GSM手机射频工作原理与电路分析

2020/6/17RFDBTEL1GSM手机射频工作原理与电路分析2020/6/17RFDBTEL22020/6/17RFDBTEL3Outline匹配网络（Matching）收发双工器（Diplexer）声表面波滤波器(SAW)平衡网络（Balance）锁相环（PLL）收发器（Transceiver）衰减网络（Attenuation）功率控制环路（APC）滤波网络（Filter）其它2020/6/17RFDBTEL4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Π型2020/6/17RFDBTEL5天线匹配的举例返回2020/6/17RFDBTEL6收发双工器（Diplexer）收发合用一路天线，因此使用天线收发双工器（AntennaSwitch）4/对发射为openTXRX为发射波长对接收为short2020/6/17RFDBTEL7收发双工器的特性参数（TX/RX）FrequencyRange(MHz)InsertionLoss(dB)Attenuation(dB)V.S.W.R.Isolation(dB)Harmonics2xfo,3xfo(dBc)PowerCapacity(dBm)详见LMC33DataSheet返回2020/6/17RFDBTEL8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。SAW的滤波特性详见SAWDataSheetlc03clc66e返回2020/6/17RFDBTEL9平衡网络（Balance）Balance电路构成：UI分别经过低通、高通得到反相的UO1、UO2LCCULjCjCjUUIIo11111LCCLUIUO1UO2CLLULjCjLjUUIIo112RdiffRsRsRs：特性阻抗Rdiff：输入阻抗2020/6/17RFDBTEL10由计算可知UO1、UO2始终有180度相差（Differential）适合在Balance系统上传输。L、C的取值要求：f：系统中心频率Rs：特性阻抗Rdiff：输入阻抗该电路可能集成于SAW中diffsdiffsRRfCfRRL2122020/6/17RFDBTEL11差模、共模在Balance系统上的传输差模（DifferentialMode）ABB的传输量为A的一半共模（CommonMode）I/PO/PI/PO/PI/PO/PC返回2020/6/17RFDBTEL12锁相环（PLL）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2020/6/17RFDBTEL13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2020/6/17RFDBTEL14PLLBlockDiagram返回2020/6/17RFDBTEL15基本构成电路分析鉴相器（PhaseDetector）电荷泵——环路低通滤波器（ChargePump——LoopFilter）压控振荡器（VoltageControlledOscillator）分频器（DIV）2020/6/17RFDBTEL16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。鉴相器的数学模型：返回Kdsin()+θ1(t)θv(t)θe(t)=θ1(t)-θv(t)Vd(t)=Kdsinθe(t)鉴相器的数学模型2020/6/17RFDBTEL17电荷泵——环路低通滤波器（ChargePump——LoopFilter）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。2020/6/17RFDBTEL18环路低通滤波器（LowPassFilter）phasedetectorRzCzCpVCOR4C4ToimportantthetransientcharacteristicsTheloopcantrackbetterachangeininputfrequencyTofurtherreducethephasenoiseofthechargepump2020/6/17RFDBTEL19环路低通滤波器的应用举例返回2020/6/17RFDBTEL20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。LC102020/6/17RFDBTEL21分频器（DIV）锁相环通常用于N倍参考频率的发生器：其中N为分频比，它由环路中分频器DIV提供参见《分频器》rfNf0返回2020/6/17RFDBTEL22锁相环在手机中应用举例RX（接收）频率合成器2020/6/17RFDBTEL23TX-VCO锁相环路2020/6/17RFDBTEL24收发器（Transceiver）收发器即调制解调器调制：发射时基带信号加载到射频信号解调：接收时射频信号过滤出基带信Transceiver根据其工作频率可分为：单频、双频、三频等Transceiver根据其中频特征可分为有中频、零中频、近零中频等以DB2009为例介绍TransceiverUAA3535的内部结构2020/6/17RFDBTEL25TransceiverUAA3535（Philips）UAA3535是近零中频收发器，它最多可以作三频收发它内部有：三个PLL（包括一个内置VCO）、正交混频解调器、可控增益低噪放大器、混频调制器等它需外接：13MHz参考基准时钟、RXVCO、TXVCO、基带控制信号等详见UAA3535DataSheet我们需要研究其内部各重要节点的频率、带宽，信号转换的流程等细节2020/6/17RFDBTEL26返回2020/6/17RFDBTEL27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、Π型衰减网络的计算型衰减网络型衰减网络R1R2R3R1R2R32020/6/17RFDBTEL28衰减网络的计算已知网络参数求衰减系数AZin1：短路输入电抗Zin2：开路输入电抗Zout1：短路输出电抗Zout2：开路输出电抗2121212111lg1011lg10)(outoutoutoutininininZZZZZZZZdBA2020/6/17RFDBTEL29已知衰减系数A求网络参数（R0：特性阻抗）由求得K值：则可得对T型：对Π型：)(1lg20dBAKoutinVVK1211203021KKRRKKRRRKKRRKKRRR21112010322020/6/17RFDBTEL30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2020/6/17RFDBTEL31衰减网络的应用返回2020/6/17RFDBTEL32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。2020/6/17RFDBTEL33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PISourcefromVCOCouplingPowerPcPo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返回2020/6/17RFDBTEL34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详见PA-BGY280DataSheet返回2020/6/17RFDBTEL35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：详见LDCDataSheet耦合量（Coupling）插入损耗（InsertionLoss）隔离度（Isolation）方向性（Directivity）[单位（dB）]返回2020/6/17RFDBTEL36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2020/6/17RFDBTEL37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，导致检波效果变差返回2020/6/17RFDBTEL38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）它的具体参数详见PCF5078DataSheet2020/6/17RFDBTEL39功率控制环路（APC）的应用返回2020/6/17RFDBTEL40滤波网络（Filter）通用滤波网络电源滤波去耦网络2020/6/17RFDBTEL41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。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2020/6/17RFDBTEL423dB3dBRRLLCCUUfffHfL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2020/6/17RFDBTEL43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fHfL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fHfL就能构成带阻滤波器，其阻频带为fH~fL。滤波特性返回2020/6/17RFDBTEL44电源滤波去耦网络对于射频电路而言，电源稳定由特别重要的意义，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