手机原理part3

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1、（2）鉴相器鉴相器简称PD,是英文Phase Detector的缩写。它是一个相位比较器,是一个相差电压转换装置,可将VCO振荡信号的相位变化变换为电压的变化。鉴相器输出的是脉动直流信号,这一脉动直流信号经LPF滤除高频成分后去控制VCO电路。鉴相器是相位比较装置,它对基准信号f1与VCO产生的信号f2进行相位比较,输出反映两信号相位误差的误差电压。鉴相器多种多样,有模拟的,也有数字的。如双D鉴相器、鉴颁鉴相器等。当采用数字鉴相器时,由于其输出为双端口输出,故在与环路滤波器的连接上很成问题。通常在两者之间加入一个双端输人单端输出,且能将鉴相器输出的相位误差信号正确地反映出来的电路,这一电路被称

2、为电荷泵或泵电路。在摩托罗拉的GSM手机中,其发射频率合成中基本上都使用了泵电路。在频率合成器中,为了作精确的相位比较,鉴相器均在低频下工作。在手机电路中,鉴相器通常与分频器被集成在一个专用的芯片中(这个芯片通常被称为PLLIC)或被集成在一个复合芯片内(即该芯片包含多种功能电路)。 图 1-37要查找鉴相器PD在什么地方,就需要先找出VCO电路和低通滤波器电路。参见变容二极管部分内容及“手机电路的识别”。在诺基亚8810图中,N820的3脚是PD输出端口。通过“10061 031 MHz”的标识可断定该信号是一个VCO信号；电阻R834、R820、R821及电容C821、C820等构成一低通

3、滤波器；从SDATA等可以断定它所接的是频率合成电路中的程控分频器。参照频率合成的方框图,就可找到PD的输出端口(重要的是找出电阻电容构成的低通滤波器与VCO电路)。在cd928图中,U220的23脚是PD输出端口。（3）低通滤波器低通滤波器简称LPF,是英文Low Pass Filter的缩写。低通滤波器又被称为环路滤波器，它是一个RC电路,位于鉴相器与VCO电路之间。低通滤波器电路基本形式如图所示。 图747中,R834、R820R822及C820C822组成的电路是诺基亚8110手机的UHFVCO频率合成环路中的低通滤波器(参见RC电路部分)。 图 1-38鉴相器的输出不仅有控制信号,还

4、有一些高频谐波成分,这些谐波将影响VCO电路的工作，低通滤波器就是要把这些高频成分滤除。（4）压控振荡器压控振荡器简称VCO,是英文Voltage Control Oscillator的缩写。压控振荡器是一个电压频率转换装置,可将鉴相器PD输出的相差电压信号的变化转化成频率的变化。VCO电路为电压控制电路。其电压控制功能的完成是通过一个特殊的器件来完成的,这个器件就是变容二极管。鉴相器输出的相差电压实际上是加在变容二极管两端的，当鉴相器输出发生变化时,变容二极管两端的反偏发生变化,导致变容二极管的结电容改变,VCO振荡回路改变,VCO输出频率也随之改变。在实际应用中,变容二极管为反向偏置使用,

5、其线性好,可控范围大。在手机电路中,VCO多种多样。有接收机VCO,有发射机VCO等。从电路形式上来说,VCO有分离元件电路与VCO组件(参见VCO组件的识别)。早期的手机电路中的UHFVCO(或RFVCO、RXVCO等)通常是使用VCO组件,IFVCO(或VHFVCO等)使用的是分离元件的CO电路；现在手机电路中的VCO基本土都使用了VCO组件。 图 1-39图1-39是摩托罗拉cd928的接收VCO电路(RXVCO)；图1-40是诺基亚8110的接收VCO(UHFVCO)电路。在查找VCO电路时,应抓住VCO电路的一些特点(参见变容二极管、三极管和“手机电路识别”)。图1-39为摩托罗拉c

6、d928手机的接收VCO电路,其他摩托罗拉87、328的TXVCO与RXVCO基本与它相似；诺基亚6110的232MHz电路等都是这种基本电路形式。而三星SGH600、爱立信788、诺基亚8810等的接收VCO结构均如图1-40所示。随着手机小型化的发展,越来越多的手机使用VCO组件。 图 1-40VCO在频率合成中相当重要。为了减小负载效应对VCO的影响,通常在VCO的输出端加人缓冲放大器。压控振荡器在锁相环中比较重要,是频率合成及锁相环路的核心电路。它应满足这样的特性：输出幅度稳定性要好,在整个VCO工作频带内均应满足此要求,否则会影响鉴相灵敏度；频率覆盖范围要有余量；电压频率变换特性的线

7、性范围要宽。（5）分频器鉴相器是将VCO输出信号与参考信号进行比较。在频率合成中,为了提高控制精度,鉴相器在低频下工作。而VCO输出频率比较高,这就离不开分频技术。手机中的频率合成环路多,不同的频率合成环路使用的分频器不同：接收机的第一本机振荡(RXVCO、UHFVCO、RHVCO)信号是随信道的变化而变化的,该频率合成环路中的分频器是一个程控分频器,其分频比受控于手机的逻辑电路；中频VCO信号是固定的,中频VCO频率合成环路中的分频器的分频比也是固定的。程控分频器受控于频率合成数据信号(SYNDAT、SYNDATA或SDAT)。分频器通常被集成在PLL电路或一个复合中频模块中。在电路图中查找

8、分频器可从两个方面着手；一是从CO的输出端去找；二是根据频率合成控制信号去找(参见手机电路的识别)。注！综述 频率合成环路包含5个基本的功能电路：参考振荡；鉴相器；低通滤波器；压控振荡器；分频器。参考振荡给频率合成环路提供基准信号,使手机的工作频率与系统保持一致鉴相器是一个相位电压转换装置,它将信号相位的变化变为电压的变化。显然,这是一个比较器。低通滤波器滤掉鉴相器输出的高频成分,以防止高频谐波对VCO电路的影响。在鉴相器中,参考信号与VCO分频后的信号进行比较。 VCO是一个电压一频率转换装置,它将电压的变化(鉴相器输出电压的变化)转化为频率的变化。VCO输出的信号通常是一路到其他功能电路；

9、另一路回到分频器作取样信号。 分频器包含程控分频器和一般分频器。程控分频器的分频比是可变的,手机电路中UHFVCO(RXVC0)频率合成环路中的分频器就是一个程控分频器；一般分频器的分频比是固定的,手机电路中VHFVCO频率合成中分频器是固定的。分频器将VCO信号进行分频,得到频率比较低的信号,以提供鉴相器的比较精度(提高频率合成环路的控制精度)。当VCO处于正常工作状态时,VCO输出一个固定的频率，若某种外界因素如电压、温度导致VCO频率升高,则分频输出的信号f2/N比参考信号f1高,鉴相器检测到这一变化后,其输出电压减小,使变容二极管两端的反偏压减小。这使得变容二极管的结电容增大,振荡回路

10、改变,VCO输出频率降低。若外界因素导致VCO频率下降,则整个控制环路执行相反的过程。在频率合成器中,基准频率f1是由晶体振荡器产生的信号分频而得。另一方面,程控分频器则将VCO产生的f分成f/N。这两个信号被送到鉴相器(PD，Phase Detector),当信号f/N与基准信号的频率、相位出现误差时,鉴频器输出对应于相位差的信号差电压。该信号经低通滤波器滤除高次谐波成分,去控制VCO的振荡频率。当f/N与基准频率的频率相位相同时,鉴相器的输出为0,VCO以原来的频率f=Nf继续振荡。只要电路工作正常,VCO的输出频率为Nf1,通常把这时的状态称为锁定状态。程控分频器可以设定分频比,因此如果

11、改变N,则PLL可以在跟踪范围内改变VCO的输出频率。移动电话的信道切换控制就是逻辑电路通过控制程控分频器的分频比来实现的。当VCO信号工作在一个信道上并锁定时,f1=f/N,鉴相器PD输出保持不变。若逻辑电路改变N,则f/N发生变化,鉴相器检测到这种变化后,就会改变其输出,直到使f/N= f1。以摩托罗拉cd928手机为例：当接收机工作在GSM60信道时(使用摩托罗拉GSM手机测试指令设置。GSM60信道时手机接收频率为947MHz),VCO电路中变容二极管CR202负极电压为2.23V,VCO输出频率为731.996 MHz。当设置手机工作于GSM的001信道时,逻辑电路控制程控分频器的N

12、减小。这时, f/N大于fl,PD检测到这个变化后,要控制使f/N =fl,其输出电压减小。VCO电路中变容二极管的反偏压也随之减小,变容二极管的结电容增大,从而使VCO的输出频率下降。这时变容二极管负极电压为1,81V,VCO输出频率为720.166MHz；当手机要工作在高于60信道的信道上工作时,例如124信道,整个环路则发生相反的变化(N增大)。变容二极管负极电压为2.59V,VCO输出频率为744.765 MHz。在移动电话的频率合成器中,其控制信号SYNDAT(频率合成器数据信号)、SYNCLK(频率合成器时钟信号)及SYN EN(频率合成器允许/禁止)均来自于逻辑电路。2锁相环PL

13、L锁相环的种类很多,它包括3个最基本的部件：鉴相器PD、环路滤波器(Loop Filter)和压控振荡器VCO。如图1-41所示。虽然锁相环看起来与频率合成器的框图很相似,但它是不同的两个概念,应注意区分。鉴相器是相位比较装置,它对基准信号fl与VCO产生的信号f2进行相位比较,产生反映两信号相位误差的误差电压。鉴相器多种多样,有模拟的,也有数字的。如双D鉴相器、鉴频鉴相器等。当采用数字鉴相器时,由于其输出为双端口输出,故在与环路滤波器的连接上很成问题。通常在两者之间加入一个双端输人单端输出,且能将鉴相器输出的相位误差信号正确地反映出来的电路,这个电路被称为电荷泵或泵电路。在摩托罗拉的GSM手

14、机中,其发射频率合成中基本上都使用了泵电路。 图 1-41 第三节 发射机的电路结构所谓通信(Communication),是指如通讯结构示意图所示那样通过传输媒介将发送方的信息传递到接收方。但声音信号不能直接作为电波在空中发射,为了把需要传送的信号发送出去,就需使用某种方法将声音信号搬移到频率比声音信号高、适合在空中发射的信号上去。如图1-42所示,用信号去调制载波(Carrier),再通过射频电路将信号发送出去。 图 1-42每一部移动电话都有一个发射机,它包括VCO、发射驱动(TX driver)、功放(PA)及电源调节器(PWR regulator)、功率控制(PA control)等

15、电路。一个完整的移动电话发射机还包括发射音频电路、数字语音处理电路等。GSM手机的发射电路大致有三种框架结构,常见的有两种,如图1-43所示. 图 1-43一、带发射变换模块的发射机电路在发射机电路结构图一所示的发射机结构中,其发射流程如下：送话器将话音信号转化为模拟的话音电信号,转化后的信号经PCM编码模块将其变为数字语音信号,然后在逻辑电路中进行数字语音处理,如信道编码、均衡、加密以及TXI/Q分离等,分离后的TXI/Q信号到发射机中频电路完成I/Q调制,该信号再在发射变换模块里与发射参考中频(RXVCO与TXVCO的差频)进行比较,得到一个包含发送数据的脉动直流信号,该信号去控制VCO的

16、工作,得到最终发射信号经功率放大器放大后,由天线发送出去。发射变换模块输出的信号是发射VCO电路的控制信号,这个直流电压信号控制VCO电路中的变容二极管的反偏压,使变容二极管的结电容发生变化,从而控制发射VCO的输出信号频率。二、带发射上变频器的发射机电路 发射机结构图二所示的发射机在TXI/Q调制之前是一样的,其不同之处在于TXI/Q调制后的发射已调信号在一个发射混频器中与RXVCO(或UHFVCO、RFVCO)混频,得到最终发射信号。无线通信是借助于元线电波的辐射进行通信的,而人们通常能听到的声音频率很低,需借助于高频电波从某一处传到另外的地方,这就需要振荡电路来产生高频信号,图1-43中

17、的VCO即起这样的作用。在电子电路中,振荡电路多种多样。随着通信技术的发展,对振荡信号频率的稳定度和精确度的要求越来越高,目前移动通信设备中常用的便是以晶体振荡器为基准频率,采用CO电路的锁相环频率合成器,这在前面曾涉及,不再赘述。以诺基亚8810的发射机电路结构来对带发射上变频器的发射机电路结构进行说明.送话器转换得到的模拟话音信号在逻辑音频电路中经PCM编码、DSP三、直接变换的发射机电路早期的手机发射机电路结构基本上都是上述两种电路结构形式。但随着新型手机的面世,我们可以看到一种型号的发射机电路结构直接变换的发射机。如诺基亚的8210手机这种接收机的电路结构如图1-44所示。 图 1-4

18、4不管电路结构怎样变,都可以看到它们的一些相似之处，所以在手机接收机电路中,主要有以下几个不同的功能电路组合而成： 话音拾取：为送话器电路,该电路将模拟的声音信号转换为模拟的话音电信号，并通过一个话音频带形成电路,取30003400KHz的信号送到音频处理模块； PCM编码：是GSM手机中发射机电路的第一级信号处理,它将模拟的话音电信号转换为数字语音信号,是一级A/D转换电珞； GMSK调制：经逻辑电路对数字信号进行一系列处理后。将数码信号调制在67.707kHz的信号上； TXI/Q逻辑音频电路输出的发射基带信号,所有GSM手机的TXI/Q信号线都是4条,该信号发送到射频电路中的I/Q调制器

19、去； TXI/Q调制：在该电路中,TXI/Q信号调制在一个发射中频信号上,所有GSM手机发射机电路中从话音拾取到TXI/Q调制部分的电路结构都基本相似； 发射交换：在这种发射机电路结构中,TXVCO电路产生一个工作在相应信道上的发射射频信号,该信号在一个混频电路中与RXVCO信号混频,得到发射参考中频信号。发射参考中频信号与I/Q调制后的发射已调中频信号进行鉴相,得到一个包含发送数据的脉冲直流信号,该信号对TXVCO信号进行调制,得到最终发射信号； 功率放大器：该电路将发射最终信号进行功率放大,以使射频信号有足够的能量从天线辐射出去； 发射上变频器：有发射上变频器的发射机电路中就无发射交换电路

20、,反之亦然。在发射上变频器中,TXI/Q调制器输出的发射巳调中频信号与RXVCO信号进行混频,得到最终发射信号。 第四节 发射机的功能电路一个频率信号的某种特性参数随另一个信号而变化的过程或处理方法称为调制。按载波参数随调制信号变化的不同,调制可分为两大类：连续调制和脉冲调制。连续调制又分为三种：调幅(AM,Amplitude Modulation)、调频(FM,Frequency Modulation)、调相(PM,Phase Modulation)。调频电路种类很多,但可分为两大类：(l)直接调频：用调制信号直接控制载波的瞬时频率。(2)间接调频：先将调制信号积分,然后再对载波调相,以间接

21、方法实现调频。在直接调频电路中,常利用变容二极管来实现直接调频。这种电路简单,性能也较好,但其对中心频率的稳定度有一定的影响,而锁相环技术的运用与温度补偿压控晶振的结合减小了这些影响。在相当多的无绳电话电路中,由于没有PLL电路,常采用晶体与变容了极管相结合直接调频。间接调频不在主振级进行调制,中心频率可获得较高的稳定度,但不容易获得较大的频偏,电路也比较复杂。在蜂窝手机中,常采用锁相调制器，手机中的发射VCO既起到了压控振荡的作用,又起到了调制器的作用。调相分为直接调相和间接调相，在频率调制电路前加一个微分器可实现间接调相。模拟手机采用的调制技术基本土是调频,数字手机使用了数字调制技术。数字

22、手机之所以被称为数字手机,就是它采用了数字调制技术(GMSK,高斯最小移频键控)。需注意的是,GSM手机电路中的调制实际上包含几个方面：脉冲编码调制(实际上是一个模拟一数字转换)；GMSK调制(实际上是一个数字模拟信号的转换)；射频电路中的调制。我们在讲手机电路时,通常指的是射频电路中的调制。在射频电路中,不同发射机电路结构的调制有所不同：带发射变换模块的发射机电路结构中,67.707kHz的信号首先调制发射中频,得到发射已调中频信号。这是一级调制,我们把它称为TXI/Q调制。发射已调中频信号在发射变换模块中经处理得到包含发送数据的脉动直流信号。该信号被送到TXVCO电路变容二极管的负极,控制

23、TXVCO输出信号的频率。这实际上又是一级调制。在带发射上变频的发射机电路结构中,只有一个67.707 KHz信号调制发射中频的TXI/Q调制级。发射射频信号则来自RXVCO(或UHFVCO)和发射已调中频信号的差频。（参见发射机电路结构）GSM手机发射信号经上述功能电路,都会发生一些变化。在图1-45中,信号1是送话器拾取的模拟话音电信号,图1-46所示的波形是用示波器在cd928话音放大器输出端所测得的波形。 图 1-45 图1-46信号2是PCM编码后的数字话音信号,如图1-47所示测量时,可以明显看到有话音输人和没话音输入时PCM编码器输出波形的变化(该信号是将GSM328设置在测试状态下,在PCM编码器测得的)。 图 1-47信号3是数字波。 14