手机设计知识

手机设计概述（一）目录•数字手机原理框图•手机供电系统框图•GSM手机设计•CDMA手机设计•手机功率放大器设计手机电路组成AntennaRFSubsystem(Analog)Base-BandSubsystem(Digital)占1/3占2/3数字手机原理框图手机供电系统框图•为保证手机的EMC性能，LNA、IF、Modulator、Demodulator、PA、PLL、TX-VCO应采用独立电源GSM手机设计GSM手机设计内容•随着GSM手机用户的不断增大，双频段手机成为将来的发展趋势，因为能从900MHz自动切换到1.8GHz，或者甚至到1.9GHz的网络。•作为手机的制造商，除手机外观设计外，必须寻求实现双频段或三频段接入的技术解决方案，同时还要进一步解决手机体积变小、提高通话和待机时间，提高产品竞争力。GSM传输方式•众所周知，在900MHz频段，接收(Rx)和发射(Tx)频段之间双工分离，890MHz至915MHz用于移动台到基站的传输，935MHz至960MHz用於基站到移动台的传输，•Rx和Tx频段都包含有124个200kHz带宽的频率载波信道。•在GSM1.8GHz频段，提供374个200kHz带宽的频率载波信道，同900MHz系统保持相同的讯号处理和协议（见下表）。GSM频带分配表GSM信号的传输与越区切换过程•GSM使用FDMA和TDMA的组合，使用户共享无线频谱资源。通过TDMA4.6ms帧，每个载波频率提供8个信道(突发或577μs的时隙)，一个物理信道一次只用一个时隙(即一个话音连接)。•在每一帧内，移动台在一个时隙发射的同时，监视5个相邻基站及它所对应基站的空闲接收时隙，用于接收信号场强指示RSSI(receivesignalstrengthindication)。此信息在每一秒钟至少传一次给BSC，与BSC切换算法一起确定呼叫转换到下一个基站的时间，基站也应用RSSI确定是否和什么时候改变手机的功率电平(以2dB的间隔)。•“切换”允许手机从一个单元移动到另一个单元，并以新的功率电平在新的时/频位置注册。手机报告6个最强的讯号场强并识别相邻单元(通常16中选6)。移动台和MSC都能启动切换，它可发生在一个信道内(时隙内)、单元内、不同单元之间、从微单元漫游到伞形宏单元。GSM900MHz/1800双频网络•对于4类手机，GSM900MHz手机功率电平高至33dBm（或2W）。因此，蜂窝式单元的半径可达35km。典型1.8GHzGSM手机功率电平为30dBm（或1W），而1.8GHz无线信号的衰减几乎是900MHz的两倍，因此GSM1800有限的工作距离仅100m至4km。但比GSM900能提供更高的通讯容量。•双频段900/1800网络的优点是网络运营商可以使用双频段，为GSM900用户提供更大的覆盖范围；同时，为GSM1800用户提供更高的通讯容量。接收信号的动态范围•最小接收讯号为-102dBm，最大接收讯号为-33dBm。到达天线的干扰讯号可达到0dBm，接收机必须对它进行处理。•接收机前端必须具有很大的动态范围，前端IC要求具有高的压缩点和低的噪声系数。RF前端和PA关系•如接收前端的信号纯度高，就可以减小对PA之前滤波器的高要求，在PA之前减小相位误差，使PA以更高的效率工作(PA进入非线性状态)，而不提高系统的相位误差(小於20pprms)。•可以提供超过50dB线性范围的准确控制。•在GSM1900频带使用1.8GHzPA进行接续或宽带匹配时，则需要一些增加外部电路。对三频带手机电路，滤波器、振荡器、PA和天线的设计就更关键。•双频带应用，天线后面的接收通路必须分成两个，所以可用两个独立的接收滤波器。如果集成镜像消除滤波器，可把传统前端、双带的5个SAW滤波器数量减少到3个。•对于三频带接收机，还需要增加一个前端滤波器，但1.8GHz和1.9GHz频带可以共享。GSM手机设计•GSM手机有四项重要RF电气指标射频输出功率频率误差接收灵敏度相位误差其中前三项是发射指标。而相位误差（PE）也是一项重要的指标发射通道技术方案•上变频方案电路简单•OFFSET频率方案频率误差和PE较小；绝大多数手机都采用OFFSET频率方案。•上两种方案的差别：主要是RF已调信号的形成方法。对于上变频方案，通过传统的IF到RF的频谱搬迁；对于OFFSET频率方案，则是通过增加一个IFPLL，其输出控制一个专用的发射VCO，达到实现RF调制信号的目的。•GSM手机射频电路通用设计--接收单元•一般采用一次变频或二次变频的接收机方案（多次变频将导致总的滤波器数目的增加）•低噪声放大器LNA–(1)NF：1.5dB-2.5dB,第一级为0.8-1dB。–(2)G：15dB-20dB，LNA可用一级放大器来实现，增益太高将导致整机抗阻塞和互调指标差。–(3)功耗：4mA-8mA(FET)，1-2mA(Bipolar)。–(4)具有键控式AGC控制功能(通过偏置控制来实现)。第1混频器(1)采用RF平衡输入，IF平衡输出的有源混频器，以提供足够的增益，降低串话的干扰。(2)噪声系数：6dB—8dB，(3)G：8dB—10dB(4)本振电平：-5dBm—0dBm．过高的本振电平会增加功耗。GSM手机射频电路通用设计--发射单元（1）•有多种可以采用的电路方案：•(1)单中频优点：PLL电路简单，不易产生互调干扰，re和Pe指标较好。缺点：选择性指标比采用双中频的方案要差一些。•(2)双中频优点：选择性指标容易保证，带外抑制指标比较高，频差Fe和相差Pe指标比较好，缺点：PLL要复杂一些，易产生互调干扰。•(3)直接调制到RF(无中频)优点：电路简单，缺点：选择性指标比较差，re和Pe指标难以保证。•GSM手机射频电路通用设计--发射单元（2）•(4)末级Tx—VC0采用上变频优点：电路相对简单。缺点：re和Pe指标稍差。•(5)末级Tx—VCO采用PLLVCO优点：Fe和Pe指标容易保证。缺点：电路要相对复杂一些。•(6)PA采用开环控制•优点：省去定向耦合器、功率检测和比较电路。•(7)PA采用闭环控制优点：PA直接与电池连接，无需MOS管，稳定性、可靠性较高。缺点：需要用定向耦合器、功率检测和比较电路，电路复杂。双频GSM900MHz技术指标•工作频率：–上行TX：880MHz-915MHz–下行RX：925MHz-960MHz•双工频率间隔：45MHz，载波间隔：200KHz•调制方式：I/Q正经GMSK•动态范围：-47dBm-110dBm•射频功率输出：33dBm(5级)-5dBm(19级)，级差：2dB(15个功率等级)•*30dBm(1W)双频DCS1800MHz技术指标•工作频率：–上行TX：1710MHz-1785MHz–下行RX：1805MHz-1880MHz•收发频率间隔：95MHz，•静态接收灵敏度：-100dBm•射频功率输出：24dBm(3级)-5dBm(19级)，级差：2dB(13个功率等级)*24dBm(200mW)CDMA手机设计CDMA技术指标•灵敏度和动态范围的最低要求灵敏度:-104dBm(1.23MHz带宽)定义：保证接收帧误率FER0.5%所需的最低CDMA信道功率动态范围:典型90dB线性（最大输入信号功率为-25dBm）因为CDMA包络起伏变化大，典型的峰平比为8-10dB,要求接收机在接收信号动态范围内保持良好的线性。手机发射功率数据比较：IS9827dBmcdma200024dBm(200mW)GSM30dBm(1W)CDMA手机LNA设计•在设计高性能CDMA接收机中，最为苛刻的部分应属于低噪声放大器（LNA），•当接收灵敏度为-104dBm、IIP3（双音三阶互调失真截距点）为几个+dBm，则要求LNA噪声系数小于2dB，才能获得批量生产时达到2-3dB，这就是说，LNA要有最大的动态范围。为使LNA具有几个+dBm、IIP3(+3~+5dBm)，而满足低的噪声系数(2dB)，所需要的电流消耗就是几十mA(~20mA)。由此可见，同时实现低功耗、高线性度以及低噪声设计是CDMALNA的技术关键。•当接收信号强度高时（-30-20dBm），混频器对接收通道是一个关键门槛，所以还要求LNA具有15dB的增益动态范围。手机功率放大器设计功率放大器•PA把微弱的功率调制信号放大到所要求的输出功率，在GSM中是采用GMSK是调制方式，其特点是恒包络调制，为使PA效率更高，PA输出就要出现轻微的非线性。通常双工器也产生一定的损耗，如采用无双工器的电路结构就可降低对PA的输出功率要求。•根据GSM标准，天线上功率最大值是-33dBm。假如手机一直处于最高功率，PA效率大於40%，而电池容量为550mAh。如果电池可以用到其容量的70%而不降低供电电压，可提供的平均dc功率是P1=550mAH×Vcc/0.7(见下表)。功率放大器特点•功率放大器是手机中消耗电量最大的部件，它的效率直接影响到连续通话时间的长短。•如取效率为30％时的通话时间作为标准，将效率从40％提高到50％，连续通话时间将可增加15分钟。•对手机中用的功放(PA)，不仅要求其体积小，且效率高，理论上讲，PA的放大效率为78.5％(B级工作)，可是，其效率与保持低失真之间存在着矛盾，需在满足低失真前提下，追求PA的最大效率化。目前PA的效率在50％以上。各种手机标准对功放（PA）设计的独特要求•手机制式（标准）的差异，对功放（PA）设计有很大影响。因此，有各种PA设计方法以满足每种标准的独特要求。•每种标准的主要参数，都有不同的数值参数（见下表）功放（PA）多种标准的主要参数DMAIS-54/136（时分多址标准）和CDMAIS-95（码分多址标准）•DMAIS-54/136（时分多址标准）和CDMAIS-95（码分多址标准）采用线性调变技术，对幅度和相位失真要求很严，因此要求PA以“线性”方式工作。为使相邻和交换通讯信道的失真度符合规范，PA的工作功率必须比饱和功率低2至6dB，以保证线性度。•PA在上述功率电平下，比在饱和功率状态下工作效率要低得多。对TDMA来说，在最大发射功率时，输出级效率通常在35%至45%的范围内，而对CDMA则为25-35%。好在CDMA标准中，采用较低发射功率，否则，就要用很大的器件，更无法用电池供电。调制方式•MPS（FM调制）和GSM（GMSK高斯滤波最小频移键控调变），是采用等包络调制技术，幅度失真对其影响较小，这样，PA就可工作在各种功率、直至饱和状态，达到更高的效率。占空比是PA设计中的概念•占空周期可以从通常的时间意义上入手，也可侧重从功率的观点来考虑。•在CDMAIS-95中，PA峰值发射功率是28dBm，但平均发射功率至少要低15至30dB（这种情况只是CDMA）。•在低发射功率下具有小的静态电流，可以获得最长的通话时间。占空比是PA设计中的概念•对于其它标准，还是以通常的时间概念来看待占空周期。•GSM采用1/8占空周期。PA只有1/8时间在工作，这就降低了通话时间对PA效率的敏感度。•TDMA采用的占空周期是1/3，而AMPS是100%时间工作。•对于类似AMPS这样是100%占空周期，PA设计中就最重视PA的效率。RFIC芯片和器件的选型•制造芯片所采用的材料有硅（Si）和砷化镓（GaAs）器件：Sibipolar、SiMOSFET、GaAsMESFET、GaAsHBT和GaAsPHEMT。•为简单起见，可从功率附加效率（PAE）*、工作电压、成本三个方面来比较这些技术（见下表）。•PAE与每次电池充电后通话时间长短直接有关。PAE考虑了器件集电极或漏极的效率，以及为达到某一输出功率，需要多大的输入射频功率。故PAE能很好地反映器件的功率增益。*PAE参数定义为：（射频输出功率-射频输入功率）/总直流输入功率RFIC芯片和器件的选型•对于900MHz，PAE就应该根据成本、工作电压性能折衷来选择器件。SiMOSFET和GaAsMESFE