GSM手機RF工作原理

會計學1GSM手機RF工作原理2023/1/18RFDBTEL2

Outline匹配網絡（Matching）收發(fā)雙工器（Diplexer）聲表面波濾波器(SAW)平衡網絡（Balance）鎖相環(huán)（PLL）收發(fā)器（Transceiver）衰減網絡（Attenuation）功率控制環(huán)路（APC）濾波網絡（Filter）其它第1頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL3匹配網絡（Matching）匹配的定義：后級輸入阻抗與前級輸出阻抗共扼匹配網絡的類型：L型T型Π

型第2頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL4天線匹配的舉例返回第3頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL5收發(fā)雙工器（Diplexer）收發(fā)合用一路天線，因此使用天線收發(fā)雙工器（AntennaSwitch）對發(fā)射為openTXRX為發(fā)射波長對接收為short第4頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL6收發(fā)雙工器的特性參數（TX/RX）FrequencyRange(MHz)InsertionLoss(dB)Attenuation(dB)V.S.W.R.Isolation(dB)Harmonics2xfo,3xfo(dBc)PowerCapacity(dBm)

詳見LMC33DataSheet返回第5頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL7聲表面濾波器（SAW）

在手機中，接受信號從天線開關到接收處理電路之間采用聲表面濾波器（SAW）聲表面濾波器（SAW）可以提供較寬的通頻帶、較低的損耗，此外有的SAW器件還集成有將非平衡信號轉換為平衡信號的功能。SAW的濾波特性詳見SAWDataSheet

lc03c

lc66e返回第6頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL8平衡網絡（Balance）Balance電路構成：UI分別經過低通、高通得到反相的UO1、UO2LCCLUIUO1UO2RdiffRsRsRs：特性阻抗Rdiff：輸入阻抗第7頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL9由計算可知UO1、UO2始終有180度相差（Differential）適合在Balance系統(tǒng)上傳輸。L、C的取值要求：f：系統(tǒng)中心頻率Rs：特性阻抗Rdiff：輸入阻抗該電路可能集成于SAW中第8頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL10差模、共模在Balance系統(tǒng)上的傳輸差模（DifferentialMode）AB

B的傳輸量為A的一半共模（CommonMode）I/PO/PI/PO/PI/PO/PC返回第9頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL11鎖相環(huán)（PLL）鎖相環(huán)應用于濾波、頻率綜合、調制解調、信號與檢測等多個方面。鎖相環(huán)四個基本構成元素基本構成電路分析鎖相環(huán)在手機中應用舉例

第10頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL12鎖相環(huán)四個基本構成元素鑒相器（PD）鑒頻器（FD）鑒相鑒頻（PFD）：

PD/FD/PFD是一個相位/頻率比較裝置，用來檢測輸入信號與反饋信號之間的相位/頻率差環(huán)路濾波器LoopFilter（LP）：

LP一般為N階低通濾波器電壓控制振蕩器（VCO）：

VCO是一個電壓--頻率變換裝置，輸出振蕩頻率應隨輸入控制電壓線性地變化參考信號源（Referencesignalsource）：

參考信號源提供與反饋信號鑒相鑒頻用的對比輸入信號第11頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL13PLLBlockDiagram返回第12頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL14基本構成電路分析鑒相器（PhaseDetector）電荷泵——環(huán)路低通濾波器（ChargePump——LoopFilter）壓控振蕩器（VoltageControlledOscillator）分頻器（DIV）第13頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL15鑒相器（PhaseDetector）鑒相器的主要作用:檢測輸入信號與反饋信號之間的相位差。鑒相器的數學模型：返回Kdsin()+θ1(t)θv(t)θe(t)=θ1(t)-θv(t)Vd(t)=Kdsinθe(t)鑒相器的數學模型第14頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL16電荷泵——環(huán)路低通濾波器

（

ChargePump——LoopFilter）電荷泵的的作用主要是：給鎖相環(huán)路提供理想恒定的電流源，保持良好的線性關系，使得頻率范圍易于控制

環(huán)路低通濾波器（LPF）

由PFD的輸出信號需經過低通濾波器再去控制VCO。一般采用電阻、電容構成積分形式的低通濾波器，它可以為單階或多階濾波器。它的通頻帶由電阻、電容參數決定，它的截止速度取決于其階數。第15頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL17環(huán)路低通濾波器（LowPassFilter）phasedetectorRzCzCpVCOR4C4ToimportantthetransientcharacteristicsTheloopcantrackbetterachangeininputfrequencyTofurtherreducethephasenoiseofthechargepump第16頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL18環(huán)路低通濾波器的應用舉例返回第17頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL19壓控振蕩器

（VoltageControlledOscillator）壓控振蕩器一般是由變容二極管為主構成的諧振回路：諧振回路的中心頻率由其回路的等效L、C特性決定：

變容二極管的等效電容量由加在其兩端的電壓控制，這樣通過電壓的變化就能轉換成回路諧振頻率的變化，就構成了壓控振蕩器VCO。第18頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL20分頻器（DIV）鎖相環(huán)通常用于N倍參考頻率的發(fā)生器：

其中N為分頻比，它由環(huán)路中分頻器DIV提供

參見《分頻器》返回第19頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL21鎖相環(huán)在手機中應用舉例RX（接收）頻率合成器

第20頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL22TX-VCO鎖相環(huán)路

第21頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL23收發(fā)器（Transceiver）收發(fā)器即調制解調器

調制：發(fā)射時基帶信號加載到射頻信號

解調：接收時射頻信號過濾出基帶信Transceiver根據其工作頻率可分為：單頻、雙頻、三頻等Transceiver根據其中頻特征可分為有中頻、零中頻、近零中頻等

以DB2009為例介紹TransceiverUAA3535的內部結構第22頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL24TransceiverUAA3535（Philips）UAA3535是近零中頻收發(fā)器，它最多可以作三頻收發(fā)它內部有：三個PLL（包括一個內置VCO）、正交混頻解調器、可控增益低噪放大器、混頻調制器等它需外接：13MHz參考基準時鐘、RXVCO、TXVCO、基帶控制信號等詳見UAA3535DataSheet

我們需要研究其內部各重要節(jié)點的頻率、帶寬，信號轉換的流程等細節(jié)第23頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL25返回第24頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL26衰減網絡（Attenuation）為了達到系統(tǒng)中對輸入輸出功率要求高的部分的功率適配，我們通常在輸出端到輸入端之間加上功率衰減網絡通常衰減網絡形式有：T型、Π

型衰減網絡的計算

型衰減網絡型衰減網絡R1R2R3R1R2R3第25頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL27衰減網絡的計算已知網絡參數求衰減系數AZin1：短路輸入電抗

Zin2：開路輸入電抗Zout1：短路輸出電抗

Zout2：開路輸出電抗第26頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL28已知衰減系數A求網絡參數（R0：特性阻抗）由求得K值：

則可得對T型：對Π型：

第27頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL29衰減網絡的作用衰減網絡主要是為了使輸出功率符合下級輸入功率的要求利用衰減網絡可以提高系統(tǒng)的信噪比利用50歐姆衰減網絡可以緩和前級與后級的阻抗變化

第28頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL30衰減網絡的應用返回第29頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL31功率控制環(huán)路（APC）功率控制環(huán)路構成：

功率放大器（PowerAmplifier）

功率耦合器（Power

Coupler）

功率檢波器（Power

Detector）

功率比較、控制器（Power

Comparator&Controller）這樣構成的環(huán)路可以將功率較穩(wěn)定的控制在我們的設定值上，這個設定值可以隨時間根據需要不斷變化。第30頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL32功率控制環(huán)路構成功率放大器功率耦合器檢波器功率比較控制器PISourcefromVCOCouplingPowerPcPo比較信號用于用戶設定功率值耦合檢波信號差值功率控制信號功率控制環(huán)路返回第31頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL33功率放大器（Power

Amplifier）目前手機用PA一般是厚膜模擬電路制成，它要求將低功率射頻信號線性無失真的放大到一定功率值。它的主要參數有：工作頻率、帶寬最大線性輸出功率（壓縮點）線性放大對輸入功率要求輸入、輸出需要的匹配阻抗工作電源及電壓、電流的要求控制信號的形式及要求噪聲特性等等詳見PA-BGY280DataSheet返回第32頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL34功率耦合器（Power

Coupler）為了達到功率控制，我們需要使用到的功率傳感器就是功率耦合器，一般為DirectionalCoupler。它的主要參數有：詳見LDCDataSheet耦合量（Coupling）插入損耗（InsertionLoss）隔離度（Isolation）方向性（Directivity）[單位（dB）]

返回第33頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL35功率檢波器（Power

Detector）功率檢波器對Coupler的耦合高頻信號進行包絡檢波進而得到一個體現耦合信號幅值大小的檢波電壓。我們采用二極管負包絡檢波電路，后級常為低通積分電路。例如：Coupler輸出耦合電容Cc檢波二極管D檢波電壓輸出低通積分電路第34頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL36負包絡檢波的對二極管要求：

檢波二極管D以P極為輸入端檢波二極管的極電容要求較小的肖特基二極管，若極電容過大，將會使負包絡過多的耦合流失到低，導致檢波效果變差

返回第35頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL37功率比較、控制器

Power

Comparator&Controller功率比較、控制器的功能：功率比較器將功率檢波信號與設定功率信號相比較得到一個功率控制信號給功率控制器，由功率控制器產生控制電壓給功率放大器（PA）

它的具體參數詳見PCF5078DataSheet

第36頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL38功率控制環(huán)路（APC）的應用返回第37頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL39濾波網絡（Filter）通用濾波網絡電源濾波去耦網絡第38頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL40通用濾波網絡濾波器是抑制除特定帶寬以外信號及噪聲的裝置。按照不同標準它可分為：低通、高通、帶通、帶阻濾波器；一階、二階、高階濾波器；無源濾波器、有源濾波器以下我們以單階無源濾波器為例做一些簡介第39頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL413dB3dBRRLLCCUUfffHfL單階無源低通（LP）單階無源高通（HP）高頻截止頻率fH與L、C參數有關低頻截止頻率fL與L、C參數有關第40頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL42低通濾波器的3dB衰減點的頻率為高頻截止頻率fH，它截止的斜率與其階數相關高通濾波器的3dB衰減點的頻率為低頻截止頻率fL，它截止的斜率與其階數相關如果將低通濾波器和高通濾波器串聯，而且fH>fL

就能構成帶通濾波器，其通頻帶為fL~fH。如果將低通濾波器和高通濾波器并聯，而且fH<fL

就能構成帶阻濾波器，其阻頻帶為fH

~

fL。濾波特性返回第41頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL43電源濾波去耦網絡對于射頻電路而言，電源穩(wěn)定由特別重要的意義，不僅它自身不穩(wěn)定會影響電路性能，而且各用電單元也會以電源為途徑互相傳遞干擾造成很大的不穩(wěn)定因數，去耦即去除電源與用電單元之間的交流耦合。實際電路中電源去耦電路無論在電源輸出端還是在用電輸入端都需要，而且去耦電路離用電模塊越近達到的去耦效果越好。第42頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL44電源濾波去耦網絡基本理論我們一般希望電源供電除了開/關時間以外是直流穩(wěn)定的，不希望它的端電壓出現紋波、抖動、跳變等不穩(wěn)定因數存在，電源去耦網絡正是為這些交流成分提供了短路到地的通路。去耦電阻、去耦電容及去耦電感構成的低通網絡為電源的交流成分提供一個到地的通路，它們的參數與電源提供的電流量、需要特別濾除的頻率成分等相關。第43頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL45電源濾波去耦網絡基本構成電源去耦低通濾波網絡如右圖：去耦電阻或電感---R/L（DecouplingResistor/Inductor）去耦電容---C1、C2（DecouplingCapacitor）

以上部分部不要求全部具備，去耦電阻及去耦電感有時就可不用去耦電阻R在電路中將緩和電源上升、下降沿的速度，從而抑制高頻噪聲的形成；用電單元PowerBatteryDecouplingResistor/InductorDecouplingCapacitorR/LC1C2第44頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL46去耦電感L在回路中必然阻礙高頻交流成分達到隔離效果；

有時，我們還使用扼流磁珠來獲得更強的隔離效果。去耦電容由C1、C2并聯分別承擔低頻、高頻交流成分濾波的任務。

電解電容C1一般容量較大在低頻時能提供好的通路，而在高頻時由于其寄生電感的存在阻抗將變大無法提供濾波通路；

陶瓷電容C2由于其容量一般較小，所以在低頻時阻抗較大無法提供濾波通路，而在高頻時阻抗變小則會有很好的濾波特性；這樣可以看出C1、C2的濾波特性是互補的，需要同時利用才能得到較寬頻的有效濾波范圍。當然，如果需要更寬的濾波頻段還可用更多不同類型的電容并聯得到。

詳見《高速電路板設計技術》第45頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL47電源濾波去耦網絡的應用第46頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL48電源去耦電路參數的選擇C1的選擇：假設電源提供電流為I，則

K取10是經驗比例

一般應用時取電容標稱值在計算值附近就可以了C2的選擇：

C2位高頻陶瓷電容，一般在0.1uF以下取值

trUBurst返回第47頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL49其它上拉、下拉電阻數字控制信號的高頻抑制措施隔直（Block）電容第48頁/共53頁2023/1/18RFDBTEL50上拉、下拉電阻

上、下拉電阻是為了防止擾動引入輸入端，保持開關狀態(tài)的穩(wěn)定性而設置的：上拉電阻RH（PullHigh）下拉電阻RL（PullLow）常開

常