手机音频原理分析

摘要 本论文先分别论述了手机用麦克、耳机、蓝牙送话、受话、录音的原理，还论述了播放MP3、MIDI音、录音的原理，先从大体上分析了手机的音频原理。 接着以MOTO的经典机型E680为例，详细分析了手机的音频电路原理。 最后是关于手机音频的维修分析。 通过这次论文，在分析原理的基础上指导维修。关键字：语音总线 PCAP集成芯片 龙珠（主CPU） NEP（从CPU） As Abstract This paper first describes respectively phone with Mike, headphone, Bluetooth sent, the subject, recording the principle, also outlined the play MP3, MIDI Music, the recording of principle, with the general on the phone audio principle. MOTO then to the classic models E680 for example, gave a detailed account of the phone audio circuit. Finally, with regard to the maintenance of cell phone audio analysis. Keywords : Speech PCAP IC Bus 目录第一章 绪论3第二章 手机音频原理论述421主MIC（麦克）的打电话原理422主听筒接电话原理523普通录音原理524 播放普通录音原理625耳机送话原理626 耳机受话原理727 蓝牙打电话原理728 蓝牙接电话原理829 播放MP3原理8210 免提接电话原理9211 播放MIDI音原理9212收音机使用原理9213 E680音频原理总结10第三章 音频电路原理的详细分析1131 YAMAHA电路原理分析1132收音机电路原理分析1233 音频的路由选择1534 耳机电路原理分析1935蓝牙电路原理分析:20第四章 音频故障维修分析2141 无铃声故障2142收音机不能调台,无声音2443无振铃，耳机无声2544 插耳机无收音机25第五章 总结29第一章 绪论随着社会的不断发展，我们工作、生活越来越离不开通讯工具。手机作为其中便捷的一种通讯工具，手机的功能也越来越丰富，从最初基本的移动电话功能，到后来的短信收发、拍照、摄像、录音、游戏下载、听音乐、接收FM信号等等功能，我们对手机的运用越来越普遍。手机要正常的工作，它的射频和音频部分是至关重要的，所以，对音频电路原理的分析有它的重要作用。从射频与逻辑电路角度看，GSM手机其实是一个相当复杂的系统，早期GSM手机大都由二块电路板组成，一块负责射频信号的处理-射频板，另一块负责音频信号和逻辑控制信号的处理-音频逻辑板（有时也称为数字板），这二块板之间一般用插座相连（有时也会看到用排线相连的手机）。随着技术的发展，现在的手机射频板和音频板已合二为一，这样集成度更高，体积也更小。逻辑部分主要有主处理器MCU、话音编解码器，外设控制驱动等电路。主处理器实际上是GSM手机的大脑，它控制手机的各部分电路协调起来工作，除此以外，一般主处理器还负责通信过程中呼叫接续控制等信令的操作。从DSP过来的数据，如果是信令，就由MCU处理，如果是话音，则送到话音Codec去处理，MCU通常还带有EEPROM，Flash RAM、 RAMROM等存贮体作为其程序、数据的存放处。一般软件升级，只需在EEPROM和FlashRAM中重写程序与数据即可。话音Codec主要是对话音信号，依据GSM话音信号RELP-LTP编解码方案，进行语音信号的编解码，同时也包含一部分信道编码，如交织，CRC处理等。话音Codec一般通过话音控制驱动芯片与麦克风、扬声器等外设相连，一方面是驱动外设，另一方面是保护Codec芯片。 第二章 手机音频原理论述以摩托罗拉的一款经典机型E680为例，论述手机的音频原理。先介绍要频繁用到的几个芯片。1PCAP集成芯片，我们一般简称电源，其实它是一块集成了多功能的芯片，音频方面要用到的主要有DC/DC转换、解码、音频放大。2龙珠：主CPU。处理PDA（掌上电脑部分），大部分功能由它控制。3NEP：从CPU。处理接发数据。21主MIC（麦克）的打电话原理 MIC PCAPBB-SAP-RXNEP中频功放龙珠 我们打电话时，我们的话音在MIC内的机械声波信号转换成模拟电信号，之后在PCAP集成芯片内进行放大，A/D转换（13BIT CODEC），再通过BB-SAP-RX语音总线到NEP内，再到中频、功放进行处理，最后到天线。我们边打电话，边录音时，到PCAP集成芯片内进行放大，A/D转换（13BIT CODEC），再通过BB-SAP-RX语音总线到龙珠（AP部分），存储在AP部分的FALSH内。22主听筒接电话原理接收来的信号中频NEP PCAP放大器BB-SAP-TX录音龙珠听筒当接收来的信号到中频去载波，然后到NEP解码，再通过BB-SAP-TX语音总线到PCAP集成芯片内进行D/A转换（13BIT CODEC），最后进行放大，推动听筒发音。当我们录受话音时，到NEP解码之后，通过BB-SAP-TX语音总线到龙珠（AP部分），存储在AP部分的FALSH内。23普通录音原理BB-SAP-RX龙珠 PCAPMIC我们通过MIC（麦克）录音时，手机的MIC把我们录的声音（机械声波信号）转换成模拟电平信号，然后到到PCAP集成芯片内进行放大，A/D转换（13BIT CODEC），再通过BB-SAP-RX语音总线到龙珠（AP部分），存储在AP部分的FALSH内。24 播放普通录音原理龙 珠PCAP放大器扬声器AP-SAP当从龙珠里面存贮的语音信息被提出来之后,通过AP-SAP-TXD3语音总线到PCAP集成芯片内进行D/A转换（13BIT CODEC），最后到放大器进行放大，推动扬声器发音，我们就听到录音了。25耳机送话原理耳机 PCAPBB-SAP-RXNEP中频功放龙珠 当我们用耳机打电话时，我们的话音在耳机内的机械声波信号转换成模拟电信号，之后在PCAP集成芯片内进行放大，A/D转换（13BIT CODEC），再通过BB-SAP-RX语音总线到NEP内，再到中频、功放进行处理，最后到天线。 我们用耳机边打电话，边录音时，到PCAP集成芯片内进行放大，A/D转换（13BIT CODEC），再通过BB-SAP-RX语音总线到龙珠（AP部分），存储在AP部分的FALSH内。26 耳机受话原理接收来的信号中频NEP PCAP放大器BB-SAP-TX录音龙珠耳机当接收来的信号到中频去载波，然后到NEP解码，再通过BB-SAP-TX语音总线到PCAP集成芯片内进行D/A转换（13BIT CODEC），最后进行放大，推动听筒发音。当我们录受话音时，到NEP解码之后，通过BB-SAP-TX语音总线到龙珠（AP部分），存储在AP部分的FALSH内。27 蓝牙打电话原理 BTBB-SAP-RXNEP中频功放龙珠我们用蓝牙（BT）打电话时，我们的话音在BT耳机内就进行了A/D转换，再通过BB-SAP-RX语音总线到NEP内，再到中频、功放进行处理，最后到天线。我们用蓝牙边打电话，边录音时，通过BB-SAP-RX语音总线到龙珠（AP部分），存储在AP部分的FALSH内。28 蓝牙接电话原理接收来的信号中频NEP BTBB-SAP-TX录音龙珠 当接收来的信号到中频去载波，然后到NEP解码，再通过BB-SAP-TX语音总线到BT（蓝牙），最后加2.4G载波到（BT）蓝牙耳机。当我们录受话音时，到NEP解码之后，通过BB-SAP-TX语音总线到龙珠（AP部分），存储在AP部分的FALSH内。29 播放MP3原理龙珠AP-SAP PCAP放大器扬声器当我们播放MP3时，在龙珠里存储的音频信息通过AP-SAP-TXD3语音总线到PCAP集成芯片内进行D/A转换（16BIT CODEC），最后进行放大，推动扬声器发音，我们就能听到MP3了。210 免提接电话原理接收来的信号中频NEP PCAP扬声器BB-SAP-TX当接收来的信号到中频去载波，然后到NEP解码，再通过BB-SAP-TX语音总线到PCAP集成芯片内进行D/A转换（13BIT CODEC），最后进行放大，推动扬声器发音。211 播放MIDI音原理龙珠YAMAHAPCAP放大器扬声器 存储在龙珠（AP部分）的FALSH内的MIDI音，通过DATA到YAMAHA芯片进行D/A转换，之后到PCAP集成芯片内进行前置放大，接着到放大器进行放大，最后就能推动扬声器发音，我们就听到MIDI音了。212收音机使用原理FM PCAP放大器耳机 调频收音机（FM）接收到的音频信息，到到PCAP集成芯片内进行前置放大，接着到放大器进行放大，最后就能推动耳机发音。 213 E680音频原理总结扬声器声声器 放大器BTNEPTUNE听筒筒PCAPU900MIC筒BB_SAP耳机FMBULVERDEYAMAHAAP_SAPDATA通过对手机的音频原理分析，我们知道了PCAP集成芯片内集成了A/D和D/A转换以及放大功能，看到BB_SAP语音总线用于话音传输， AP_SAP语音总线用于传MP3和录音。MIDI音的产生是在YAMAHA芯片中完成的。 第三章 音频电路原理的详细分析以MOTO手机E680为例，详细分析音频原理31 YAMAHA电路原理分析YAMAHA电路如下：音频数据输出到U900供电MIDI音数据输入 上图是YAMAHA电路图，它是产生MIDI音的。MIDI音从2027脚输入，从10脚和11脚输出再到PCAP集成芯片。32收音机电路原理分析U700为PHILIPS公司生产的FM收音模块。特点: 频率范围76-108MHZ, 高灵敏度、高稳定性，低噪音。手机以E680立体声耳机的导线作为天线，所以，只有接入耳机时,收音机功能才能被激活。AP_CLK32K_OUT是给U700提供的32K信号，用于芯片内部的锁相环做基准频率.对U700的控制是I2C电路。输出信号FM_AUDIO_OUTL, FM_AUDIO_OUTR到电源U900进行放大，并最终到U300进行功率放大。FM电路图如下：收音机模块U700的原理：使用的是PHILIPS数字调谐单芯片，收音频率范围为：87.6MHZ-108MHZ,LC调谐振荡器，RF AGC电路，3W/R和I2C总线两控制方式供选择，等待模式，需要一个32.768KHZ的时钟晶体。内置FM立体声解调器，PLL合成调谐解码器，自适应立体声解码，自动搜索功能。基本工作原理：天线输入电路：FM-ANT-IN经过R709后经过C715耦合送到C717，C716，L703组成的RF带通滤波器(87.6MHZ-108MHZ）送入U700的35，37脚通过的放大。AUDIO电源通过限流电阻和滤波电容后为U700内部的高通电路供电。可调式LC谐振回路：2，3，4脚接内部VCO，外接变容二极管D700，D701，2脚为调谐电压输出，自动搜索时电压在1V内变化。VCO供电由AUDIO-D经过R700的限流C701，C704的滤波加到U700的5脚。I2C控制总线：内置I2C接口，通过U700的8，9脚控制，U600通过I2C对其进行搜台，选台操作。数字电源也是由AUDIO-D经过R702的限流和C702，C703的滤波加到U700的7脚。CO震荡电路：来自U600的32K经R715，C718加到U700的17脚。音频输出电路：经U700处理的模拟音频信号从23（右声道），22（左声道）输出到后级功放电路。管脚功能简介：1空21空2数字调谐输出22左声道音频输出3压控震荡器调谐电路输出123右声道音频输出4压控震荡器调谐电路输出224软静音定时元件5压控震荡器电源25FM解调器MPX信号输出6数字地26参考电压7数字电源27中频调整定时元件8数据总线串行输入/输出28中频退耦电容19时钟总线串行输入29中频退耦电容210空30空11总线工作方式选择31空12总线使能输入32中频滤波器增益控制电流13总线使能输入33模拟地14软件可编程端口134模拟电源15软件可编程端口235RF输入116晶体震荡输入136RF地17晶体震荡输入237RF输入218相位检测环路滤波器38RF AGC定时元件19导频检测低通滤波器39合成PLL环路滤波开关输出20 空40空TO U900 K4 K5FROM FM 收音机PCAPU900 PGA_INLPGA_INRJ7K5PCAP_OUTLPCAP_OUTRL6K4PGA_INL，PGA_INR输入到U900的L6、J7脚,放大后由K5、K4脚输出。PCAP_OUTL，PCAP_OUTR，经C306、C307耦合为MIX_L，MIX_R。33 音频的路由选择 U301是四刀双掷合路器，U303是音频滤波器，音频信号是经过滤波器后进行放大，还是经合路器后直接到U300放大，是由FLT-SEL信号控制。框图如下:当FLT-SEL为高电平时，PCAP-OUTLMLX-LFLT-LINFLT-OUTLLIN到U300放大左声道信号, PCAP-OUTRMLX-RFLT-RINFLT-OUTRRIN到U300放大右声道信号。如果FLT-SEL为低电平时,PCAP-OUTLNO-FLT-LLIN到U300放大左声道信号, PCAP-OUTRNO-FLT-RRIN到U300放大右声道信号,U303是音频滤波器,YAMAHA和通话语言信号本身是很少有杂波的,只有在进行立体声收音时,干扰较大,所以滤波器对收音机有明显的作用。如果U303坏导致振铃音不正常，完全没必要换U303，将FLT_SEL置为低电平，或去掉U303，连通FLT_LIN， FLT_OUTL， FLT_RIN， FLT_OUTR即可。 具体电路图如下：供电 U300音频功率放大器,框图如下:U300是美国国家半导体公司推出的,专为行动电话而设的Boomer(声频子系统)。声频子系统的独特之处，在于将音频放大器、声量及混音控制，以及3D环绕声音等功能整合在小巧的micro SMD 封装之内。设有适合手机采用的立体声喇叭放大器，可为每一声道提供495 mW的输出功率，另外还设有33 mW的立体声耳机放大器，可提供分为32级的音量控制，而且左、右及单声道的音量均可独立控制。这款只需3.3伏供电的声频子系统设有立体声喇叭放大器，可透过单声道喇叭传送更优美的音响效果，也设有可将43 mW功率输入32 欧姆负载的单声道耳机放大器以及另有独立供电的免持听筒线路输出。即使左右喇叭摆放得太近，仍然可以改善立体声各个高低声部的定位；同时，即使系统在体积或设备上受到限制，仍然可解决这方面的种种问题。芯片的功能可以通过I2C加以控制。左右声道分两路到U300进行放大，放大器由B+供电，有两个放大通道，区别在于放大倍数不一样。HPR，HPL的放大倍数小，输出给耳机的.LLS-POS,LLS-NEG,RLS-POS,PLS-NEG,放大倍数大，输出是推动两个扬声器的.I2C-SCL，I2C-SDA是I2C电路，AP控制U300的两个信号，控制用U300的哪路放大电路工作，Q300是放大电路接地，如果Q300断路，U300就无法工作，无输出。34 耳机电路原理分析下图为立体声耳机接口J904的实物图,也可支持单声道耳机.耳机第一脚是收音机的天线端；第二脚是左声道听筒信号端；三脚是右声道听筒信号端；四脚是麦克信号输入端；五脚为耳机中断信号端；六脚悬空。 在平时没插耳机的时候，A1INT上有一个V-AUDIO供电，但因为5脚和3 脚是连在一起的，而第3脚有一个1K的下拉电阻，它会把此电压拉低，（所以在没插耳机时E680的A1INT中断信号是个低电平，当耳机插头插上后，它会把耳机座的3，5脚分开，此时A1INT将会输一个高电平给CPU，从而判断耳机已插上。未接入耳机时,J904的PIN3,PIN5连通。R969(240K),R970(1K)组成分压电路。A1INT的输入阻抗无穷大，所以未接耳机时，A1INT为低电平。接入耳机, PIN3,PIN5断开,A1INT为2.7xV高平，手机检测到耳机接入。HS_MIC接耳机MIC经C971耦合到U900。当接入立体声耳机时，相当于HS_SPKR_L对地接32欧直流电阻。(耳机的直流电阻为32欧,接单声道耳机,HS_SPKR_R悬空。又ST_CMP输入阻抗为无穷大,ST_CMP和ST_REF电压相等。)R945、R946都为10K，所以ST_CMP的电压为ST_REF的一半，ST_CMP为立体声耳机识别信号。 下图为耳机原理图：MIC偏置电压MIC输入TO U900 H535蓝牙电路原理分析:手机蓝牙主要有两个作用，一是语音通话,是有线耳机的补充，二是传其它数据。Y400是15.36MHZ的石英晶体，为芯片提供时钟，为内部的锁相环电路提供基准频率。AP_CLK32K_OUT为睡眠时提供的低速时钟，( 睡眠时高速时钟15.36MHZ停振,目的手机省电。)STDA、SRDA、SC2A、SCKA组成语音总线,BT_TXD、BT_RXD、BT_RTS、BT_CTS为异步通讯口，用于与BULVERDE的通讯。BT_WAKEUP，BT_ROSTWAKE为睡眠唤醒信。.BT_RESET为复位信号。VAB_IO，IC的供电，BTRF_REG蓝牙的射频供电。 射频信号2.4G,由于频率很高，手机在生产PCB板时内部埋有一节导线作为蓝牙天线。 具体电路图如下： 第四章 音频故障维修分析41 无铃声故障 故障：没有铃声，听筒和耳机有声。故障现象：测量它的开机电流先是上升到200MA，然后马上下降到100MA左右再上升到200MA，开机后测量振铃座上电压接近0V。而正常手机开机电流应该上升到接近200MA后维持，一直在200MA附近摆动，开机后测量振铃座上面的电压应该有2V左右。维修过程：一般情况下，先看振铃座是否虚焊、座下是否断线掉焊盘、U900是否虚焊或坏、U900周围的小件是否损坏、U300是否虚焊或坏，这一切均没问题后，进行下一步。没有铃声可能由U300坏引起的，但此故障不是；再查U900（PCAP）也没坏。考虑到该机开机后振铃座上没有电压，重点查RLS-POS，RLS-NEG，LLS-POS，LLS-NEG四个电压。这四个电压进入U300。由于之前已经排除U300坏。取下U300测量几个有用脚的电压，发现I2C-SCL和I2C-SDA这两个电压均没有，而正常情况下这两个均为2.7V左右。I2S-SCL和I2S-SDA到的地方除U300外还有龙珠、照相座、U700（收音机）。在取下U700发现这两处电压依然没有出现的情况下果断换掉龙珠，故障排除，该机修复。 维修小结：I2C-SCL与I2C-SDA这两个电压由VAB-IO电压通过龙珠后产生的，产生后分别提供给声音放大（U300）、照相、收音机（U700）等使用。 在这两个电压没有正常提供出来时，声音、照相、收音机等功能均无法正常工作。以本故障为例，该机VAB-IO的电压正常，I2C-SDA和I2C-SCL的电压不正常，造成U300不能正常工作从而引起无振铃，所以该机表现出来的故障很像是U300坏引起的无铃声。在维修时，要尽量先排除其他可能引起故障的部分（U300、U700）后再考虑AP部分。42收音机不能调台,无声音故障：收音机不能调台，手机插上耳机按收音机键能进入FM模式，但没有声音，点频道搜索键没有反应。故障分析：一般都是U700，U600的问题，还有就是FM-ANT-IN的问题，U700没有天线接收不到信号。可能是U700的供电或控制问题，看U700电路图： 根据以上原理测量：模拟电源，数字电源，VCO电源都正常，32K，天线信号也都进入了U700，测I2C控制总线对地阻值也都是10K左右。当进收音机模式后在U700的9脚（I2C-SCL时钟总线串行输入）时，发现其一直为2.6V的高电平，正常应该开机时为2.6V，过一段时间为低电平后发现I2C-SCL，I2C-SDA，也同时加到了照相接口上，有一小锡球将其短接了，分开后修复。43无振铃，耳机无声 故障：无振铃，耳机无声，听筒是有声音的。 故障分析：首先测量振铃座处对地阻值，因为有可能是振铃座掉焊盘的，但是这台机器是正常的，然后在测量振铃座上的电压，发现没有。同时测量R302上MIN一端也没有电压，这时怀疑是B+电压没有到U300，但在测R300时发现电压是正常的，但AUDIO-A的电压偏低，拆下C304后电压正常了，在测量R302电压还是没有，所以判断U300可能坏了没有工作，于是换了一个新的，再测量电压依旧没有，考虑一下怀疑是U300周边的电容把电压给拉低了。检查果然发现C319，C312处阻值偏低，拆掉后阻值正常了，加电测电压出来了，再装上振铃后久违的声音出来了。44 插耳机无收音机故障：插耳机无收音机。故障分析：一般这种情况是先换耳机座，因为耳机座就是收音机的天线。但是换耳机座无效果，测J904第5脚，插耳机时第5脚无电压，应该为2.75V（V-AUDIO），此电压出U900输出，供给CPU，由CPU D7输出V-AUDIO，更换U900，U800无效。查由U900输出的电压是否正确，测C991上电压正常，测R924上无电压，用万用表电阻档测R924阻值为20K，应为0欧姆，更换R924后一切正常。 E680耳机故障因为E680的耳机座的脚位跟过去V998的不一样了，它不但有耳机听筒送话和耳机中断信号，它还包括收音机天线的功能，而它的使用率也比较高，所以经常是因为耳机问题而出现一些故障，比如：听筒无声，振铃无声，无收音机功能等故障。耳机座的定位也就变了，以V998为例，如下图：其中最上面一脚为接地端，中间两脚连在一起的是听筒输入端，下面两脚连在一起的是MIC输入端，而最下面一脚是耳机中断信号HEAD-INT，它上面有一个V2供电，耳机插上后就把它和地接通了，CPU通过此低电平来识别耳机是否插入。其原理应该说来很简单。下面我们来看看E680耳机的定位，它的耳机插头和V998的没什么分别，只是在耳机座上的定位不一样而造成了耳机插头定位不一样了，耳机座的内部结构如下图：我们可以看到，第一脚是收音机的天线端；第二脚是左声道听筒信号端；三脚是右声道听筒信号端；四脚是麦克信号输入端；五脚为耳机中断信号端；六脚悬空。 在平时没插耳机的时候，A1INT上有一个V-AUDIO供电，但因为5脚和3 脚是连在一起的，而第3脚有一个1K的下拉电阻，它会把此电压拉低，（所以在没插耳机时E680的A1INT中断信号是个低电平，当耳机插头插上后，它会把耳机座的3，5脚分开，此时A1INT将会输一个高电平给CPU，从而判断耳机已插上。由于E680耳机使用很频繁而造成5脚没有弹性，使它和3脚在没有插入耳机时也是分开的，从而使A1INT变为了高电平，让CPU觉得是耳机状态而造成听筒无声，这是E680最常见的故障。 我还遇到过E680听筒声音，振铃声音都正常，就是没有耳机声音，插上耳机后听筒照样出声音，看来应该是耳机中断出了问题，在没插耳机时第5脚是底电平，正常的，但插上耳机后还是低电平，在R969处没测到2.7V电压，先把VS905取掉