《数字手机电路组成》PPT课件.ppt

第2章 数字手机电路组成,本章要点：数字手机整机的组成，接收射频电路、发射射频电路的结构形式，频率合成器、电源电路、逻辑时钟信号及其功能，手机射频电路与基带电路组成实例。,学习参考：要求通过学习熟悉数字手机整机组成、接收射频电路和发射射频电路的结构形式；掌握基带电路的组成及各部分功能、频率合成器、电源电路；了解数字手机电源开关键的开机方式、逻辑时钟信号的种类与功能。,2.1 数字手机整机组成概述,2.1.1 射频电路概述,组成：接收射频电路、发射射频电路、频率合成器,1. 接收射频电路,组成：天线电路、射频滤波器、低噪声放大器、混频器、中频滤波器、中频放大器、中频解调器（RXI/Q解调器）等。天线电路由天线和天线开关组成。,功能：把天线接收到的射频信号变为67.707kHz的模拟接收基带信号。,接收基带信号（RXI/Q）定义：即接收同相/正交信号，分为模拟接收基带信号和数字接收基带信号。,2. 发射射频电路,组成：发射基带信号带通滤波器、TXI/Q调制器、功率放大器和天线电路等,3. 频率合成器,功能：提供振荡信号以实现接收信号和发射信号的频率变换。,组成：参考振荡器、发射鉴相器（PD）、低通滤波器（LPF）、分频器和压控振荡器（VCO）,功能：把67.707kHz的模拟发射基带信号变为射频信号，并经天线辐射出去。,发射基带信号（TXI/Q）定义：发射同相/正交信号，分为模拟发射基带信号和数字发射基带信号。,2.1.2 电源电路概述,分类：电源模块、锂电池和后备电池等,功能：实现手机与用户的信息交换与控制。,2.1.3 人机界面电路概述,功能：完成对锂电池电源（或外接电源）进行变换，以得到手机所需的各种不同电压电源，并在手机开机时为CPU提供总复位信号等。,分类：按键电路、显示电路、振铃电路、受话器电路、话音拾取电路、SIM卡座电路等。,话音拾取电路功能：将语音信号变换为模拟信号,2.1.4 基带电路概述,1. 逻辑控制系统（微控制器单元，MCU）,组成：中央处理器、存储器、串行并行I/O、存储器中断控制电路和看门狗定时器等。,功能：用于对手机工作过程进行管理控制，包括开机操作、射频部分控制以及外部接口、键盘、显示器、SIM卡的管理和控制等。,1）中央处理器（CPU）：完成微控制器单元的功能。,2）只读存储器：在正常工作状态下只能从中读取数据，不能修改或重新写入数据。只适用于存储固定数据的场合。,手机工作时，一般先由ROM中的引导程序启动系统，再从闪存中读取系统程序和应用程序。,3）随机读取存储器用于存储手机运行过程中需要暂时保留的信息数据。,分类：接收音频信号处理电路和发射音频信号处理电路。,2. 音频处理电路,4）电擦除存储器又称为码片。主要存放手机系统参数和一些可修改的数据，以及一些检测程序，如电池检测程序、显示电压检测程序等。,5）闪烁存储器俗称版本或字库，以代码形式装载手机的基本程序、功能程序、监控程序、中文字库和固定参数。,前者用于将接收基带信号还原为音频信号，后者将发射音频信号变换为发射基带信号。,通常将接收音频信号处理电路和发射音频信号处理电路分别称为接收基带电路和发射基带电路。,（1）接收基带电路,功能：对接收基带信号进行PCM解码、信道解码、去交织、自适应均衡、解密、语音解码等处理。,组成：GMSK解调器、数字信号处理器（DSP）、PCM解码器等。,DSP对GMSK解调器得到的数字接收信号进行信道解码、去交织、解密、语音解码等处理。,PCM解码器将DSP输出的数字信号进行D/A转换，得到模拟音频信号。,GMSK解调器将接收基带信号变换为数字接收信号。,功能：对话音拾取电路得到的模拟信号进行PCM编码、语音编码、信道编码、交织、加密等处理。,（2）发射基带电路,组成：PCM编码器、数字信号处理器、GMSK调制器等。,信号处理过程：话音拾取电路得到的模拟音频信号经PCM编码器进行A/D转换得到数字信号。,数字信号处理器（DSP）对PCM编码器输出的发射数字信号进行语音编码、交织、信道编码、加密等处理，以及GMSK调制、TXI/Q分离等，得到模拟发射基带TXI/Q信号。,（3）模拟基带电路与数字基带电路,根据基带电路处理的信号是模拟基带信号还是数字基带信号，音频处理电路又分为模拟基带电路（ABB）和数字基带电路（DBB）两部分。,1）模拟基带电路,组成：PCM编解码器、GMSK调制解调器、音频放大电路等,负责完成对音频信号和数字基带信号的A/D、D/A转换，完成射频电路的自动频率控制（AFC）、自动增益控制（AGC）、自动功率控制（APC）等。,PCM编码对声音等模拟信号的幅度按一定周期进行取样、量化和编码实现模拟信号的A/D转换，得到的脉冲编码调制数字信号送至语音编码器。PCM解码为PCM编码的逆过程。,GMSK调制对数字基带电路输出的数字发射基带信号（TXI/Q）进行D/A转换，得到67.707kHz的模拟发射基带信号（TXI/Q）。GMSK解调是GMSK调制的逆过程。,模拟基带电路通过数字基带串行接口、数字音频串行接口与数字基带电路进行数字基带、数字音频信号的传输。数字基带电路通过控制串行接口来控制模拟基带电路的工作。,模拟基带电路通常还提供音频终端接口与辅助的ADC单元，用于对电池、附件等进行必要的监测。,组成：数字信号处理器（DSP）等，或将逻辑控制系统（微处理器等）包含其中。,2）数字基带电路,作用：在微处理器控制下，DSP用于对PCM编码器输出的PCM数字信号进行语音编码、信道编码、交织、加密、突发脉冲串形成等处理，得到数字发射基带信号送至GMSK调制器；以及对GMSK解调输出的数字接收基带信号进行均衡、解密、去交织、信道解码、语音解码等处理，得到数字信号送给PCM解码器。,语音编码功能：提高信息传输效率、减小所需传输带宽，对语音数据按某一特征参数进行压缩，以尽可能地降低语音码的比特率。,信道编码：在数字信息发送之前，在每组信息码中插入若干个校验码，供接收端校验或纠正信息传输过程中出现的随机性错码，以提高信号传输的抗干扰能力。,交织：在发送端将信息码排列顺序打乱，重新排列组合，使不同帧的信息码相互穿插交错后再发送到信道中去。在信道中即使产生成串的突发性错码，由于相邻码字已化整为零分散在不同的信息帧中，所以只引起随机差错。,加密：通过仅由移动台和基站知道的方式修改信息块内容。,均衡：在接收端均衡器中产生与传输信道特性相反的特性，抵消信道产生的延时干扰信号，以正确判断恢复信号。,2.2 射频电路的结构,2.2.1 接收射频电路的结构,GSM手机接收电路结构形式：超外差一次变频、超外差二次变频、直接变频线性和低中频（近零中频）。,是由电磁波经天线感应得到的射频（RF）信号，含有各种不同频率成分的信号。,是由天线感应得到、经天线开关输出的射频信号，包括接收射频信号内多种频率成分的信号。,是由天线开关输出经射频滤波器滤波、低噪声放大器放大后得到的射频信号，频带宽度与手机工作频段一致。,是由低噪声放大器放大后的射频信号经混频器混频得到的中频信号。若有两级混频器，第一级混频器的输出称为一中频信号；第二级混频器的输出称为二中频信号。,是对混频器输出的中频信号进行放大得到的中频信号。,是对中频信号进行中频解调（I/Q解调）得到的模拟接收基带信号（RXI/Q）。,1. 超外差一次变频接收电路,1）天线用于将空中传播的电磁波感应为接收射频信号传送至天线开关。,2）天线开关用于将天线送来的射频信号送至接收电路，或将发射电路发送的射频信号送至天线。,3）射频滤波器用于滤除接收频带外的信号得到相应频段的射频信号，提高低噪声放大器输入信号的信噪比。,4）低噪声放大器（LNA）用于对射频滤波器输入的接收射频信号进行放大，以满足混频器对输入信号幅度的要求。,5）射频本振（即接收本振（RXVCO或LO1）用于为混频器提供本振信号，以实现射频信号与本振信号的混频。,6）混频器（MIX）用于将低噪声放大器输出的接收射频信号与射频本振信号进行混频，得到接收中频（IF）信号。,7）中频滤波器用于滤除接收中频外的其他信号，提高输出信号的信噪比。,8）中频放大器用于对由中频滤波器输入的接收中频信号进行放大，并送中频解调电路（RXI/Q解调）处理。,9）中频本振（IFVCO或LO2）产生的信号经过分频、移相处理后，为中频解调电路提供正交本振信号。分频、移相电路通常与中频解调电路集成在一个芯片中。,10）中频解调电路用于对接收中频信号与正交本振信号进行混频，还原出模拟接收基带信号（RXI/Q）。接收基带信号经放大、滤波后被送至基带电路，在基带电路中，经一系列的处理后还原出模拟语音信号，并推动扬声器发声。,2. 超外差二次变频接收电路,与超外差一次变频接收电路的区别：,（1）增加一级混频器,（2）本振电路,1）对频率为13MHz或26MHz的基准时钟信号进行处理得到。,2）由二本振信号经分频、移相电路处理得到。,本振电路（VCO）为中频解调电路提供解调用的参考信号，该信号有两种产生方式，通常采用第二种方式。,3. 直接变频线性接收电路（DCR）,DCR简称为直接变频接收电路。,别称：因直接变频接收电路混频器（中频解调）输出为零中频接收基带信号（RXI/Q），故又称为“零中频”接收电路。,直接变频接收电路接收到的射频信号在混频器中直接被还原出接收基带信号，该混频器又被称为正交下变频器或RXI/Q解调器。,2.2.2 发射射频电路的结构,GSM手机发射电路的电路结构形式：带偏移锁相环、带发射上变频器和直接调制。,是由基带电路对语音信号进行一系列处理后得到的模拟发射基带信号（TXI/Q）。,是由发射基带信号在TXI/Q调制电路利用TXI/Q信号对发射中频载波进行调制得到的已调发射中频信号。,是已调发射中频信号经发射变频电路频率变换得到的已调发射射频信号。,是由已调发射射频信号经发射滤波器滤波得到的发射射频信号。,是发射射频信号经功率放大器放大得到的已调发射射频信号。,是由已调发射射频信号经过天线开关送至天线的已调发射射频信号。,1. 带偏移锁相环（OPLL）的发射电路结构,带偏移锁相环发射电路又称为带发射变频模块的发射电路或带发射VCO发射电路。,（1）TXI/Q调制器,无论发射电路采用哪种结构形式，从基带电路输出67.707kHz的发射基带信号均被输入到TXI/Q调制器。,在TXI/Q调制器中，TXI/Q信号对发射中频载波进行脉冲调制得到已调发射中频信号。,已调发射中频信号经发射中频放大器放大后被送到鉴相器。,在发射鉴相器内，发射参考中频信号与已调发射中频信号进行比较，得到相位误差信号。,由偏移混频器、鉴相器、环路滤波器组成，与发射本振组成发射偏移锁相环。,（2）发射偏移锁相环,相位误差信号经低通滤波器滤波后，得到一个包含发送数据的脉动直流电压控制信号，去控制发射本振电路使发射本振电路输出信号的频率发生变化，直到发射参考中频信号的频率与已调发射中频信号的频率一致，从而完成发射本振电路的信道锁定。,（3）功率放大器,二极管起到隔离作用。,在功放输出端，由取样电路采样取得的信号送至高频整流电路整流，得到反映发射功率大小的直流电平，该电平与来自逻辑控制电路的功率控制参考信号在比较电路中进行比较，输出功率控制信号去控制功放电路的偏压或电源实现功率控制。,2. 带发射上变频器（带发射二次上变频器）的发射电路结构,在发射上变频器中，已调发射中频信号与射频本振信号进行混频，得到最终发射信号.,特点：发射电路结构简单，但稳定性差,3. 直接调制(直接变频)的发射电路结构,不同于其他两种结构形式的发射电路，直接调制发射电路将调制器与上变频器合为一体，在一个电路中完成调制与上变频。发射基带信号直接对射频本振信号进行调制，得到最终发射信号。,2.2.3 频率合成器,1. 基准时钟电路（基准频率振荡器）,功能：产生13MHz（或26MHz、19.5MHz）基准时钟信号,功能：为逻辑控制电路提供时钟脉冲，称之为主时钟信号或系统时钟信号；为频率合成器提供基准频率信号。,基准时钟信号的产生电路主要两种方式：,1）由专用的13MHz基准时钟组件产生 时钟信号，该组件一般有输出端、电源端、AFC控制端和接地端共四个端口。,CDMA手机的基准时钟信号频率为19.68MHz。,2）由一个13MHz（或26MHz、19.5MHz）石英晶振、集成电路和外接元件构成的振荡电路产生。振荡频率为26MHz或19.5MHz振荡电路输出的基准时钟信号需要在内部分频后再输出。,32.768kHz的实时时钟（RTC）信号，负责为显示屏提供正确的时间显示和使手机进入睡眠状态。早期机型无此电路，故无时间显示和睡眠功能。,2. 鉴相器,功能：将压控振荡器输出信号的相位变化变换为脉冲直流电压信号，该信号经低通滤波器滤波后控制压控振荡器输出信号的频率。,压控振荡器利用鉴相器输出相位差电压信号的变化，通过改变压控振荡器内部变容二极管两端的反向偏压，而使压控振荡器输出信号频率得以调整。,3. 压控振荡器,利用分频器对VCO输出信号进行取样分频后送到鉴相器，以和基准时钟信号进行相位比较。,4. 分频器,分频器分频比分类：程控、固定,只有电池供电时，电池供电电路导通，将电源送到电源电路；外接电源时，经切换控制电路检测，控制电池供电电路关闭，外接电源经外接电源供电电路送至电源电路。,2.3 电源电路的原理及组成,分类：电池供电电路、开机信号电路、升压电路、非受控电压输出电路、受控电压输出电路和机内充电电路等。,2.3.1 电池供电电路,电池电源通常用VBATT、VBAT、BATT表示。,电源开关键开机方式：高电平开机，低电平开机,2.3.2 开机信号电路,电池信息端用于防止用户使用非手机厂家电池，还用于对电池信息进行检测以确定合适的充电方式。,电池温度用于防止电池温度过高而损坏手机电池或手机。,电池通过四条线和手机相连，即电池正极（BATT）、电池信息（BSI、BATTDAT或BATT ID等）、电池温度（BTEMP）、电池地（GND）。,开机维持信号（看门狗信号）用于维持手机正常开机。,按下电源开关键后，电源电路对CPU供电，并对CPU提供复位信号，同时，电源电路还输出13MHz基准时钟电路所需的供电电压，使13MHz基准时钟电路输出13MHz基准时钟至CPU；CPU在具备电源、复位信号、时钟信号后，手机进行自检，自检通过后，输出开机维持信号送到电源集成电路以取代开机触发信号，维持手机正常开机。,2.3.3 升压电路,利用升压电路为手机电路提供稳定且符合要求的电压。,非受控电压输出电路用于输出非受控电压，非受控电压就是只要按下电源开关键就有输出的电压。,2.3.4 非受控电压输出电路,升压方式：振荡升压、开关稳压升压方式，一般升压为55.6V。,非受控电压大部分供给逻辑控制电路和基准时钟电路，使逻辑控制电路具备工作条件（供电、时钟、复位），并输出开机维持信号。,非受控电压一般是稳定的直流电压，可以用万用表测量。,受控电压输出电路的输出大多供给手机射频电路中的压控振荡器、功放和发射本振等电路。,2.3.5 受控电压输出电路,2.3.6 机内充电电路（待机充电器）,输出受控电压主要是因为：一是该电压只能在需要时出现，否则，手机功能会发生混乱；二是为了省电，使部分电压在不需要时不输出。受控电压一般受CPU输出的接收使能（RXON）、发射使能（TXON）等信号控制。,因为RXON、TXON信号为脉冲信号，所以受控电压亦为脉冲电压，可以用示波器进行测量。,2.4 逻辑时钟信号及其功能,手机中的逻辑时钟信号除了基准时钟信号和实时时钟信号外，还有SIM卡时钟信号等。,1）VCXO（即VCTCXO）为温度补偿压控振荡器，由VCXO产生的13MHz基准时钟信号送至专用集成芯片D300处理得到13MHz复合音频模块时钟信号，该信号送至复合音频处理单元处理得到自动频率控制信号AFC反馈至VCXO，使VCXO输出信号频率更加稳定。,2）VCXO输出的13MHz信号在D300内经过锁相环处理得到52MHz、3.25MHz、1.083MHz的信号。52MHz信号被送至数字信号处理单元；3.25MHz信号被送至中频模块N700作频率合成时钟信号SCLK，并经复合电源模块给SIM卡电路作SIM卡时钟信号；1.083MHz信号被送至液晶显示屏驱动电路和复合音频单元作显示屏数据时钟信号GENSIO_0。,SIM卡时钟信号功能：用于SIM卡与D300之间数据传输,3）复合音频处理单元得到8kHz脉冲编码同步时钟信号PCM SYNC和520kHz脉冲编码传输时钟信号PCMCLK，这两个信号被送至D300，它们用于数字信号处理单元与复合音频处理单元之间的数据传输。,2.5 手机射频电路与基带电路组成实例图2-24,手机射频电路由发射射频和接收射频组成；基带电路由数字基带、模拟基带和电源电路等组成。,4）当手机处于睡眠模式时，实时时钟电路输出32.768kHz信号，用作逻辑控制电路的睡眠时钟信号。,天线感应接收到的射频信号经天线开关U400的5脚输出到接收电路。接收信号首先经射频滤波器FL451滤波，然后到低噪声放大器VT418进行放大。VT418放大后的射频信号再经射频滤波器FL452滤波后，被送到混频器VT420。,1. 摩托罗拉GSM328手机,（1）接收信号传输路径,VT251、VT252、VD250等组成射频VCO电路。,射频VCO电路输出射频本振（即接收本振）信号，经FL453到混频VT420电路。在VT420电路中，本振信号与射频信号进行混频，得到153MHz的接收中频信号。FL420是中频滤波器。滤波后的中频信号经VT421进行中频放大后，到复合中频模块U201内的RXI/Q解调电路。,在复合中频模块U201内，接收中频VCO信号被2分频，在解调电路中与接收中频信号进行处理，得到接收基带信号（RXI/Q）。,射频逻辑接口模块U501输出的信号经SPI DATA BUS信号线到中央处理器U701。U701也是一个复合的呼叫处理单元，经U701处理后的信号再经DATA BUS线到数字语音处理器U801，经U801信道解码等处理，得到数字语音信号，从U801的78脚输出。,数字语音处理器U801输出的信号送到PCM编译码器U803、双工器U802。U801输出的信号在该电路中经D/A转换，得到模拟的音频信号从U803的4脚输出。,接收基带信号从U201的46、48脚输出到射频逻辑接口模块U501。U501将模拟的接收基带信号变换成为数字信号，经串行数据线送到逻辑控制电路。,送话器输出的模拟语音电信号在U900内进行放大，放大后的语音信号经U900的16脚输出到PCM编译码器U803的18、19脚。在U803内进行A/D转换得到数字语音信号，从U803的13脚输出到U801的83脚。,U803输出模拟的音频信号在U900内进行音频功率放大，然后从U900的19、20脚输出到受话器，或从U900的5脚输出到蜂鸣器。,（2）发射信号传输路径,由U801的83脚输入的数字语音信号在PCM编译码器U803内进行处理，得到的数字语音信号经SPI DATA BUS线到U701。U701处理后得到的信号再经SPI DATA BUS信号线送到U501。U501对数码信号进行D/A转换，得到模拟发射基带信号输出到复合中频模块U201的6164脚。,模拟发射基带信号被送到U201内的TXI/Q调制器。发射中频VCO产生的信号在U201内被2分频，得到I/Q调制器的载波信号。I/Q调制器输出108MHz的已调发射中频信号，从U201的4脚输出到偏移锁相环U300的4脚。,复合中频模块U201输出的已调发射中频信号被送到偏移锁相环U300内的鉴相器。射频本振信号到U300的1脚；发射本振信号进入U300的14脚。两个本振信号在U300内进行混频，得到发射反馈中频信号。,U201输出的已调发射中频信号与U300内的发射反馈中频信号在U300内的鉴相器和泵电路中进行处理，得到一个脉动的直流信号，从U300的7脚输出到发射本振电路作控制信号。该信号控制发射本振电路中的VD300。发射本振电路在U300输出的控制信号的控制下，产生最终发射信号。,发射本振电路输出的最终发射信号由驱动放大器VT303、功率放大器U301进行功率放大，然后经天线开关U400到天线，由天线将高频信号变换成为高频电磁波辐射出去。,2.5.2 基带电路组成实例图2-26,数字基带信号处理器AD6525集成了微控制器和数字信号处理器，提供整机功能控制和数字信号处理功能。,模拟基带信号处理器AD6537集成了模拟基带与电源管理电路。,在模拟基带方面，AD6537对接收、发射基带信号和对接收、发射音频信号进行处理，提供自动频率控制、发射功率斜坡控制和用于各种监测功能的A/D转换等。,在电源管理方面，AD6537提供数字基带电源、存储器电源、时钟电源，以及开关机控制逻辑控制电路和复位电路等。,