GSM数字手机功能电路.ppt

第3章 GSM数字手机功能电路,本章要点：数字手机的接收射频电路、发射射频电路、频率合成器、电源电路、基带电路、人机界面电路等的功能与工作原理；数字手机中的调制解调种类与功能；数字手机的关机程序；复位信号、射频控制信号的种类与功能。,学习参考：要求通过学习熟悉数字手机天线电路、功率控制电路、充电控制电路、电池检测电路、SIM卡检测电路、频率合成器等的功能与工作原理；掌握开机方式，复位信号、射频控制信号的类型；了解CPU、DSP等的功能，部分功能电路工作不正常时出现的故障，以及部分功能电路的构成实物。,3.1 GSM数字手机的接收射频电路,接收射频电路包括：天线电路、射频滤波器、低噪声放大器、混频器、射频本振、中频滤波器、中频放大器、中频解调电路、中频本振等。,3.1.1 天线电路,天线电路组成：天线、天线开关、双工滤波器、双讯器。,1. 天线,天线（ANT）分类：内置和外置。,天线开关、双工滤波器和双讯器又被统称为射频开关。,2. 天线开关、双工滤波器与双讯器,天线开关（ANT SW）用于分离发射射频信号和接收射频信号。,（1）天线开关,（2）双工滤波器,双工滤波器（DUP）即双工器，用于分离发射射频信号和接收射频信号。,（3）双讯器,双讯器（DIP）由双工滤波器和开关电路组成。,功能：利用开关电路分离GSM、DCS射频信号；利用双工滤波器分离发射射频信号和接收射频信号。,3.1.2 射频滤波器,射频滤波器（Filter）用于滤除接收频段外的噪声和杂波等其他信号，使得只有接收频段内的射频（RF）信号才能进入接收电路。,摩托罗拉V998型手机中射频滤波器的应用电路,射频滤波器,射频滤波器,3.1.3 低噪声放大器,低噪声放大器（LNA）用于对射频滤波器输出的射频信号进行第一级放大，以满足混频器对输入信号幅度的要求。,1. 分立元器件构成的LNA,放大管,LNA常由分立元器件构成或被集成在复合射频电路中。,2. 集成电路构成的LNA,被集成到复合射频电路中的LNA一般没有外接的输出信号端，经LNA放大后的信号被直接送到接收混频电路。,分立元器件构成的混频器电路,3.1.4 混频器,混频器（MIX）是超外差变频接收电路的核心电路，它将低噪声放大器送来的射频信号与接收射频本振信号差频，得到固定频率的接收中频信号输出。,集成混频器实物图,混频管,3.1.5 射频本振,射频本振又称为RXVCO、RFVCO、UHFVCO、MAINVCO或SHFVCO。,双频手机、三频手机的射频本振电路工作频段的切换由频段切换信号控制，其工作原理相似。,RXVCO为混频器提供基准时钟信号，使之与射频信号进行混频以产生中频信号；或者在发射电路中，用于发射电路最终信号的产生。,V988型手机中双频射频本振电路,3.1.6 中频滤波器,功能：滤除中频（IF）以外的其他信号，使得只有中频信号进入后级电路，并抑制邻近信道干扰的产生，提高邻道选择性。,中频滤波器输入、输出信号的频谱图,中频滤波器实物图,3.1.7 中频放大器（IF AMP）,功能：对混频电路输出的接收中频信号进行放大，为下一级电路提供足够大的输入，并提高接收机邻道选择性。,摩托罗拉CD928型手机中频放大器电路,中频放大器输出的中频信号被送到解调电路，其增益决定了接收机的主要增益。,3.1.8 中频解调电路,解调电路分类：一种是在接收射频电路中的RXI/Q解调，它将中频信号还原为67.707kHz模拟接收基带信号（RXI/Q）；另一种是在基带电路中的GMSK解调，它将RXI/Q信号还原为数字信号。RXI/Q解调电路（DEMOD）通常被集成在中频处理模块中。,锁相解调原理:鉴相器通过对输入的两个信号的相位比较输出一个跟踪调制信号的低频信号，再经低通滤波器滤除高频噪声后得到中心频率为67.707kHz的RXI/Q。,锁相解调,手机电路中，RXI/Q解调有锁相解调、正交解调等。,正交解调原理:中频本振（IFVCO）信号经分频电路的分频和移相电路处理后得到频率与接收中频信号中心频率相同、相位差90的正交本振信号。,正交解调,正交本振信号与接收中频信号经混频器混频得到中心频率为0Hz的接收基带信号（RXI/Q），称之为零中频RXI/Q信号。,3.1.9 中频本振,中频本振即IFVCO、VHFVCO，中频本振信号的频率固定不变，其电路结构形式与射频本振的相似。,GSM数字手机发射电路包括话音拾取电路、发射射频电路与发射基带电路。发射射频电路包括调制电路、发射中频载波电路、发射变频模块、发射本振电路、功率放大器等。,3.2 GSM数字手机的发射射频电路,在超外差一次变频接收电路中，中频本振信号用于接收电路的解调。在超外差二次变频接收电路中，中频本振信号用于接收第二混频电路，以及解调电路和TXI/Q调制电路。,3.2.1 话音拾取电路,组成：送话器及其外围电路。,功能：将声音变为模拟音频信号，并送至音频处理电路。,话音拾取得到模拟信号经发射基带电路变换得到数字信号。,N800的13脚输出2.02.5V电压经电阻R812、R814对送话器供电。N800的14脚、15脚与送话器之间的电阻和电容构成音频频带形成电路（带通滤波器），它将最有用的2703400Hz音频信号送入N800内进行音频放大、低通滤波及PCM编码等处理，而将2703400Hz以外的信号滤除。,功能：用于发射信号的A/D转换与频率变换等。,3.2.2 发射射频电路,1. 调制电路,分类：PCM调制、GMSK调制以及TXI/Q调制。,1）PCM调制即PCM编码，用于将模拟音频信号A/D转换，得到数字信号。,2）GMSK调制用于将数字信号D/A转换，得到67.707kHz模拟发射基带信号（TXI/Q）。,3）TXI/Q调制时，将TXI/Q信号调制到发射中频载波上，得到已调发射中频信号。,2. 发射中频载波电路,功能：产生发射中频载波信号，该电路通常为专门电路或二分频器，其中二分频器用来对中频本振信号二分频以得到发射中频载波。,诺基亚6110型手机中频本振电路,一般情况下，对于超外差二次变频接收电路，发射电路和接收电路所用的中频本振信号是相同的；对于超外差一次变频接收电路，发射中频本振信号由发射电路专用。,3发射变频模块,来自TXI/Q调制电路的108MHz已调发射中频信号经发射变频模块U300的4脚被送到鉴相器。射频本振信号与发射本振信号在U300内混频得到108MHz的发射参考中频信号，两个108MHz的信号经鉴相器相位比较得到调谐信号。,摩托罗拉328型手机发射变频模块,调谐信号经泵电路变换后，送至发射本振电路中VD300的负极控制VD300的反向偏压，使TXVCO工作在相应的信道上，即调谐信号起到发射本振电路的信道控制作用。,4发射本振电路,发射本振（TXVCO）电路在调谐信号的控制下进行频率调制，得到最终已调发射射频信号。双频或三频发射本振电路的工作频段由频段切换控制信号控制。,爱立信T18型手机发射本振电路,5. 功率放大器,分类：单频功放和双频功放。,（1）功率放大器概述（PA）,单频功放只能工作在GSM频段。,双频功放可以工作在GSM或DCS频段上。,双频功放一般有GSM和DCS两个射频输入端、两个射频输出端，以及两个电源端、两个功率控制端和一个频段切换控制端。,双频功放的实际电路,GSM频段和DCS频段的射频信号首先经双讯器分离和滤波送至N800的8脚，经N800功率放大后，由N800的4脚（或5脚）输出GSM频段（或DCS频段）射频信号至功率分配器或微带线耦合器，最后经天线发送出去。N800工作频段的切换由1脚（GSM）、2脚（DCS）输入的频段切换控制信号控制，功率控制信号由7脚输入对N800的功率放大进行控制。N800的3脚和6脚为电源供电端。,功放电路的供电分为电子开关供电型、长供电型两种，前者只有在手机处于发射状态时，电子开关闭合，功放得电工作，而在待机状态下，电子开关断开，功放无工作电压而停止工作。后者工作于丙类状态，在待机状态虽有供电，但功放管截止，不消耗电能；有信号发射时，功放进入放大状态。丙类工作状态的功放控制信号通常为负偏压。,（2）功率放大器的控制原理,已调发射射频信号的取样通常由微带线耦合器或功率分配器完成。,微带线耦合器属于定向耦合器，由印制电路板上宽窄不同的两块铜皮构成。微带线耦合器相当于变压器，宽窄不同的铜皮为其一次侧和二次侧，窄铜皮检测到的信号送至高频整流电路。,诺基亚6110型手机功率控制原理图,功率控制参考信号与由定向耦合器采样取得的信号经误差放大器（也是比较放大器）N620放大，输出功率控制信号（偏压）改变功放电路的输出，使之输出功率大小合适的射频信号。,3.3 GSM数字手机的频率合成器,3.3.1 基准时钟电路,Y702、VD221和U220构成振荡电路。AFC信号为数字信号处理器U500提供的自动频率控制信号。AFC信号经C242、C249滤波后，通过改变VD221两端电压实现对振荡频率的自动控制。,13MHz基准时钟电路实例,3.3.2 实时时钟电路,实时时钟（RTC）电路用于手机日历功能、提供睡眠时钟信号和产生中断信号。,1. 实时时钟电路的功能,2. 实时时钟电路的原理,在有的手机中，在开机之初，实时时钟电路还用作提供启动逻辑时钟信号和电源电路的振荡信号，以使电源电路能够正常工作。,3.3.3 低通滤波器,低通滤波器在频率合成器中被称为环路滤波器，改变滤波电阻、电容参数，可以改变其滤波性能。在频率合成器中，低通滤波器可以滤除鉴相器输出中的高频谐波成分，以避免高频谐波成分对振荡电路造成干扰。,以VT253为核心构成电容三点式振荡器，RXVCO控制信号通过改变变容二极管VD251两端的电压实现频率控制。VT255为RXVCO电路的恒流源。,3.3.4 压控振荡器,摩托罗拉V998型手机射频本振电路,3.4 GSM数字手机的电源电路,手机供电多由电池供电，电池电源正极通常用VBATT、VBAT、BATT、BATT+、VB、B+等表示、电池电源地用GND表示。,3.4.1 供电电路,1. 电池供电,摩托罗拉手机还可由外接电源供电，电池电源正极用BATT+表示，外接电源正极用EXT_B+表示，经外接电源和电池供电后的电压一般用B+表示。,有的手机中还有电池信息检测或电池温度检测电路。VBATT为电池正极；BSI为电池信息检测端；BTEMP为电池温度检测端；集成电路N100为电源管理单元（PMU），负责对手机各部分供电，并在开机时为CPU提供复位信号。,由于电池内阻RS不同，所以由RS和R120对电源VBB分压得到的电压不同。该电压送入N100，经A/D转换得到的数据信号被送至逻辑电路判断电池类型。,电池温度检测与电池信息检测过程相似，电池温度分压器由安装在电池内部或手机主板上靠近电池位置的一个温度敏感电阻RT与上拉电阻、参考电压VREF构成。,2. 供电切换电路（供电电路）,功能：用于变换手机供电方式，使之在仅有电池供电时才将电池供电电源送至电源电路，其他情况下则由外接电源供电。,当通过底部接口J600接入外接电源EXT_B+时，VT905的1脚、4脚变为高电平，VT906内部断开切断电池供电；外接电源EXT_B+经由单向二极管VD605向手机供电。,当有电池供电而无外接电源时，VT905、VT906的4脚为低电平，VT906内部导通，电池经VT906向手机供电。,开机方式：电源开关键开机、充电开机和定时开机。,3.4.2 开机、关机与带机充电控制,1. 开机方式,按电源开关键开机是指通过按下电源开关键使手机开机。,充电开机是指检测到充电器插入时的自动开机。,分类：高电平开机和低电平开机,定时开机是利用实时时钟电路的中断信号开机，若手机设置了闹钟功能，且手机处于关闭状态，则当闹铃时间到时，实时时钟电路将产生一个中断信号送给电源IC作为开机脉冲信号而使手机开机。,（1）电源开关键开机,1）在高电平开机方式中，电源开关键的一端连接到电池电源，另一端连接到电压调节器的启动控制端或复合集成电源电路的开机触发端。,2）在低电平开机方式中，电源开关键的一端连接到地，另一端连接到电源电路的开机触发端。,（2）充电开机,LED_3V3是由电压调节器输出的供电电源。当充电电源DCVOLT经R105加至开关管U106的2脚时，U106的3脚、4脚导通，LED_3V3送到VD110的4脚，D110的2脚输出高电平，启动逻辑电压调节器使手机开机。,2. 复位信号,功能：使相关电路处于指定的初始状态，以防止因逻辑程序出现混乱而使手机不能正常工作。,分类：总复位信号、系统复位信号、复合数字音频处理复位信号、SIM卡复位信号、LCD驱动复位信号。,3. 关机程序,当出现以下几种情况时，逻辑电路启动关机程序关机。,1）逻辑电路检测到电源开关键关机操作时。,2）逻辑电路检测到电池电压低于工作电压下限或取走电池时。,3）开机维持信号（看门狗信号）消失时，因为电源IC停止供电而关机。,4）通过设置实时时钟功能，计时器控制逻辑电路启动关机程序。当设置时间到时，实时时钟电路产生中断请求信号，并经开机信号线路送给电源IC一个关机脉冲信号而关机。,当电源开关键被按下足够长的时间或电池电压低于手机工作电压的下限时，低电平的关机脉冲被送至逻辑电路，逻辑电路启动关机程序关闭SIM卡电源，并输出复位信号至数字信号处理器使之复位。如果无充电器连接在手机上，逻辑电路将控制电源电路提供一个短时间的开机维持信号，并对逻辑电路本身复位。在延迟一段时间后，开机维持信号消失，关闭所有的电压调节器，手机经电源电路关机。,4. 带机充电控制,手机电池充电方式分类：座充和带机充电,座充指的是把手机电池从手机上取下来，放置在充电器座内进行充电。,带机充电指的是将手机电池留在手机内进行充电。,带机充电分类：关机充电和待机充电。,带机充电电路一般有三部分电路组成：,1）充电检测电路用于检测充电器是否插入手机充电座端。,2）充电控制电路用于控制外接电源向手机电池进行充电。,3）电池电量检测电路用于检测充电电量的多少。当电池充满电量时，电池电量检测电路输出信号给逻辑电路控制充电电路断开，停止充电。,当充电器插入时，充电电源经F101和L104送至充电控制模块N101的A2脚，并经R103、R104分压送至N100的A3脚，N100检测到该信息后通过B7脚通知D200运行带机充电程序。在D200的控制下，N100从B5脚送出1Hz的充电控制信号到N101的F2脚。当F2脚为高电平时，N101内部充电开关合上，充电电源对电池充电；当F2脚为低电平时，开关断开，停止充电。,在充电过程中，R131为充电检测取样电阻，N100通过B1脚对R131两端电压取样，并将检测结果送D200，D200由此判断电池电量是否充满。当电池电量充满时，由D200送出控制信号至N100，使之停止送出PWM充电控制信号，SWITCH断开，停止对电池进行充电。,为了防止在充电过程中出现意外事故，有的手机设有充电电压过高保护电路。,电压调节器用于将输入电压进行变换以提供各种不同需要的电源电压。数字手机中具有多个电压调节器，输出不同的电源电压给不同的电路。电压调节器的输出电源通常有4.75V、3.8V、3.3V、2.75V、1.8V、1.5V等。,3.4.3 电压调节器与电源电路的联系,当充电电压出现过高等情况时，N101的F4脚输出电平由高变低，称之为充电电压高低检测信号，该信号送至D200的G10脚，经CPU内部的比较、识别、检测后，由D200的A1脚输出一个充电中断信号给控制管VT101，使N100内部开关断开，强行停止充电，实现带机充电保护。,1. 电压调节器的种类,电压调节器的种类：,1）逻辑电压调节器用于对逻辑电路供电，通常有2.75V、1.8V等。,2）射频电压调节器用于对射频电路供电，例如，接收射频电路和发射前级电路。,3）时钟电压调节器用于对时钟电路供电，例如，实时时钟电路和基准时钟电路等。,当接入手机电池时，电池电源加到电压调节器U100，使之由5脚输出电压对手机供电，并经D100对实时时钟电路供电。,2. 实时时钟电压调节器,3. 电源电路各部分的联系,3.5 GSM数字手机的基带电路,3.5.1 微处理单元（MCU）,组成：CPU、FLASH ROM和EEPROM等。,功能：进行系统控制、通信控制、身份验证、射频检测、工作模式控制、附件监测、电池监测等，并提供某些用户界面、与PC通信的接口。,中央处理器（CPU）的部分功能如下：,1）对工作信道进行控制。,2）对寻呼信号进行用户码的识别。,3）对发射功率进行检测和控制。,4）对接收信号电平、噪声电平进行检测，若信号过弱发出指令切换工作信道。,5）手机的有关数据信号由CPU编码成为数字化指令发射给基站。接收信令则由CPU译码后对整机实现智能化控制。,数字信号处理单元（DSP）的主要功能如下：,3.5.2 数字信号处理单元,6）对直流电源进行电压检测和工作状态的控制。,7）读取键盘输入信息。,8）控制显示器。,9）静噪控制。,1）在发射时，DSP首先对音频编译码单元送入的数字语音信号进行信道编码，然后对其进行交织、加密等处理，得到数码语音信号。在接收时，则基本上是发射时的逆过程。,2）DSP还用于进行射频控制、自动增益控制、自动频率控制等。,3.5.3 复合数字音频处理单元,复合数字音频处理（COBBA_GJP）即音频编译码模块，主要用于完成语音信号的A/D、D/A转换、PCM编解码、GMSK调制解调、音频路径变换、发射话音前置放大、接收话音的驱动放大和双音多频（DTMF）信号发生。,3.5.4 专用集成电路（ASIC）,专用芯片即专用集成电路。ASIC通常包括中央处理器、存储器、电源IC、显示驱动、键盘矩阵和基准时钟电路等。,与接口有关的专用应用集成电路的主要功能如下：,1）提供MCU与用户模组之间的接口。,2）提供MCU与DSP之间的接口。,3）提供MCU、DSP与射频逻辑接口电路之间的接口。,4）产生时钟。,5）提供用户接口。,3.5.5 音频编译码单元,音频编译码单元主要用来完成语音信号的A/D转换、D/A转换、PCM编译码、音频路径变换、发射话音前置放大、接收话音驱动放大和双音多频（DTMF）信号的产生,3.6 GSM数字手机的射频控制信号,手机射频电路中，除参考振荡电路的AFC信号、功率放大电路的自动功率控制信号（APC）外，其他的射频控制信号基本上均由逻辑电路输出。,6）为GSM手机提供SIM卡接口，或为CDMA手机提供UIM卡接口。,7）提供时间管理及外接通信接口等。,射频控制信号分为接收电路控制信号、发射电路控制信号和射频控制总线等。,分类：启动控制信号和自动增益控制信号等。,3.6.1 接收电路控制信号,接收电路的启动控制信号又称为接收使能信号。在待机状态下，该信号是一个逻辑电路控制下的随机的脉冲信号；在测试状态或通话状态下，该信号是一个周期固定的脉冲信号。一般来说，手机开机后，逻辑电路就输出该信号，启动接收电路开始工作。,3.6.2 发射电路控制信号,发射电路控制信号即发射使能信号。手机开机后，RXON信号是经常出现的。与RXON不同，TXON信号只在开机或关机时启动发射电路，将手机用户资料传送出去，然后一直处于“静默”状态，直到呼叫建立时才由逻辑电路输出。,3.6.3 频段切换控制信号,频段切换控制信号用在双频或三频手机中，以使手机能在多个频段工作。,频段切换控制信号只有高电平或低电平两种状态，通常用于控制天线开关电路进行频段切换、控制射频或发射本振电路进行工作频段切换、控制发射功率放大电路进行频段切换，以及控制复合射频信号处理器内的射频电路进行频段切换。,频率合成时所需的控制信号即频率合成控制信号，通常有频率合成时钟信号、频率合成使能信号、频率合成数据信号等。,3.6.4 射频控制总线,1. 频率合成时钟信号,频率合成时钟信号是频率合成电路中的基准时钟。GSM手机中的频率合成时钟信号的频率为3.25MHz的信号，由13MHz信号4分频得到。,2. 频率合成使能信号,频率合成使能信号用于启动频率合成电路。,频率合成数据信号用于控制频率合成电路中分频器的分频比，以改变频率合成器输出信号的频率，完成信道变换。,3. 频率合成数据信号,除上述电路外，与人机对话操作有关的人机界面电路包括铃声电路、背景灯电路、振动器电路、按键电路、显示电路、用户识别模组（SIM卡）电路等。,3.7 GSM数字手机的人机界面电路,3.7.1 铃声电路,铃声电路即铃声驱动电路，用于将铃声信号进行功率放大，驱动蜂鸣器发出声音，以示有呼叫接入。,当中央处理器D200的97脚输出铃声信号时，两个晶体管将铃声信号进行功率放大，推动蜂鸣器发出声音。VT28用于防止铃声电路工作时，蜂鸣器产生反峰电压损坏电路。,3.7.2 背景灯电路,分类：显示背景灯与按键背景灯。,当中央处理器D600的65脚（背景灯启动）输出高电平信号到VT613、VT614基极时，VT613、VT614导通使二极管发光。,3.7.3 振动器电路（振子）,振动器以振动形式提醒手机用户有呼叫接入。振动器的振动由振动器电路控制。,当中央处理器D600的45脚（振子启动）为低电平时，VT622导通，使VT621因1脚为高电平而导通，VT620则因1脚变为低电平而导通，电池电源经电阻R685、VT620的2脚和3脚对振动器供电，振动器振动。,3.7.4 按键电路,按键分类：数字按键和功能按键。,按键电路由与同一个专用集成电路连接的列地址线COL和行地址线ROW构成，二者构成很多交叉点，每个交叉点对应一个按键，列地址线和行地址线的逻辑电平状态相反。,3.7.5 显示电路,显示电路主要由显示模块以及CPU局部电路组成，包括显示电路电源、显示时钟与显示数据线。,由集成电源N100提供2.8V的VBB电压；显示屏的控制信号和数据传输信号包括LCDEN、LCDRST、GENSIO。LCDEN用于启动显示；LCDRSTX用于显示复位；GENSIO用于传输显示数据和时钟信号，并控制显示屏内的振荡器，以控制LCD的对比度。,3.7.6 SIM卡电路,由中央处理器、电源IC组成，以实现移动设备与SIM卡的信息交换与控制。,诺基亚3310型手机的SIM卡电路,D200为中央处理器、N100为电源IC、VD104为稳压器。N100不仅为整机供电，还支持3V、5VSIM卡接口电路。,在开机瞬间，D200从SIM_CLK、SIM_RST和SIM_DATA等引脚送出脉冲信号到N100，令N100从VSIM、SIMDAT、SIMRST、SIMCLK等引脚送出幅度为5V的脉冲信号到SIM卡座，以检测是否已插入SIM卡。如果检测到已插入SIM卡，这些脉冲信号还用于检测SIM卡是3V的还是5V的。N100把检测结果送至D200。D200对检测结果进行分析后，从SIM_PWR脚送出控制信号，令N100根据实际情况给SIM卡提供VSIM电源。同时SIM卡、N100、D200之间还通过DAT、RST、CLK建立通信。稳压器VD104内部4个稳压管为SIM卡与N100之间的信号进行稳压。,