供多个信道的频率信号，使用多个振荡器是不现实的。

在实际电路中，通常使用频率合成器来提供有足够精度、稳定性好的工作频率。

   将一个或多个基准频率信号变换为另一个或多个所需频率信号的技术即为频率合成，或称为频率综合技术。

一、频率合成器的基本组成 

   手机通常使用的为带锁相环的频率合成器。

每个频率合成环路都包括5个基本的功能电路：

基准时钟振荡器、鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和分频器。

如图4-22所示。

   设基准振荡信号为f1，设VCO输出信号为f2。

分频器输出的信号为f2／N。

整个环路的控制目的就是要使f1=f2／N

1.基准时钟振荡电路

 手机基准时钟振荡电路，是手机的一个十分重要的电路，产生的13MHz时钟，一方面为手机逻辑电路提供了必要条件，另一方面为频率合成电路提供基准时钟。

手机的13MHz基准时钟电路，主要有两种电路：

 一是专用的13MHzVCO组件，VCO组件一般有4个端El：

输出端、电源端、AFC控制端及接地端。

图4-23是西门子2588手机的13MHzVCO电路。

图4-24是诺基3310手机的26MHzVCO电路。

 另一种是由一个13MHz（26MHz、19．5MHz）石英晶体、集成电路和外接元件构成晶振振荡电路。

图4-25是爱立信T28手机的13MHz晶振振荡电路。

由N234和13MHz晶体B320、变容二极管V322、V321等构成，该电路产生13MHz的信号，经N234模块处理后输出两路：

一路经电容C300、C302到D300模块的15脚，给频率合成电路提供参考信号；另一路从N234的52脚输出，给逻辑电路提供逻辑时钟信号；

13MHz电路的控制信号VCXOCONT来自N800模块。

   图4-26是摩托罗拉V998手机的26MHz振荡电路。

由26MHz石英晶体Y230、变容二极管CR230及中频模块U913内部的振荡电路所组成。

电路中，Y230是4脚晶体，其中三只脚是连在一起作为接地端，而另外一脚则作为输出，自动频率控制电压AFC从U913的J7端输出，U913的J8脚为供电端，U913振荡器产生13MHz基准频率一路作为基准频率信号源去合成各种载频，另外一路则从U913的J6端输出送到中央处理器，作为手机的逻辑时钟。

图4-27是三星A188手机19.5MHz振荡电路。

   由U101和石英晶体Y101等元件组成，石英晶体Y101的谐振频率（基准频率）为19.5MHz，在U101模块内进行1.5倍分频处理，得到频率合成的参考信号和逻辑电路的13MHz时钟信号。

频率合成的参考信号从U101的C10脚输出；逻辑时钟信号从U101的H7脚输出。

U101的D10脚为供电端。

   不管是VCO组件还是晶振组成的振荡电路，都需要AFC控制信号，AFC信号由逻辑电路中的DSP（数字语音处理器）输出。

由于GSM手机采用时分多址（TDMA）技术，以不同的时间段（时隙）采区分用户，手机与系统保持时间同步就显得非常重要。

如手机时钟与系统时钟不同步，则会导致手机不能与系统进行正常的通信。

   在GSM系统中，公共广播控制信道（BCCH）包含频率校正信息与同步信息等。

手机一开机，就会在逻辑电路的控制下扫描这个信道，从中获取同步与频率校正信息。

如手机系统检测到手机的时钟与系统不同步，手机逻辑电路就会输出AFC信号。

AFC信号改变13MHz电路中VCO两端的反偏压，使该VCO电路输出频率发生变化。

从而保证手机与系统同步。

常见手机所采用的基准时钟电路对比见下表。

2.鉴相器 

   鉴相器简称PD、PH或PHD（PhaseDetector）。

是一个相位比较器，它将VCO振荡信号的相位变化变换为电压的变化，鉴相器输出的是一个脉动直流信号，这个脉动直流信号经低通滤波器（LPF）滤除高频成分后去控制VCO电路。

   鉴相器是相位比较器，它对基准信号输入与VCO产生的信号输入进行相位比较，输出反映两信号相位误差的误差电压。

鉴相器多种多样，有数字的，也有模拟的。

如双口鉴相器、鉴频鉴相器等。

当采用数字鉴相器时，由于其输出为双端口输出，：

在与环路滤波器的连接上就成问题。

通常在两者之间加人一个双端输人单端输出的，而且能将鉴相器输出的相位误差信号正确地反映出来的电路，这个电路被称为电荷泵或泵电路。

在摩托罗拉的GSM手机中，其发射频率合成器中基本上都使用了泵电路。

在频率合成器中，为了作精确的相位比较，鉴相器是在低频状态工作的。

在手机电路中，鉴相器通常与分频器被集成在一个专用的芯片中，这个芯片通常被称为PLL（锁相环），或被集成在一个复合芯片中（即该芯片包含多种功能电路）。

3.低通滤波器

   低通滤波器简称LPF（LowPassFilter）。

低通滤波器在频率合成环路中又被称为环路滤波器。

它是一个RC电路。

位于鉴相器与VCO电路之间，低通滤波器电路基本形式如图4-28所示。

   低通滤波器通过对电阻电容进行适当的参数设置，使高频成分被滤除。

由于鉴相器PD输出的不但包含直流控制信号，还有一些高频谐波成分。

这些谐波会影响VCO电路的工作。

低通滤波器就是要把这些高频成分滤除，以防止对VCO电路造成干扰。

4.压控振荡器

   压控振荡器简称VCO（VoltageControlOscillator）。

压控振荡器是一个“电压—频率”转换装置。

它将鉴相器PD输出的相差电压信号的变化转化成频率的变化。

   顾名思义，VCO电路是一个电压控制电路。

电压控制功能的完成是通过一个特殊的器件来完成的，这个器件就是变容二极管。

   鉴相器输出的相差电压实际上是加在变容二极管两端的。

当鉴相器输出发生变化时，变容二极管两端的反偏发生变化，导致变容二极管的结电容改变，VCO振荡回路改变，VCO输出频率也随之改变。

在实际应用中，变容二极管为反向偏置使用，其线性好，可控范围大。

   在手机电路中，VCO从电路形式上来说，有分离元件电路与VCO组件。

但VCO组件采用的电路也基本与分立元件的VCO电路相似。

相比较采说，摩托罗拉手机常使用分立元件的VCO电路，而其它手机则较多地采用了VCO组件。

无论是分立元件还是VCO组件，一般都是一个电容三点式振荡电路。

VCO在锁相环中比较重要，是频率合成及锁相环路的核心电路。

它应满足这样一些特性：

输出幅度稳定性要好，在整个VCO工作频带内均应满足此要求，否则会影响鉴相灵敏度；频率覆盖范围要满足要求且有余量；电压一频率变换特性的线性范围要宽。

5.分频器

   鉴相器是将VCO输出信号与基准信号进行比较。

在频率合成中，为了提高控制精度，鉴相器在低频下工作。

而VCO输出频率是比较高的，为了提高整个环路的控制精度，就离不开分频技术。

手机中的频率合成环路多，不同的频率合成环路使用的分频器不同：

   接收机的第一本机振荡（RXVCO、UHFVCO、RFVCO）信号是随信道的变化而变化的，该频率合成环路中的分频器是一个程控分频器，其分频比受控于频率合成数据信号（SYNDAT＼SYNCLK、SYNSTR）。

二本振VCO，也称中频VCO（1FVCO、VHFVCO），信号是固定的，中频VCO频率合成环路中的分频器的分频比也是固定的。

   分频器输出的信号送到鉴相器，和基准时钟信号进行相位比较。

二、频率合成器的基本工作过程

1.VCO频率的稳定过程 

   当VCO处于正常工作状态时，VCO输出一个固定的频率。

若某种外界因素如电压、温度导致VCO频率升高，则分频输出的信号为f2／N比基准信号n高，鉴相器检测到这个变化后，其输出电压减小，使变容二极管两端的反偏压减小。

这使得变容二极管的结电容增大，振荡回路改变，VCO输出频率降低。

若外界因素导致VCO频率下降，整个控制环路则执行相反的过程。

2.VCO频率的变频过程

   上面是说明的是怎样使VCO输出的频率稳定。

那怎样使VCO的频率能改变呢?

在说明这个问题前，先解释一下为什么VCO的频率要改变这个问题。

因为手机是移动的，移动到了另一个地方，为手机服务的小区（CELL）就变成了另一对频率，所以手机就必须改变自己的接收和发射频率。

VCO改变频率过程如下：

手机在收到新小区的改变频率的信令以后，将信令解调、解码，手机的CPU就通过三条线（即CPU的SYNDAT、SYNCLK、SYNSTR脚）对锁相环电路发出改变频率的指令，去改变程控分频器的分频比，并且在极短的时间内完成。

在这三条线的控制下，锁相环输出的电压就改变了，用这个己变大或变小了的电压去控制压控振荡器内的变容二极管，则VCO输出的频率就改变到新小区使用的频率上了。

三、手机常用频率合成器电路

   在手机电路中，通常包含几个频率合成环路：

一本振VCO频率合成环路（UHFVCO、RFVCO、RXVCO）、二本振VCO频率合成环路（1FVCO、VHFVCO等）、发射中频VCO频率合成环路等。

不管是哪一个频率合成环路，其电路结构都基本一样，且它们的参考信号都来自基准频率时钟电路。

1.一本振VCO频率合成器

   对于带发射VCO电路的手机，一本振VCO频率合成器产生一本振信号，一方面送到接收一混频电路，和接收信号进行混频，从混频器输出一中频信号。

另一方面，产生一本振信号与发射VCO（TXVCO）输出的信号进行混频，输出发射中频参考信号，发射中频参考信号和发射己调中频信号在发射变换模块鉴相器中进行比较，输出包含发送数据的脉动直流信号，再去控制发射VCO电路。

对于带发射上变频电路的手机（较少，如诺基亚6110手机），一本振VCO频率合成器产生一本振信号，一方面送到接收一混频电路，和接收信号进行混频，从混频器输出一中频信号。

另一方面，产生的一本振信号直接与发射已调中频信号进行混频（因为没有发射VCO电路），得到最终的发射信号。

下面以松下GD90手机的一本振VCO频率合成电路为例进行说明，有关电路图见图4-29所示。

 松下GD90手机的接收第一混频和发射的变换电路都要使用到RXVCO信号，而RXVCO电路由U302模块提供。

U302模块可工作在GSM模式或DCS模式下，频段切换控制信号DCS-GSM通过Q301电路使U302工作在相应的模式下。

U302的1脚是信号输出端；3脚是频段切换控制端；5脚是控制端；7脚是电源端。

当U302工作于GSM频段时，从1脚产生1160~1185MHz的一本振信号。

当U302工作于DCS频段时，从重脚产生1580--1665MHz的一本振信号。

   U302的输出分为两路：

一路到U101的39脚作为输出信号；另一路到锁相环U301的13脚作取样信号。

该信号在U301内被分频，并与基准时钟信号进行比较，得到电压控制信号从U301的9脚输出，信号经电阻R302、R303和R304及电容C311等构成的低通滤波器电路到U302的5脚，通过改变U302内变容二极管两端的反偏压，从而控制U302的输出频率。

   当逻辑电路通过SYNEN、SYNDATA、SYNCLK三条线改变U301中分频器的分频比时，U301的9脚的电压随之改变，U302的输出频率也随之改变，达到信道转换的目的。

2.二本振VCO频率合成器

   对于超外差二次变频电路的接收电路：

二本振VCO频率合成器的主要作用是产生二本振信号，送到接收二混频电路，与接收二混频电路输入的一中频信号进行混频，产生二中频信号。

对于超外差一次变频电路的接收电路：

二本振VCO频率合成器的主要作用是产生二本振信号，送到接收解调电路，以解调出RXI／Q信号。

下面以松下GD90手机的二本振电路为例进行说明，有关电路图见图4-30所示。

   二本振VCO电路（1FVCO）由VCO组件U303模块提供，U303的1脚是信号输出端，5脚是控制端，脚是电源端。

U303电路将产生540MHz的二本振信号。

U303输出的信号分为两路：

一路到U101的36脚作为输出信号；另一路到U301的4脚作取样信号。

U101的8脚输出中频VCO的控制信号。

3.发射中频VCO频率合成器

   发射中频VCO频率合成器主要是产生发射中频载波信号。

手机在设计时，为了简化电路，发射中频频率合成器常和二本振VCO频率合成器合在一起，这样，二本振VCO频率合成器和发射中频VCO频率合成器就合成了一个电路。

   另外，需要说明的是：

发射VCO（TXVCO）电路从原理上分析也是一个频率合成器，前面已有分析，这里不再多述

手机射频接收功能电路分析

一、接收电路的基本组成

   移动通信设备常采用超外差变频接收机。

这是因为天线感应接收到的信号十分微弱，而鉴频器要求的输入信号电平较高而且稳定。

放大器的总增益一般需在120dB以上。

这么大的放大量，要用多级调谐放大器且要稳定，实际上是很难办得到的。

另外高频选频放大器的通带宽度太宽，当频率改变时，多级放大器的所有调谐回路必须跟着改变，而且要做到统一调谐，这也是难以做到的。

超外差接收机则没有这种问题，它将接收到的射频信号转换成固定的中频，其主要增益来自于稳定的中频放大器。

手机接收机有三种基本的框架结构：

一种是超外差一次变频接收机，一种是超外差二次变频接收机，第三种是直接变频线性接收机。

   超外差变频接收机的核心电路就是混频器，可以根据手机接收机电路中混频器的数量来确定该接收机的电路结构。

1.超外差一次变频接收机

   接收机射频电路中只有一个混频电路的称作超外差一次变频接收机。

超外差一次变频接收机的原理方框图如图4-1所示。

它包括天线电路（ANT）、低噪声放大器（LNA）、混频器（Mixer）、中频放大器（IFAmplifier）和解调电路（Demodulator）等。

摩托罗拉手机接收电路基本上都采用以上电路。

   超外差一次变频接收机工作过程是：

天线感应到的无线蜂窝信号（GSM900频段935,--960MHz或DCSl800频段1805---1880MHz）不断变频，经天线电路和射频滤波器进入接收电路。

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后，被送到混频器。

在混频器中，射频信号与接收VCO信号进行混频，得到接收中频信号。

中频信号经中频放大后，在中频处理模块内进行RXI／Q解调，解调所用的参考信号来自接收中频VCO。

该信号首先在中频处理电路中被分频，然后与接收中频信号进行混频，得到67.707kHz的RXI／Q信号。

2.超外差二次变频接收机 

   若接收机射频电路中有两个混频电路，则该机是超外差二次变频接收机。

超外差二次变频接收机的方框图：

如图4-2所示。

  与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在一些电路中被叫作IFVCO或VHFVCO。

诺基亚手机、爱立信手机、三星、松下和西门子等手机的接收电路大多数属于这种电路结构。

   在图4—1和图4-2中，解调电路部分也有VCO，应注意的是，该处的VCO信号是用于解调，作参考信号而且该VCO信号通常来自两种方式：

一是来自基准频率信号13MHz，另一种是来自专门的中频VCO。

   超外差二次变频接收机工作过程是：

天线感应到的无线蜂窝信号（GSM900频段935~960MHz或DCSl800频段1805—1880MHz）经天线电路和射频滤波器进入接收电路。

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后被送到第一混频器。

在第一混频器中，射频信号接收VCO信号进行混频，得到接收第一中频信号。

第一中频信号与接收第二本机振荡信号混频，得到接收第二中频。

接收第二本机振荡来自VHFVCO电路。

接收第二中频信号经二中频放大后，在中频处理模块内进行RXI／Q解调，解调所用的参考信号来自接收中频VCO。

该信号首先在中频处理电路中被分频，然后与接收中频信号进行混频，得到67.707kHz的RXI／Q信号。

3.直接变频线性接收机

   随着新型手机的面世，一些新型手机采用了直接变频线性接收电路。

如诺基亚的8210、8250、3310手机等。

这种接收机的电路结构如图4-3所示。

  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，RXI／Q信号都是从解调电路输出的，但直接变频线性接收机中，混频器输出的就是RXVQ信号了。

但不管电路结构怎样变，它们总有相似之处：

信号是从天线到低噪声放大器，经过频率变换单元，再到语音处理电路。

二、天线电路

   天线电路是手机接收电路的第一级电路，也是发射电路的最后一级电路。

主要作用有以下几点：

一是将天线将空中的电磁波转化为高频电流并将其输送到接收电路中。

二是分离发发射和接收信号，避免二者相互干扰。

由于GSM手机使用了TDMA技术，接收机与发射机间歇工作，天线开关在逻辑电路的控制下，在适当的时隙内接向接收机或发射机通道。

三是用于切换内接和外接天线电路。

四是对于双频或三频手机，天线电路还可以将GSM900MHz、GSMl800MHz或PCNl900MHz信号分开。

目前，手机的天线电路主要采用了以下三种形式，下面分别介绍。

1.天线开关电路

   天线开关电路一般由集成电路和外接元件组成，如摩托罗拉P7689手机就采用了这种方式，主要由U150、U151及相关外围元件组成，如图4-4所示。

该天线开关电路主要有以下三点作用：

（1）用于内置天线ANTl与外接收天线EXT-ANT切换； 

（2）用于收发信切换；

（3）用于收信1800MHz、900MHz、1900MHz切换。

外接天线由底部接插座J600的第2脚提供，其中，INT-2是收信1800MHz频段信号输出，1NT-3是收信900MHz和1900MHz频段信号输出，RX275-DCS是DCS频段控制信号，RX275-GSM-PCS是GSM、PCN频段控制信号，均来自于CPU；TXIN为发射信号输入，RF-V1为收发切换器正电源，TXON为发射允许信号，RX-

0N为接收允许信号，FILTERED为负电源。

该天线开关电路有四路控制信号：

（1）U151的2脚输出的ANTl信号控制U150内的内天线开关是转向接收电路还是转向发射电路。

（2）U151的3脚输出的ANT2信号控制U150内的外天线开关是转向接收电路还是转向发射电路。

（3）RX275-DCS信号控制U150内的DCS频段信号是否和内置或外接天线接通。

（4）RX275-GSM-PCS信号控制U150内的GSM、PCN频段信号是否和内置或外接天线接通。

2、双工滤波器

   有些手机的天线电路采用了双工滤波器（双工器）。

双工器是一种无源器件。

内部包括发射滤波器和接收滤波器，它们都是带通滤波器。

双工器有三个端口，即公共端天线接口、发射输出端及接收输入端。

诺基亚5110手机就采用发这种形式的天线电路，有关电路见图4-5所示。

   双工器的ANT端接天线，RX端为接收信号的输出端，TX端为发射信号的输入端。

3.双讯器 

   在有的手机中，天线电路采用了双讯器（Diplexer）。

双讯器实际上和双工滤波器差不多，所不同的是，双讯器除将发射信号和接收信号分开外，还将GSM900MHz与GSMl800MHz信号分开。

诺基3310手机的天电路就采用了双讯器，有关电路见图4-6所示。

  图中所示的是一个带开关电路的双讯器的组件，TXVGSM与TXVDCS是控制端，GSM-TX、GSM-RX别代表GSM的发射、接收端口，DCS-TX、DCS-RX分别代表1800MHz收发信机的发射、接收端口。

双讯器GSM射频信号与DCS射频信号进行分离，而开关电路则将发射射频信号与接收射频信号分离。

   诺基亚3310手机使用内置天线。

天线感应接收到的无线蜂窝信号被转化成高频电信号，这些信号包含GSM900接收射频信号。

DCSl800接收射频信号和其他一些无用信号。

   天线接收到的射频信号首先到达Z502。

Z502是一个包含射频开关的双讯器。

它对GSM射频信号和DCS射频信号通道进行切换，同时也对接收与发射射频信号进行分离。

Z502的控制信号来自N500模块。

当TXVGSM信号有效时，Z502将天线连接至GSM接收机和发射机电路；当TXVDCS信号有效时，Z502将天线连接至DCS接收机和发射机电路。

   从上面分析中可以看出，双讯器和天线开关在电路结构和功能上十分相似，不同的是，天线开关集成电路内部只是一组开关而没有滤波器，而双讯器内部不但有双工滤波器，而且还包含开关电路。

三、低噪声放大电路 

   低噪声放大器在电路中主要是对天线感应到的微弱的射频信号进行放大，以满足混频器对输入信号的幅度的要求。

在手机电路图中，低噪声放大器的英文缩写是LNA（LowNoiseAmplifier）。

低噪声放大器是接收机的第一级放大电路，位于天线电路之后。

在低噪声放大器的前后，通常都有射频滤波器。

   低噪声放大器是一个高频小信号放大器，这个放大器中的三极管要求截止频率高，放大倍数大，噪声系数小。

第一级信号很小，工作点通常设得比较低，同时加电流负反馈，减小噪声。

   高频放大电路采用低噪声放大器可以改善接收机的总噪声系数。

同时高频放大器还防止RXVCO信号从天线路径辐射出去。

分立元件的低噪声放大器通常都采用共发射极电路，用以将微弱的射频信号进行放大并弥补射频滤波器带来的插入损耗。

在低噪声射频晶体管放大器中，从低噪声性能出发，其偏压或偏流的供给都是通过电抗滤波器供给的，这样做可以避免电源噪声和偏置电阻的热噪声引入到射频通道中，影响放大器的噪声性能。

图4-7是摩托罗拉P7689手机中的GSM900低噪声放大器电路。

   在电路中，三极管Q400是低噪声放大器的核心器件。

Q400与周边元件一起构成了GSM900低噪声放大器。

其中C402是输入电容，C405是集电极输出电容。

LA02、R401、C403等一起构成一个电抗滤波供电电路，将RX-275-GSM电源进行滤波，然后给Q400的集电极供电；I_A01、R403、C403等也构成一个电抗滤波电路，对RX-275-GSM电源滤波后给Q400的基极供电。

R401是交流负载电阻，Q400的放大作用就是通过该电阻表现出采。

L402则是集电极的直流通道。

在基极电路中，电阻R403构成一个固定式偏置电路。

   在以Q400为核心的低噪声放大器电路的前一级和后一级，都有一个射频滤波器。

这两个射频滤波器都是带通滤波器，只允许GSM接收频段内的射频信号通过。

在电路中，RX-275-GSM给Q400的集电极和基极提供工作屯压，当该信号为高电平时，启动低噪声放大器。

   需要注意的是：

有些手机并没有设置以上分立元件组成的低噪声放大器，其低噪声放大电路已集成在集成电路中。

四、混频电路 

   对于超外差一次变频接收机和直接变频线性接收机，接收机需对高频信号变频一次，对于超外差二次变频电路，接收机需对高频信号变频两次。

这项工作由混频电路来完成。

   混频就是将两个不同的信号——本机振荡信号和信号频率加到非线形器件上，进行频率组合后取其差频或和频，从而满足电路的需要。

而这个差频或和频是固定不变的，我们也把这种变化称为频谱搬移。

混频的英文缩写是MIX。

   超外差接收机的频率变换单元一般有自激式变换器和它激式变换器。

如果本机振荡与混频由同一电路完成，则为自激式变频器；如果频率变换和本机振荡信号