《手机基本电路》PPT课件.ppt

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1、第 2章 手机基本电路 第 3章 手机基本电路 3.1 手机电路组成 3.2 基本单元电路 3.3 接收与发射电路 3.4 频率合成器 3.5 逻辑 /音频电路与 I/O接口 3.6 手机电源电路及供电电路 习题二 第 2章 手机基本电路 3.1 手机电路组成 3.1.1 手机电路 手机接收时 ， 来自基站的 GSM信号由天线接收下 来 ， 经射频接收电路 ， 由逻辑 /音频电路处理后送到 听筒 。 手机发射时 ， 声音信号由话筒进行声电转换后 ， 经逻辑 /音频处理电路 、 射频发射电路 ， 最后由天线 向基站发射 。 图 2-1（ a） 、 (b)均为 GSM手机电路原理 框图 。 第 2

2、章 手机基本电路 图 3-1 GSM (a） GSM手机电路原理简略框图 ; (b） GSM手机电路原理组成框图 第 2章 手机基本电路 3.1.2 手机简要工作过程 1. GSM手机开机初始工作流程 GSM手机开机初始工作流程如图 2-2所示 。 当手机 开机后 ， 首先搜索并接收最强的 BCCH (广播控制信 道 )中的载波信号 ， 通过读取 BCCH中的 FCH (频率校 正信道 )， 使自己的频率合成器与载波达到同步状态 。 第 2章 手机基本电路 图 3-2 GSM手机开机初始工作流程 第 2章 手机基本电路 2. 通话过程 当手机为主叫时 ， 在 RACH上发出寻呼请求信号 ， 系

3、统收到该寻呼请求信号后 ， 通过 AGCH为手机分配 一个 SDCCH， 在 SDCCH上建立手机与系统之间的交 换信息 。 然后在 SACCH上交换控制信息 ， 最后手机 在所分配的 TCH (语音信道 )上开始进入通话状态 。 第 2章 手机基本电路 3.2 基本单元电路 3.2.1 放大器 放大器的作用是放大交流信号 。 从基站到手机天 线有很长的传播距离 ， 进入手机的无线电信号已非常 微弱 ， 为了能对信号进行进一步的处理 ， 必须先对信 号进行放大 。 放大器分为以下几种： 第 2章 手机基本电路 （ 1） 低频放大器： 用于放大低频信号， 工作频率较低， 其集电极负 载是电阻。

4、（ 2） 中频放大器和射频放大器： 中频放大器的工作频率为几十兆赫兹或上百兆赫兹 ， 仅放大某一固定频率的信号 ， 一般采用窄带放大器 。 （ 3） 射频功率放大器： 功率放大器简称功放 ， 用于发射机中 。 射频功率放 大器发射功率受到较严格的控制 ， 如图 2-3所示 。 第 2章 手机基本电路 图 3-3 功放电路控制 第 2章 手机基本电路 3.2.2 振荡器 1. 振荡器的组成 振荡器广泛地用于电子设备中 ， 它的主要技术指 标是频率的准确度 、 稳定度和振幅的稳定度 。 振荡器 需要直流电源为之提供能量 ， 从这个意义上看 ， 振荡 器也同放大器一样 ， 是将直流电源转换为交流振荡

5、能 量的装置 。 第 2章 手机基本电路 下面以反馈式振荡器为例来说明振荡器的组成 。 反馈式振荡器由以下三个部分组成： （ 1） 有功率增益的有源器件。 （ 2） 决定频率的网络。 （ 3） 一个限幅和稳定的机构。 图 3-4是一个反馈式振荡器的组成框图 ， 在框图中 包括了具有功率增益的放大器 ， 决定频率的网络以及 正反馈网络 。 第 2章 手机基本电路 图 3-4 反馈式振荡器组成框图 第 2章 手机基本电路 2. 压控振荡器 VCO 压控振荡器简称为 VCO， 是一个 “ 电压 频率 ” 转换装置 ， 它将电压信号的变化转换成频率的变化 。 这个转换过程中电压控制功能的完成是通过一个

6、特殊 器件 变容二极管来实现的 ， 控制电压实际是加在变 容二极管两端的 。 压控振荡器中 ， 变容二极管是决定振荡频率的主 要器件之一 。 这种电路是通过改变变容二极管的反偏 压来使变容二极管的结电容发生变化 ， 从而改变振荡 频率 ， 如图 3-5所示 。 第 2章 手机基本电路 图 3-5 压控振荡器 VCO 第 2章 手机基本电路 在移动通信中 ， 手机的基准时钟一般为 13 MHz， 它主要有两种电路： （ 1） 专用的 13 MHz VCO组件 。 (2) 分立元件组成的晶体振荡电路由 13 MHz的晶体 、 集成电路和外围元件等构成 。 第 2章 手机基本电路 图 3-6 VCO

7、组件 第 2章 手机基本电路 3.2.3 混频器 对于超外差式接收机和直接变频接收机 ， 接收时需 要对高频信号变频一次 ， 对于双超外差式接收机需要变 频二次 ， 这项工作由混频电路来完成 。 混频是在无线电通信中广泛应用的一种技术 ， 混频 器包括非线性器件和滤波器两个部分 ， 任何一种形式的 模拟相乘器 ， 后面接入适当的带通滤波器 ， 都可以作为 混频器来使用 。 混频器的电路模型如图 2-7 所示 。 第 2章 手机基本电路 图 3-7 混频器电路模型 第 2章 手机基本电路 3.2.4 电子开关电路 电子开关中的三极管工作于饱和 、 截止两种状态 ， 控制用的电信号是由逻辑电路提供

8、的 。 实现电子开关 的电路器件可以是三极管 、 场效应管 、 集成电路等 。 电子开关的电路模型如图 2-8所示 。 第 2章 手机基本电路 图 3-8 电子开关电路模型 第 2章 手机基本电路 手机中有许多电子开关 ， 如供电开关 ， 天线开关 等 。 特别指出的是 ， 摩托罗拉系列手机经常采用 8个 引脚的集成块作为电子开关 ， 又称为模拟开关 ， 如图 3-9所示 。 第 2章 手机基本电路 图 3-9 集成电子开关 第 2章 手机基本电路 3.2.5 滤波器 1. 滤波器的作用 滤波器的作用主要有： （ 1） 筛选有用信号 ， 抑制干扰 ， 这是信号分离 作用 。 （ 2） 实现阻抗

9、匹配， 以获得较大的传输功率， 这是 阻抗变换作用。 根据信号滤波特性 ， 滤波器可以分为： 低通 、 高通 、 带通和带阻四种 。 图 2-10给出了常用的低通滤波器 、 高通 滤波器 、 带通滤波器和带阻滤波器的电路符号 。 第 2章 手机基本电路 图 3-10 (a) 低通滤波器； (b) 高通滤波器； (c) 带通滤波器； (d) 带阻滤波器 第 2章 手机基本电路 2. 滤波器的识别与检测 手机采用了各种滤波器 ， 如射频滤波 、 本振滤波 、 中频滤波 、 低通滤波等 。 根据器件材料不同 ， 又分为 LC滤波器 、 陶瓷滤波 器 、 声表面滤波器和晶体滤波器 。 由于手机信道数目

10、 多 ， 信道间隔小 ， 因此在手机中 ， 往往需要衰减特性 很陡的带通滤波器 。 第 2章 手机基本电路 3.3 接收与发射电路 3.3.1 接收电路部分 接收电路部分一般包括天线 、 天线开关 、 高频滤 波 、 高频放大 、 变频 、 滤波 、 放大 、 解调电路等 。 它将 935 960 MHz（ GSM900频段 ） 或 1805 1880 MHz（ DCS1800频段 ） 的射频信号进行下变频 ， 最后 得到 67.768 kHz的模拟基带信号 （ RXI、 RXQ） ， 如 图 2-11所示 。 第 2章 手机基本电路 图 3-11 手机接收电路框图 第 2章 手机基本电路 1

11、. 超外差一次变频接收电路 超外差一次变频接收机原理： 天线感应到的无线 信号经天线电路和射频滤波器进入接收机电路。 接收 到的信号首先由低噪声放大器进行放大， 放大后的信 号再经射频滤波器滤波后， 被送到混频器。 MOTOROLA手机大多采用这种结构， 如图 2-12所示。 第 2章 手机基本电路 图 3-12 超外差一次变频接收电路框图 第 2章 手机基本电路 2. 超外差二次变频接收电路 与一次变频接收机相比 ， 二次变频接收机多了一 个混频器和一个 VCO， 这个 VCO在一些电路中被叫做 IFVCO或 VHFVCO。 诺基亚 、 爱立信 、 三星 、 松下 和西门子等手机的接收机电路

12、大多数属于这种电路结 构 , 如图 2-13所示 。 第 2章 手机基本电路 图 3-13 超外差二次变频接收电路框图 第 2章 手机基本电路 3. 直接变频线性接收电路 从前面的一次变频接收机和二次变频接收机的方 框图可以看到 ， RXI RXQ信号都是从解调电路输出 的 ， 但在直接变频线性接收机中 ， 混频器输出的直接 就是 RXI RXQ信号了 。 直接变频线性接收电路框图 如图 2-14所示 。 第 2章 手机基本电路 图 3-14 直接变频线性接收电路框图 第 2章 手机基本电路 3.3.2 发射电路部分 发射电路部分一般包括带通滤波 、 调制器 、 射频 功率放大器 、 天线开关

13、等 。 以 I/Q（ 同相 /正交 ） 信号 被调制为更高的频率模块为起始点 ， 发射电路将 67.768 kHz的模拟基带信号上变频为 890 915 MHz （ GSM900频段 ） 或 1710 1785 MHz（ DCS1800频段 ） 的发射信号 ， 并且进行功率放大 ， 使信号从天线发射 出去 ， 如图 2-15所示 。 第 2章 手机基本电路 图 3-15 手机发射电路框图 第 2章 手机基本电路 1. 带发射变频模块的发射电路 在图 2-16所示的发射机结构图中 ， 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

14、信号 ， 然后在逻辑电路中进行数字语音处理 . 第 2章 手机基本电路 图 3-16 带发射变频模块的发射电路框图 第 2章 手机基本电路 2. 带发射上变频器的发射电路 图 3-17所示的发射机在 TXI TXQ调制之前与图 2- 16是一样的 ， 其不同之处在于 TXI/TXQ调制后的发射 已调信号在一个发射混频器中与 RXVCO(或 UHFVCO、 RFVCO) ， 得到最终发射信号 。 第 2章 手机基本电路 图 3-17 带发射上变频器的发射电路框图 第 2章 手机基本电路 3. 直接变频发射电路 如图 2-18所示 ， 发射基带信号 TXI/TXQ不再是调 制发射中频信号 ， 而是

15、直接对 SHFVCO信号 （ 专指此 种结构的本振电路 ） 进行调制 ， 得到最终发射频率的 信号 。 第 2章 手机基本电路 图 3-18 直接变频发射电路框图 第 2章 手机基本电路 3.4 频 率 合 成 器 为了达到理想的效果 ， 我们在手机中普遍采用了 锁相环 （ PLL） 频率合成器 ， 锁相环频率合成器具有 很多特点 ， 比如产生工作频点数目多 、 频点可变 、 频 率具有很高的稳定度等 ， 同时还具有以下优点： （ 1） 可以比较容易产生“所需频率”。 第 2章 手机基本电路 （ 2） 锁相环具有良好的窄带跟踪特性 ， 在选频的 同时可以完成滤波 ， 将不需要的频率成分及噪声抑

16、制 掉 ， 同时通过具有较高频率跟踪特性的 VCO， 可以使 锁相式频率合成器输出具有较高频率稳定度和较高频 谱纯度的信号 。 （ 3） 利用锁相环路的同步跟踪特性， 能方便地变 换频道。 第 2章 手机基本电路 3.4.1 频率合成器组成 手机中通常使用带锁相环的频率合成器 ， 其基本 模型如图 3-19所示 。 它由基准频率 、 鉴相 PD、 环路 滤波器 LPF、 压控振荡 VCO和分频器等组成一个闭环 的自动频率控制系统 。 第 2章 手机基本电路 图 3-19 频率合成器的基本模型 第 2章 手机基本电路 环路滤波器实为一低通滤波器 ， 实际电路中 ， 它 是一个 RC电路 ， 如图

17、 3-20所示 。 通过对 RC进行适当 的参数设置 ， 使高频成分被滤除 ， 以防止高频谐波对 压控振荡器 VCO造成干扰 。 第 2章 手机基本电路 图 3-20 环路滤波器 第 2章 手机基本电路 3.4.2 锁相环基本原理 1. 频率的自动锁定过程 锁相环 PLL的工作过程十分复杂 ， 下面从物理概 念的角度对其进行定性分析 。 鉴相器是一种相位比较电路 ， 其输入端加两个信 号： 一个是基准信号 fA； 另一个是本机信号 fB/N， 它 是由压控振荡 VCO输出的频率 fB反馈回来 ， 经过可变 分频器得到的 。 第 2章 手机基本电路 2. 频率的自动搜索过程 前已述及， 手机入网

18、、 通话均要进入相应信道， 至于进入哪个信道， 完全听命于基站的指令， 这就要 求手机的收信、 发信频率不断地发生变化， 也就是 PLL要具有自动搜索信道的能力， 也称扫描信道。 自 动搜索过程是： 在锁定状态下， PLL满足关系式 N ff B A 即 AB Nff 第 2章 手机基本电路 3.5 逻辑 /音频电路与 I/O接口 3.5.1 系统逻辑控制部分 系统逻辑控制对整个手机的工作进行控制和管理 ， 包括开机操作 、 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 。 在手机中 ， 以中央处理器 CPU为核心的控制电路 称为逻辑电路 ， 其基本组

19、成如图 2-21所示 。 第 2章 手机基本电路 图 3-21 逻辑控制电路简单组成 第 2章 手机基本电路 3.5.2 音频信号处理部分 1. 接收音频信号处理 接收时 ， 对射频部分发送来的模拟基带信号进行 GMSK解调 （ 模数转换 ） 、 在 DSP（ 数字信号处理器 ） 中解密等 ， 接着进行信道解码 （ 一般在 CPU内 ） ， 得 到 13 kb/s的数据流 ， 经过语音解码后 ， 得到 64 kb/s的 数字信号 ， 最后进行 PCM解码 ， 产生模拟语音信号 ， 驱动听筒发声 。 图 2-22为接收信号处理变化示意图 。 第 2章 手机基本电路 图 3-22 接收信号处理变化

20、示意图 第 2章 手机基本电路 2. 发送音频信号处理 发送时 ， 话筒送来的模拟语音信号在音频部分进 行 PCM编码 ， 得到 64 kb/s的数字信号 ， 该信号先后进 行语音编码 、 信道编码 、 加密 、 交织 、 GMSK调制 ， 67.768 kHz ， 送到射频 部分的调制电路进行变频处理 。 第 2章 手机基本电路 图 2-23为发送音频信号处理变化流程示意图 ， 图中： 信号 1是送话器拾取的模拟语音信号 。 信号 2是 PCM编码后的数字话音信号 。 信号 3是数码信号 。 信号 4是经逻辑电路一系列处理后 ， 分离输出的 TXI/TXQ波形 。 信号 5是已调中频发射信号

21、 。 信号 6是最终发射信号 。 信号 7是功率放大后的最终发射信号 。 第 2章 手机基本电路 图 3-23 发送音频信号处理变化流程示意图 第 2章 手机基本电路 3.5.3 I/O接口 输入输出 （ I/O） 接口部分包括模拟接口 、 数字接 口以及人机接口三部分 。 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 接口有键盘输入 、 功能翻盖开关输入 、 话筒输入 、 液 晶显示屏 （ LCD） 输出 、 听筒输出 、 振铃输出 、 手机 状态指示灯输出和用户识别卡 （ SIM） 等 。 从广义上讲 ， 射频部分的接收通路 （ RX） 和发送 通路

22、 （ TX） 是手机与基站进行无线通信的桥梁 ， 是手 机与基站间的 I/O接口 ， 如图 2-24所示 。 第 2章 手机基本电路 图 3-24 从计算机的角度看手机 第 2章 手机基本电路 3.6 手机电源电路及供电电路 3.6.1 电源 IC 手机采用电池供电， 电池电压是手机供电的总输 入端， 通常称为 B+或 BATT。 B+是一个不稳定电压， 需将它转化为稳定的电压 输出， 而且要输出多路（组）不同的电压， 为整机各 个电路（负载）供电， 这个电路称为直流稳压电源， 简称电源。 大多数手机的电源采用集成电路实现， 称 为电源 IC。 第 2章 手机基本电路 例如摩托罗拉系列手机的电

23、源 IC-U900， 可产生多 路稳压输出 ， 分别是逻辑 5 V 2.75 V， 射频 4.75 V和 2.75 V。 电源 IC的基本模型如图 3-25所示 。 第 2章 手机基本电路 图 3-25 电源 IC模型 第 2章 手机基本电路 3.6.2 手机电源电路的基本工作过程 手机电源电路包括射频部分电源和逻辑部分电源 ， 两者各自独立 ， 但同是手机电池提供 。 手机的工作电 压一般先由手机电池供给 ， 电池电压在手机内部一般需 要转换为多路不同电压值的电压供给手机的不同部分 . 手机内部电压产生与否 ， 是由手机键盘的开关机键 控制 。 手机电源开机过程如图 3-26所示 。 第 2

24、章 手机基本电路 图 3-26 手机电源开机过程 第 2章 手机基本电路 3.6.3 升压电路和负压发生器 1. 电感升压 电感升压是利用电感可以产生感应电动势这一特 点实现的 。 电感是一个储存磁场能的元件 ， 电感中的 感应电动势总是反抗流过电感中电流的变化 ， 并且与 电流变化的快慢成正比 。 电感升压基本原理如图 2-27 所示 。 第 2章 手机基本电路 图 3-27 电感升压基本原理 第 2章 手机基本电路 2. 振荡升压 振荡升压是利用一个振荡集成块外配振荡阻容元 件实现的 。 振荡集成块又称升压 IC， 一般有 8个引脚 。 内部可以是间歇振荡器 ， 外配振荡电容产生振荡； 也

25、 可以是两级门电路 ， 外配阻容元件构成正反馈而产生 振荡 。 阻容元件能改变振荡频率 ， 所以又称定时元件 ， 振荡电路一般产生方波电压 ， 此电压再经整流滤波器 形成直流电压 。 第 2章 手机基本电路 3.6.4 机内充电器 机内充电器又称为待机充电器 。 手机内的充电器 是用外部 B+（ EXT B+） 为内部 B+充电 ， 同时为整 机供电 ， 其基本组成如图 3-28所示 。 第 2章 手机基本电路 图 3-28 手机机内充电器基本组成 第 2章 手机基本电路 习 题 三 1. 画出 GSM手机电路组成框图 ， 并作简要说明 。 2. GSM手机开机初始工作流程是怎样的 ？ 3. 说明振荡器组成原理 。 4. 画图说明混频器电路模型 。 5. 画图说明手机接收电路框图原理 。 6. 简要说明二次超外差变频接收电路的组成 。 7. 画图说明直接变频线性接收电路的组成原理 。 8. 简述手机发射电路的组成 。 第 2章 手机基本电路 9. GSM手机的发射电路常见电路结构有哪些 ？ 10. 简述频率合成器的基本原理 。 11. 简述手机逻辑控制电路的组成 。 12. 简述手机接收信号的处理变化过程 。 13. 简述手机发送音频信号的处理变化过程 。 14. 画图说明手机电源 IC模型 。 15. 简述手机电源的开机过程 。