手機射頻電路的結構以及詳細分析工作原理解析

　　目前手機的射頻電路是以RFIC 為中心結合外圍輔助控制電路構成的，本文檔詳細介紹了射頻電路中各典型功能模塊工作原理和電路特點，對於設計設計者來說非常實用。

　　射頻簡稱RF射頻就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小於1000次的交流電稱為低頻電流，大於1000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。有線電視系統就是採用射頻傳輸方式的

　　在電子學理論中，電流流過導體，導體周圍會形成磁場；交變電流通過導體，導體周圍會形成交變的電磁場，稱為電磁波。

　　在電磁波頻率低於100khz時，電磁波會被地表吸收，不能形成有效的傳輸，但電磁波頻率高於100khz時，電磁波可以在空氣中傳播，並經大氣層外緣的電離層反射，形成遠距離傳輸能力，我們把具有遠距離傳輸能力的高頻電磁波稱為射頻，英文縮寫：RF

　　一、射頻電路組成和特點：

　　普通手機射頻電路由接收通路、發射通路、本振電路三大電路組成。其主要負責接收信號解調；發射信息調製。早期手機通過超外差變頻（手機有一級、二級混頻和一本、二本振電路），後才解調出接收基帶信息；新型手機則直接解調出接收基帶信息（零中頻）。更有些手機則把頻合、接收壓控振蕩器（RX—VCO）也都集成在中頻內部。

　

　　1、接收電路的結構和工作原理：

　　接收時，天線把基站發送來電磁波轉為微弱交流電流信號經濾波，高頻放大後，送入中頻內進行解調，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一步處理。

　　1、該電路掌握重點：

　　（1）、接收電路結構。

　　（2）、各元件的功能與作用。

　　（3）、接收信號流程。

　　電路分析：

　　（1）、電路結構。

　　接收電路由天線、天線開關、濾波器、高放管（低噪聲放大器）、中頻集成塊（接收解調器）等電路組成。早期手機有一級、二級混頻電路，其目的把接收頻率降低後再解調（如下圖）。

　　

　　（2）、各元件的功能與作用。

　　1）、手機天線：

　　結構：（如下圖）

　　由手機天線分外置和內置天線兩種；由天線座、螺線管、塑料封套組成。

　　

　　作用：

　　a）、接收時把基站發送來電磁波轉為微弱交流電流信號。

　　b）、發射時把功放放大後的交流電流轉化為電磁波信號。

　　2）、天線開關：

　　結構：（如下圖）

　　手機天線開關（合路器、雙工濾波器）由四個電子開關構成。

　　

　　作用：其主要作用有兩個：

　　a）、 完成接收和發射切換；

　　b）、 完成900M/1800M信號接收切換。

　　邏輯電路根據手機工作狀態分別送出控制信號（GSM-RX-EN；DCS- RX-EN；GSM-TX-EN；DCS- TX-EN），令各自通路導通，使接收和發射信號各走其道，互不幹擾。

　　由於手機工作時接收和發射不能同時在一個時隙工作（即接收時不發射，發射時不接收）。因此後期新型手機把接收通路的兩開關去掉，只留兩個發射轉換開關；接收切換任務交由高放管完成。

　　3）、濾波器：

　　結構：手機中有高頻濾波器、中頻濾波器。

　　作用：

　　其主要作用：濾除其他無用信號，得到純正接收信號。後期新型手機都為零中頻手機；因此，手機中再沒有中頻濾波器。

　　4）、高放管（高頻放大管、低噪聲放大器）：

　　結構：手機中高放管有兩個：900M高放管、1800M高放管。都是三極體共發射極放大電路；後期新型手機把高放管集成在中頻內部。

　　

　　作用：

　　a）、 對天線感應到微弱電流進行放大，滿足後級電路對信號幅度的需求。

　　b）、完成900M/1800M接收信號切換。

　　原理：

　　a）、供電：900M/1800M兩個高放管的基極偏壓共用一路，由中頻同時路提供；而兩管的集電極的偏壓由中頻CPU根據手機的接收狀態命令中頻分兩路送出；其目的完成900M/1800M接收信號切換。

　　b）、原理：經過濾波器濾除其他雜波得到純正935M-960M的接收信號由電容器耦合後送入相應的高放管放大後經電容器耦合送入中頻進行後一級處理。

　　5）、中頻（射頻接囗、射頻信號處理器）：

　　結構：

　　由接收解調器、發射調製器、發射鑑相器等電路組成；新型手機還把高放管、頻率合成、26M振蕩及分頻電路也集成在內部（如下圖）。

　　

　　作用：

　　a）、內部高放管把天線感應到微弱電流進行放大。

　　b）、接收時把935M-960M（GSM）的接收載頻信號（帶對方信息）與本振信號（不帶信息）進行解調，得到67.707KHZ的接收基帶信息。

　　c）、發射時把邏輯電路處理過的發射信息與本振信號調製成發射中頻（後述）。

　　d）、結合13M/26M晶體產生13M時鐘（參考時鐘電路）。

　　e）、根據CPU送來參考信號，產生符合手機工作信道的本振信號（後述）。

　　（2）、接收信號流程。（參照零中頻手機）

　　手機接收時，天線把基站發送來電磁波轉為微弱交流電流信號，經過天線開關接收通路，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，由電容器耦合送入中頻內部相應的高放管放大後，送入解調器與本振信號（不帶信息）進行解調，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一步處理。

　　2、發射電路的結構和工作原理：

　　發射時，把邏輯電路處理過的發射基帶信息調製成的發射中頻，用TX-VCO把發射中頻信號頻率上變為890M-915M（GSM）的頻率信號。經功放放大後由天線轉為電磁波輻射出去。

　　該電路掌握重點：

　　（1）、電路結構。

　　（2）、各元件的功能與作用。

　　（3）、發射信號流程。

　　電路分析：

　　（1）、電路結構。

　　發射電路由中頻內部的發射調製器、發射鑑相器；發射壓控振蕩器（TX-VCO）、功率放大器（功放）、功率控制器（功控）、發射互感器等電路組成。（如下圖）

　　

　　（2）、各元件的功能與作用。

　　1）、發射調製器：

　　結構：

　　發射調製器在中頻內部，相當於寬帶網絡中的MOD。

　　作用：

　　發射時把邏輯電路處理過的發射基帶信息（TXI-P；TXI-N；TXQ-P；TXQ-N）與本振信號調製成發射中頻。

　　2）、發射壓控振蕩器（TX-VCO）：

　　結構：

　　發射壓控振蕩器是由電壓控制輸出頻率的電容三點式振蕩電路；在生產製造時集成為一小電路板上，引出五個腳：供電腳、接地腳、輸出腳、控制腳、900M/1800M頻段切換腳。當有合適工作電壓後便振蕩產生相應頻率信號。

　　作用：把中頻內調製器調製成的發射中頻信號轉為基站能接收的890M-915M（GSM）的頻率信號。

　　原理：眾所周知，基站只能接收890M-915M（GSM）的頻率信號，而中頻調製器調製的中頻信號（如三星發射中頻信號135M）基站不能接收的，因此，要用TX-VCO把發射中頻信號頻率上變為890M-915M（GSM）的頻率信號。

　　當發射時，電源部分送出3VTX電壓使TX-VCO工作，產生890M-915M（GSM）的頻率信號分兩路走：

　　a）、取樣送回中頻內部，與本振信號混頻產生一個與發射中頻相等的發射鑑頻信號，送入鑑相器中與發射中頻進行較；若TX-VCO振蕩出頻率不符合手機的工作信道，則鑑相器會產生1-4V跳變電壓（帶有交流發射信息的直流電壓）去控制TX-VCO內部變容二極體的電容量，達到調整頻率準確性目的。
        b）、送入功放經放大後由天線轉為電磁波輻射出去。

　　   從上看出：由TX-VCO產生頻率到取樣送回中頻內部，再產生電壓去控制TX-VCO工作；剛好形成一個閉合環路，且是控制頻率相位的，因此該電路也稱發射鎖相環電路。

　　3）、功率放大器（功放）：

　　結構：目前手機的功放為雙頻功放（900M功放和1800M功放集成一體），分黑膠功放和鐵殼功放兩種；不同型號功放不能互換。

　　作用：把TX-VCO振蕩出頻率信號放大，獲得足夠功率電流，經天線轉化為電磁波輻射出去。

　　值得注意：功放放大的是發射頻率信號的幅值，不能放大他的頻率。

　　功率放大器的工作條件：

　　a）、工作電壓（VCC）：手機功放供電由電池直接提供（3.6V）。

　　b）、接地端（GND）：使電流形成迴路。

　　c）、雙頻功換信號（BANDSEL）：控制功放工作於900M或工作於1800M。

　　d）、功率控制信號（PAC）：控制功放的放大量（工作電流）。

　　e）、輸入信號（IN）；輸出信號（OUT）。

　　4）、發射互感器：

　　結構：兩個線徑和匝數相等的線圈相互靠近，利用互感原理組成。

　　作用：把功放發射功率電流取樣送入功控。

　　原理：當發射時功放發射功率電流經過發射互感器時，在其次級感生與功率電流同樣大小的電流，經檢波（高頻整流）後並送入功控。

　　5）、功率等級信號：

　　所謂功率等級就是工程師們在手機編程時把接收信號分為八個等級，每個接收等級對應一級發射功率（如下表），手機在工作時，CPU根據接的信號強度來判斷手機與基站距離遠近，送出適當的發射等級信號，從而來決定功放的放大量（即接收強時，發射就弱）。

　　附功率等級表：

　　

　　6）、功率控制器（功控）：

　　結構：為一個運算比較放大器。

　　作用：把發射功率電流取樣信號和功率等級信號進行比較，得到一個合適電壓信號去控制功放的放大量。

　　原理：當發射時功率電流經過發射互感器時，在其次級感生的電流，經檢波（高頻整流）後並送入功控；同時編程時預設功率等級信號也送入功控；兩個信號在內部比較後產生一個電壓信號去控制功放的放大量，使功放工作電流適中，既省電又能長功放使用壽命（功控電壓高，功放功率就大）。

　　（3）、發射信號流程。

　　當發射時，邏輯電路處理過的發射基帶信息（TXI-P；TXI-N；TXQ-P；TXQ-N），送入中頻內部的發射調製器，與本振信號調製成發射中頻。而中頻信號基站不能接收的，要用TX-VCO把發射中頻信號頻率上升為890M-915M（GSM）的頻率信號基站才能接收。當TX-VCO工作後，產生890M-915M（GSM）的頻率信號分兩路走：

　　a）、一路取樣送回中頻內部，與本振信號混頻產生一個與發射中頻相等的發射鑑頻信號，送入鑑相器中與發射中頻進行較；若TX-VCO振蕩出頻率不符合手機的工作信道，則鑑相器會產生一個1-4V跳變電壓去控制TX-VCO內部變容二極體的電容量，達到調整頻率目的。

　　b）、二路送入功放經放大後由天線轉化為電磁波輻射出去。為了控制功放放大量，當發射時功率電流經過發射互感器時，在其次級感生的電流，經檢波（高頻整流）後並送入功控；同時編程時預設功率等級信號也送入功控；兩個信號在內部比較後產生一個電壓信號去控制功放的放大量，使功放工作電流適中，既省電又能長功放使用壽命。

　　3、本振電路的結構和工作原理：（本機振蕩電路、鎖相環電路、頻率合成電路）

　　該電路產生四段不帶任何信息的本振頻率信號（GSM-RX；GSM-TX；DCS-RX；DCS-TX）；送入中頻內部，接收時對接收信號進行解調；發射時對發射基帶信息進行調製和發射鑑相。

　　該電路掌握重點：

　　（1）、電路結構。

　　（2）、各元件的功能與作用。

　　（3）、本振電路工作原理。

　　電路分析：

　　（1）、電路結構。手機本振電路有四種電路結構：

　　a）、由頻率合成集成塊、接收壓控振蕩器（RX-VCO）、13M基準時鐘、預設頻率參考數據（SYN-DAT；SYN-CLK；SYN-RST；SIN-EN），組成（早期手機多用；如下圖）。

　　

　　b）、把頻率合成集成塊集成在中頻內部，結合外接RX-VCO組成（中期機、諾基亞機多用；（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、三星機多用；如下圖）。

　　

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

　

　　值得注意：無論採用何種結構模式，只是產生的頻率不同；其工作原理，產生的頻率信號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的結構和工作原理一樣；與TX-VCO不同的是：TX-VCO產生兩個頻率段，只參與發射；而RX-VCO產生四個頻率段，既參與接收又參與發射；兩個VCO不能互換。

　　b）、頻率合成集成塊：

　　為一個比較運算放大器；把RX-VCO產生頻率取樣信號、預設頻率參考數據在內部進行比較，並以13M基準時鐘為參考，產生1-4V跳變電壓（純直流電壓）去控制RX-VCO振蕩出準確本振頻率目的。

　　c）、預設頻率參考數據：

　　即工程師在設計手機時，根據手機在不同信道（GSM手機為124個）上工作時所需要的本振頻率標準預先設定好，列成數據表；並寄存在字庫內。即CPU送出的頻合時鐘（SYN-CLK）；頻合數據（SYN-DAT）；頻合復位（ SYN-RST）；頻合啟動（SIN-EN）。

　　（3）、本振電路工作原理。

　　手機正常開機後，電源部分送出頻合電源使本振電路工作，此時RX-VCO振蕩出本振頻率信號分兩路走：

　　1）、把本振頻率取樣送入頻率合成集成塊內，與預設頻率參考數據在內部進行比較；並以13M基準時鐘為參考，產生1-4V跳變電壓，去控制RX-VCO內部變容二極體的電容量，調整輸出頻率，使RX-VCO振蕩出符合手機工作信道所需的本振頻率（俗稱微調）。

　　2）、本振頻率送入中頻內部，經分頻後又分三路：

　　a）、接收時本振頻率送入接收解調器對接收信號進行解調（即本振頻率與接收頻率這兩個大小相等，相位相反頻率信號進行搬移和抵消；剩餘對方送來的信息）。

　　b）、發射時本振頻率送入發射調製器，對邏輯電路送來的發射基帶信息（TXI-P；TXI-N；TXQ-P；TXQ-N），調製發射中頻（即把發射信息疊加在本振頻率上）。

　　C）、發射時，把TX-VCO產生頻率取樣送回中頻內部，與本振頻率混頻，產生一個與發射中頻頻率相等的發射鑑頻信號。

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

　　從上看出：由RX-VCO產生頻率到取送入頻率合成集成塊內部，再產生電壓去控制RX-VCO工作；剛好形成一個閉合環路，且是控制頻率相位的，因此該電路也稱鎖相環電路。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）手機才有信號。CPU如何判定手機工作信道？原來當手機開機後，CPU送出900M/1800M兩系統所有工作信道所需的SYN-DAT、SYN-CLK、SYN-RST、SIN-EN令RX-VCO產生所有本振頻率，遂一送入中頻內部與接收頻率進行對接，直到邏輯電路接到基帶信息為止。並鎖定在該信道上，因此，手機找網是漫長過程。

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