GSM手机射频工作原理与电路分析(PPT).ppt

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1、 GSM 射频(sh pn)工作原理与电路分析第一页，共五十五页。2023/2/91RF DBTEL第二页，共五十五页。2023/2/92RF DBTEL Outline匹配网络Matching收发双工器Diplexer声外表波滤波器(SAW)平衡(pnghng)网络Balance锁相环PLL收发器Transceiver衰减网络Attenuation功率控制环路APC滤波网络Filter其它第三页，共五十五页。2023/2/93RF DBTEL匹配(ppi)网络Matching匹配的定义：后级输入阻抗与前级输出阻抗共扼匹配网络(wnglu)的类型：L型 T型 型第四页，共五十五页。2023/2

2、/94RF DBTEL天线匹配(ppi)的举例返回(fnhu)第五页，共五十五页。2023/2/95RF DBTEL收发(shuf)双工器Diplexer收发合用一路(yl)天线，因此使用天线收发双工器Antenna Switch对发射对发射(fsh)为为openTXRX为发射波长为发射波长对接收为对接收为short第六页，共五十五页。2023/2/96RF DBTEL收发(shuf)双工器的特性参数TX/RXFrequency Range(MHz)Insertion Loss(dB)Attenuation(dB)V.S.W.R.Isolation(dB)Harmonics 2xfo,3xfo

3、(dBc)Power Capacity(dBm)详见LMC33Data Sheet返回(fnhu)第七页，共五十五页。2023/2/97RF DBTEL声外表(wibio)滤波器SAW 在 中，接受信号从天线开关到接收处理电路(dinl)之间采用声外表滤波器SAW声外表滤波器SAW可以提供较宽的通频带、较低的损耗，此外有的SAW器件还集成有将非平衡信号转换为平衡信号的功能。SAW的滤波特性详见 SAW Data Sheet lc03c lc66e返回(fnhu)第八页，共五十五页。2023/2/98RF DBTEL平衡(pnghng)网络BalanceBalance电路构成：UI 分别经过(j

4、nggu)低通、高通得到反相的UO1、UO2LCCLUIUO1UO2RdiffRsRsRs：特性阻抗 Rdiff：输入阻抗(sh r z kn)第九页，共五十五页。2023/2/99RF DBTEL由计算(j sun)可知UO1、UO2始终有180度相差Differential适合在Balance系统上传输。L、C的取值要求：f：系统中心频率 Rs：特性阻抗 Rdiff：输入阻抗该电路可能集成于SAW中第十页，共五十五页。2023/2/910RF DBTEL差模、共模在Balance系统(xtng)上的传输差模Differential Mode A B B的传输量为A的一半(ybn)共模Com

5、mon ModeI/PO/PI/PO/PI/PO/PC返回(fnhu)第十一页，共五十五页。2023/2/911RF DBTEL锁相环PLL 锁相环应用于滤波、频率综合、调制解调、信号与检测等多个方面。锁相环四个根本构成元素根本构成电路分析(fnx)锁相环在 中应用举例 第十二页，共五十五页。2023/2/912RF DBTEL锁相环四个根本(gnbn)构成元素鉴相器PD鉴频器FD鉴相鉴频PFD：PD/FD/PFD是一个相位/频率比较装置，用来检测输入信 号与反响信号之间的相位/频率差 环路滤波器Loop FilterLP：LP一般为N阶低通滤波器 电压控制振荡器VCO：VCO是一个电压-频率

6、变换装置，输出振荡频率应随输 入控制电压线性地变化(binhu)参考信号源Reference signal source：参考信号源提供与反响信号鉴相鉴频用的比照输入信号第十三页，共五十五页。2023/2/913RF DBTELPLL Block Diagram返回(fnhu)第十四页，共五十五页。2023/2/914RF DBTEL根本(gnbn)构成电路分析鉴相器Phase Detector电荷泵环路(hun l)低通滤波器Charge PumpLoop Filter 压控振荡器Voltage Controlled Oscillator分频器DIV第十五页，共五十五页。2023/2/915

7、RF DBTEL鉴相器Phase Detector鉴相器的主要作用:检测(jin c)输入信号与反响信号之间的相位差。鉴相器的数学模型：返回(fnhu)Kdsin()+1(t)v(t)e(t)=1(t)-v(t)Vd(t)=Kdsine(t)鉴相器的数学模型第十六页，共五十五页。2023/2/916RF DBTEL 电荷泵环路(hun l)低通滤波器 Charge PumpLoop Filter电荷泵的的作用主要是：给锁相环路提供理想(lxing)恒定的电流源，保持良好的线性关系，使得频率范围易于控制 环路低通滤波器LPF 由PFD的输出信号需经过低通滤波器再去控制VCO。一般采用电阻、电容构

8、成积分形式的低通滤波器，它可以为单阶或多阶滤波器。它的通频带由电阻、电容参数决定，它的截止速度取决于其阶数。第十七页，共五十五页。2023/2/917RF DBTEL环路(hun l)低通滤波器Low Pass FilterphasedetectorRzCzCpVCOR4C4To important the transient characteristics The loop can track better a change in input frequencyTo further reduce the phase noise of the charge pump第十八页，共五十五页。202

9、3/2/918RF DBTEL环路低通滤波器的应用(yngyng)举例返回(fnhu)第十九页，共五十五页。2023/2/919RF DBTEL 压控振荡器Voltage Controlled Oscillator压控振荡器一般是由变容二极管为主构成的谐振回路：谐振回路的中心频率由其回路的等效L、C特性(txng)决定：变容二极管的等效电容量由加在其两端的电压控制，这样通过电压的变化就能转换成回路谐振频率的变化，就构成了压控振荡器VCO。第二十页，共五十五页。2023/2/920RF DBTEL分频器DIV锁相环通常用于N倍参考频率的发生器：其中N为分频(fn pn)比，它由环路中分频(fn

10、pn)器DIV提供 参见?分频器?返回(fnhu)第二十一页，共五十五页。2023/2/921RF DBTEL锁相环在 中应用(yngyng)举例RX接收(jishu)频率合成器 第二十二页，共五十五页。2023/2/922RF DBTELTX-VCO锁相环路 第二十三页，共五十五页。2023/2/923RF DBTEL收发器Transceiver收发器即调制解调器 调制：发射时基带信号加载到射频信号 解调：接收时射频信号过滤出基带信Transceiver根据其工作频率可分为：单频、双频、三频等Transceiver根据其中频(zhngpn)特征可分为有中频(zhngpn)、零中频(zhngp

11、n)、近零中频(zhngpn)等 以DB2021为例介绍Transceiver UAA3535的内部结构第二十四页，共五十五页。2023/2/924RF DBTELTransceiver UAA3535PhilipsUAA3535是近零中频收发器，它最多可以作三频收发 它内部有：三个PLL包括一个内置VCO、正交混频解调器、可控增益低噪放大器、混频调制器等它需外接：13MHz参考基准时钟、RXVCO、TXVCO、基带控制信号等详见UAA3535 Data Sheet 我们(w men)需要研究其内部各重要节点的频率、带宽，信号转换的流程等细节第二十五页，共五十五页。2023/2/925RF D

12、BTEL返回(fnhu)第二十六页，共五十五页。2023/2/926RF DBTEL衰减(shui jin)网络Attenuation为了到达系统中对输入输出功率要求高的局部的功率适配，我们通常在输出端到输入端之间加上功率衰减(shui jin)网络通常衰减网络形式有：T型、型衰减网络的计算 型衰减型衰减(shui jin)网络网络型衰减网络型衰减网络R1R2R3R1R2R3第二十七页，共五十五页。2023/2/927RF DBTEL衰减(shui jin)网络的计算网络参数求衰减系数A Zin1：短路(dunl)输入电抗 Zin2：开路输入电抗 Zout1：短路输出电抗 Zout2：开路输出

13、电抗第二十八页，共五十五页。2023/2/928RF DBTEL衰减系数A求网络参数(cnsh)R0：特性阻抗 由 求得K值：那么可得对T型：对型：第二十九页，共五十五页。2023/2/929RF DBTEL衰减网络(wnglu)的作用衰减网络主要(zhyo)是为了使输出功率符合下级输入功率的要求利用衰减网络可以提高系统的信噪比利用50欧姆衰减网络可以缓和前级与后级的阻抗变化 第三十页，共五十五页。2023/2/930RF DBTEL衰减网络(wnglu)的应用返回(fnhu)第三十一页，共五十五页。2023/2/931RF DBTEL功率(gngl)控制环路APC功率控制(kngzh)环路构

14、成：功率放大器Power Amplifier 功率耦合器Power Coupler 功率检波器Power Detector 功率比较、控制器Power Comparator&Controller 这样构成的环路可以将功率较稳定的控制在我们的设定值上，这个设定值可以随时间根据需要不断变化。第三十二页，共五十五页。2023/2/932RF DBTEL功率(gngl)控制环路构成功率功率(gngl)放大器放大器功率功率(gngl)耦合器耦合器检检波波器器功率功率比较比较控制器控制器PISourcefromVCOCouplingPowerPcPo比较信号比较信号用于用户用于用户设定功率值设定功率值耦合

15、检波信号耦合检波信号差值功率差值功率控制信号控制信号功率功率控制控制环路环路返回第三十三页，共五十五页。2023/2/933RF DBTEL功率(gngl)放大器Power Amplifier目前 用PA一般是厚膜模拟电路制成，它要求将低功率射频信号线性无失真的放大到一定功率值。它的主要参数有：工作频率、带宽最大线性输出功率压缩点线性放大对输入(shr)功率要求输入、输出需要的匹配阻抗工作电源及电压、电流的要求控制信号的形式及要求噪声特性等等 详见PA-BGY280 Data Sheet返回(fnhu)第三十四页，共五十五页。2023/2/934RF DBTEL功率(gngl)耦合器Power

16、 Coupler 为了到达功率控制(kngzh)，我们需要使用到的功率传感器就是功率耦合器，一般为Directional Coupler。它的主要参数有：详见LDC Data Sheet 耦合量Coupling 插入损耗Insertion Loss 隔离度Isolation 方向性Directivity 单位dB 返回(fnhu)第三十五页，共五十五页。2023/2/935RF DBTEL功率(gngl)检波器Power Detector功率检波器对Coupler的耦合高频信号(xnho)进行包络检波进而得到一个表达耦合信号(xnho)幅值大小的检波电压。我们采用二极管负包络检波电路，后级常为

17、低通积分电路。例如：Coupler 输出输出(shch)耦合电容耦合电容Cc检波检波二极管二极管D检波电压输出检波电压输出低通低通积分积分电路电路第三十六页，共五十五页。2023/2/936RF DBTEL负包络检波的对二极管要求：检波二极管D以P极为输入端 检波二极管的极电容要求较小的肖特基二极管，假设极电容过大，将会使负包络过多的耦合流失到低，导致(dozh)检波效果变差 返回(fnhu)第三十七页，共五十五页。2023/2/937RF DBTEL 功率(gngl)比较、控制器 Power Comparator&Controller功率比较、控制器的功能：功率比较器将功率检波信号与设定功率

18、信号相比较得到一个功率控制(kngzh)信号给功率控制(kngzh)器，由功率控制(kngzh)器产生控制(kngzh)电压给功率放大器PA 它的具体参数详见PCF5078 Data Sheet 第三十八页，共五十五页。2023/2/938RF DBTEL功率控制(kngzh)环路APC的应用返回(fnhu)第三十九页，共五十五页。2023/2/939RF DBTEL滤波(lb)网络Filter通用滤波网络(wnglu)电源滤波去耦网络第四十页，共五十五页。2023/2/940RF DBTEL通用(tngyng)滤波网络滤波器是抑制除特定带宽以外信号(xnho)及噪声的装置。按照不同标准它可分

19、为：低通、高通、带通、带阻滤波器；一阶、二阶、高阶滤波器；无源滤波器、有源滤波器 以下我们以单阶无源滤波器为例做一些简介第四十一页，共五十五页。2023/2/941RF DBTEL3dB3dBRRLLCCUUfffHfL单阶无源低通LP 单阶无源高通HP高频截止频率fH与L、C参数(cnsh)有关低频(dpn)截止频率fL与L、C参数有关第四十二页，共五十五页。2023/2/942RF DBTEL低通滤波器的3dB衰减点的频率(pnl)为高频截止频率(pnl)fH，它截止的斜率与其阶数相关高通滤波器的3dB衰减点的频率为低频截止频率fL，它截止的斜率与其阶数相关如果将低通滤波器和高通滤波器串联

20、，而且 fH fL 就能构成带通滤波器，其通频带为fL fH。如果将低通滤波器和高通滤波器并联，而且 fH fL 就能构成带阻滤波器，其阻频带为fH fL。滤波(lb)特性返回(fnhu)第四十三页，共五十五页。2023/2/943RF DBTEL电源滤波(lb)去耦网络对于射频电路而言，电源稳定由特别重要的意义，不仅它自身不稳定会影响电路性能，而且各用电单元也会以电源为途径互相传递干扰造成很大的不稳定因数，去耦即去除(q ch)电源与用电单元之间的交流耦合。实际电路中电源去耦电路无论在电源输出端还是在用电输入端都需要，而且去耦电路离用电模块越近到达的去耦效果越好。第四十四页，共五十五页。20

21、23/2/944RF DBTEL电源滤波去耦网络(wnglu)根本理论我们一般希望电源供电除了开/关时间以外是直流稳定的，不希望它的端电压出现纹波、抖动、跳变等不稳定因数存在，电源去耦网络正是为这些交流成分提供了短路到地的通路。去耦电阻、去耦电容及去耦电感构成的低通网络为电源的交流成分提供一个到地的通路，它们(t men)的参数与电源提供的电流量、需要特别滤除的频率成分等相关。第四十五页，共五十五页。2023/2/945RF DBTEL电源滤波(lb)去耦网络根本构成电源去耦低通滤波网络 如右图：去耦电阻或电感-R/LDecoupling Resistor/Inductor 去耦电容-C1、C

22、2Decoupling Capacitor 以上局部部不要求全部具备，去耦电阻及去耦电感有时就可不用去耦电阻R在电路中将缓和电源上升、下降沿的速度，从而抑制(yzh)高频噪声的形成；用用电电单单元元Power BatteryDecouplingResistor/InductorDecouplingCapacitorR/LC1C2第四十六页，共五十五页。2023/2/946RF DBTEL去耦电感L在回路中必然阻碍高频交流成分到达隔离效果；有时，我们还使用扼流磁珠来获得更强的隔离效果。去耦电容由C1、C2并联分别承担低频、高频交流成分滤波的任务。电解电容C1一般(ybn)容量较大在低频时能提供好

23、的通路，而在高频时由于其寄生电感的存在阻抗将变大无法提供滤波通路；陶瓷电容C2由于其容量一般较小，所以在低频时阻抗较大无法提供滤波通路，而在高频时阻抗变小那么会有很好的滤波特性；这样可以看出C1、C2的滤波特性是互补的，需要同时利用才能得到较宽频的有效滤波范围。当然，如果需要更宽的滤波频段还可用更多不同 类型的电容并联得到。详见?高速电路板设计技术?第四十七页，共五十五页。2023/2/947RF DBTEL电源(dinyun)滤波去耦网络的应用第四十八页，共五十五页。2023/2/948RF DBTEL电源去耦电路(dinl)参数的选择C1的选择：假设电源提供(tgng)电流为I，那么 K取

24、10是经验比例 一般应用时取电容标称值在计算值附近就可以了C2的选择：C2位高频陶瓷电容，一般在0.1uF以下取值 trUBurst返回(fnhu)第四十九页，共五十五页。2023/2/949RF DBTEL其它(qt)上拉、下拉电阻数字控制信号的高频(o pn)抑制措施隔直Block电容第五十页，共五十五页。2023/2/950RF DBTEL上拉、下拉电阻 上、下拉电阻是为了防止上、下拉电阻是为了防止(fngzh)扰动引入输入端，保扰动引入输入端，保持开关状态的稳定性而设置的：持开关状态的稳定性而设置的：上拉电阻(dinz)RHPull High 下拉电阻(dinz)RLPull Low常

25、 开 常 闭 I/PI/PI/PI/PO/PO/PO/PO/PRHRHRLRLVCCVCCVCCVCC返回(fnhu)第五十一页，共五十五页。2023/2/951RF DBTEL数字控制信号(xnho)的高频抑制措施射频电路需要由CPU的控制才能有效工作，可是一般数字开关信号都带有很复杂的频率成分，这对于射频电路的稳定性能是一个很大的威胁。因此我们在控制信号到射频电路的回路(hul)中加上抑制高频干扰的电阻R，它可以有效的减缓数字信号的上升、下降沿坡度即减少高频成分。CPURFRControl Signal返回(fnhu)第五十二页，共五十五页。2023/2/952RF DBTEL隔直Bloc

26、k电容(dinrng)对于交流信号处理(chl)电路特别是信号放大电路一般不希望连同直流成分同时引入，因为直流偏置的存在很容易使得放大电路处于饱和状态，这样交流信号会被淹没不可能通过有效的放大处理(chl)单元，为此我们通常在处理(chl)电路输入端串联适当容量的隔直Block电容可以有效解决这个问题。因为电容的特性是它对一定频率以下特别是直流信号是阻滞开路Block的，而对交流信号那么形成通路的。至于电容量的大小取决于带处理(chl)交流信号的频率。放大放大(fngd)处理电路处理电路SignalBlockDCOffset0返回第五十三页，共五十五页。2023/2/953RF DBTELRe

27、ference?射频(sh pn)锁相环?分频器?高速电路板设计技术?Data Sheet：UAA3535、TXVCO、RXVCO、PA-BGY280、PCF5078、LMC33-07A0524A、lc03c 、lc66e、LDC10B140J1747返回(fnhu)第五十四页，共五十五页。2023/2/954RF DBTEL内容(nirng)总结GSM 射频工作原理与电路分析。收发合用一路天线，因此使用天线收发双工器Antenna Switch。VCO是一个电压-频率变换装置，输出振荡频率应随输。电荷泵环路低通滤波器。Vd(t)=Kdsine(t)。Transceiver根据其中频特征可分为有中频、零中频、近零中频等。通常(tngchng)衰减网络形式有：T型、型。低功率射频信号线性无失真的放大到一定功率值。无源滤波器、有源滤波器。54第五十五页，共五十五页。