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射頻電路結(jié)構(gòu)和工作原理

 goandlove 2015-09-15

一、射頻電路組成和特點(diǎn):
普通手機(jī)射頻電路由接收通路、發(fā)射通路、本振電路三大電路組成。其主要負(fù)責(zé)接收信號(hào)解調(diào);發(fā)射信息調(diào)制。早期手機(jī)通過超外差變頻(手機(jī)有一級(jí)、二級(jí)混頻和一本、二本振電路),后才解調(diào)出接收基帶信息;新型手機(jī)則直接解調(diào)出接收基帶信息(零中頻)。更有些手機(jī)則把頻合、接收壓控振蕩器(RX—VCO)也都集成在中頻內(nèi)部。

(射頻電路方框圖)

1、接收電路的結(jié)構(gòu)和工作原理:
接收時(shí),天線把基站發(fā)送來電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號(hào)經(jīng)濾波,高頻放大后,送入中頻內(nèi)進(jìn)行解調(diào),得到接收基帶信息(RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N);送到邏輯音頻電路進(jìn)一步處理。


1、該電路掌握重點(diǎn):
(1)、接收電路結(jié)構(gòu)。
(2)、各元件的功能與作用。
(3)、接收信號(hào)流程。


電路分析:
(1)、電路結(jié)構(gòu)。
接收電路由天線、天線開關(guān)、濾波器、高放管(低噪聲放大器)、中頻集成塊(接收解調(diào)器)等電路組成。早期手機(jī)有一級(jí)、二級(jí)混頻電路,其目的把接收頻率降低后再解調(diào)(如下圖)。


(接收電路方框圖)


(2)、各元件的功能與作用。
1)、手機(jī)天線:
結(jié)構(gòu):(如下圖)
由手機(jī)天線分外置和內(nèi)置天線兩種;由天線座、螺線管、塑料封套組成。

作用:
a)、接收時(shí)把基站發(fā)送來電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號(hào)。
b)、發(fā)射時(shí)把功放放大后的交流電流轉(zhuǎn)化為電磁波信號(hào)。
2)、天線開關(guān):
結(jié)構(gòu):(如下圖)
手機(jī)天線開關(guān)(合路器、雙工濾波器)由四個(gè)電子開關(guān)構(gòu)成。


(圖一) (圖二)



作用:其主要作用有兩個(gè):
a)、 完成接收和發(fā)射切換;
b)、 完成900M/1800M信號(hào)接收切換。
邏輯電路根據(jù)手機(jī)工作狀態(tài)分別送出控制信號(hào)(GSM-RX-EN;DCS- RX-EN;GSM-TX-EN;DCS- TX-EN),令各自通路導(dǎo)通,使接收和發(fā)射信號(hào)各走其道,互不干擾。
由于手機(jī)工作時(shí)接收和發(fā)射不能同時(shí)在一個(gè)時(shí)隙工作(即接收時(shí)不發(fā)射,發(fā)射時(shí)不接收)。因此后期新型手機(jī)把接收通路的兩開關(guān)去掉,只留兩個(gè)發(fā)射轉(zhuǎn)換開關(guān);接收切換任務(wù)交由高放管完成。


3)、濾波器:
結(jié)構(gòu):手機(jī)中有高頻濾波器、中頻濾波器。
作用:
其主要作用:濾除其他無用信號(hào),得到純正接收信號(hào)。后期新型手機(jī)都為零中頻手機(jī);因此,手機(jī)中再?zèng)]有中頻濾波器。


4)、高放管(高頻放大管、低噪聲放大器):
結(jié)構(gòu):手機(jī)中高放管有兩個(gè):900M高放管、1800M高放管。都是三極管共發(fā)射極放大電路;后期新型手機(jī)把高放管集成在中頻內(nèi)部。


(高頻放大管供電圖)


作用:
a)、 對(duì)天線感應(yīng)到微弱電流進(jìn)行放大,滿足后級(jí)電路對(duì)信號(hào)幅度的需求。
b)、完成900M/1800M接收信號(hào)切換。


原理:
a)、供電:900M/1800M兩個(gè)高放管的基極偏壓共用一路,由中頻同時(shí)路提供;而兩管的集電極的偏壓由中頻CPU根據(jù)手機(jī)的接收狀態(tài)命令中頻分兩路送出;其目的完成900M/1800M接收信號(hào)切換。
b)、原理:經(jīng)過濾波器濾除其他雜波得到純正935M-960M的接收信號(hào)由電容器耦合后送入相應(yīng)的高放管放大后經(jīng)電容器耦合送入中頻進(jìn)行后一級(jí)處理。
5)、中頻(射頻接囗、射頻信號(hào)處理器):


結(jié)構(gòu):
由接收解調(diào)器、發(fā)射調(diào)制器、發(fā)射鑒相器等電路組成;新型手機(jī)還把高放管、頻率合成、26M振蕩及分頻電路也集成在內(nèi)部(如下圖)。


作用:

a)、內(nèi)部高放管把天線感應(yīng)到微弱電流進(jìn)行放大。
b)、接收時(shí)把935M-960M(GSM)的接收載頻信號(hào)(帶對(duì)方信息)與本振信號(hào)(不帶信息)進(jìn)行解調(diào),得到67.707KHZ的接收基帶信息。
c)、發(fā)射時(shí)把邏輯電路處理過的發(fā)射信息與本振信號(hào)調(diào)制成發(fā)射中頻(后述)。
d)、結(jié)合13M/26M晶體產(chǎn)生13M時(shí)鐘(參考時(shí)鐘電路)。
e)、根據(jù)CPU送來參考信號(hào),產(chǎn)生符合手機(jī)工作信道的本振信號(hào)(后述)。


(2)、接收信號(hào)流程。(參照零中頻手機(jī))
手機(jī)接收時(shí),天線把基站發(fā)送來電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號(hào),經(jīng)過天線開關(guān)接收通路,送高頻濾波器濾除其它無用雜波,得到純正935M-960M(GSM)的接收信號(hào),由電容器耦合送入中頻內(nèi)部相應(yīng)的高放管放大后,送入解調(diào)器與本振信號(hào)(不帶信息)進(jìn)行解調(diào),得到67.707KHZ的接收基帶信息(RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N);送到邏輯音頻電路進(jìn)一步處理。


2、發(fā)射電路的結(jié)構(gòu)和工作原理:
發(fā)射時(shí),把邏輯電路處理過的發(fā)射基帶信息調(diào)制成的發(fā)射中頻,用TX-VCO把發(fā)射中頻信號(hào)頻率上變?yōu)?90M-915M(GSM)的頻率信號(hào)。經(jīng)功放放大后由天線轉(zhuǎn)為電磁波輻射出去。
該電路掌握重點(diǎn):
(1)、電路結(jié)構(gòu)。
(2)、各元件的功能與作用。
(3)、發(fā)射信號(hào)流程。
電路分析:
(1)、電路結(jié)構(gòu)。
發(fā)射電路由中頻內(nèi)部的發(fā)射調(diào)制器、發(fā)射鑒相器;發(fā)射壓控振蕩器(TX-VCO)、功率放大器(功放)、功率控制器(功控)、發(fā)射互感器等電路組成。(如下圖)


(發(fā)射電路方框圖)


(2)、各元件的功能與作用。


1)、發(fā)射調(diào)制器:
結(jié)構(gòu):
發(fā)射調(diào)制器在中頻內(nèi)部,相當(dāng)于寬帶網(wǎng)絡(luò)中的MOD。
作用:
發(fā)射時(shí)把邏輯電路處理過的發(fā)射基帶信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)與本振信號(hào)調(diào)制成發(fā)射中頻。
2)、發(fā)射壓控振蕩器(TX-VCO):
結(jié)構(gòu):
發(fā)射壓控振蕩器是由電壓控制輸出頻率的電容三點(diǎn)式振蕩電路;在生產(chǎn)制造時(shí)集成為一小電路板上,引出五個(gè)腳:供電腳、接地腳、輸出腳、控制腳、900M/1800M頻段切換腳。當(dāng)有合適工作電壓后便振蕩產(chǎn)生相應(yīng)頻率信號(hào)。
作用:
把中頻內(nèi)調(diào)制器調(diào)制成的發(fā)射中頻信號(hào)轉(zhuǎn)為基站能接收的890M-915M(GSM)的頻率信號(hào)。
原理:
眾所周知,基站只能接收890M-915M(GSM)的頻率信號(hào),而中頻調(diào)制器調(diào)制的中頻信號(hào)(如三星發(fā)射中頻信號(hào)135M)基站不能接收的,因此,要用TX-VCO把發(fā)射中頻信號(hào)頻率上變?yōu)?90M-915M(GSM)的頻率信號(hào)。
當(dāng)發(fā)射時(shí),電源部分送出3VTX電壓使TX-VCO工作,產(chǎn)生890M-915M(GSM)的頻率信號(hào)分兩路走: a)、取樣送回中頻內(nèi)部,與本振信號(hào)混頻產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)射中頻相等的發(fā)射鑒頻信號(hào),送入鑒相器中與發(fā)射中頻進(jìn)行較;若TX-VCO振蕩出頻率不符合手機(jī)的工作信道,則鑒相器會(huì)產(chǎn)生1-4V跳變電壓(帶有交流發(fā)射信息的直流電壓)去控制TX-VCO內(nèi)部變?nèi)荻O管的電容量,達(dá)到調(diào)整頻率準(zhǔn)確性目的。b)、送入功放經(jīng)放大后由天線轉(zhuǎn)為電磁波輻射出去。


從上看出:由TX-VCO產(chǎn)生頻率到取樣送回中頻內(nèi)部,再產(chǎn)生電壓去控制TX-VCO工作;剛好形成一個(gè)閉合環(huán)路,且是控制頻率相位的,因此該電路也稱發(fā)射鎖相環(huán)電路。、
3)、功率放大器(功放):
結(jié)構(gòu):
目前手機(jī)的功放為雙頻功放(900M功放和1800M功放集成一體),分黑膠功放和鐵殼功放兩種;不同型號(hào)功放不能互換。
作用:
把TX-VCO振蕩出頻率信號(hào)放大,獲得足夠功率電流,經(jīng)天線轉(zhuǎn)化為電磁波輻射出去。
值得注意:功放放大的是發(fā)射頻率信號(hào)的幅值,不能放大他的頻率。


功率放大器的工作條件:
a)、工作電壓(VCC):手機(jī)功放供電由電池直接提供(3.6V)。
b)、接地端(GND):使電流形成回路。
c)、雙頻功換信號(hào)(BANDSEL):控制功放工作于900M或工作于1800M。
d)、功率控制信號(hào)(PAC):控制功放的放大量(工作電流)。
e)、輸入信號(hào)(IN);輸出信號(hào)(OUT)。
4)、發(fā)射互感器:
結(jié)構(gòu):兩個(gè)線徑和匝數(shù)相等的線圈相互靠近,利用互感原理組成。
作用:把功放發(fā)射功率電流取樣送入功控。
原理:當(dāng)發(fā)射時(shí)功放發(fā)射功率電流經(jīng)過發(fā)射互感器時(shí),在其次級(jí)感生與功率電流同樣大小的電流,經(jīng)檢波(高頻整流)后并送入功控。
5)、功率等級(jí)信號(hào):
所謂功率等級(jí)就是工程師們?cè)谑謾C(jī)編程時(shí)把接收信號(hào)分為八個(gè)等級(jí),每個(gè)接收等級(jí)對(duì)應(yīng)一級(jí)發(fā)射功率(如下表),手機(jī)在工作時(shí),CPU根據(jù)接的信號(hào)強(qiáng)度來判斷手機(jī)與基站距離遠(yuǎn)近,送出適當(dāng)?shù)陌l(fā)射等級(jí)信號(hào),從而來決定功放的放大量(即接收強(qiáng)時(shí),發(fā)射就弱)。

附功率等級(jí)表:


6)、功率控制器(功控):

結(jié)構(gòu):為一個(gè)運(yùn)算比較放大器。
作用:把發(fā)射功率電流取樣信號(hào)和功率等級(jí)信號(hào)進(jìn)行比較,得到一個(gè)合適電壓信號(hào)去控制功放的放大量。
原理:當(dāng)發(fā)射時(shí)功率電流經(jīng)過發(fā)射互感器時(shí),在其次級(jí)感生的電流,經(jīng)檢波(高頻整流)后并送入功控;同時(shí)編程時(shí)預(yù)設(shè)功率等級(jí)信號(hào)也送入功控;兩個(gè)信號(hào)在內(nèi)部比較后產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)去控制功放的放大量,使功放工作電流適中,既省電又能長(zhǎng)功放使用壽命(功控電壓高,功放功率就大)。
(3)、發(fā)射信號(hào)流程。
當(dāng)發(fā)射時(shí),邏輯電路處理過的發(fā)射基帶信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N),送入中頻內(nèi)部的發(fā)射調(diào)制器,與本振信號(hào)調(diào)制成發(fā)射中頻。而中頻信號(hào)基站不能接收的,要用TX-VCO把發(fā)射中頻信號(hào)頻率上升為890M-915M(GSM)的頻率信號(hào)基站才能接收。當(dāng)TX-VCO工作后,產(chǎn)生890M-915M(GSM)的頻率信號(hào)分兩路走:
a)、一路取樣送回中頻內(nèi)部,與本振信號(hào)混頻產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)射中頻相等的發(fā)射鑒頻信號(hào),送入鑒相器中與發(fā)射中頻進(jìn)行較;若TX-VCO振蕩出頻率不符合手機(jī)的工作信道,則鑒相器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)1-4V跳變電壓去控制TX-VCO內(nèi)部變?nèi)荻O管的電容量,達(dá)到調(diào)整頻率目的。
b)、二路送入功放經(jīng)放大后由天線轉(zhuǎn)化為電磁波輻射出去。為了控制功放放大量,當(dāng)發(fā)射時(shí)功率電流經(jīng)過發(fā)射互感器時(shí),在其次級(jí)感生的電流,經(jīng)檢波(高頻整流)后并送入功控;同時(shí)編程時(shí)預(yù)設(shè)功率等級(jí)信號(hào)也送入功控;兩個(gè)信號(hào)在內(nèi)部比較后產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)去控制功放的放大量,使功放工作電流適中,既省電又能長(zhǎng)功放使用壽命。

3、本振電路的結(jié)構(gòu)和工作原理:(本機(jī)振蕩電路、鎖相環(huán)電路、頻率合成電路)
該電路產(chǎn)生四段不帶任何信息的本振頻率信號(hào)(GSM-RX;GSM-TX;DCS-RX;DCS-TX);送入中頻內(nèi)部,接收時(shí)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào);發(fā)射時(shí)對(duì)發(fā)射基帶信息進(jìn)行調(diào)制和發(fā)射鑒相。

該電路掌握重點(diǎn):
(1)、電路結(jié)構(gòu)。
(2)、各元件的功能與作用。
(3)、本振電路工作原理。
電路分析:
(1)、電路結(jié)構(gòu)。手機(jī)本振電路有四種電路結(jié)構(gòu):
a)、由頻率合成集成塊、接收壓控振蕩器(RX-VCO)、13M基準(zhǔn)時(shí)鐘、預(yù)設(shè)頻率參考數(shù)據(jù)(SYN-DAT;SYN-CLK;SYN-RST;SIN-EN),組成(早期手機(jī)多用;如下圖)。


b)、把頻率合成集成塊集成在中頻內(nèi)部,結(jié)合外接RX-VCO組成(中期機(jī)、諾基亞機(jī)多用;(如下圖)


c)、把頻率合成集成塊、接收壓控振蕩器(RX-VCO)集成一體,稱本振集成塊或本振舐IC(中期機(jī)、三星機(jī)多用;如下圖)。


d)、把頻率合成集成塊、接收壓控振蕩器(RX-VCO)集成在中頻內(nèi)部(新型機(jī)、雜牌機(jī)多用;如下圖)。


值得注意:無論采用何種結(jié)構(gòu)模式,只是產(chǎn)生的頻率不同;其工作原理,產(chǎn)生的頻率信號(hào)的走向和作用都一樣的。


(2)、各元件的功能與作用。
a)、接收壓控振蕩器(RX-VCO):
與TX-VCO的結(jié)構(gòu)和工作原理一樣;與TX-VCO不同的是:TX-VCO產(chǎn)生兩個(gè)頻率段,只參與發(fā)射;而RX-VCO產(chǎn)生四個(gè)頻率段,既參與接收又參與發(fā)射;兩個(gè)VCO不能互換。
b)、頻率合成集成塊:
為一個(gè)比較運(yùn)算放大器;把RX-VCO產(chǎn)生頻率取樣信號(hào)、預(yù)設(shè)頻率參考數(shù)據(jù)在內(nèi)部進(jìn)行比較,并以13M基準(zhǔn)時(shí)鐘為參考,產(chǎn)生1-4V跳變電壓(純直流電壓)去控制RX-VCO振蕩出準(zhǔn)確本振頻率目的。
c)、預(yù)設(shè)頻率參考數(shù)據(jù):
即工程師在設(shè)計(jì)手機(jī)時(shí),根據(jù)手機(jī)在不同信道(GSM手機(jī)為124個(gè))上工作時(shí)所需要的本振頻率標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先設(shè)定好,列成數(shù)據(jù)表;并寄存在字庫(kù)內(nèi)。即CPU送出的頻合時(shí)鐘(SYN-CLK);頻合數(shù)據(jù)(SYN-DAT);頻合復(fù)位( SYN-RST);頻合啟動(dòng)(SIN-EN)。
(3)、本振電路工作原理。

手機(jī)正常開機(jī)后,電源部分送出頻合電源使本振電路工作,此時(shí)RX-VCO振蕩出本振頻率信號(hào)分兩路走:
1)、把本振頻率取樣送入頻率合成集成塊內(nèi),與預(yù)設(shè)頻率參考數(shù)據(jù)在內(nèi)部進(jìn)行比較;并以13M基準(zhǔn)時(shí)鐘為參考,產(chǎn)生1-4V跳變電壓,去控制RX-VCO內(nèi)部變?nèi)荻O管的電容量,調(diào)整輸出頻率,使RX-VCO振蕩出符合手機(jī)工作信道所需的本振頻率(俗稱微調(diào))。

2)、本振頻率送入中頻內(nèi)部,經(jīng)分頻后又分三路:
a)、接收時(shí)本振頻率送入接收解調(diào)器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)(即本振頻率與接收頻率這兩個(gè)大小相等,相位相反頻率信號(hào)進(jìn)行搬移和抵消;剩余對(duì)方送來的信息)。
b)、發(fā)射時(shí)本振頻率送入發(fā)射調(diào)制器,對(duì)邏輯電路送來的發(fā)射基帶信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N),調(diào)制發(fā)射中頻(即把發(fā)射信息疊加在本振頻率上)。
C)、發(fā)射時(shí),把TX-VCO產(chǎn)生頻率取樣送回中頻內(nèi)部,與本振頻率混頻,產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)射中頻頻率相等的發(fā)射鑒頻信號(hào)。

900M/1800M本振頻率轉(zhuǎn)換由CPU送出雙頻功換信號(hào)(BANDSEL)來控制(俗稱粗調(diào))。

從上看出:由RX-VCO產(chǎn)生頻率到取送入頻率合成集成塊內(nèi)部,再產(chǎn)生電壓去控制RX-VCO工作;剛好形成一個(gè)閉合環(huán)路,且是控制頻率相位的,因此該電路也稱鎖相環(huán)電路。、
從頻合電路工作原理看,本振頻率與接收頻率要同步(同一工作信道)手機(jī)才有信號(hào)。CPU如何判定手機(jī)工作信道?原來當(dāng)手機(jī)開機(jī)后,CPU送出900M/1800M兩系統(tǒng)所有工作信道所需的SYN-DAT、SYN-CLK、SYN-RST、SIN-EN令RX-VCO產(chǎn)生所有本振頻率,遂一送入中頻內(nèi)部與接收頻率進(jìn)行對(duì)接,直到邏輯電路接到基帶信息為止。并鎖定在該信道上,因此,手機(jī)找網(wǎng)是漫長(zhǎng)過程。

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