GSM手機硬件基礎(chǔ)知識

-----射頻部分

手機硬件一部程微

2004年5月10日1GSM手機硬件基礎(chǔ)知識

-----射頻部分

手機硬件一部內(nèi)容綱要射頻基礎(chǔ)知識GSM手機基礎(chǔ)知識GSM手機射頻主要器件介紹GSM手機主板GSM手機測試常用射頻儀表校準和綜測仿真技術(shù)天線基礎(chǔ)2內(nèi)容綱要射頻基礎(chǔ)知識2射頻基礎(chǔ)知識3射頻基礎(chǔ)知識3射頻基礎(chǔ)知識多高的頻率才是射頻？30-300kHz LF300kHz-3MHz MF3-30MHz HF30-300MHz VHF300-1000MHz UHF1-2GHz L-Band2-4GHz S-Band4-8GHz C-Band4射頻基礎(chǔ)知識多高的頻率才是射頻？4射頻基礎(chǔ)知識射頻=RadioFrequency(RF)→無線中波廣播 530-1700kHz短波廣播 5.9-26.1MHzRFID 13MHz調(diào)頻廣播 88-108MHz(無線)電視 54-88,174-220MHz遙控模型 72MHz個人移動通信 900MHz,1.8,1.9,2GHzWLAN,Bluetooth(ISMBand) 2.4-2.5GHz,5-6GHz注：ISM＝Industrial,ScientificandMedical5射頻基礎(chǔ)知識射頻=RadioFrequency(RF)移動通訊關(guān)注的頻段EGSM900，雙工間隔為45MHz880－915MHz 上行頻率925－960MHz 下行頻率GSM1800，雙工間隔為95MHz1710-1785MHz上行頻率1805-1880MHz下行頻率CDMA800MHz824MHz～849MHz上行頻率869MHz～894MHz下行頻率WCDMAIMT1920MHz～1980MHz上行頻率2110MHz～2170MHz下行頻率

6移動通訊關(guān)注的頻段EGSM900，雙工間隔為45MHz6分布系統(tǒng)與集總系統(tǒng)分布(distributed)系統(tǒng)與集總(lumped)系統(tǒng)–環(huán)路電壓和節(jié)點電流定律在任何時候都成立嗎？ 當然，如果你的模型沒錯的話。–任何電路、元器件、連接線本質(zhì)上都是分布系統(tǒng)，在某些條件下它們的分布特性可以被忽略，正如在某些條件下微積分可以簡化為四則運算–對于一條長度為l的低損耗連接線和波長為λ的信號， 當l<<0.1λ，連線可以看成理想的電路連接線(阻抗為0的集總系統(tǒng)) 當l>0.1λ，我們認為它是一個分布系統(tǒng)－傳輸線7分布系統(tǒng)與集總系統(tǒng)分布(distributed)系統(tǒng)與集總傳輸線同軸線或同軸電纜(coaxialcable)平行雙線(twin-lead,twowire)微帶線(microstrip)8傳輸線同軸線或同軸電纜(coaxialcable)8波動方程和特性阻抗9波動方程和特性阻抗9元器件和寄生參數(shù)–分立無源元件的高頻模型電阻、電容和電感的阻抗在高頻時往往與它們的標稱值有很大的偏差，這時寄生元件造成的，它們降低了元件的品質(zhì)因數(shù)和自諧振頻率–自諧振頻率頻率高到一定的程度，元件的阻抗會由原來的感性變成容性或由容性變成感性，這說明寄生效應(yīng)已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，元件無法再工作。例如右圖中一個電感電抗隨頻率的變化。10元器件和寄生參數(shù)–分立無源元件的高頻模型10接收機體系結(jié)構(gòu)超外差低中頻或近零中頻零中頻或直接變換11接收機體系結(jié)構(gòu)超外差11超外差結(jié)構(gòu)經(jīng)典接收機架構(gòu)，性能好，成本高使用混頻器將高頻信號搬到一個低得多的中頻頻率后再進行信道濾波、放大和解調(diào)解決了高頻信號處理所遇到的困難。組合頻率干擾射頻濾波器等元器件多，不易集成12超外差結(jié)構(gòu)經(jīng)典接收機架構(gòu)，性能好，成本高12低中頻結(jié)構(gòu)具有與零中頻結(jié)構(gòu)類似的優(yōu)點，同時避免了DC附近的問題要求很高的鏡頻抑制比，需要結(jié)合使用抑制鏡頻的變頻結(jié)構(gòu)和額外的鏡頻抑制措施13低中頻結(jié)構(gòu)具有與零中頻結(jié)構(gòu)類似的優(yōu)點，同時避免了DC附近的問零中頻結(jié)構(gòu)及主要特點零中頻接收機中LO與有用RF信道的頻率相同–不存在鏡像頻率–不需要鏡頻抑制 濾波器–信道選擇只需低通濾波器（通常集成在射頻主芯片內(nèi)）直流偏移問題（DCoffset）本振泄漏和放大器直流漂移等都會造成DCoffset14零中頻結(jié)構(gòu)及主要特點零中頻接收機中14發(fā)射機體系結(jié)構(gòu)直接上變頻(Direct-conversion)超外差式偏置鎖相環(huán)發(fā)射電路（OPLL）15發(fā)射機體系結(jié)構(gòu)直接上變頻(Direct-conversion直接上變頻–結(jié)構(gòu)簡單–功放對本振形成干擾(LOpullingorinjectionlocking)–本振頻率可以通過加減一個偏移量來獲得，從而避免LOpulling16直接上變頻–結(jié)構(gòu)簡單16超外差式–功放與本振之間具有良好的隔離度–第一本振頻率較低，可以達到較高的調(diào)制質(zhì)量–復(fù)雜度較高17超外差式–功放與本振之間具有良好的隔離度17偏置鎖相環(huán)發(fā)射結(jié)構(gòu)調(diào)制信號的帶寬通過環(huán)路濾波器來控制，可以獲得很好的帶外抑制，雜散小只能用于恒包絡(luò)調(diào)制方式18偏置鎖相環(huán)發(fā)射結(jié)構(gòu)調(diào)制信號的帶寬通過環(huán)路濾波器來控制，可以獲頻率合成整數(shù)分頻(Integer-N)頻率合成器小數(shù)分頻(Fractional-N)頻率合成器直接數(shù)字頻率合成(DDS)19頻率合成整數(shù)分頻(Integer-N)頻率合成器19PLL頻率合成PLL基本原理20PLL頻率合成PLL基本原理20PLL頻率合成整數(shù)分頻(Integer-N)頻率合成器分頻的作用–輸出信號經(jīng)分頻以后與輸入?yún)⒖夹盘栠M行鑒相，鎖定時有 fr=fo/N因此 fo=Nfr改變分頻比N即可獲得不同的輸出頻率21PLL頻率合成整數(shù)分頻(Integer-N)頻率合成器21PLL頻率合成小數(shù)分頻(Fractional-N)頻率合成器整數(shù)分頻結(jié)構(gòu)簡單，但是有一個很重要的缺點，它的參考信號(PD的輸入)頻率必須等于信道間隔(或?qū)挾?，這帶來了一些問題：–環(huán)路帶寬受到參考頻率限制，從而影響了響應(yīng)速度以及對VCO噪聲的抑制–需要很大的分頻比，放大了PD輸入端的噪聲小數(shù)分頻頻率合成器的輸出信號頻率可以以參考信號頻率的小數(shù)倍變化，解決了以上問題。22PLL頻率合成小數(shù)分頻(Fractional-N)頻率合成直接數(shù)字頻率合成直接數(shù)字頻率合成(DDS)–不需要VCO和其它環(huán)路元件，因此其相位噪聲、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性均優(yōu)于鎖相環(huán)頻率合成器，并且可以對數(shù)字信號直接進行調(diào)制–最高輸出頻率受時鐘、DAC等的限制，同時功耗較大23直接數(shù)字頻率合成直接數(shù)字頻率合成(DDS)23GSM手機基礎(chǔ)知識24GSM手機基礎(chǔ)知識24無線通信系統(tǒng)和信道–蜂窩通訊與頻率復(fù)用–噪聲與干擾的普遍存在 背景噪聲 同信道干擾 相鄰和臨近信道干擾 來自其它系統(tǒng)的干擾和阻塞–無線信道的不理想性 信號隨傳播距離迅速衰減 多徑衰落：不同反射路徑的 信號在接收天線處疊加，造 成幾十dB 的信號起伏–決定了接收機靈敏度、動態(tài) 范圍、選擇性，發(fā)射機功放 的結(jié)構(gòu)，信號的泄漏等指標25無線通信系統(tǒng)和信道–蜂窩通訊與頻率復(fù)用25GSM手機射頻部分的基本概念GSM使用了TDMA和FDMA的復(fù)用方式GSM900分為1-124CH，GSM1800分為512-885CH，每個信道200kHz，每個ARFCN分為8個時隙。

P-GSM900手機發(fā)：890～915MHz；手機收：935～960MHz。E-GSM900手機發(fā)：880～915MHz；手機收：925～960MHz。

DCS1800手機發(fā)：1710～1785MHz；手機收：1805～1880MHz。

GSM的調(diào)制方式是BT=0.3的GMSK，調(diào)制速率為270.833千波特，0.3表示了高斯濾波器的帶寬和比特率之間的關(guān)系。在GSM中，數(shù)據(jù)的比特率被選擇為正好是頻偏的4倍，這可以減小頻譜的擴散，增加信道的有效性。26GSM手機射頻部分的基本概念GSM使用了TDMA和FDMA的GSM的多址方案FDMA與TDMA的混合方式每個載波帶寬為200kHz，含8個物理信道。27GSM的多址方案FDMA與TDMA的混合方式27幀結(jié)構(gòu)時隙（Slot)：一個時隙為15/26ms（約0.577ms）,包含156.25個碼元突發(fā)脈沖序列（Burst）：一個時隙的物理內(nèi)容稱之為一個突發(fā)序列幀（Frame）：每個TDMA幀含8個時隙，共占60/13=4.615ms多個TDMA幀構(gòu)成復(fù)幀多個復(fù)幀構(gòu)成超幀（SuperFrame）,51*26個TDMA幀超高幀由2048個超幀構(gòu)成28幀結(jié)構(gòu)時隙（Slot)：一個時隙為15/26ms（約0.57幀結(jié)構(gòu)示意圖29幀結(jié)構(gòu)示意圖29BurstBurst分為：常規(guī)Burst，接入Burst，F(xiàn)Burst和SBurst30BurstBurst分為：常規(guī)Burst，接入Burst，F(xiàn)GSM手機射頻部分框圖前端開關(guān)(Front-endSwitchModel)收發(fā)芯片(Transeiver)功率放大器+功率控制芯片(PA+PAControlIC)溫補壓控晶體振蕩器(TCVCXO)GSM900(Rx)GSM1800(Rx)天線基帶芯片(B.BBlock)IQIQClockDataLeAFC

APC(PA_Lever)GSM900(Tx)GSM1800(Tx)RefClockcontrol31GSM手機射頻部分框圖前端開關(guān)(Front-endSwitc手機射頻主芯片的發(fā)展趨勢射頻方案ADIOthello

ADIOthellooneADIOthelloTVTIPascalTIRitaSkyworks74073單片射頻模塊接收機體制零中頻零中頻零中頻超外差零中頻零中頻頻段雙頻段三頻段四頻段雙頻段3個LNA（號稱4頻段）雙頻段內(nèi)置VCO本振的RFVCO和發(fā)射的VCO均外接本振的RFVCO和發(fā)射的VCO均外接是本振的RF/IFVCO集成在主芯片內(nèi)，發(fā)射的外接是是內(nèi)置LDO否

是否是否內(nèi)置功率控制環(huán)路否是

否是是是是32手機射頻主芯片的發(fā)展趨勢射頻方案ADIOthelloAD接收機的主要技術(shù)指標1.靈敏度

是指接收機在滿足一定誤碼率性能條件下接收機需輸入的最小信號電平。參考靈敏度電平≤-102dBm（GSM900/GSM1800）2.阻塞和雜散響應(yīng)

指在非雜散相應(yīng)或鄰頻道的頻率上，存在一個強無用信號的情況下，接收機接收有用的信號時，其性能不低于給定指標的能力。

33接收機的主要技術(shù)指標1.靈敏度33發(fā)射機的主要技術(shù)指標輸出射頻頻譜

是由于調(diào)制和功率切換等原因由MS在標稱載頻的鄰近邊帶上產(chǎn)生的射頻頻譜，它包括調(diào)制頻譜和切換瞬態(tài)頻譜。

34發(fā)射機的主要技術(shù)指標輸出射頻頻譜是由于調(diào)制和功率切換等原因GSMTDMA功率包絡(luò)35GSMTDMA功率包絡(luò)35GSM手機主要射頻器件36GSM手機主要射頻器件36GSM手機主要器件介紹主要器件前端開關(guān)（ASM/FEM）收發(fā)芯片（Transceiver）壓控振蕩器（VCO）鎖相頻率合成器壓控溫補晶體振蕩器（VCTCXO）功率放大器（PA）37GSM手機主要器件介紹主要器件37前端開關(guān)（ASM/FEM）集成了一個雙工器+兩個T/R開關(guān)+兩個低通濾波器，類似于一個集成的單刀四擲開關(guān)，分別在GSM的收發(fā)之間和DCS的收發(fā)之間進行轉(zhuǎn)換。它可以加大功放的工作時隙和非工作時隙之間的隔離。通常FEM還包括兩個SAW濾波器。38前端開關(guān)（ASM/FEM）集成了一個雙工器+兩個T/R開關(guān)+前端開關(guān)（ASM/FEM）FEM內(nèi)部照片39前端開關(guān)（ASM/FEM）FEM內(nèi)部照片39射頻主芯片（Transceiver）射頻主芯片通常包括以下部分：頻率合成器（通常是分數(shù)分頻）接收機（目前零中頻最流行）OPLL發(fā)射通道內(nèi)置VCO40射頻主芯片（Transceiver）射頻主芯片通常包括以Pascal超外差射頻方案41Pascal超外差射頻方案41Othello零中頻方案42Othello零中頻方案42OthellooneTV零中頻方案43OthellooneTV零中頻方案43AeroI近零中頻射頻方案44AeroI近零中頻射頻方案44射頻功率放大器模塊功率檢測性PA模塊功率控制精度高功率包絡(luò)較難控制駐波對輸出功率有影響45射頻功率放大器模塊功率檢測性PA模塊45射頻功率放大器模塊電流檢測型功率包絡(luò)難控制輸出功率受駐波影響最大工作電流受駐波影響最小46射頻功率放大器模塊電流檢測型46射頻功率放大器模塊電壓控制型功率包絡(luò)容易控制輸出功率受駐波影響最小工作電流受駐波影響大47射頻功率放大器模塊電壓控制型47射頻功率放大器模塊電壓控制型PA48射頻功率放大器模塊電壓控制型PA48參考晶振和自動頻率控制GSM手機的參考頻率通常用一個13MHz（或26MHz）的本地的溫補壓控(VC-TCXO)晶振。一個AFC信號用來調(diào)整VC-TCXO的頻率。射頻模塊還提供一個13MHz的模擬參考時鐘到基帶子系統(tǒng)。GSM手機通過接收FCCH的廣播信號，來調(diào)整AFC，使參考頻率的精度達到0.1ppm。49參考晶振和自動頻率控制GSM手機的參考頻率通常用一個13MParameterCommentsMinTypMaxUnitfrequency26MHzFrequencytolerance±2.5ppmFrequencystabilityvs.temperaturevs.loadvs.supplyvoltage-30°C≤

TC≤

+80°C40pF±10%,10kΩ±10%2.8V±5%±2.0±0.2±0.3ppmppmppmFrequencyagingrateTC=25±5°C±0.7ppm/yrFrequencystabilityslope-30°C≤

TC≤

-10°C-10°C≤

TC≤

+60°C+60°C≤

TC≤

+80°C±0.3±0.15±0.3ppmppmppmTuningvoltage0.51.52.5VTuningsensitivity0.4≤Vtune≤

2.4V105.6230.4Hz/V參考晶振和自動頻率控制50ParameterCommentsMinTypMaxUnit參考晶振和自動頻率控制DCXO通常在射頻主芯片內(nèi)建振蕩電路，外接晶體即可工作。成本低51參考晶振和自動頻率控制DCXO51RF模塊52RF模塊52手機主板53手機主板53HDI工藝手機PCB板通常采用HDI工藝(HighDensityInterconnection)HDI主要特點：直徑0.15mm以下的激光微孔積層層壓多層板有兩種介質(zhì)RCC和FR4布線密度可更高成本低54HDI工藝手機PCB板通常采用HDI工藝(HighDens手機PCB板器件密度高，PCB尺寸小，相互干擾嚴重批量大，加工周期敏感，成本敏感諸多結(jié)構(gòu)和造型限制，增大PCB設(shè)計難度各功能塊分割困難手機PCB特點55手機PCB板器件密度高，PCB尺寸小，相互干擾嚴重手機PCB手機主板56手機主板56手機主板57手機主板57常用儀器58常用儀器58常用儀表綜測儀CMU20059常用儀表綜測儀CMU20059常用儀表綜測儀測試界面60常用儀表綜測儀測試界面60常用儀表綜測儀測試界面61常用儀表綜測儀測試界面61常用儀表信號源頻譜分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀62常用儀表信號源62校準和綜測63校準和綜測63手機的射頻校準個體差異生產(chǎn)過程中無法精確控制PC控制自動完成，對過程時間敏感常見的射頻校準項：AFC校準（頻率校準）RSSI校準APC（自動功率校準）對于一些零中頻方案還有DCOFFSET校準64手機的射頻校準個體差異64綜測手機常規(guī)射頻指標生產(chǎn)檢驗PC控制自動完成，對過程時間敏感GSM手機常規(guī)射頻測試項發(fā)射功率發(fā)射功率包絡(luò)發(fā)射頻譜（調(diào)制譜和開關(guān)譜）頻率誤差和相位誤差接收靈敏度和誤碼率65綜測手機常規(guī)射頻指標生產(chǎn)檢驗65仿真技術(shù)66仿真技術(shù)66SIwave電源完整性仿真67SIwave電源完整性仿真67HFSS三維電磁場仿真68HFSS三維電磁場仿真68ADS電路仿真69ADS電路仿真69天線基礎(chǔ)70天線基礎(chǔ)70天線基礎(chǔ)知識天線增益半波振子理想點源（無耗均勻輻射器）eg:0dBd=2.15dBi1dBd=3.15dBid