《高频电子线路简明教程》课件9.pptx

1、第九章整机线路分析第九章整机线路分析第一节手机整机线路分析第一节手机整机线路分析第二节手机射频电路分析第二节手机射频电路分析第三节手机射频电路分析实例第三节手机射频电路分析实例思思 考考 题题 第第一节手机整机线路分一节手机整机线路分析析 手机是现代移动通信系统的重要终端设备，历经第一代（1G）模拟系统、第二代（2G）数 字系统（GSM）和第三代（3G）及第四代（4G）系统，现在正在研制第五代（5G）系统。目前的智能手机是复合的嵌入式设备，除了具有多频多模的移动通信功能之外，还有WiFi和蓝牙传输功能以及 GPS定位功能，而且大多以集成电路的形式实现。无论第几 代的手机，无论采用什么频率和什么

2、制式，组成手机的功能模块基本保持不变，按照频率 可分为射频、基带和协议处理三部分，按照功能可分为传输、应用和电源三部分，如图9-1所示。分析手机整机电路就要抓住电路图中的三种线：信号流通线、控制线和电源线。图9-1智能手机组成结构框图一、传输子系统一、传输子系统 传输子系统关注信道上信息的发送与接收，主要由天线、模拟射频单元和调制解调器构成。天线是手机接收电路的第一级电路，也是发射电路的最后一级电路。其主要作用是将 发射的射频信号转换成电磁波和将感应到的电磁波转换成射频信号。用同一副天线可以实 现发射和接收，用双工器（开关）实现同一副天线的收发复用。射频模拟单元主要包括射频发射电路、射频接收电

3、路和频率合成器以及 AGC/AFC模 块。射频发射电路和射频接收电路分别实现射频信号的发射与接收，频率合成器为射频发 射电路和射频接收电路提供本振信号，为调制解调电路提供载波等参考信号。AFC用于将 基站发射的时钟锁定在所需频率并且进行跟踪。调制解调电路一般在基带上实现调制解调处理，以及信道编解码、交织解交织、信道 估计等功能。二、应用子系统二、应用子系统 应用子系统主要包括逻辑控制、各种应用和输入输出（I/O）接口几部分。逻辑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、传输系统控 制和输入输出接口控制。逻辑控制电路主要包括CPU、Flash、ROM、RAM和总线接口、射频接口

4、、键盘显示接口、SIM卡接口等。应用单元包括麦克风、扬声器、LCD 显示器、相机与摄像头、各种信源编解码、振动器、振铃器以及各种指示灯等。输入输出接口包括模拟话音接口、数字接口和人机接口等。三、电源子系统三、电源子系统 电源子系统由电池、电池充电器、电量检测和电源管理单元构成。电池是手机的能量 来源，通常采用锂离子（Li-ion）类型的电池，其重量轻，循环周期长。第第二节手机射频电路分二节手机射频电路分析析 手机射频电路就是接收、发送和处理高频无线电信号的单元电路，一般包括天线模块、射频发射模块、射频接收模块和频率合成模块以及 AGC/AFC模块。随着电路集成技术的 发展，射频电路也趋向于集成

5、化和模块化，对于小型化的移动终端更是如此。目前的手机 射频电路是以 RFIC（如图9-2所示）为中心，结合外围辅助、控制电路构成。频率合成模 块和AGC/AFC模块的原理在第八章已做过介绍，大多数模块都集成在IC中，只将参考信 号源置于片外。为了节省功率，有些体制（如CDMA）也为了提高用户容量，在手机中要实 现功率控制。功率控制包括开环和闭环两种，手机中的功率放大器通常有多级功率设置。手机射频电路与收发信机结构密切相关。图9-2手机 RFIC结构框图一、手机天线电一、手机天线电路路 手机天线手机天线 天线是手机中实现电磁波辐射和接收的重要硬件模块，是导行波和电磁波的能量转换器。天线是无源器件

6、，不能放大信号。从一定程度上讲，没有天线就没有无线通信。手机天线的基本要求和特点主要是线极化、多频段、收发一体、多天线共存、结构尺寸 小、形式灵活多样。手机天线的关键参数如下：（）谐振频率。谐振频率主要指手机的工作频段，一般只需要做到接近中心频率即可。有些天线可有多个谐振频率或在宽频段内实现谐振，称为宽带天线。通常情况下，宽带天 线的增益不高。（）极化。天线的极化方向是电场相对于地的方向，由天线的物理架构和方向决定。天线的极化方式通常有水平、垂直、圆和椭圆4种类型。（）方向性。天线方向性定义为在远场区的某一球面上最大辐射功率密度与其平均值之比。（）效率。在特定频段，总辐射功率与总输入功率之比定

7、义为效率。（）增益。和一个已知增益的参考天线在一个方向上，相同的输入功率，相同距离处所辐 射的最大功率密度的比值定义为增益。天线增益实际上等于天线效率与方向性的乘积。（）回波损耗。当天线和馈线不匹配时，也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时，负 载就只能吸收馈线上传输的部分高频能量，未被吸收的部分能量将反射回去形成反射波。反射波与入射波的振幅的比值成为回波损耗。（）驻波比。驻波比指的是模块输入的驻波系数和天线反射的驻波系数之间的比值。（）TRP/TIS。TRP/TIS指的是天线辐射功率和天线全向接收灵敏度。（）SAR。SAR指的是每千克的人体组织所吸收的电磁能量。在手机电路中，天线材质一般为金属，

8、可分为外置天线和内置天线两种。处于美观和 小型化，现在的手机天线多集成在机壳内。外置天线主要有螺旋天线、拉杆天线和单极（Monopole）天线几种形式。其主要优点是：频带范围宽、接收信号比较稳定，并且制造简 单，但由于天线暴露于机体外容易损坏，天线靠近人体时导致性能变坏，同时，不易加诸如 反射层和保护层等来减小天线对人体的辐射伤害。因此，外置天线现在已不多用。内置天 线可以做的非常小，不易损坏，而且可以将其安放在手机中远离人脑的一面，而在靠近人 脑的部分贴上反射层、保护层来减小天线对人体的辐射伤害。另外，内置天线可以安装多 个，很方便组阵，从而实现手机天线的智能化，这一点对移动通信系统来说非常

9、有用。内 置天线常用平面倒F结构（PIFA）、单极天线、倒F结构（IFA）天线PCB天线。图9-3手机天线分离器原理框图 天线分离器天线分离器 手机中的天线分离器主要采用了天线开关、双工器和双信器（Diplexer）三种形式，其原 理框图如图9-3所示。天线开关电路一般由集成电路和外接元件组成，主要用于内置天线与外接收天线间的 切换、用于收发状态间的切换和接收时不同频段间的切换。双工滤波器（双工器）是一种无 源器件，其内部包括发射滤波器和接收滤波器，它们都是带通滤波器。双工器有三个端口，即公共端天线接口、发射输出端及接收输入端。双信器实际上和双工滤波器差不多，所不 同的是，双信器除将发射信号和

10、接收信号分开外，还将不同频段的信号分开。二、手机射频接收机结构二、手机射频接收机结构 超外差接收机结构超外差接收机结构 超外差变频接收机的核心电路就是混频器，可以根据手机接收机电路中混频器的数量 来确定该接收机的电路结构。超外差一次变频接收机电路中只有一个混频电路，其原理方框图如图1-1（b）所示。它包括天 线 电 路（ANT）、低 噪 声 放 大 器（LNA）、混 频 器（Mixer）、中 频 放 大 器（IFAmplifier）和解调电路（Demodulator）等。摩托罗拉手机接收电路基本上都采用以上电路。若接收机射频电路中有两个混频电路，则该机是超外差二次变频接收机。与一次变频 接收机

11、相比，二次变频接收机多了一个混频器、一个本振和一个中频放大器，因此，将有更 高的增益和更好的选择性，但同时也会有更多的组合频率干扰。诺基亚手机、爱立信手机、三星、松下和西门子等手机的接收电路大多数属于这种电路结构。直接变换接收机结构直接变换接收机结构 片上直接变换接收机结构如图9-4所示，也是按照超外差原理设计的，只是让本地振荡频率等于载频，使中频为零（因此也称为零中频结构），也就不存在镜像频率，从而也就 避免了镜频干扰的抑制问题。接收的信号通过直接变换处理成为零中频的低频基带信号，但不一定经过解调，可能需要在基带上进行同步与解调。另外，直接变换结构中射频部分只有高放和混频器，其增益低，易满足

12、线性动态范围的要求；由于下变频后为低频基带信 号，只需用低通滤波器来选择信道即可，省去了价格昂贵的中频滤波器，而且其体积小，功 耗低，便于集成，多用于便携式的 直接变换接收机是将射频信号频率降至基带后进行数字化处理，还有一种接收机形式 是在将射频信号频率降至某一中频后进行数字化处理，称为数字中频接收机。数字中频接收的优点有：可以共享 RF/IF模块，由于解调和同步均采用数字化处理，所以灵活方便，功能强大，也便于产品的集成和小型化。直接变换结构和数字中频接收机结构是软件无线 电（Software Radio）的基础前端电路结构，而且往往采用正交方式。低功耗设备中。但是，直接变换结构也存在着本振泄

13、漏 与辐射、直流偏移（DC offset）、闪烁噪声、两支路平衡与匹配问题等缺点。图9-4片上直接变换接收机结构三、手机射频发射机结构三、手机射频发射机结构 手机射频发射机主要包括调制、上变频、滤波和功率放大器等。通信系统的设计是性 能和成本的折中，根据功率受限还是带宽受限选择不同的调制方式，而调制方案的选择与 硬件实现、调制要求和带宽效率有关。由于移动通信系统的制式不同，在手机中通常采用两类调制：恒包络（非线性）调制和 非恒包络（线性）调制。前者适用于高斯最小频移键控（GMSK）调制（GSM系统），系统中可 采用 AB类或C类非线性放大器，获得较好的效率；后者适用于 BPSK或 QPSK 等

14、非恒包 络调制（3G和 WLAN OFDM系统），放大器必须工作于 A类（线性）模式。恒包络调制发射机常采用非线性的偏差锁相环结构，其框图如图9-5所示。这种结构 最小化了对输出信号所需的滤波处理，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，杂散也比较小，使能量转换效率、成本和性能得到了较好的综合优化。图9-5非线性发射机结构框图 线性调制发射机需要维持信号的相位和幅度，而偏差锁相环结构发射机仅能保持发送 相位信息。可行的线性发射机结构通常采用传统的外差结构，主要由中频调制器和上变频 器构成，如图9-6所示。多频多模手机需要混合结构，图9-7为一种多模线性非线性发射机结构框图

15、。图9-6线性发射机结构框图图9-7线性 非线性发射机结构框图 第第三节手机射频电路分析三节手机射频电路分析实例实例一、摩托罗拉一、摩托罗拉 V60手手机射频接收电机射频接收电路路 摩托 罗 拉 V60是 一 款 三 频 手 机，可 工 作 在 GSM900MHz、DCS1800MHz 和 PCS1900MHz频率上，其接收部分如图9-8所示，接收机采用超外差下变频结构。图9-8V60接收机结构图 V60虽然是三频手机，但它不能在工作时同时使用两个频段，即在同一时间只能在某 一个频段工作。若需切换频段，则需要由 CPU做出修改，通过频段转换与天线开关 U10来完成。天线开关 U10将收发和频段

16、间切换集成到一起，内部由四个场效应管组成，内部原理 图如图9-9所示。图中 Q1、Q2用于发射，Q3、Q4用于接收，分别由 V1、V2和 V3、V4来控制，频段选择则由后面的接收射频带通滤波器（图9-10）来完成。当工作于GSM模式 时，由 U10送来的900MHz信号只能通过 FL103的带通滤波器，经匹配网络（C106、C107、L103、L104、L106、C112）送入高放混频模块 U100的低噪放输入LNA1 IN。当工 作于PCS1900 MHz时，由U10送来的1900MHz信号只能通过FL102的带通滤波器，经 匹配网络（C109、C108、L102）送入高放混频模块 U100

17、的低噪放输入LNA2 IN。当工作 于 DCS1800 MHz时，由 U10送来的1800MHz信号直接通过FL101的带通滤波器，经匹 配网络（C110、C111、L105）送入高放混频模块U100的低噪放输入LNA3 IN。图9-9频段转换与天线选择开关图9-10接收射频带通滤波器 高放混频模块 U100把高放（低噪声放大器）和混频器集成在一起，同时支持三个频 段，混频所需的三个频段由接收频率合成器 RXVCO（U300）提供，如图9-11所示。U100中低噪放和混频器所需直流电源为 RX V2。工作于 GSM模式时，射频信号由13口输入，通过低噪声放大后直接连至混频器的一个输入端。工作于

18、 DCS1800MHz或 PCS1900MHz 时，分别经低噪声放大后（不同时），通过 FL100带通滤波器后接至混频器的另一个输入 端。混频输出的中频信号进FL164中频滤波后接至中频放大电路。图9-11高放混频与中频选频电路 V60手机中的中频放大器的核心是由管子 Q151构成的共射极放大电路，Q151的 直流偏置电 压 SW_VCC来 自 调 制解 调 模 块 U201。经 中 频放大后的中频信号送至 U201进行解调，解调后的数字信号再进行基带处理。中频放大器和调制解调模块如 图9-12所示。图9-12中频放大与调制解调模块二、摩托罗拉二、摩托罗拉 V60手手机射频发射电路机射频发射电

19、路 V60手机发射机采用偏差锁相环结构，如图9-13所示。由 MIC产生的模拟语音信号经信源编码后通过中央处理器（CPU）形成 TXMOD信号，送至调制解调模块 U201进行调制。调制后的信号 TXVCO在输出频率及其稳定度方面 已满足发射要求，但发射功率不够，需通过前置放大 Q530初步放大后送至末级功放。图9-13V60发射机结构图 前置放大 Q530为一级放大电路（图9-14），在提供少量增益的同时还可以对调制输出 与末级功放起到缓冲隔离作用。用于 GSM或 DCS/PCS的末级功放（分别如图9-15和图 9-16所示）均为三级放大，每级放大器的放大量由功率控制IC U400通过Q410

20、提供。由 于功放所需功率较大，因此，末级功放的电源PA_B需要专门产生。图9-14前置放大电路图9-15GSM模式末级功放图9-16DCS/PCS模式末级功放三、频率合成器三、频率合成器 V60的频率合成器为手机提供高精度的接收一本振、接收二本振和发射 TXVCO，并 且均采用锁相环技术。V60手机的接收一本振和发射 TXVCO环路共用 U201中的一组鉴相器和反馈回路，接收接收二本振的分频与鉴相器也在 U201内完成，但 VCO为以 Q200为核心构成的考毕 兹振荡器，R206、C207和 C208实现环路滤波。三个频率合成器的原理图分别如图9-17、图9-18和图9-19所示。图9-17接收一本振频率合成器图9-18发射频率合成器 TXVCO图9-19接收二本振频率合成器 思思考考题题 9-1简述手机硬件电路的组成原理。9-2手机中接收机和发射机一般采用何种方案？为什么？9-3请查找智能手机的电路图，并分析其工作原理。