手机射频基础知识

1、1,GSM手机硬件基础知识 -射频部分 手机硬件一部 程微 2004年5月10日,2,内容纲要,射频基础知识 GSM手机基础知识 GSM手机射频主要器件介绍 GSM手机主板 GSM手机测试常用射频仪表 校准和综测 仿真技术 天线基础,3,射频基础知识,4,射频基础知识,多高的频率才是射频？ 30-300kHz LF 300kHz-3MHz MF 3-30MHz HF 30-300MHz VHF 300-1000MHz UHF 1-2 GHz L-Band 2-4 GHz S-Band 4-8 GHz C-Band,5,射频基础知识,射频= Radio Frequency (RF) 无线 中波广

2、播 530-1700 kHz 短波广播 5.9-26.1 MHz RFID 13 MHz 调频广播 88-108 MHz (无线)电视 54-88, 174-220 MHz 遥控模型 72 MHz 个人移动通信 900MHz, 1.8, 1.9, 2 GHz WLAN, Bluetooth(ISM Band) 2.4-2.5GHz, 5-6GHz 注：ISMIndustrial, Scientific and Medical,6,移动通讯关注的频段,EGSM900，双工间隔为45MHz 880915MHz 上行频率 925960MHz 下行频率 GSM1800，双工间隔为95MHz 1710-

3、1785MHz 上行频率 1805-1880MHz 下行频率 CDMA 800MHz 824MHz849MHz 上行频率 869MHz894MHz 下行频率 WCDMA IMT 1920MHz1980MHz 上行频率 2110MHz2170MHz 下行频率,7,分布系统与集总系统,分布(distributed) 系统与集总(lumped) 系统 环路电压和节点电流定律在任何时候都成立吗？ 当然，如果你的模型没错的话。 任何电路、元器件、连接线本质上都是分布系统，在某些条件下它们的 分布特性可以被忽略，正如在某些条件下微积分可以简化为四则运算 对于一条长度为l 的低损耗连接线和波长为的信号， 当

4、l 0.1，我们认为它是一个分布系统传输线,8,传输线,同轴线或同轴电缆(coaxial cable) 平行双线(twin-lead, two wire) 微带线(microstrip),9,波动方程和特性阻抗,10,元器件和寄生参数, 分立无源元件的高频模型 电阻、电容和电感的阻抗在高频时往往与它们的标称值有很大的偏差，这时寄生元件造成的，它们降低了元件的品质因数和自谐振频率 自谐振频率 频率高到一定的程度，元件的阻 抗会由原来的感性变成容性或由 容性变成感性，这说明寄生效应 已经占据主导地位，元件无法再 工作。例如右图中一个电感电抗 随频率的变化。,11,接收机体系结构,超外差 低中频或近

5、零中频 零中频或直接变换,12,超外差结构,经典接收机架构，性能好，成本高 使用混频器将高频信号搬到一个低得多的中频频率后再进行信道滤波、放大和解调解决了高频信号处理所遇到的困难。 组合频率干扰 射频滤波器等元器件多，不易集成,13,低中频结构,具有与零中频结构类似的优点，同时避免了DC附近的问题 要求很高的镜频抑制比，需要结合使用抑制镜频的变频结构和额外的镜 频抑制措施,14,零中频结构及主要特点,零中频接收机中 LO与有用RF信 道的频率相同 不存在镜像频率 不需要镜频抑制 滤波器 信道选择只需低 通滤波器（通常集成在射频主芯片内） 直流偏移问题（DC offset） 本振泄漏和放大器直流

6、漂移等都会造成DC offset,15,发射机体系结构,直接上变频(Direct-conversion) 超外差式 偏置锁相环发射电路（OPLL）,16,直接上变频, 结构简单 功放对本振形成干扰(LO pulling or injection locking) 本振频率可以通过加减一个偏移量来获得，从而避免LO pulling,17,超外差式, 功放与本振之间具有良好的隔离度 第一本振频率较低，可以达到较高的调制质量 复杂度较高,18,偏置锁相环发射结构,调制信号的带宽通过环路滤波器来控制，可以获得很好的带外抑制，杂散小 只能用于恒包络调制方式,19,频率合成,整数分频(Integer-N)

7、 频率合成器 小数分频(Fractional-N) 频率合成器 直接数字频率合成(DDS),20,PLL频率合成,PLL基本原理,21,PLL频率合成,整数分频(Integer-N) 频率合成器 分频的作用 输出信号经分频以后与 输入参考信号进行鉴相， 锁定时有 fr = fo/N 因此 fo = N fr 改变分频比N即可获得不同 的输出频率,22,PLL频率合成,小数分频(Fractional-N) 频率合成器 整数分频结构简单， 但是有一个很重要的 缺点，它的参考信号 (PD 的输入) 频率必 须等于信道间隔( 或宽 度)，这带来了一些问 题： 环路带宽受到参考频率限制，从而影响了响应速

8、度以及对VCO噪声的抑制 需要很大的分频比，放大了PD输入端的噪声小数分频频率合成器的输出信号频率可以以参考信号频率的小数倍变化，解决了以上问题。,23,直接数字频率合成,直接数字频率合成(DDS) 不需要VCO和其它环路元件，因此其相位噪声、响应速度和稳定性均优于 锁相环频率合成器，并且可以对数字信号直接进行调制 最高输出频率受时钟、DAC等的限制，同时功耗较大,24,GSM手机基础知识,25,无线通信系统和信道, 蜂窝通讯与频率复用 噪声与干扰的普遍存在 背景噪声 同信道干扰 相邻和临近信道干扰 来自其它系统的干扰和阻塞 无线信道的不理想性 信号随传播距离迅速衰减 多径衰落：不同反射路径的

9、 信号在接收天线处叠加，造 成几十dB 的信号起伏 决定了接收机灵敏度、动态 范围、选择性，发射机功放 的结构，信号的泄漏等指标,26,GSM手机射频部分的基本概念,GSM使用了TDMA和FDMA的复用方式 GSM900 分为1-124CH， GSM1800 分为512-885CH，每个信道200kHz，每个ARFCN分为8个时隙。 P-GSM900 手机发：890915MHz；手机收：935960MHz。 E-GSM900 手机发：880915MHz；手机收：925960MHz。 DCS1800 手机发：17101785MHz；手机收：18051880MHz。 GSM的调制方式是BT=0.3

10、的GMSK，调制速率为270.833千波特，0.3表示了高斯滤波器的带宽和比特率之间的关系。 在GSM中，数据的比特率被选择为正好是频偏的4倍，这可以减小频谱的扩散，增加信道的有效性。,27,GSM的多址方案,FDMA与TDMA的混合方式 每个载波带宽为200kHz，含8个物理信道。,28,帧结构,时隙（Slot)：一个时隙为15/26ms（约0.577ms）,包含156.25个码元 突发脉冲序列（Burst）：一个时隙的物理内容称之为一个突发序列 帧（Frame）：每个TDMA帧含8个时隙，共占60/13=4.615ms 多个TDMA帧构成复帧 多个复帧构成超帧（Super Frame）,

11、51*26个TDMA帧 超高帧由2048个超帧构成,29,帧结构示意图,30,Burst,Burst分为：常规Burst，接入Burst，F Burst和S Burst,31,GSM手机射频部分框图,前端开关,(Front-end,Switch,Model),收发芯片,(Transeiver),功率放大器+功率,控制芯片,(PA+PA Control IC),温补压控晶体,振荡器,(TCVCXO),GSM900(Rx),GSM1800(Rx),天线,基带芯片,(B.B Block),I,Q,I,Q,Clock,Data,Le,AFC,APC(PA_Lever),GSM900(Tx),GSM18

12、00(Tx),Ref Clock,control,32,手机射频主芯片的发展趋势,是,是,33,接收机的主要技术指标,1.灵敏度 是指接收机在满足一定误码率性能条件下接收机需输入的最小信号电平。参考灵敏度电平-102dBm （GSM900/GSM1800） 2.阻塞和杂散响应 指在非杂散相应或邻频道的频率上，存在一个强无用信号的情况下，接收机接收有用的信号时，其性能不低于给定指标的能力。,34,发射机的主要技术指标,输出射频频谱 是由于调制和功率切换等原因由MS在标称载频的邻近边带上产生的射频频谱，它包括调制频谱和切换瞬态频谱。,35,GSM TDMA 功率包络,36,GSM手机主要射频器件,

13、37,GSM手机主要器件介绍,主要器件 前端开关（ASM/FEM） 收发芯片（Transceiver） 压控振荡器（VCO） 锁相频率合成器 压控温补晶体振荡器（VCTCXO） 功率放大器（PA）,38,前端开关（ASM/FEM）,集成了一个双工器+两个T/R开关+两个低通滤波器，类似于一个集成的单刀四掷开关，分别在GSM的收发之间和DCS的收发之间进行转换。它可以加大功放的工作时隙和非工作时隙之间的隔离。 通常FEM还包括两个SAW滤波器。,39,前端开关（ASM/FEM）,FEM内部照片,40,射频主芯片（ Transceiver ）,射频主芯片通常包括以下部分： 频率合成器（通常是分数分

14、频） 接收机（目前零中频最流行） OPLL发射通道 内置VCO,41,Pascal 超外差射频方案,42,Othello 零中频方案,43,Othello one TV零中频方案,44,Aero I近零中频射频方案,45,射频功率放大器模块,功率检测性PA模块 功率控制精度高 功率包络较难控制 驻波对输出功率有影响,46,射频功率放大器模块,电流检测型 功率包络难控制 输出功率受驻波影响最大 工作电流受驻波影响最小,47,射频功率放大器模块,电压控制型 功率包络容易控制 输出功率受驻波影响最小 工作电流受驻波影响大,48,射频功率放大器模块,电压控制型PA,49,参考晶振和自动频率控制,GSM

15、手机的参考频率通常用一个13 MHz（或26MHz）的本地的温补压控(VC-TCXO)晶振。一个AFC信号用来调整VC-TCXO的频率。射频模块还提供一个13 MHz的模拟参考时钟到基带子系统。 GSM手机通过接收FCCH的广播信号，来调整AFC，使参考频率的精度达到0.1ppm。,50,参考晶振和自动频率控制,51,参考晶振和自动频率控制,DCXO 通常在射频主 芯片内建振荡 电路，外接晶 体即可工作。 成本低,52,RF模块,53,手机主板,54,HDI工艺,手机PCB板通常采用HDI工艺(High Density Interconnection) HDI主要特点： 直径0.15mm以下的

16、激光微孔 积层层压多层板 有两种介质RCC和FR4 布线密度可更高 成本低,55,手机PCB板器件密度高，PCB尺寸小，相互干扰严重 批量大，加工周期敏感，成本敏感 诸多结构和造型限制，增大PCB设计难度 各功能块分割困难,手机PCB特点,56,手机主板,57,手机主板,58,常用仪器,59,常用仪表,综测仪CMU200,60,常用仪表,综测仪测试界面,61,常用仪表,综测仪测试界面,62,常用仪表,信号源 频谱分析仪 网络分析仪,63,校准和综测,64,手机的射频校准,个体差异 生产过程中无法精确控制 PC控制自动完成，对过程时间敏感 常见的射频校准项： AFC校准（频率校准） RSSI校准

17、 APC（自动功率校准） 对于一些零中频方案还有DCOFFSET校准,65,综测,手机常规射频指标生产检验 PC控制自动完成，对过程时间敏感 GSM手机常规射频测试项 发射功率 发射功率包络 发射频谱（调制谱和开关谱） 频率误差和相位误差 接收灵敏度和误码率,66,仿真技术,67,SI wave 电源完整性仿真,68,HFSS三维电磁场仿真,69,ADS电路仿真,70,天线基础,71,天线基础知识,天线增益,半波振子,理想点源（无耗均匀辐射器）,eg: 0dBd = 2.15dBi 1dBd = 3.15dBi,dBd and dBi,72,手机天线类型,常见手机外置天线 1 螺旋天线 为了把

18、辐射器的尺寸缩小到适用的大小,大多数手机上使用了螺旋天线.合理的选择参数可使正规模式的螺旋振子成为一种高效率辐射结构,其方向图和增益特性类似于半波振子.效率高但长度短的螺旋振子比半波长振子的带宽窄,这是由于它的高Q因子造成的,Q因子由天线线圈的匝数和直径决定. 2 棒状天线 是一小金属棒,方向图和增益均与螺旋天线差不多. 3 PCB天线 是在介质板上腐蚀印制线,介电常数和印制线的形状由具体设计指标决定,73,手机天线类型,外置天线内部结构,74,手机天线类型,常见内置天线 1 倒F天线 即PIFA天线，其原理是：将安装在地平面上的四分之一波长天线变成L型，并在偏离安装点的一点进行馈电。选择合适的的馈电点就易于实现对馈线的阻抗匹配，频带宽度则随天线高度增加。