GSM手机的电路结构.ppt

《GSM手机的电路结构.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GSM手机的电路结构.ppt（24页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、GSM 手机的电路结构,手机的电路结构可分为三部分，即射频处理，逻辑/音频以及输入输出接口.射频部分一般指手机电路的模拟射频，中频处理部分，包括天线系统，发射通路，接收通路，模拟调制，解调以及进行信道调谐用的频率合成器等。射频部分包含发送 部分，接收部分与频率合成器。一、发送部分 发送部分包括带通滤波器，GMSK调制器，射频功率放大器，天线开关等。具体的调制方式大致分为两种：1）调制音频信号先调制到某一中频，再经过一次上变频，变换到GSM射频 信道上。2）调制音频信号直接上变频到GSM射频信道上。,二、接收部分 包括天线开关，射频滤波，射频放大，混频，中频滤波和中频放 大等，其接收的频率对应9

2、00MHz GSM规定频点，经过混频，中频多为100MHz 附近的某个固定值。之所以采用中频为射频信号处理的过渡环节，是为了得到 更好的灵敏度和稳定性。解调大都在中频处理集成电路内完成，解调后得到频 率为67.71KHz的同相正交信号，然后进入逻辑/音频处理部分进行后级的处理。三、逻辑音频部分 逻辑/音频部分可分为两个部分：音频信号处理和系统逻辑控制。音频信号处理部分对数字信号进行一系列处理：发送通道的脉码调制，话音编码，信道编码，交织，加密，TDMA帧形成，接收通道的自适应信道均衡，信道分离，解密，信道解码和语音解码，音频放大等。基带信号处理控制对整个手机的工作进行控制和管理，包括开机操作，

3、定时控制，数字系统控制射频部分控制以及外部接口，键盘，显示器控制等。,中央处理器：相当于单片机的处理核心，作用是射频部分控制，键盘控制，其他集成电路的控制及相互之间的数据传送。RAM：随机存储器，作用是存储手机工作时的数据。ROM：（1）EPROM 存放手机主程序和监控程序（2）EEPROM 存放功率控制表，数模转换表，自动频率控制表，自动增益控制表等。（3）短消息业务 存放码表，显示控制程序。接口：（1）总线接口 负责同外部设备的通信，包括A/D，D/A。（2）射频接口 负责将模拟信号（I/Q）转换成数字信号 和将数字信号转换成模拟信号（I/Q）。I/O设备：键盘输入、功能翻盖开关输入、话筒

4、输入、液晶显示屏输出、听筒输出、振铃输出手机状态指示灯输出这些都是人与手机 之间的I/O.射频部分的 接收通路（RX）和发送通路（TX）使手 机与基站间的I/O。其他的集成电路都是为这五大类服务。有 电源、同步时钟等。,逻辑音频部分包括,输入输出接口部分由模拟接口、数字接口、人机接口三部分 话音模拟接口：包括A/D、D/A变换等。数字接口：主要是数字终端适配器。人机接口：包括显示器、键盘、振铃器、听筒、话筒。,输入输出接口部分,双频手机射频电路技术参数,一、GSM900DCSl800双频手机的特点 双频手机与现阶段普及型的单频手机相比，有下面的特点：根据基站的控制信令，双频手机即可以工作在90

5、0MHz频段网络，也可以工作在1800MHz频段网格，当一个网络繁忙或信号质量差时，双频手机可自动切换到另一个频段的网络上工作，而且这种切换基本上不影响话音质量。另外，从近来国际上手机的发展趋势,双频手机在将来会是主流产品。双频手机在两个不同的工作频段上，其基带部分信源编码、信道编码的算法和处理、信令处理的方法和帧格式、调制解调方式、信道间隔等均相同，与单频手机在电路结构上的差别在于射频前端和相对应的控制软件。二、GSM9001800双频手机RF部分的主要技术指标和设计要求 RF指标如下：GSM通信系统采用的多址技术：频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）结合，还加上跳频技术。工作方式：T

6、DMATDD,工作频率：上行Tx(反向)890MHz-915MHz，下行Rx(正向)935MHz960MHz 双工频率间隔：45MHz，载波间隔：200kHz 每载波时隙数：8(当前全速率)16(今后半速率)每帧长度：4615ms，每时隙长：577s 传输速率：270833kbps(即在每时隙上传156.25bits)调制方式：采用IQ正交GMSK调制 静态参考灵敏度：优于-105dB/RBER(Resiodual BER)2 动态范围：-47dBm110dBm 频率误差：=100HZ，相位误差的均方根值=5，峰值相位误差：=20射频输出功率：5级(33dBm)-19级(5dBm)，级差：2d

7、B,共有15个功率等级。,DCS1800二类手机(class)部分的主要RF指标：工作频率：上行Tx：1710MHz-l785MHz，下行Rx：1805MHz1880MHz，收发频率间隔：95MHz 静态接收参考灵敏度：-103dBm/RBER2 发射单元频率误差：Fe=180HZ，相位误差均方根值=5，峰值相位误差：=20 射频输出功率：0级(30dBm)-15级(0dBm)，共有16级功率；级差2dB 其余设计要求与GSM900相同。,三、双频手机RF部分基本工作原理 3.1 RF部分基本组成框图,3.2 GSM900下行链路接收机单元 由蜂窝小区基站发出的已调载波通过Um无线接口，传到手

8、机天线端。在接收时隙接收到的信号先通过收发隔离器，再经过GSM900MHz的LNA(低噪声放大器)，将微伏量级的弱信号放大。放大后的信号经过GSM900的第一RF混频器后，将得到的第一中频信号进行窄带(200kHz)滤波，以滤除带外噪声，保证接收机选择性指标。然后信号经过具有AGC功能的第一中频放大器放大，再经过第二混频器和第二中频滤波器。在这之后，输出的信号由具有AGC功能的第二中频放大器进行放大。放大后的信号进入IQ正交解调器解调，正交解调后的模拟I、Q信号平衡输出到后面的基带、音频部分等待作进一步的信道译码和话音译码处理。DCS1800MHz频段接收单元的信号处理过程与GSM900相同，

9、只是工作频段不同而已。接收机中AGC的作用是：当天线端的RF信号电平在大范围内变化时，保证IQ输出信号的电平基本不变；在监听时隙探测相邻小区基站的下行广播信号强度，配合完成越区切换功能。,3.3 上行链路发射单元 由基带部分传输过来的I、Q正交模拟基带信号，在发射时隙期间双端平衡输入到中频IQ正交调制器，调制后的中频信号经发射中频声表面(SAW)窄带滤波器(200kHz)，滤波后的信号经过上变频后，再经过35MHz带宽的900MHz发射滤波器，滤波器输出的信号先通过功率激励级放大以达到末级RF功放(PA)所需的激励电平。最后再经过功率放大器PA和收发隔离器，通过天线把已调载波发射出去。PA部分

10、APC控制电路的作用是：保证RF功率电平等级满足5dBm-33dBm的变化要求，以避免在多用户组网时发生“远近”干扰。DCS1800MHz频段发射单元的信号处理过程与GSM900相同，只是工作频段不同而已。3.4 频率合成器单元 该单元与FM电台中采用的频合器相类似，主要差别在于增加了AFC电路。,四、接收单元电路设计 在满足技术要求的前提下，可以有几种不同的接收机RF解决方案：3次变频方案：采用此法频率合成器实现复杂，中频频点多，容易产生 组合干扰，一般不采用。2次变频方案：为简化电路，第2中频频点选取手机的基准时钟频率 13MHz或其2分频6.5MHz。这种方案在早期的接收机中广泛采用。例

11、：摩托罗拉GC87、诺基亚8110、爱立信GHG5388、摩托罗拉8200。该方案复杂程度适中，而且还可获得高的选择性，中频放大器的增益分配比较容易实现，不易产生自激。一次变频方案：随着IC器件和SAW滤波器指标的提高，这种方案在目前的手机电路中广泛采用。它可以简化电路，从而降低制造成本，而选择性指标仍可满足技术要求。目前许多双频手机采用了这种方案,零中频直接解调的方案：因为目前AD变换器和DSP的技术水平还不能满足实时处理数百MHz高频信号的要求，而且噪声、选择性和功耗指标也难以保证，所以，在目前采用这种方案是不现实的。4.1 计算理论灵敏度和估算实用灵敏度 根据噪声功率的计算公式：PNKT

12、B(w)上式中：K为波尔兹曼常数，其值为：13810-23；T为工作温度(K)，一般取常温3000K(27)；B为带宽(Hz)，对于GSM体制，取200kHz。结果为：噪声功率：10lgPN1mW10lgPN十30一121dBm 上述计算结果为在理想情况下的噪声功率，在实际应用中，还要考虑前端失配的影响(约1dB)，收发隔离器的影响(约2dB)，接收机NF(约2dB)，基带部分的解调门限(约9dB/RBER2。基于上述考虑，我们可以估算出实用灵敏度约为：实用灵敏度-121十1十2十2十9-107dBm,对于DCSl800频段，它的实用灵敏度约为：DCSl800频段的实用灵敏度-121十2十2十

13、3十9一105dBm 4.2 下行链路接收机增益分配计算 ETS GSMll10技术规范中要求手机的参考灵敏度为-102dBm/RBER2(GSM900)和-100dBmRBER2(DCSl800)。从生产的角度考虑手机的设计者应将该项指标略为提高，可分别选为-106dBm和-104dBm，将模拟IQ路单端输出的交流电平值设计为500mVpp(177mV有效值)，这样，整个GSM接收通道的电压增益为：GP total20lg1772241g-1(-106/20)201g(177000112)104dB 各单元增益分配的结果如下(已包含SAW滤波器)：前端LNA放大器为16dB，第一混频器为8d

14、B，IF放大器和解调器为80dB(AGC控制范围约70dB)。,对于DCSl800频段，由于工作频率的上升，RF前端的噪声系数和增益指标会变得差一些，这时接收机各单元的增益分配如下：LNA的增益为14dB，第一混频器为8dB，IF放大器和解调器增益为80dB，整个DCS1800接收通道的增益为102dB。4.3 LNA(低噪声放大器)技术要求(1)NF：15dB一25dB(2)GP：15dB-20dB，LNA一般由一级放大器来完成，其增益 不能太高，否则，整机抗阻塞和互调指标难以达到。(3)功耗：4mA8mA(FET管)，12mA(双极型管)。(4)具有键控式AGC控制功能(通过偏置控制来实现

15、)。LNA的NF、CP和输入、输出阻抗匹配对于收机整机指标将产生决定性 的影响。4.4 第1混频器技术要求(1)要采用RF平衡输入，IF平衡输出的有源混频器，以提供足够的增 益，降低串话的干扰。(2)噪声系数：6dB-8dB，GP：8dB,(3)本振电平：-5dBm0dBm，过高的本振电乎会产生手机功耗加 大，EMC性能变差的问题。4.5 第1中频频点和IF SAW滤波器选择时应考虑的因素(1)高阶组合干扰频率点数越少越好，有利于抑制镜像干扰频率(选高 本振、高中频)；(2)同时兼顾GSM900和DCSl800频段的要求；(3)IF频率点选得过低时，易产生本振干扰有用信号；IF频率点选得 过高

16、时，中放增益难以保证，易自激、不稳定；(4)IF SAW滤波器的技术指标，一般IF频点在200MHz400MHz之间选 取；(5)IF SAW滤波器插损小于8dB、带宽200kHz 4.6中频放大器设计技术要求(1)功率增益：约70dB；,(2)AGC可控范围：约70dB、步进间隔2dB，AGC的控制范围和控制 斜率会影响手机的越区切换；(3)双端输入阻抗能与IF SAW滤波器的输出阻抗相匹配。4.7 I/Q正交解调器设计要求(1)平衡输入、输出；(2)输出直流偏置电平：1V，交流电平：1Vpp；(3)I/Q路输出幅度乎衡：土15dB，IQ路输出相位平衡：小于4。(4)具有差分直流偏置校正功能

17、。五 发射单元方案设计 发射单元可以采用几种不同的电路方案：(1)采用双中频：该方案的优点是选择性指标容易保证，带外抑制指标 比较高，频差Fe和相差Pe指标比较好，缺点是PLL要复杂一些，易产 生互调干扰。,(2)采用单中频：这种方案的优点是PLL电路简单，不易产生互调干扰，Fe 和Pe指标比较好，缺点是选择性指标比采用双中频的方案要差一些。(3)采用直接调制到RF的方案(即无中频)：该方案的优点是电路简单，缺点是选择性指标比较差，Fe和Pe指标难以保证。(4)末级TxVCO采用上变频：其优点是电路相对简单，缺点是Fe和Pe指标 稍差。(5)末级TxVCO采用PLLVC0：其优点是Fe和Pe指

18、标容易保证，缺点是电路要相对复杂一些。(6)采用开环控制的PA：此方案的优点是可以省去定向耦合器、功率检测 和比较电路，外围电路相对简单一些。该方法的缺点是要在PA的供电回路中采用一个大电流(1dmax6A)的 MOS开关管(其作用是相当于一个有源降压电阻)，而该管在使用中的故 障率比较高，从而造成手机无法开机的故障。,(7)采用闭环控制的PA：优点是PA直接和电池连接，而不用MOS管，故稳定性、可靠性比较高，缺点是需要用定向耦合器、功率检测和比较 电路，电路要复杂一点。采用发射单中频，末级TXVC0采用PLLVC0，PA闭环控制的方案较 为理想。5.1 中频正交IQ调制器技术要求(1)中频频

19、点选择200MHz400MHz之间；(2)I/Q输入直流偏置电平：1V15V，IQ输入交流电平：1Vpp(平衡输入)；(3)调制后，I、Q路的幅度平衡度小于土03dB，相位平衡度小于4。；(4)IF输出电平：0dBm5dBm。5.2 RF变频器和PA设计技术要求(1)供电电压：DC：31V-45V(标称工作电压：DC36V)；(2)RF变频器本振电平：3dBm-十3dBm；,(3)PA效率：PAE(power added efficiency)：4550，APC控制方式：闭环检测控制；(4)调制频谱、开关频谱、功率等级指标均应满足ETS GSMll10 技术规范中的要求；(5)PA输出IQ幅度

20、平衡度：土05dB，相位误差均方根值：5，峰值20；(6)PA最大射频输出功率：考虑到后面的定向耦合器和收发隔离器的影响，对于GSM900 四类机应能达到35dBm，对于DCSl800二类机应能达到26dBm。六、频率合成器设计 基于前面的考虑，收发信机均采用一次变频技术获得较高 的性能价格比。在采用这种方法的条件下，又有下面的几 种方案可供选择：GSM900和DCSl800两频段的收发信机采用不同的中频频点：缺点是PLL电路复杂，两频段的中放部分不能共用，一般不宜采用。,在同一频段内(同在GSM900或DCSl800)接收中频和发射中频采 用不同的频点：采用此法PIL电路和控制相对复杂一些。

21、GSM900和DCSl800两频段的收发信机共用中频部分：采用此法可使电路简化，降低成本，提高可靠性。在不同的频段内，收发中频频点均相同：采用此法的理论依 据是GSM900DCSl800均采用TDMA体制。采用该法可使整个PLL电路和控制最为简单、实用。6.1 IF和RF频率合成器鉴相频率的选择 因为IF是一个固定的频点，故IF鉴相频率可取得比较高，可在几百kHz到几MHz之间选择，以提高IF频率合成器的频 谱质量。RF频率合成器的鉴相频率应不大于信道载波间隔，对于GSM而言，鉴相频率可取200kHz(CH)或 100kMz(05CH)，一般取200kMz。6.2 锁定时间 根据GSM通信体制

22、的要求，锁定时间需同时满足下列两个条件：,(1)按帧(时隙不变)进行跳频，跳频速率：217跳/秒，根据GSM TDMA的帧结构，要求TlockT帧T时隙7时隙长70577=4ms。(2)GSM技术规范中要求，具有相同帧号的上行帧和下行帧之间，在时间上相 差3个时隙(上行帧滞后)，同时要求手机能在这三个时隙的 时间内，进行信道的切换和调谐，故锁定时间应满足：Tlock3时隙30577173ms 综合起来，RF频率合成器的锁定时间应小于：173ms七 GSM900DCSl800双频手机RF部分解决方案的方框图 下面为关于图2的几点说明：1、接收机采用一次变频方案，LNA的AGC控制采用键控控制方式

23、，即通过 控制LNA的偏置电流来实现。GSM900和DCS1800这两个频段的接收部分仅是RF调谐器不同，中频以后的部分相同。2、发射单元采用一次变频方案，GSM900和DCSl800两频段在IF之前的部分是相同的。采用了PLL控制发 射VC0的方案，该方案比上变频的方案能获得更好的频率误差，特别是相位误差指标。,3、为简化电路，可使发射中频等于接收中频，其值根据具体情况可在 200MHz400MHz之间选取。,4、为使双频段调谐器的VC0易于实现GSM900的第一本振采用高 本振，而在DCS1800频段则采用低本振。第一本振的工作频率可用下式来计算：EGSM900接收状态：935十FIF-960十FIF MHz E-GSM900发射状态：890十FIF915十FIF MHz DCSl800接收状态：1805-FIF1880-FIF MHz DCS1800发射状态：1710-FIF-1785FIF MHz 上式中FIF代表中频频率。5、为保证手机的EMC性能和降低功耗，LNA、接收中频放大和解调、调制器、PA、PLL、TXVC0这些单 元的供电宜采用单独的电源供电。,