GSM手机电路原理知识专项培训.ppt

GSM手机电路原理知识培训 前言 本培训主要帮助产线技术员 维修工和工程师们对手机的基本电路进行了解 主要用MTK平台的手机电路进行讲解 教材由从网上收集的手机电路原理资料进行整理 结合个人实践理解和经验总结进行编写 编写这个资料的目的是为了扩展大家的思维 起到抛砖引玉的作用 由于时间仓促 有些资料难以找到 加上我的知识水平有限 因此其中可能有所缺漏 如有错误和不足之处欢迎指正 大纲 手机的电路构成基带部分射频处理部分手机的故障诊断 手机的电路构成 GSM手机的电路结构 手机的电路结构可分为三部分 即射频处理部分 逻辑 音频部分以及输入输出接口部分 1 射频部分一般指手机电路的模拟射频 中频处理部分 包括天线系统 发射通路 接收通路 模拟调制 解调以及进行信道调谐用的频率合成器等 射频部分包含发送部分 接收部分与频率合成器 2 逻辑 音频部分可分为两个子部分 音频信号处理和系统逻辑控制 音频信号处理子部分对数字信号进行一系列处理 发送通道的脉码调制 话音编码 信道编码 交织 加密 TDMA帧形成 接收通道的自适应信道均衡 信道分离 解密 信道解码和语音解码 音频放大等 基带信号处理控制对整个手机的工作进行控制和管理 包括开机操作 定时控制 数字系统控制射频部分控制以及外部接口 键盘 显示器控制等 3 输入输出接口部分由模拟接口 数字接口 人机接口三部分话音模拟接口 包括A D D A变换等 数字接口 主要是数字终端适配器 人机接口 包括显示器 键盘 振铃器 听筒 话筒 手机的结构框图 MKT平台功能模块架构图 1 2 3 4 8 7 6 5 9 12 11 10 外部存储器 照相模块 显示模块 按键 多媒体卡 麦克风 扬声器 受话器 SIM卡 子屏LCD USB接口 UART接口 射频模块 基带部分 基带完成的功能 基带部分可分为五个子块 CPU处理器 信道编码器 数字信号处理器 调制解调器和接口模块 CPU处理器对整个移动台进行控制和管理 包括定时控制 数字系统控制 射频控制 省电控制和人机接口控制等 若采用跳频 还应包括对跳频的控制 同时 CPU处理器完成GSM终端所有的软件功能 即GSM通信协议的layer1 物理层 layer2 数据链路层 layer3 网络层 MMI 人 机接口 和应用层软件 信道编码器主要完成业务信息和控制信息的信道编码 加密等 其中信道编码包括卷积编码 FIRE码 奇偶校验码 交织 突发脉冲格式化 数字信号处理器主要完成采用Viterbi算法的信道均衡和基于规则脉冲激励 长期预测技术 RPE LPC 的语音编码 解码 调制 解调器主要完成GSM系统所要求的高斯最小移频键控 GMSK 调制 解调方式 接口部分包括模拟接口 数字接口以及人机接口三个子块 中央处理器 相当于单片机的处理核心 作用是射频部分控制 键盘控制 其他集成电路的控制及相互之间的数据传送 RAM 随机存储器 作用是存储手机工作时的数据 ROM 1 EPROM存放手机主程序和监控程序 2 EEPROM存放功率控制表 数模转换表 自动频率控制表 自动增益控制表等 3 短消息业务存放码表 显示控制程序 接口 1 总线接口负责同外部设备的通信 包括A D D A 2 射频接口负责将模拟信号 I Q 转换成数字信号和将数字信号转换成模拟信号 I Q I O设备 键盘输入 功能翻盖开关输入 话筒输入 液晶显示屏输出 听筒输出 振铃输出手机状态指示灯输出这些都是人与手机之间的I O 射频部分的接收通路 RX 和发送通路 TX 使手机与基站间联系的I O 其他的集成电路都是为这五大类服务 有电源 同步时钟等 逻辑音频部分包括 逻辑音频部分 一 FLASH电路 一 FLASH电路 FLASH信号作用描述数据总线 ED0 ED15 共16根数据线 用于传输数据 地址总线 EA00 EA23 共24根地址线 用于存储单元寻址 控制总线 ERD 写控制信号 EWR 读控制信号 WATCHODG 复位信号 用于FLASH的软件复位 CE F1 CE F2 FLASH存储区域选择信号 ECS1 PSRAM PSRAM片选信号 ELB EUB PSRAM存取区域选择信号 电源供电信号 VMEM 存储器简单介绍 EEPROM FLASH等均是非易失性器件 非易失性存储器最大的特色是在当电源关闭后 原先储存在内的资料 仍能够持续被保存 且可以被重复抹除修改 一 电可擦可写可编程存储器 EEPROMelectricallyerasableprogrammable EEPROM是一块存储器 俗称 码片 二进制代码的形式存储着手机的资料 它存储的是 1 手机的机身码 2 检测程序 如 电池电压检测等 3 各种表格 如 自动频率控制表 AFC 自动功率控制表 APC 数模转换表 DAC 自动增益控制表 AGC 等 4 手机的随机资料 可随时存取和更改 如电话号码菜单设定等 存储器简单介绍 字库在手机的作用很大 地位非常重要 具体作用如下 1储存主机主程序2储存字库信息3储存网络信息4储存录音5存储加密信息6存储序列号 IMEI码 7储存操作系统字库的工作流程比较复杂 当手机开机时 CPU便传出一个复位信号REST经字库 使系统复位 再待CPU把字库的读写端 片选端选端后 CPU就可以从字库内取出指令 在CPU里运算 译码 输出各部分协调的工作命令 从而完成各自功能 二 照相电路 二 照相电路 照相功能的图像数据处理是由独立的摄像处理IC来完成 在CPU的控制下 完成图像预览 拍照存储 及图像处理等功能 主要信号作用描述 1 CPU 图像处理IC之间信号 NLD0 NLD7 数据信号 LRDB 数据读控制信号 LRWB 数据写控制信号 LPA0 地址选择信号 CAMERA MCLK 时钟信号 GPIO20 CAMERA CS2 图像处理IC片选信号 GPIO2 CAMERA READY 图像存储控制信号 GPIO3 CAMERA RST 复位信号 二 照相电路 2 图像处理IC与摄像头之间的信号 SEN D0 SEN D7 数据信号 SEN SDA 数据与地址选择信号 SEN CLK 时钟信号 SEN CSB 片选信号 SEN SCL I2C总线中时钟信号 SEN SDA I2C总线中数据信号 SEN VSYNC 垂直方向同步信号 SEN HSYNC 水平方向同步信号 SEN PXCLK 采样时钟信号 GPIO3 CAMERA RST 复位信号 二 照相电路 摄像头供电电路 1 摄像头的供电由U2 稳压器 提供 包括数字电源 DVDD1 8V 和模拟电源AVCC 2 5V 为避免数字信号与模拟信号之间的干扰 中间加磁珠L4 2 U2的供电电源为VBAT 控制信号为 GPIO4 CAMERA PWR EN 三 主屏LCD显示电路 CPU 三 主屏LCD显示电路 主屏LCD显示电路接口一般都是采用并联方式 各信号描述如下 NLD0 NLD7 数据信号 LRDB 数据读控制信号 电路中已通过上拉电阻置为高电平 LRWB 数据写控制信号 LPA0 数据线作用选择信号 即选择NLD0 NLD7线路上传输的是显示数据还是控制数据 LPCE0B MAIN LCM 主屏LCD片选控制信号 LRSTB 复位信号 VDD 供电电源 四 SIM卡电路 CPU SIM卡供电电源 MT6305 MT6305完成电平的转换作用 四 SIM卡电路 SIM卡信号描述 SIM与MT6305之间的信号 SIO 数据信号 SRST SIM卡复位信号 SCLK SIM卡时钟信号 VSIM SIM卡供电电源 CPU与MT6305之间的信号 SIMDATA 数据信号 SIMRST 复位信号 SIMCLK 时钟信号 SIMVCC SIM卡供电使能信号 SIMSEL SIM卡供电电压选择信号 开机过程中VSIM供电通过SIM卡I O口由CPU检测SIM卡 如没有检测到卡 软件很快将VSIM关闭 也就是说 在不插卡的状态下 仅能在开机的瞬间可测试到供电电压 而在插卡开机的状态下 此供电电压将一直存在 五 USB接口电路 USB中断检测信号 3 1 2 R606 R607 分压电阻 CPU IO800 五 USB接口电路 主要信号作用描述 D D USB数据信号 USB PWR USB外部供电电源 电压为5 1V左右 VUSB 提供CPU内部USB驱动电路供电电源 电压为3 3V左右 ENIT3 USB USB检测信号 USB电路工作原理 1 手机通过USB线与电脑连接 充电信号触发手机进入充电开机方式 2 外部电源供电 USB PWR 加至手机 EINT3 USB信号电压将由低电平跳变到高电平 触发产生中断信号 3 CPU执行USB中断程序 将输出USB电源供电驱动信号 GPIO2 USB EN 开启电压转换器U402工作 输出USB供电电源VUSB 3 3V左右 4 CPU与主机通过USB接口进行数据传输 六 UART接口电路 开机信号 软件下载 板测 IMEI写入共用信号线 七 多媒体卡接口电路 多媒体卡主要是用来扩充存储数据容量 接口电路较为简单 包括电源信号 时钟信号及数据信号 维修时主要检查引脚的焊接是否存在焊接不良以及接触脚是否存在下陷 测量时可用万用表测量正向阻抗 判断线路是否存在断线 排除了以上问题后再采取更换CPU的措施 八 按键电路 主按键 0 9 拍照键 音量调节键 应注意ESD保护器件易被击穿导致对地短路 造成按键无效 八 按键电路 手机键盘电路一般采用行列式键盘 按键铜箔的外圈一般为行 里圈一般为列 在键盘接口电路中 行键被作为扫描输出端 列线作为输入端 在待机状态下 行键置为低电平 列键置为高电平 当按键按下时 行键将有低电平变为高电平 并触发产生按键中断信号 转而执行按键检测程序 判断是哪一个按键被按下 CPU 九 麦克风电路 为MIC提供正偏置电压 2 2V 滤波器 为MIC提供负偏置电压 0 3V CPU 十 主板铃声 受话电路 1 U201供电为VBAT 启动使能信号为GPO1 OP ON 2 R213 R215为输入电阻与反馈电阻 用来设定放大器的增益 即放大倍数 为R215 R213 1 信号流向 十 主板铃声 受话电路 铃声信号与话音信号汇接到一起 铃声信号 话音信号 主板连接器 LCD板上的铃声 受话电路 十一 耳机电路 1 偏置电压 MICBIASP 2 2V 2 耳机检测信号 EINT0 HEADSET 当耳机插入后 由于XMP3 R端接扬声器 EINI0 HEADSET信号被下拉到地 触发中断给CPU 将显示 插入耳机 3 耳机挂断信号检测 ADC5 HF MIC 此信号是用来检测耳机的挂机键是否按下 当耳机挂机键按下时 XMICP信号将被短接到地 ADC5 HF MIC也将下拉到地 4 FL201 C204 C212等组成滤波电路 5 MP3 OUTL MP3 OUTR为立体声耳机输出 十二 充电电路 1CHRIN MT6305 2GATEDRV 4ISENSE CPU EINT2 CHARGE GPIO31 CHR CTL 软件中作为温度检测 电池电压检测及充电电流检测 充电输入信号 PMOS驱动信号 十二 充电电路 1 ADC2 TBAT 电池温度检测信号该信号连接电池端为一ID电阻 并非温敏电阻 因此显示测量值不是实际的电池温度 仅是软件方面的检测判断 2 ADC0 I ADC1 I ADC0 I 电池电压检测信号 ADC1 I 与ADC0I 共同作为充电电流的检测 3 充电的基本原理 手机处于开机状态时 1 当充电器插入充电I O口后 VCHG信号送到电源管理ICMT6305 该信号触发产生充电中断信号CHRDET 2 CPU接受中断请求 转而执行充电程序 显示充电图标 输出充电控制信号CHRCNTL给MT6305 3 MT6305输出控制信号GATEDRY 开启U405 使其对电池进行充电 4 CPU通过ADC0 I ADC1 I 检测充电电流ISENSE和及电池电压 来对充电的状态进行控制 十三 按键灯 马达驱动电路 1 按键灯驱动电路与马达驱动电路都是有VBAT供电 驱动信号LED VIB由U400 MT6305 输出 低电平时将驱动相应电路工作 这两个信号的输出受CPU的控制 即 GPIO23 KP BL PWM GPIO5 VIB EN 这两个信号为高电平时将驱动U400的LED VIB信号为高电平 2 R404等为限流作用 D3为起反向保护作用 十四 主屏背光驱动电路 1 主屏背光驱动电路的供电为VBAT 背光驱动使能信号为PWM1 MAIN SUB LCM BL 内部下拉到低 因此待机时为低电平 2 PWM1 MAIN SUB LCM BL的波形如右图 通过调节波形的占空比来调节主屏的亮度 3 L1为升压电感 D1为续流二极管 R10为反馈电阻 通过检测FB端的电压来调节输出电压 OV端为电压输出端 最高输出电压为30V左右 射频处理部分 射频部分包含发送部分 接收部分与频率合成器 一 发送部分发送部分包括带通滤波器 GMSK调制器 射频功率放大器 天线开关等 具体的调制方式大致分为两种 1 调制音频信号先调制到某一中频 再经过一次上变频 变换到GSM射频信道上 2 调制音频信号直接上变频到GSM射频信道上 二 接收部分包括天线开关 射频滤波 射频放大 混频 中频滤波和中频放大等 其接收的频率对应900MHzGSM规定频点 经过下边频道中频 中频多为100MHz附近的某个固定值 之所以采用中频为射频信号处理的过渡环节 是为了得到更好的灵敏度和稳定性 解调大都在中频处理集成电路内完成 解调后得到频率为67 71KHz的同相正交信号 然后进入逻辑 音频处理部分进行后级的处理 三 频率合成器频率合成器主要由PLL 锁相环电路 构成 包括鉴相器 环路低通滤波器 VCO 压控振荡器 分频器等 通过频率合成器可以将基准频率信号变换为另一个或多个所需频率信号 为手机提供有足够精度 稳定性好的工作频率 射频部分 信号发射流程 话音采集 放大 ADC 滤波 语音编码 交织 加密 信道均衡 GMSK调制 进入射频部分 IQ调制 IQ调制器 滤波 鉴相鉴频 鉴相鉴频器 滤波 TX VCO混频 混频器Mixer 功率放大 PA 双工器 天线匹配电路 天线发射 信号接收流程 天线接收 天线匹配电路 双工器 滤波 声表面滤波器SAWfilter 放大 低噪声放大器LNA RX VCO混频 混频器Mixer 放大 可编程增益放大器PGA 滤波 IQ解调 IQ调制器 进入基带部分 GMSK解调 信道均衡 解密 去交织 语音解码 滤波 DAC 放大 话音输出 一 发送部分 GSM的发射机包括天线 天线开关 功率检测 功率控制 功率放大器 低通 预放 带通滤波器 上变频和发射混频器等 实际上很多发射机采用二次变频 其原理和一次变频一样 但性能更好一些 由音频电路传送过来的模拟同相正交基带TXI Q信号在发射时隙期间双端送到中频TXI Q正交调解器 经调制所得TXI Q已调波送到发射声表面波 SAM 中频滤波器 经过窄带滤波器滤波 再送到上变频电路 转换为射频发射已调波 在微处理器控制下决定是进入900MHZ射频发射电路还是进入1800MHZ射频电路 若进入900MHZ射频发射电路时 利用上变频电路可将中频已调波转换为900MHZ射频已调波 再经过35MHZ带宽的900MHZ发射滤波器 经滤波后先送到功率放大功率电路进行放大 再送到高频功放进行功率放大 最后射频信号经过收发隔离器和天线把射频已调波发射出去 在发射电路上设置了APC控制器电路 他确保高频功率电平等级满足5 33dB的变化要求 鉴相器 PD 鉴相器 PD 是英文PhaseDetector的缩写 它是一个相位比较器 是一个相差 电压转换装置 可将VCO振荡信号的相位变化变换为电压的变化 鉴相器输出的是脉动直流信号 这一脉动直流信号经LPF滤除高频成分后去控制VCO电路 在鉴相器中 参考信号与VCO分频后的信号进行比较 显然 这是一个比较器 低通滤波器 LPF 低通滤波器 LPF 是英文LowPassFilter的缩写 低通滤波器又被称为环路滤波器 它是一个RC电路 位于鉴相器与VCO电路之间 因鉴相器的输出不仅有控制信号 还有一些高频谐波成分 这些谐波将影响VCO电路的工作 低通滤波器就是要把这些高频成分滤除 压控振荡器简称 VCO 是英文VoltageControlOscillator的缩写 压控振荡器是一个电压 频率转换装置 可将鉴相器PD输出的相差电压信号的变化转化成频率的变化 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 压控振荡器简称 VCO VCO的设计 GSM手机的调制方式是最小频移键控 GMSK 我们知道 最小频移键控能最大限度的利用频率资源 当然 随之而来的问题是 这种信号对相位干扰非常敏感 所以 在GSM手机的VCO的设计中 VCO的相位噪声特性是设计的关键 较大的相位噪声的直接后果就是BER的的恶化 一个性能良好的VCO应具备以下特性 正确的起振特性 足够的频率范围 无需微调 严格控制的电流消耗 以及不受温度和电源电压波动的影响等 VCO的相位噪声特性 在VCO的设计中 有两个方面的噪声源必须考虑 1 固有相位噪声 虽不可消除 但可减小 因为VCO的锁定就建立在有相位差异的基础上 它是一种动态的或者说是平均的锁定 一般情况下 振荡器对控制电压越灵敏 固有相位越小 但是 如果对控制电压太灵敏则会导致控制环路振荡 所以在实际设计中 往往要在二者之间求得一个平衡 固有噪声的另一个来源是 参考时钟 因为参考时钟也有相位噪声 这种噪声必然会反映到VCO环路中 2 散射噪声 这是载流子在导体中或半导体中做布朗运动产生的 散射噪声与电流有着密切的关系 散射噪声会引入频率调制的边带噪声 散射噪声也会随着调节范围的增加而增加 热噪声的增加有可能超过振荡器的固有相位噪声 所以在实际设计中要严格控制环路电流 以达到控制散射噪声的目的 功率检测器 功率检测器是用来将发射机输出的信号耦合一部分并转换成电平 将此电平信号送到功放的输出功率控制模块作为输出功率控制的参考 功率检测器的特性没有统一的标准 但是为了降低软件的计算难度和提高控制精度 功率检测器的功率电平响应特性最好是线性或能用简单函数表示的函数 原因是在做整机功率矫正时并不是逐个信道进行的 而是只做一些特定信道的矫正 其余信道的矫正参数是根据功率检测器的响应函数推算出来的 如果功率检测器的曲线很复杂 就会导致很多频道的输出功率不准确 功率检测器有现成的器件可以采用 但是一般情况下 为了降低成本都采用微带耦合线来做 微带耦合线的线性度虽然不是很好 但它的可预测性是可以接受的 而且成本较低 板级处理比较灵活 因而得到了广泛的应用 功率控制环路设计 GSM系统为时分多址 TDMA 系统 不同的用户在时间轴上被分隔开 每个用户在特定的一个时间间隔 时隙 内接收或发送信息 TDMA系统的该特性极大地提高了频谱利用率 同时也对移动台射频前端的设计提出了极大的挑战 GSM系统要求移动台的发射机以突发方式工作 即只在规定的时隙内开机发送信息 而在其它时隙则处于关闭状态 这种开关工作状态会使发射频谱内含有大量的杂散分量 严重影响其他用户 为保证系统容量和互操作性 必须对移动台发射机的指标提出要求 GSM系统规范对手机发射功率的精度 平坦度 发射频谱纯度以及带外杂散信号进行了严格的规定 对手机射频功率放大器功率控制环路的设计提出了很高的要求 反馈控制环路 实现功率控制的方法较多 比较常用的为输出功率检测反馈控制法 该方法直接检测射频输出功率 通过反馈环路实现闭环功率控制 另外一种方法为电流检测反馈控制法 它检测末级功放管的电流 再通过反馈环路实现对输出功率的控制 在整个环路的设计中 耦合器的选择及积分器时间常数的确定比较关键 前者选择不当会使耦合信号的幅度超出检波器工作的动态范围 而后者决定了环路是否能在规定的时间内完成开机锁定 电流检测反馈控制法的好处是可以节省元器件 耦合器 检波器及相关外围器件 并简化系统设计 但由于该方法不是直接检测输出功率 射频功放的电流与输出功率的关系比较复杂 与很多时变因素有关 因此控制精度不及功率检测法高 目前 采用耦合器 检波器的功率检测法 是最常用也是性能最好 适用范围最广的一种功率控制方法 为了保证回路的性能 必须仔细考虑检波器的动态范围和热稳定性 耦合器的选择 积分器时间常数的选择 以及加入 粗调 电压等 功率控制环路 APC 功率控制环路构成 功率放大器 PowerAmplifier 功率耦合器 PowerCoupler 功率检波器 PowerDetector 功率比较 控制器 PowerComparator 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 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 PI SourcefromVCO CouplingPower Pc Po 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 功率放大器 功率放大器是GSM手机的最终功率输出器件 由于便携机本身的特点 GSM手机的功率放大器不要求很高的线性 但是要求高效率 功率放大器的设计要求主要表现在三个方面 1 效率的要求 2 时间上的干扰要求 3 频率上的干扰要求 虽然在标准中没有对效率提出很高的要求 但是由于效率直接和电池的使用时间联系在一起 在其他条件容许的情况下 一般都尽量的提高效率以延长使用时间 在TDMA 时分多址 通信系统中 如GSM900 DCS1800和PCS1900中 为了有效地利用频率资源 都是在时间上把一个载频划分成不同的几个时间段 每个时间段分配给一个手机 在GSM系统中 是将每一个200KHz的载频划分为8个时间段 时隙 为了不干扰其他时隙上的用户 要确保每个发射机只在自己的时隙上发射 所以要求每个发射机只在自己的时隙到来时开启 自己的时隙结束时关闭 功率放大器 PowerAmplifier 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 功率放大器 dB dBm dBc dB是一个相对值 它是针对一定参考而言的 它通常用于表示衰减或增益的量 对电压比 对功率比 dBm是一个绝对功率值 它是一定功率与一毫瓦的相对值 dBc是一个差值 它表示两个功率值的差 P1 P2 dB dBm dBc dB是一个考征功率绝对值的值 计算公式为 10lgP 功率值 1mw 例1 如果发射功率P为1mw 折算为dBm后为0dBm 例2 对于2W的功率 按dBm单位进行折算后的值应为 10lg 2W 1mw 10lg 2000 10lg2 10lg1000 33dBmdB是一个表征相对值的值 当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时 按下面计算公式 10lg 甲功率 乙功率 例3 甲功率比乙功率大一倍 那么10lg 甲功率 乙功率 10lg2 3dB 也就是说 甲的功率比乙的功率大3dB 例4 通常我们使用GSM900射频线损耗约为0 5dB 例5 如果甲的功率为33dBm 乙的功率为27dBm 则可以说甲比乙大6dB dBc是一个表示功率相对值的单位 与dB的计算方法完全一样 一般来说 dBc是相对于载波 Carrier 功率而言 在许多情况下 用来度量与载波功率的相对值 如用来度量干扰 同频干扰 互调干扰 交调干扰 带外干扰等 以及耦合 杂散等的相对量值 在采用dBc的地方 原则上也可以使用dB替代 功放匹配 PA工作在大信号状态 因此端口一定要匹配 如果端口失配 不仅造成电路性能下降 同时会产生大量的热能 器件温度升高常常使器件的性能进一步下降 形成一个恶性循环 故而在功放电路设计中必须保证整个放大器的输入输出端得到良好的匹配 同时保证放大器工作在绝对稳定状态 以防止外部因素的变化而导致功放自激或特性严重恶化 射频电路的匹配同时存在于源端和负载端 所以源端和负载端都要求绝对稳定 当然最简单的绝对稳定的手段是在响应的匹配网络加入电阻 但是实践中并不推荐这样做 因为阻性器件要消耗功率 而且产生大量热能 所以在实践中推荐使用LC器件来进行调节稳定 PVT模板 由于在发射机开启和关闭时 会在短时间内产生广谱干扰 关闭或开启的时间越短 这个干扰的频谱越宽 宽频干扰能对其他信道上的手机产生干扰 为了减小这种干扰 要求发射机的开启和关闭时间尽量长 但是 每个发射机都有自己的时隙 不可能无限延长开启和关闭时间 这样就必须在时间和频率之间求得一个平衡 为此目的 在GSM标准中 规定了发射机的时隙模板 实际上 发射模板是可以用软件来调节的 可以比较方便的调整时域和频域之间的平衡 并不是发射机的输出轨迹满足了模板就可以了 还需要验证开关频谱是否在要求范围之内 常有的情况是 模板符合要求 但开关频谱并不符合要求 但是POWERRAMP 功率轨迹 是可以用软件调整的 如果电路设计合理 一般情况下 都可以使两者符合要求 在实际生产中为了提高效率 只测量常温下的POWERRAMP和开关频谱 但是GSM标准要求在高低温 50 10 都符合要求 这就需要在设计时做好灵敏度设计 使得在常温下的测试指标限定在一定的范围之内 就可以保证POWERRAMP在高低温时都符合要求 功率耦合器 PowerCoupler 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DirectionalCoupler 它的主要参数有 耦合量 Coupling 插入损耗 InsertionLoss 隔离度 Isolation 方向性 Directivity 单位 dB 功率耦合器 功率检波器 PowerDetector 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Cc 检波二极管D 检波电压输出 低通积分电路 功率检波器 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 功率比较 控制器PowerComparator 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 该控制环路工作原理如下所述 功率放大器放大的发射信号被送到天线转化为高频的电磁波并发送出去 在功放的输出端 通过一个取样电路 一般为微带线耦合器 取一部分发射信号经高频整流 得到一个反映发射功率大小的直流电平 这个电平在比较电路中与来自逻辑电路的功率控制参考电平进行比较 输出一个控制信号去控制功放电路的偏压或电源 从而达到控制功率的目的 二 接收机 GSM的接收机包括天线 LNA 下变频 解调 解码和D A等 由于现代通讯机的集成度较高 一般从下变频开始都主要由IC厂家完成 由于现在的GSM手机LNA一般都集成在下变换器内 所以一般情况下 如果选定了下变换器就选定了LNA 则LNA的设计就变成了LNA输入电路的设计 影响灵敏度的主要因素有二 1 从天线到LNA输入电路的信号衰减 2 从天线到LNA输入电路的引入噪声 如果中频和基带是理想的变换器 则前端信号的衰减不会影响灵敏度 但是任何一个实际的系统都是非理想的 所以前端信号过大的衰减都会降低灵敏度 降低前端对信号的衰减需要做电平匹配 而减小前端的引入噪声需要做噪声匹配 在绝大多数情况下 电平匹配点和噪声匹配点不是同一个点 它们有各自独立的响应函数 所以要在这两项指标之间寻求到一个平衡点 具体插入损耗多大 引入噪声优化到什么程度才可以接受 决定于系统设计 接收灵敏度 接收灵敏度是指在确保误比特率 BER 不超过某一特定值的情况下 在用户终端天线端口测得的最小接收功率 提高接收机灵敏度可以从两个方面着手 一是降低系统噪声系数 另一个是使噪声门限尽可能的小 为了获得较高的接收机灵敏度一方面可以从降低低噪放的噪声系数上考虑 另一方面提高本地振荡器频率精度对改善系统的灵敏度也是很重要的 接收电路主要元器件介绍 1 天线 匹配网络 射频连接器 天线 作用是将高频电磁波转化为高频信号电流 天线匹配网络 主要是完成主板与天线之间的功率匹配 以使天线的效率尽可能高 射频连接器 又叫同轴连接器或射频开关 作用主要是为手机的测试提供端口 其内部是簧片的接触结构 相当于一个机械开关 通常状态下开关处于闭合状态 当射频线探头插入射频连接器时 簧片一端将与主板的天线通路断开 而与射频线探头接触 此时手机与测试仪器之间就通过射频连接器与射频线进行信号的传输 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 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 阻抗匹配的作用 1 在传输中获得最大的功率或效率 2 保证系统具有正确传输特性 3 提高信噪比 降低噪声系数 4 减少由于反射引起的信号失真 5 确保电路稳定 6 为各模块之间提供方便 可靠的连接 天线开关 天线开关 作用将接收射频信号和发射射频信号分离 以防止强的发射信号对接收机造成影响 由于GSM手机使用TDMA的技术 接收机与发射机间歇工作 天线开关在逻辑电路的控制下 在适当的时隙内接向接收机或发射机通道 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 主要有两点作用 筛选有用信号 抑制干扰 即信号分离作用 实现阻抗匹配 以获得较大的传输功率 即阻抗变换作用 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 3dB 3dB R R L L C C U U f f fH fL 单阶无源低通 LP 单阶无源高通 HP 高频截止频率fH与L C参数有关 低频截止频率fL与L C参数有关 单阶无源滤波器 滤波特性 低通滤波器的3dB衰减点的频率为高频截止频率fH 它截止的斜率与其阶数相关高通滤波器的3dB衰减点的频率为低频截止频率fL 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fH fL就能构成带通滤波器 其通频带为fL fH 如果将低通滤波器和高通滤波器并联 而且fH fL就能构成带阻滤波器 其阻频带为fH fL 电源滤波去耦网络 对于射频电路而言 电源稳定有特别重要的意义 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 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 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 图上元件不要求全部具备 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 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 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 声表面滤波器是一个带通滤波器 只允许接收频段的射频信号进入接收机电路 其它频段的信号将会得到抑制 低噪声放大器 LNA 低噪声放大器 LNA 作用是将天线接收到的微弱的射频信号进行放大 以满足混频器对输入信号幅度的需要 提高接收机的信噪比 低噪声放大器通常又称前置射频放大器 是移动通信接收机最常用的一种小信号放大器 由于此类放大器常用低噪声器件来实现 故又称为低噪声放大器 如果低噪声放大器损坏 通常会造成手机接收信号差的故障 维修时如果手机在信号强度 60dBm以上RX电平合格 而在 60dBm以下却不合格的情况下 则先查LNA电路 混频器 MIX 混频器 MIX 是一个频谱搬移电路 它将包含接收信息的射频信号转化为一个固定频率的包含接收信息的中频信号 它是接收机的核心电路 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 当混频器的输出为射频信号频率与本振信号之和 且比信号频率高时 所用的混频器被称为上边带上变频 当混频器的输出信号为信号频率与本振信号之差 且比信号频率高时 所用的变频器被称为下边带上变频 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 中频放大器 接收机的中频放大器主要是将混频器输出的信号进行大幅度提升 以满足解调电路的需要 接收机的主要增益也来自中频放大器 中频放大器损坏常会造成手机接收差的故障 中频放大器最主要的作用是 获取高增益 与射频放大部分相比 由于中频频率固定 并且频率较低 可以很容易地得到较高的增益 因而可以为下一级提供足够大的输人 提高选择性 接收机的邻近频率选择性一般由中频放大器的通频带宽度决定 对于中频放大器 不仅需要得到高的增益 好的选择性 还要有足够宽的通频带和良好的频率响应 大的动态范围等 中频放大器的电路形式与低噪声放大器的电路形式差别不大 但它们工作的频段不同 低噪声放大器是一个宽带放大器 而中频放大器是一个窄带放大器 射频校准原理和设置 RXLEV校准 接收机RXLEV校准主要是校准Transceiver内部中频放大器PGA的增益设置 以抵消接收机前端无源器件 包括天线开关和Sawfilter 的路径损耗 让手机向基站汇报的接收电平为手机天线端实际接收到的RXLEV MTK平台对接收电平RXLEV的校准叫做RXPATHLOSS校准 校准时对整个频段分成若干频率区间段进行 如下 GSM900Subband RXloss MaxARFCN 15 30 45 60 75 90 105 124 975 1000 1023 1RXloss 1 500 1 375 1 625 1 875 1 875 1 875 2 000 2 000 2 250 1 625 1 500 0 0000 DCS1800Subband RXloss MaxARFCN 550 590 620 650 680 710 740 770 810 850 885 1RXloss 0 750 0 750 0 625 0 500 0 500 0 625 0 875 1 000 1 375 1 875 1 625 0 0000 指定每个校准频率区间的最高信道号 每各频率区间对应的RXloss 三 频率合成器 FrequencySynthesizer 将一个或多个基准频率信号变换为另一个或多个所需频率信号的技术称为频率合成 或频率综合技术 移动电话通常使用的是带锁相环 PLL 的频率合成器 原理框图见下 频率合成器 频率合成器的基本功能是产生精度非常高的频率 在手机电路中 一个频率合成系统通常包含几个频率合成环路 接收VCO频率合成环路 接收中频VCO频率合成环路 发射中频VCO频率合成环路等 频率合成环路包含5个基本的功能电路 参考振荡 鉴相器 低通滤波器 压控振荡器 分频器 在移动电话的频率合成器中 其三个控制信号SYNDAT 频率合成器数据信号 SYNCLK 频率合成器时钟信号 及SYNEN 频率合成器允许 禁止 均来自于逻辑电路 参考振荡器 参考振荡器 在频率合成乃至在整个手机电路中都是很重要的 在手机电路中 特别是GSM手机中 这个参考振荡器被称为基准频率时钟电路 它不但给频率合成环路提供参考信号 还给手机的逻辑电路提供信号 如该电路出现故障 手机将不能开机 手机电路中的参考振荡都使用晶体振荡电路 而且 大多数手机中使用的是一个基准频率时钟VCO组件 基准频率时钟电路 在GSM手机中 这个组件输出频率是13MHz 26MHz 有时它被称为13MHz 26MHz晶体 事实上它是一个VCO组件 13MHz 26MHz晶体及VCO电路中的晶体管及变容二极管等器件被封装在一个频率罩内 13MHz 26MHz振荡电路受逻辑电路提供的AFC 自动频率控制 信号控制 由于GSM手机采用时分多址 TDMA 技术 以不同的时间段 Slot 时隙 来区分用户 故手机与系统保持时间同步就显得非常重要 若手机时钟与系统时钟不同步 则会导致手机不能与系统进行正常的通信 在GSM系统中 有一个公共的广播控制信道 BCCH 它包含频率校正信息与同步信息等 手机一开机 就会在逻辑电路的控制下扫描这个信道 从中获取同步与频率校正信息 如手机系统检测到手机的时钟与系统不同步 手机逻辑电路就会输出AFC信号 AFC信号改变13MHz 26MHz电路中变容二极管两端的反偏压 使变容二极管的结电容变化 从而使该VCO电路的输出频率发生变化 进而保证手机与系统同步 锁相环 PLL 锁相环是一个相位负反馈控制系统锁相环应用于滤波 频率综合 调制解调 信号与检测等多个方面 锁相环的特性 1 调制跟踪特性2 载波跟踪特性3 低门限特性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 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LoopFilter 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 Referencesignalsource 参考信号源提供与反馈信号鉴相鉴频用的对比输入信号 基本构成电路分析 鉴相器 PhaseDetector 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 电荷泵 环路低通滤波器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 压控振荡器 VoltageControlledOscillator 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 分频器 DIV 分频器的作用 在保持分辨力的条件下提高了频率合成器的工作频率 锁相环通常用于N倍参考频率的发生器 f0 N fr其中N为分频比 它由环路中分频器DIV提供 由锁相环的原理知道 在锁相环锁定以后RFVCO的输出频率 Fvco 26M N 即RFVCO的频率稳定度和频率精度由26MHz晶体振荡器的频率精度决定 所以校准射频频率合成器的频率精度就等于是校准26MHz晶体振荡器的频率精度 GSM规范要求手机的发射和接收信道频率精确度要在0 1ppm之内 手机通过接收基站的频率校准信道的信息 然后通过AFC去控制射频的VCTCXO可以将射频的频率误差控制在0 1ppm之内 可是每个TCXO之间存在着硬件偏差 所以需要校准 AFC校准参数有两个 InitialDACvalue Slope 1 AFC初始DAC值Initialvalue 该值的范围从0 8191 对应AFC控制电压0 2 8V 校准完以后该值应该对应常温频率误差等于0的值 如三星TCXO校准完以后Initialvalue为4750 2 压控灵敏度slope AFCslope为单位DAC值能改变的射频频率误差 比如三星TCXOslope为2 7代表AFCDAC值每增加 减少1 对应的射频频率将增加 减少2 7Hz 手机通过比较本身产生的射频频率跟基站广播信道频率的误差计算出应该增加或者减少的AFCDAC值 从而保持跟基站频率同步 跟基站的频率误差控制在0 1ppm之内 频率合成器校准 即AFC校准 手机的频率合成器由PLL锁相环构成 如下图 ENDACLK RF本振频率Fvco输出 RF锁相环PLL CP RFVCO 可编程分频器 M LF环路滤波器 VCTCXO26MHz RFVCOEN AFC N 锁相环在手机中应用举例 RX 接收 频率合成器 锁相环在手机中应用举例 TX VCO锁相环路 手机的故障诊断 从手机机芯来看其故障 可分为三大类型 1 第一种为供电充电及电源部分故障 2 第二种为手机软件故障 3 第三种为收发通路部分故障 修手机要按先查电源部分 再查收发通路 根据信号流程来进行故障定位 诊断的一般流程 在接到故障机时 应该按照下列流程去做1 先了解后动手拿到一部待修手机后 先不要急于动手 而是要首先询问故障现象 发生时间以及有什么异常症状 观察手机的外观 又无明显的裂痕 缺损 若是翻盖没有了 天线折了 键盘秃了 就可以大致判断机器的故障 对一名优秀的维修技术人员来说 在询问了解故障的过程中 可以大致判断故障的范围和可能出现的故障的部件 从而为高效 快捷地检修故障奠定基础 2 先简后繁先易后难3 先电源后整机4 先通病后特殊5 先末级后