实训2 GSM手机组成及原理.ppt

GSM手机组成及原理分析 第二部分 目标 学完此课程 您将会 熟悉手机模块的组成结构熟练手机内部各功能模块的工作原理对手机结构有全面的认识 能够形成一个基本的 系统的整体手机结构理论框架 内容介绍 第1节手机组成模块整体介绍第2节手机模块 射频模块介绍第3节手机模块 基带模块介绍第4节手机模块 外围电路模块介绍 第5节手机简要工作过程及图表 第1节手机组成模块整体介绍 第1节手机组成模块整体介绍 整体介绍 射频部分主要是把基带送过来的低频小功率的信号转变成为适合在空间传送的高频大功率的信号 以及把从天线接收的高频微弱信号转变成为基带能够处理的具有一定幅度的低频信号 基带部分主要把声音信号转变成为电信号 再进行处理 使得信号适合在信道中传输 并保证在接收端可以正确接收 另外还完成基带信号到声音信号的转换 完成对整机工作的管理和控制 外围部分主要完成手机和人之间的接口功能 对手机的使用 操作全部通过此部分完成 第2节手机模块 射频模块介绍 射频电路结构组成 第2节手机模块 射频模块介绍 射频模块 接收通路 作用 将935 960MHz或1805 1880MHz的高频信号下变频为67 708KHz的基带信号 第2节手机模块 射频模块介绍 接收机分类 第2节手机模块 射频模块介绍 超外差二次变频和超外差一次变频都属于超外差变频接收机 而超外差变频接收机的核心电路就是混频器 若接收机的混频器出现故障则会导致无信号 不注册等故障 混频电路 混频电路又叫混频器 MIX 是利用半导体器件的非线性特性 将两个或多个信号混合 取其差频或和频 得到所需要的频率信号 在手机电路中 混频器有两个输入信号 一个为输入信号 另一个为本机振荡 一个输出信号 其输出被称为中频IF 在接收机电路中的混频器是下变频器 即混频器输出的信号频率比输入信号频率低 在发射机电路中的混频器通常用于发射上变频 它将发射中频信号与UHFVCO 或RXVCO 信号进行混频 得到最终发射信号 第2节手机模块 射频模块介绍 超外差变频接收机和直接变频接收机的关系 1 同 两者都是信号是从天线到低噪声放大器 再到频率变换单元 最后到语音处理电路 2 异 超外差变频接收机首先需要将高频信号转换为中频信号然后才传输给解调电路 RXI Q信号都是需要解调电路输出的 而在直接变换线形接收机混频器输出的就是RXI Q信号 3 优缺点 超外差变频接收机因为通过适当地选择中频和滤波器可以获得极佳的选择性和灵敏度 但是却必须使用成本昂贵而且体积庞大的中频零件 直接变频 零中频 接收机由于在下变频过程中不需要经过中频 直接将高频信号转化成低频信号 而且镜像频率即是射频信号本身 不存在镜像频率干扰 这种采用直接转换的方式 节省了昂贵的中频器件及中频至基带转换电路 集成度高 但实际应用中可能受 直流位移 的影响 降低接收灵敏度 基频IC软件上多采用直流滤波技术 生产厂家必须在生产时执行额外的生产步骤 进行二阶截取点校准 得到的修正值存储在内存 并在手机开机时用来校准手机 第2节手机模块 射频模块介绍 射频模块 发射通路 作用 将67 708KHz的低频信号上变频为890 915MHz或1710 1785MHz的高频信号 并发射出去 第2节手机模块 射频模块介绍 发射机分类 第2节手机模块 射频模块介绍 发射机分类比较相同点两者都是信号是从语音拾取到语音处理电路在经过频率变换单元 经放大电路从天线发射出去 差异点1 最终发射信号的产生方式不同 a 带发射上变频器发射机 TXI Q信号首先需要通过发射中频电路完成I Q调制后 在过发射上变频电路产生最终发射信号b 带发射变换变换模块发射机 TXI Q信号同样需要经过发射中频调制 经过发射变换和TXVCO电路成最终发射信号c 直接调制发射机 发射基带信号TXI Q不再是调制发射中频信号 而是直接调制在发射机射频信号上 I Q调制器直接输出最终发射信号2 集成度不同所涉及电路越少 集成度将会越高 不论从成本和外观上都是越适应发展需要的 第2节手机模块 射频模块介绍 射频模块 锁相环部分 作用 提供足够的高精度高稳定度的工作频率 第2节手机模块 射频模块介绍 锁相环结构 在射频电路中 锁相环电路扮演着非常重要的角色 是频率合成器的核心 主要作用是由频稳性很强的基准信号得到一个同样频率稳定的信号工作原理 压控振荡器产生周期性的输出信号 如果其输出频率低于参考信号的频率 鉴相器通过电荷放大器改变控制电压使压控振荡器就的输出频率提高 如果压控振荡器的输出频率高于参考信号的频率 鉴相器通过电荷放大器改变控制电压使压控振荡器就的输出频率降低 低通滤波器的作用是平滑电荷放大器的输出 这样在鉴相器进行微小调整的时候 系统趋向一个稳态 调制 解调的概念 将信号 低频 经过一系列处理后 加载 到高频载波上 解调是调制的逆过程 把信号从高频载波上 卸载 下来 调制电路 第3节手机模块 基带模块介绍 基带模块 基带电源管理部分 第3节手机模块 基带模块介绍 电源管理部分由于电池电压的不稳定和器件对电压 电流要求的精确性与多样性 最重要的是出于降低功耗的考虑 手机需要专门的电源管理单元 对各种电压的要求 内核电压 电压较低 要求精确度高 稳定性好 音频电压 模拟电压 要求电源比较干净 纹波小 I O电压 要求在不需要时可以关闭或降低电压 以减少功耗 功放电压 由于电流要求较大 直接由电池供电 第3节手机模块 基带模块介绍 基带模块 基带元件工作原理 第3节手机模块 基带模块介绍 基带元件工作原理CPU和存储器之间通过数据总线 地址总线和控制总线连接 这三类总线都采用并行方式 FLASH和SDRAM共用这三类总线 通过片选信号来区分是对哪个进行操作 FLASH存储手机所有的数据 包括软件代码和资料 掉电后不会丢失 开机后 首先要从FLASH中把程序和需要的资料调入SDRAM 所有的软件都是在SDRAM中运行 掉电后数据不会被保留 外部主时钟的频率一般较低 内核的运行频率一般较高 主时钟进入基带芯片倍频后提供给CPU使用 基带主芯片内部一般有两个处理器 一是ARM处理器 主要用做控制功能 对手机的运行进行管理 比如时钟控制 电源管理 射频控制 I O控制等 二是DSP处理器 主要用来处理数据 完成信号处理的各种算法 比如音频编解码 信道编解码 交织去交织 加解密等 第3节手机模块 基带模块介绍 信号处理部分这部分完成音频信号的转换和处理 分为两路 一路完成声音信号到射频信号的转换 声音信号经过MIC转变成模拟的电信号 经A D转换变为64Kbit s的PCM数字信号 再经压缩编码 去除冗余度 变为8Kbit s的数据流 然后通过信道编码增加冗余度 保证传输的可靠性 加密后送往射频单元处理 最后由天线发射出去 另外一路完成射频信号到声音信号的转换 处理过程相反 第3节手机模块 基带模块介绍 基带模块 时钟部分 第3节手机模块 基带模块介绍 主时钟为手机工作提供基准的频率源 在开机过程中起振 在关机后停振 它供向CPU 产生数据传输和控制时序所需的时钟 睡眠时钟为手机提供计时的基准频率 不论是否开机 只要电池有电就可起振 它供向电源管理芯片和CPU 以维持手机的时间准确 并提供关机后的计时功能 从而支持关机闹钟 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 开机部分 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 开机部分 1 手机开机触发信号有两种 长按开机键 插入充电器 2 在手机电池在位的情况下睡眠时钟是一直工作的 电源芯片有输入但是没有输出 3 当长按手机开机键 或突然插上充电器 的一瞬间 首先由硬件自动提供一个开机脉冲信号KBD PWRON给电源管理芯片 电源管理芯片输出以下几个信号 A 给FLASH 26MHz CPU供电 B 同时还给FLASH芯片输出复位信号 4 FLASH复位完成后立即给CPU输出一个复位信号 为了维持电源管理芯片和CPU正常工作 需要及时拉高PS HOLD信号 此时CPU开始调用程序 单板软件 此程序运行中电流基本不变 以上处理放在BOOT中完成 5 单板运行中会驱动电源管理芯片输出各路电源来供发射 接收 功放 LCD等器件工作 此时电流很大 已经开机 6 开机后终端首先搜网 此时有射频信号发出 电流处于较高值 7 搜到网络后进入待机状态 射频芯片 26MHz间歇性工作 此过程由单板软件来控制 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 关机部分 1 当长按关机键时触发关机操作 CPU输出信号给睡眠时钟和电源管理芯片 2 睡眠时钟工作 电源管理芯片停止输出供电 手机振铃电路 显示电路 射频电路停止工作完成关机操作 第4节手机模块 外围电路模块介绍 关于手机开关机问题的几点说明 1 无论是上电还是复位后 软件首先进行各个任务的初始化 最后判断当前电源开关是处于开状态还是关状态 如果是处于开状态 立即执行正常的开机过程 如执行小区搜索及开机注册等 如果是处于关状态 则判断当前是否有外接电源 如果有 则一直等待直到开机 否则就立即发起关机 如果在等待开机过程中外接电源被拔掉 手机同样也会发起关机 2 手机开机后 如果没有外接电源 并且电池采样电压低于电池关机门限时 手机发起关机 如果只有外接电源 并且外接电源的采样电压低于了外接电源存在门限 手机同样发起关机 3 关机时 软件同样也要判断是否有外接电源 如果有外接电源 则实际上手机是进行了一次重启操作 最终停在开机流程的等待开机状态 如果没有外接电源 则手机最终将断电 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 送话部分 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 送话部分 对于MIC的第2级放大器 是可以选择并做适当配置的 不使用第2级放大时 MIC信号直接由第1级放大后 送到13bitADC中转换 然后进入后面的通路 这1级放大通过设置寄存器可以选择 2dB 6dB 8dB和 18dB的不同增益 此级输出端口为MICOUTP和MICOUTN 使用第2级放大时 需要接外围电路 用来增强Tx通路的音频性能 由Tx通路得到的话音数字信号送到MDSP作后续的处理 进行调制放大 直到送至RF模块发射出去 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 铃音 受话部分 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 铃音 受话部分 作为Tx通道的逆向过程 RF接收到的信号经过一系列处理 如解调等 后 由MDSP送至Vocoder的解码器 而后经过PCM接口到达Codec的Rx部分 从耳机 听筒送出 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 振动部分 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 振动部分 并联一个电容 抑制高频噪声 马达两端形成电势差 马达工作 由 三极管起开关作用 由CPU控制信号控制关断 电池电压 保护电路 抑制反向电压对马达的作用 CPU控制信号 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 显示部分 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 按键背景灯部分 电感式LED驱动电路 电荷泵LED驱动电路 LCD背景灯部分 背光驱动介绍 手机LCD本身不会发光 要想让其显示所要数据和图像 就必需使用白光背光源 手机中的白光背光源一般由数个侧发光白色LED灯组成 LED灯的个数由屏的大小尺寸决定 一般由2 6个不等 手机LCD背光用白光LED正常发光时的If为20mA Vf一般为3 0 3 4V 白光LED驱动方式主要有两种 一种是采用电感升压式DC DC升压变换的原理来驱动 所有的LED串联接在一起 一般也叫做串联型驱动方式 另一种是采用升压式电荷泵驱动电路 所产生的电压一般在5V 4 5V或者是根据LED的正向导通电压而自适应确定的一个电压 所有的LED并联在一起 一般也叫做并联型驱动方式 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 键盘部分 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 键盘部分 上图的键盘是一个5 4的矩阵阵列 所有的键盘列扫描信号直接链接到CPU 通过一个数学组合关系 按键时 将其中的两个扫描信号直接短接 触发CPU输出相应的信号 END 开机键 专门采用单独扫描信号 信号直接链接到电源管理模块 可以直接触发电源管理模块 完成整个系统的启动 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 翻盖部分 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 卡座部分 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 卡座部分 智能卡 标准6PINSIM卡座引脚包括 VCC 供电 RST 复位 CLK 时钟 GND 接地 VPP 电源 I O 接口数据 当这些信号与CPU不兼容时 会通过PM进行电平转换 调整幅度为50mV左右 而接口电平也在1 8V 3 0V之间 另外各个信号由静电与浪冲保护电路 由单独的保护器件完成 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 卡座部分 存储卡 根据存储方式分为 与非 或非两种形式的存储卡 主要信号为 MMC CMD 命令 MMC DATA 数据 MMC CLK 时钟 MMC DETECT 检测 等根据CPU不同的识别方案 Detect信号可默认为高电平或低电平 接入存储卡后 电平相反来检测有卡接入 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 摄像部分 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 数据接口部分 第4节手机模块 外围电路模块介绍 外围电路模块 数据接口部分 蓝牙 主要信号及引脚定义为 工作原理 蓝牙芯片进行调制解调 CPU进行基带信号处理 与手机射频通道不公用 第5节手机简要工作过程 GSM手机开机初始工作流程当手机开机后 首先搜索并接收最强的BCCH 广播控制信道 中的载波信号 通过读取BCCH中的FCH 频率校正信道 使自己的频率合成器与载波达到同步状态 通话过程当手机为主叫时 在RACH