圖解手機(jī)射頻電路的設(shè)計原理及應(yīng)用

一、射頻電路組成和特點：

普通手機(jī)射頻電路由接收通路、發(fā)射通路、本振電路三大電路組成。其主要負(fù)責(zé)接收信號解調(diào);發(fā)射信息調(diào)制。早期手機(jī)通過超外差變頻(手機(jī)有一級、二級混頻和一本、二本振電路)，后才解調(diào)出接收基帶信息;新型手機(jī)則直接解調(diào)出接收基帶信息(零中頻)。更有些手機(jī)則把頻合、接收壓控振蕩器(RX—VCO)也都集成在中頻內(nèi)部。

(射頻電路方框圖)

(一)、接收電路的結(jié)構(gòu)和工作原理：

接收時，天線把基站發(fā)送來電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號經(jīng)濾波，高頻放大后，送入中頻內(nèi)進(jìn)行解調(diào)，得到接收基帶信息(RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N);送到邏輯音頻電路進(jìn)一步處理。

1、該電路掌握重點：

(1)、接收電路結(jié)構(gòu)。

(2)、各元件的功能與作用。

(3)、接收信號流程。

電路分析：

(1)、電路結(jié)構(gòu)。

接收電路由天線、天線開關(guān)、濾波器、高放管(低噪聲放大器)、中頻集成塊(接收解調(diào)器)等電路組成。早期手機(jī)有一級、二級混頻電路，其目的把接收頻率降低后再解調(diào)(如下圖)。

(接收電路方框圖)

(2)、各元件的功能與作用。

1)、手機(jī)天線：

結(jié)構(gòu)：(如下圖)

由手機(jī)天線分外置和內(nèi)置天線兩種;由天線座、螺線管、塑料封套組成。

作用：

a)、接收時把基站發(fā)送來電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號。

b)、發(fā)射時把功放放大后的交流電流轉(zhuǎn)化為電磁波信號。

2)、天線開關(guān)：

結(jié)構(gòu)：(如下圖)

手機(jī)天線開關(guān)(合路器、雙工濾波器)由四個電子開關(guān)構(gòu)成。

(圖一)(圖二)

作用：其主要作用有兩個：

a)、完成接收和發(fā)射切換;

b)、完成900M/1800M信號接收切換。

邏輯電路根據(jù)手機(jī)工作狀態(tài)分別送出控制信號(GSM-RX-EN;DCS- RX-EN;GSM-TX-EN;DCS- TX-EN)，令各自通路導(dǎo)通，使接收和發(fā)射信號各走其道，互不干擾。

由于手機(jī)工作時接收和發(fā)射不能同時在一個時隙工作(即接收時不發(fā)射，發(fā)射時不接收)。因此后期新型手機(jī)把接收通路的兩開關(guān)去掉，只留兩個發(fā)射轉(zhuǎn)換開關(guān);接收切換任務(wù)交由高放管完成。

3)、濾波器：

結(jié)構(gòu)：手機(jī)中有高頻濾波器、中頻濾波器。

作用：

其主要作用：濾除其他無用信號，得到純正接收信號。后期新型手機(jī)都為零中頻手機(jī);因此，手機(jī)中再沒有中頻濾波器。

4)、高放管(高頻放大管、低噪聲放大器)：

結(jié)構(gòu)：手機(jī)中高放管有兩個：900M高放管、1800M高放管。都是三極管共發(fā)射極放大電路;后期新型手機(jī)把高放管集成在中頻內(nèi)部。

(高頻放大管供電圖)

作用：

a)、對天線感應(yīng)到微弱電流進(jìn)行放大，滿足后級電路對信號幅度的需求。

b)、完成900M/1800M接收信號切換。

原理：

a)、供電：900M/1800M兩個高放管的基極偏壓共用一路，由中頻同時路提供;而兩管的集電極的偏壓由中頻CPU根據(jù)手機(jī)的接收狀態(tài)命令中頻分兩路送出;其目的完成900M/1800M接收信號切換。

b)、原理：經(jīng)過濾波器濾除其他雜波得到純正935M-960M的接收信號由電容器耦合后送入相應(yīng)的高放管放大后經(jīng)電容器耦合送入中頻進(jìn)行后一級處理。

5)、中頻(射頻接囗、射頻信號處理器)：

結(jié)構(gòu)：

由接收解調(diào)器、發(fā)射調(diào)制器、發(fā)射鑒相器等電路組成;新型手機(jī)還把高放管、頻率合成、26M振蕩及分頻電路也集成在內(nèi)部(如下圖)。

作用：

a)、內(nèi)部高放管把天線感應(yīng)到微弱電流進(jìn)行放大。

b)、接收時把935M-960M(GSM)的接收載頻信號(帶對方信息)與本振信號(不帶信息)進(jìn)行解調(diào)，得到67.707KHZ的接收基帶信息。

c)、發(fā)射時把邏輯電路處理過的發(fā)射信息與本振信號調(diào)制成發(fā)射中頻(后述)。

d)、結(jié)合13M/26M晶體產(chǎn)生13M時鐘(參考時鐘電路)。

e)、根據(jù)CPU送來參考信號，產(chǎn)生符合手機(jī)工作信道的本振信號(后述)。

(2)、接收信號流程。(參照零中頻手機(jī))

手機(jī)接收時，天線把基站發(fā)送來電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號，經(jīng)過天線開關(guān)接收通路，送高頻濾波器濾除其它無用雜波，得到純正935M-960M(GSM)的接收信號，由電容器耦合送入中頻內(nèi)部相應(yīng)的高放管放大后，送入解調(diào)器與本振信號(不帶信息)進(jìn)行解調(diào)，得到67.707KHZ的接收基帶信息(RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N);送到邏輯音頻電路進(jìn)一步處理。

(二)、發(fā)射電路的結(jié)構(gòu)和工作原理：

發(fā)射時，把邏輯電路處理過的發(fā)射基帶信息調(diào)制成的發(fā)射中頻，用TX-VCO把發(fā)射中頻信號頻率上變?yōu)?90M-915M(GSM)的頻率信號。經(jīng)功放放大后由天線轉(zhuǎn)為電磁波輻射出去。

該電路掌握重點：

(1)、電路結(jié)構(gòu)。

(2)、各元件的功能與作用。

(3)、發(fā)射信號流程。

電路分析：

(1)、電路結(jié)構(gòu)。

發(fā)射電路由中頻內(nèi)部的發(fā)射調(diào)制器、發(fā)射鑒相器;發(fā)射壓控振蕩器(TX-VCO)、功率放大器(功放)、功率控制器(功控)、發(fā)射互感器等電路組成。(如下圖)

(發(fā)射電路方框圖)

(2)、各元件的功能與作用。

1)、發(fā)射調(diào)制器：

結(jié)構(gòu)：發(fā)射調(diào)制器在中頻內(nèi)部，相當(dāng)于寬帶網(wǎng)絡(luò)中的MOD。

作用：發(fā)射時把邏輯電路處理過的發(fā)射基帶信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)與本振信號調(diào)制成發(fā)射中頻。

2)、發(fā)射壓控振蕩器(TX-VCO)：

結(jié)構(gòu)：發(fā)射壓控振蕩器是由電壓控制輸出頻率的電容三點式振蕩電路;在生產(chǎn)制造時集成為一小電路板上，引出五個腳：供電腳、接地腳、輸出腳、控制腳、900M/1800M頻段切換腳。當(dāng)有合適工作電壓后便振蕩產(chǎn)生相應(yīng)頻率信號。

作用：把中頻內(nèi)調(diào)制器調(diào)制成的發(fā)射中頻信號轉(zhuǎn)為基站能接收的890M-915M(GSM)的頻率信號。

原理：

眾所周知，基站只能接收890M-915M(GSM)的頻率信號，而中頻調(diào)制器調(diào)制的中頻信號(如三星發(fā)射中頻信號135M)基站不能接收的，因此，要用TX-VCO把發(fā)射中頻信號頻率上變?yōu)?90M-915M(GSM)的頻率信號。

當(dāng)發(fā)射時，電源部分送出3VTX電壓使TX-VCO工作，產(chǎn)生890M-915M(GSM)的頻率信號分兩路走：a)、取樣送回中頻內(nèi)部，與本振信號混頻產(chǎn)生一個與發(fā)射中頻相等的發(fā)射鑒頻信號，送入鑒相器中與發(fā)射中頻進(jìn)行較;若TX-VCO振蕩出頻率不符合手機(jī)的工作信道，則鑒相器會產(chǎn)生1-4V跳變電壓(帶有交流發(fā)射信息的直流電壓)去控制TX-VCO內(nèi)部變?nèi)荻O管的電容量，達(dá)到調(diào)整頻率準(zhǔn)確性目的。b)、送入功放經(jīng)放大后由天線轉(zhuǎn)為電磁波輻射出去。

從上看出：由TX-VCO產(chǎn)生頻率到取樣送回中頻內(nèi)部，再產(chǎn)生電壓去控制TX-VCO工作;剛好形成一個閉合環(huán)路，且是控制頻率相位的，因此該電路也稱發(fā)射鎖相環(huán)電路。、

3)、功率放大器(功放)：

結(jié)構(gòu)：目前手機(jī)的功放為雙頻功放(900M功放和1800M功放集成一體)，分黑膠功放和鐵殼功放兩種;不同型號功放不能互換。

作用：把TX-VCO振蕩出頻率信號放大，獲得足夠功率電流，經(jīng)天線轉(zhuǎn)化為電磁波輻射出去。

值得注意：功放放大的是發(fā)射頻率信號的幅值，不能放大他的頻率。

功率放大器的工作條件：

a)、工作電壓(VCC)：手機(jī)功放供電由電池直接提供(3.6V)。

b)、接地端(GND)：使電流形成回路。

c)、雙頻功換信號(BANDSEL)：控制功放工作于900M或工作于1800M。

d)、功率控制信號(PAC)：控制功放的放大量(工作電流)。

e)、輸入信號(IN);輸出信號(OUT)。

4)、發(fā)射互感器：

結(jié)構(gòu)：兩個線徑和匝數(shù)相等的線圈相互靠近，利用互感原理組成。

作用：把功放發(fā)射功率電流取樣送入功控。

原理：當(dāng)發(fā)射時功放發(fā)射功率電流經(jīng)過發(fā)射互感器時，在其次級感生與功率電流同樣大小的電流，經(jīng)檢波(高頻整流)后并送入功控。

5)、功率等級信號：

所謂功率等級就是工程師們在手機(jī)編程時把接收信號分為八個等級，每個接收等級對應(yīng)一級發(fā)射功率(如下表)，手機(jī)在工作時，CPU根據(jù)接的信號強(qiáng)度來判斷手機(jī)與基站距離遠(yuǎn)近，送出適當(dāng)?shù)陌l(fā)射等級信號，從而來決定功放的放大量(即接收強(qiáng)時，發(fā)射就弱)。

附功率等級表：

6)、功率控制器(功控)：

結(jié)構(gòu)：為一個運算比較放大器。

作用：把發(fā)射功率電流取樣信號和功率等級信號進(jìn)行比較，得到一個合適電壓信號去控制功放的放大量。

原理：當(dāng)發(fā)射時功率電流經(jīng)過發(fā)射互感器時，在其次級感生的電流，經(jīng)檢波(高頻整流)后并送入功控;同時編程時預(yù)設(shè)功率等級信號也送入功控;兩個信號在內(nèi)部比較后產(chǎn)生一個電壓信號去控制功放的放大量，使功放工作電流適中，既省電又能長功放使用壽命(功控電壓高，功放功率就大)。

(3)、發(fā)射信號流程。

當(dāng)發(fā)射時，邏輯電路處理過的發(fā)射基帶信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)，送入中頻內(nèi)部的發(fā)射調(diào)制器，與本振信號調(diào)制成發(fā)射中頻。而中頻信號基站不能接收的，要用TX-VCO把發(fā)射中頻信號頻率上升為890M-915M(GSM)的頻率信號基站才能接收。當(dāng)TX-VCO工作后，產(chǎn)生890M-915M(GSM)的頻率信號分兩路走：

a)、一路取樣送回中頻內(nèi)部，與本振信號混頻產(chǎn)生一個與發(fā)射中頻相等的發(fā)射鑒頻信號，送入鑒相器中與發(fā)射中頻進(jìn)行較;若TX-VCO振蕩出頻率不符合手機(jī)的工作信道，則鑒相器會產(chǎn)生一個1-4V跳變電壓去控制TX-VCO內(nèi)部變?nèi)荻O管的電容量，達(dá)到調(diào)整頻率目的。

b)、二路送入功放經(jīng)放大后由天線轉(zhuǎn)化為電磁波輻射出去。為了控制功放放大量，當(dāng)發(fā)射時功率電流經(jīng)過發(fā)射互感器時，在其次級感生的電流，經(jīng)檢波(高頻整流)后并送入功控;同時編程時預(yù)設(shè)功率等級信號也送入功控;兩個信號在內(nèi)部比較后產(chǎn)生一個電壓信號去控制功放的放大量，使功放工作電流適中，既省電又能長功放使用壽命。

3、本振電路的結(jié)構(gòu)和工作原理：(本機(jī)振蕩電路、鎖相環(huán)電路、頻率合成電路)

該電路產(chǎn)生四段不帶任何信息的本振頻率信號(GSM-RX;GSM-TX;DCS-RX;DCS-TX);送入中頻內(nèi)部，接收時對接收信號進(jìn)行解調(diào);發(fā)射時對發(fā)射基帶信息進(jìn)行調(diào)制和發(fā)射鑒相。

該電路掌握重點：

(1)、電路結(jié)構(gòu)。

(2)、各元件的功能與作用。

(3)、本振電路工作原理。

電路分析：

(1)、電路結(jié)構(gòu)。手機(jī)本振電路有四種電路結(jié)構(gòu)：

a)、由頻率合成集成塊、接收壓控振蕩器(RX-VCO)、13M基準(zhǔn)時鐘、預(yù)設(shè)頻率參考數(shù)據(jù)(SYN-DAT;SYN-CLK;SYN-RST;SIN-EN)，組成(早期手機(jī)多用;如下圖)。

b)、把頻率合成集成塊集成在中頻內(nèi)部，結(jié)合外接RX-VCO組成(中期機(jī)、諾基亞機(jī)多用;(如下圖)

c)、把頻率合成集成塊、接收壓控振蕩器(RX-VCO)集成一體，稱本振集成塊或本振舐IC(中期機(jī)、三星機(jī)多用;如下圖)。

d)、把頻率合成集成塊、接收壓控振蕩器(RX-VCO)集成在中頻內(nèi)部(新型機(jī)、雜牌機(jī)多用;如下圖)。

值得注意：無論采用何種結(jié)構(gòu)模式，只是產(chǎn)生的頻率不同;其工作原理，產(chǎn)生的頻率信號的走向和作用都一樣的。

(2)、各元件的功能與作用。

a)、接收壓控振蕩器(RX-VCO)：

與TX-VCO的結(jié)構(gòu)和工作原理一樣;與TX-VCO不同的是：TX-VCO產(chǎn)生兩個頻率段，只參與發(fā)射;而RX-VCO產(chǎn)生四個頻率段，既參與接收又參與發(fā)射;兩個VCO不能互換。

b)、頻率合成集成塊：

為一個比較運算放大器;把RX-VCO產(chǎn)生頻率取樣信號、預(yù)設(shè)頻率參考數(shù)據(jù)在內(nèi)部進(jìn)行比較，并以13M基準(zhǔn)時鐘為參考，產(chǎn)生1-4V跳變電壓(純直流電壓)去控制RX-VCO振蕩出準(zhǔn)確本振頻率目的。

c)、預(yù)設(shè)頻率參考數(shù)據(jù)：

即工程師在設(shè)計手機(jī)時，根據(jù)手機(jī)在不同信道(GSM手機(jī)為124個)上工作時所需要的本振頻率標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先設(shè)定好，列成數(shù)據(jù)表;并寄存在字庫內(nèi)。即CPU送出的頻合時鐘(SYN-CLK);頻合數(shù)據(jù)(SYN-DAT);頻合復(fù)位(SYN-RST);頻合啟動(SIN-EN)。

(3)、本振電路工作原理。

手機(jī)正常開機(jī)后，電源部分送出頻合電源使本振電路工作，此時RX-VCO振蕩出本振頻率信號分兩路走：

1)、把本振頻率取樣送入頻率合成集成塊內(nèi)，與預(yù)設(shè)頻率參考數(shù)據(jù)在內(nèi)部進(jìn)行比較;并以13M基準(zhǔn)時鐘為參考，產(chǎn)生1-4V跳變電壓，去控制RX-VCO內(nèi)部變?nèi)荻O管的電容量，調(diào)整輸出頻率，使RX-VCO振蕩出符合手機(jī)工作信道所需的本振頻率(俗稱微調(diào))。

2)、本振頻率送入中頻內(nèi)部，經(jīng)分頻后又分三路：

a)、接收時本振頻率送入接收解調(diào)器對接收信號進(jìn)行解調(diào)(即本振頻率與接收頻率這兩個大小相等，相位相反頻率信號進(jìn)行搬移和抵消;剩余對方送來的信息)。

b)、發(fā)射時本振頻率送入發(fā)射調(diào)制器，對邏輯電路送來的發(fā)射基帶信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)，調(diào)制發(fā)射中頻(即把發(fā)射信息疊加在本振頻率上)。

C)、發(fā)射時，把TX-VCO產(chǎn)生頻率取樣送回中頻內(nèi)部，與本振頻率混頻，產(chǎn)生一個與發(fā)射中頻頻率相等的發(fā)射鑒頻信號。

900M/1800M本振頻率轉(zhuǎn)換由CPU送出雙頻功換信號(BANDSEL)來控制(俗稱粗調(diào))。

從上看出：由RX-VCO產(chǎn)生頻率到取送入頻率合成集成塊內(nèi)部，再產(chǎn)生電壓去控制RX-VCO工作;剛好形成一個閉合環(huán)路，且是控制頻率相位的，因此該電路也稱鎖相環(huán)電路。、

從頻合電路工作原理看，本振頻率與接收頻率要同步(同一工作信道)手機(jī)才有信號。CPU如何判定手機(jī)工作信道?原來當(dāng)手機(jī)開機(jī)后，CPU送出900M/1800M兩系統(tǒng)所有工作信道所需的SYN-DAT、SYN-CLK、SYN-RST、SIN-EN令RX-VCO產(chǎn)生所有本振頻率，遂一送入中頻內(nèi)部與接收頻率進(jìn)行對接，直到邏輯電路接到基帶信息為止。并鎖定在該信道上，因此，手機(jī)找網(wǎng)是漫長過程。