GSM手机射频工作原理与电路分析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,GSM,手机射频工作原理与电路分析,2024/9/16,1,2024/9/16,2,Outline,匹配网络,（,Matching）,收发双工器,（,Diplexer）,声表面波滤波器(,SAW),平衡网络,（,Balance）,锁相环,（,PLL）,收发器,（,Transceiver）,衰减网络,（,Attenuation）,功率控制环路,（,APC）,滤波网络,（,Filter）,其它,2024/9/16,3,匹配网络（,Matching）,匹配的定义：,后级输入阻抗与前级输出阻抗共扼,匹配网络的类型：,L,型,T,型,型,2024/9/16,4,天线匹配的举例,返回,2024/9/16,5,收发双工器（,Diplexer）,收发合用一路天线，因此使用天线收发双工器（,Antenna Switch）,对发射为,open,TX,RX,为发射波长,对接收为,short,2024/9/16,6,收发双工器的特性参数（,TX/RX）,Frequency Range (MHz),Insertion Loss (dB),Attenuation(dB),V.S.W.R.,Isolation (dB),Harmonics 2xfo, 3xfo (dBc),Power Capacity (dBm),详见,LMC33,Data Sheet,返回,2024/9/16,7,声表面滤波器（,SAW）,在手机中，接受信号从天线开关到接收处理电路之间采用声表面滤波器（,SAW）,声表面滤波器（,SAW）,可以提供较宽的通频带、较低的损耗，此外有的,SAW,器件还集成有将非平衡信号转换为平衡信号的功能。,SAW,的滤波特性详见,SAW Data Sheet,lc03c,lc66e,返回,2024/9/16,8,平衡网络（,Balance）,Balance,电路构成：,U,I,分别经过低通、高通得到反相的,U,O1 、,U,O2,L,C,C,L,U,I,U,O1,U,O2,R,diff,R,s,R,s,R,s,：,特性阻抗,R,diff,：,输入阻抗,2024/9/16,9,由计算可知,U,O1 、,U,O2,始终有180度相差,（Differential）,适合在,Balance,系统上传输。,L、C,的取值要求：,f：,系统中心频率,R,s,：,特性阻抗,R,diff,：,输入阻抗,该电路可能集成于,SAW,中,2024/9/16,10,差模、共模在,Balance,系统上的传输,差模,（,Differential Mode）,A B,B,的传输量为,A,的一半,共模,（,Common Mode）,I/P,O/P,I/P,O/P,I/P,O/P,C,返回,2024/9/16,11,锁相环（,PLL）,锁相环应用于滤波、频率综合、调制解调、信号与检测等多个方面。,锁相环,四个基本构成元素,基本构成电路分析,锁相环在手机中应用举例,2024/9/16,12,锁相环,四个基本构成元素,鉴相器（,PD）,鉴频器（,FD）,鉴相鉴频（,PFD）：,PD/FD/PFD,是一个相位/频率比较装置，用来检测输入信,号与反馈信号之间的相位/频率差,环路滤波器,Loop Filter（LP）：,LP,一般为,N,阶低通滤波器,电压控制振荡器（,VCO）：,VCO,是一个电压-频率变换装置 ，输出振荡频率应随输,入控制电压线性地变化,参考信号源（,Reference signal source）：,参考信号源提供与反馈信号鉴相鉴频用的对比输入信号,2024/9/16,13,PLL Block Diagram,返回,2024/9/16,14,基本构成电路分析,鉴相器,（,Phase Detector）,电荷泵,环路低通滤波器,（Charge PumpLoop Filter ）,压控振荡器,（,Voltage Controlled Oscillator）,分频器,（,DIV）,2024/9/16,15,鉴相器（,Phase Detector）,鉴相器的主要作用,:,检测输入信号与反馈信号之间的相位差。,鉴相器的数学模型：,返回,K,d,sin,(),+,1,(t),v,(t),e,(t) =,1,(t) -,v,(t),V,d,(t)=K,d,sin,e,(t,),鉴相器的数学模型,2024/9/16,16,电荷泵环路低通滤波器,（,Charge PumpLoop Filter）,电荷泵的的作用主要是：给锁相环路提供理想恒定的电流源，保持良好的线性关系，使得频率范围易于控制,环路低通滤波器（,LPF）,由,PFD,的输出信号需经过低通滤波器再去控制,VCO。,一般采用电阻、电容构成积分形式的低通滤波器，它可以为单阶或多阶滤波器。它的通频带由电阻、电容参数决定，它的截止速度取决于其阶数。,2024/9/16,17,环路低通滤波器（,Low Pass Filter）,phase,detector,Rz,Cz,Cp,VCO,R,4,C,4,To important the transient characteristics,The loop can track better a change in input frequency,To further reduce the phase noise of the charge pump,2024/9/16,18,环路低通滤波器的应用举例,返回,2024/9/16,19,压控振荡器（,Voltage Controlled Oscillator）,压控振荡器一般是由变容二极管为主构成的谐振回路：,谐振回路的中心频率由其回路的等效,L、C,特性决定：,变容二极管的等效电容量由加在其两端的电压控制，这样通过电压的变化就能转换成回路谐振频率的变化，就构成了压控振荡器,VCO。,2024/9/16,20,分频器（,DIV）,锁相环通常用于,N,倍参考频率的发生器：,其中,N,为分频比，它由环路中分频器,DIV,提供,参见,分频器,返回,2024/9/16,21,锁相环在手机中应用举例,RX（,接收）频率合成器,2024/9/16,22,TX-VCO,锁相环路,2024/9/16,23,收发器（,Transceiver）,收发器即调制解调器,调制：发射时基带信号加载到射频信号,解调：接收时射频信号过滤出基带信,Transceiver,根据其工作频率可分为：单频、双频、三频等,Transceiver,根据其中频特征,可分为有中频、零中频、近零中频等,以,DB2009,为例介绍,Transceiver UAA3535,的内部结构,2024/9/16,24,Transceiver UAA3535（Philips）,UAA,3535是近零中频收发器，它最多可以作三频收发,它,内部,有：,三个,PLL（,包括一个内置,VCO）、,正交混频解调器、可控增益低噪放大器、混频调制器等,它需,外接,：,13,MHz,参考基准时钟、,RXVCO、TXVCO、,基带控制信号等,详见,UAA3535,Data Sheet,我们需要研究其内部各重要节点的频率、,带宽，信号转换的流程等细节,2024/9/16,25,返回,2024/9/16,26,衰减网络（,Attenuation）,为了达到系统中对输入输出功率要求高的部分的功率适配，我们通常在输出端到输入端之间加上功率衰减网络,通常衰减网络形式有：,T,型、,型,衰减网络的计算,型衰减网络,型衰减网络,R,1,R,2,R,3,R,1,R,2,R,3,2024/9/16,27,衰减网络的计算,已知网络参数求衰减系数,A,Z,in1：,短路输入电抗,Z,in2：,开路输入电抗,Z,out1：,短路输出电抗,Z,out2：,开路输出电抗,2024/9/16,28,已知衰减系数,A,求网络参数,（,R,0,：,特性阻抗）,由 求得,K,值：,则可得对,T,型,： 对,型,：,2024/9/16,29,衰减网络的作用,衰减网络主要是为了使输出功率符合下级输入功率的要求,利用衰减网络可以提高系统的信噪比,利用50欧姆衰减网络可以缓和前级与后级的阻抗变化,2024/9/16,30,衰减网络的应用,返回,2024/9/16,31,功率控制环路（,APC）,功率控制环路,构成：,功率放大器,（,Power Amplifier）,功率耦合器,（,Power,Coupler）,功率检波器,（,Power,Detector）,功率比较、控制器,（,Power,Comparator&,Controller ）,这样构成的环路可以将功率较稳定的控制在我们的设定值上，这个设定值可以随时间根据需要不断变化。,2024/9/16,32,功率控制环路构成,功率放大器,功率耦合器,检,波,器,功率,比较,控制器,P,I,Source,from,VCO,Coupling,Power,P,c,P,o,比较信号,用于用户,设定功率值,耦合检波信号,差值功率,控制信号,功率,控制,环路,返回,2024/9/16,33,功率放大器,（,Power,Amplifier）,目前手机用,PA,一般是厚膜模拟电路制成，它要求将,低功率射频信号线性无失真的放大到一定功率值。,它的主要参数有：,工作频率、带宽,最大线性输出功率（压缩点,）,线性放大对输入功率要求,输入、输出需要的匹配阻抗,工作电源及电压、电流的要求,控制信号的形式及要求,噪声特性等等,详见,PA-BGY280,Data Sheet,返回,2024/9/16,34,功率耦合器,（,Power,Coupler）,为了达到功率控制，我们需要使用到的功率传感器就是功率耦合器，一般为,Directional Coupler,。,它的主要参数有：,详见,LDC,Data Sheet,耦合量（,Coupling）,插入损耗（,Insertion Loss）,隔离度（,Isolation）,方向性（,Directivity）,单位,（,dB）,返回,2024/9/16,35,功率检波器（,Power,Detector）,功率检波器对,Coupler,的耦合高频信号进行包络检波进而得到一个体现耦合信号幅值大小的检波电压。,我们采用二极管负包络检波电路，后级常为低通积分电路。例如,：,Coupler,输出,耦合电容,C,c,检波,二极管,D,检波电压输出,低通,积分,电路,2024/9/16,36,负包络检波的对二极管要求,：,检波二极管,D,以,P,极为输入端,检波二极管的极电容要求较小的肖特基二极管，若极电容过大，将会使负包络过多的耦合流失到低，导致检波效果变差,返回,2024/9/16,37,功率比较、控制器,Power,Comparator&Controller,功率比较、控制器的功能：,功率比较器将功率检波信号与设定功率信号相比较得到一个功率控制信号给功率控制器，由功率控制器产生控制电压给功率放大器（,PA）,它的具体参数详见,PCF5078,Data Sheet,2024/9/16,38,功率控制环路（,APC）,的应用,返回,2024/9/16,39,滤波网络（,Filter）,通用滤波网络,电源滤波去耦网络,2024/9/16,40,通用滤波网络,滤波器是抑制除特定带宽以外信号及噪声的装置。,按照不同标准它可分为：,低通,、,高通,、,带通、带阻滤波器；,一阶、二阶、高阶滤波器；,无源滤波器、有源滤波器,以下我们以单阶无源滤波器为例做一些简介,2024/9/16,41,3,dB,3,dB,R,R,L,L,C,C,U,U,f,f,f,H,f,L,单阶无源低通（,LP）,单阶无源高通（,HP）,高频截止频率,f,H,与,L、C,参数有关,低频截止频率,f,L,与,L、C,参数有关,2024/9/16,42,低通滤波器的3,dB,衰减点的频率为高频截止频率,f,H,，,它截止的斜率与其阶数相关,高通滤波器的3,dB,衰减点的频率为低频截止频率,f,L,，,它截止的斜率与其阶数相关,如果将低通滤波器和高通滤波器,串,联，而且,f,H, f,L,就能构成,带通,滤波器，其,通,频带为,f,L, f,H,。,如果将低通滤波器和高通滤波器,并,联，而且,f,H, f,L,就能构成,带阻,滤波器，其,阻,频带为,f,H,f,L,。,滤波特性,返回,2024/9/16,43,电源滤波去耦网络,对于射频电路而言，电源稳定由特别重要的意义，不仅它自身不稳定会影响电路性能，而且各用电单元也会,以电源为途径互相传递干扰,造成很大的不稳定因数，去耦即去除电源与用电单元之间的交流耦合。,实际电路中电源去耦电路无论在电源输出端还是在用电输入端都需要，而且去耦电路离用电模块越近达到的去耦效果越好。,2024/9/16,44,电源滤波去耦网络基本理论,我们一般希望电源供电除了开/关时间以外是直流稳定的，不希望它的端电压出现纹波、抖动、跳变等不稳定因数存在，电源去耦网络正是为这些交流成分提供了短路到地的通路。,去耦电阻、去耦电容及去耦电感构成的低通网络为电源的交流成分提供一个到地的通路，它们的参数与电源提供的电流量、需要特别滤除的频率成分等相关。,2024/9/16,45,电源滤波去耦网络基本构成,电源去耦低通滤波网络,如右图：,去耦电阻或电感,-R/L,（,Decoupling,Resistor/Inductor）,去耦电容-,C1、C2,（,Decoupling Capacitor）,以上部分部不要求全部具备，,去耦电阻及去耦电感有时就可不用,去耦电阻,R,在电路中将缓和电源上升、下降沿的速度，从而抑制高频噪声的形成；,用,电,单,元,Power,Battery,Decoupling,Resistor/Inductor,Decoupling,Capacitor,R/L,C1,C2,2024/9/16,46,去耦电感,L,在回路中必然阻碍高频交流成分达到隔离效果；,有时，我们还使用扼流磁珠来获得更强的隔离效果。,去耦电容由,C1、C2,并联分别承担低频、高频交流成分滤波的任务。,电解电容,C1,一般容量较大在低频时能提供好的通路，而在高频时由于其,寄生电感,的存在阻抗将变大无法提供滤波通路；,陶瓷电容,C2,由于其容量一般较小，所以在低频时阻抗较大无法提供滤波通路，而在高频时阻抗变小则会有很好的滤波特性；,这样可以看出,C1、C2,的滤波特性是,互补,的，需要,同时,利用才能得到较宽频的有效滤波范围。,当然，如果需要更宽的滤波频段还可用更多不同 类型的电容并联得到。,详见,高速电路板设计技术,2024/9/16,47,电源滤波去耦网络的应用,2024/9/16,48,电源去耦电路参数的选择,C1,的选择：,假设电源提供电流为,I，,则,K,取10是经验比例,一般应用时取电容标称值在计算值附近就可以了,C2,的选择：,C2,位高频陶瓷电容，一般在0.1,uF,以下取值,t,r,U,Burst,返回,2024/9/16,49,其它,上拉、下拉电阻,数字控制信号的高频抑制措施,隔直（,Block）,电容,2024/9/16,50,上拉、下拉电阻,上、下拉电阻是为了防止扰动引入输入端，保持开关状态的稳定性而设置的：,上拉电阻,R,H,（Pull High）,下拉电阻,R,L,（Pull Low）,常,开,常,闭,I/P,I/P,I/P,I/P,O/P,O/P,O/P,O/P,R,H,R,H,R,L,R,L,V,CC,V,CC,V,CC,V,CC,返回,2024/9/16,51,数字控制信号的高频抑制措施,射频电路需要由,CPU,的控制才能有效工作，可是一般数字开关信号都带有很复杂的频率成分，这对于射频电路的稳定性能是一个很大的威胁。,因此我们在控制信号到射频电路的回路中加上抑制高频干扰的电阻,R，,它可以有效的减缓数字信号的上升、下降沿坡度即减少高频成分。,CPU,RF,R,Control Signal,返回,2024/9/16,52,隔直（,Block）,电容,对于交流信号处理电路特别是信号放大电路一般不希望连同直流成分同时引入，因为直流偏置的存在很容易使得放大电路处于饱和状态，这样交流信号会被淹没不可能通过有效的放大处理单元，为此我们通常在处理电路输入端串联适当容量的隔直（,Block）,电容可以有效解决这个问题。因为电容的特性是它对一定频率以下特别是直流信号是阻滞开路（,Block）,的，而对交流信号则形成通路的。至于电容量的大小取决于带处理交流信号的频率。,放大处理电路,Signal,Block,DC,Offset,0,返回,2024/9/16,53,Reference,射频锁相环,分频器,高速电路板设计技术,Data Sheet：,UAA3535,、,TXVCO,、,RXVCO,、,PA-BGY280,、,PCF5078,、,LMC33-07A0524A,、,lc03c,、,lc66e,、,LDC10B140J1747,返回,2024/9/16,54,