手机原理2

第二部分 原 理 篇 四．中频放大器 接收机的中频放大器主要是将混频器输出的信号进行大幅度提升,以满足解调电路的需要。接收机的主要增益也来自中频放大器，中频放大器损坏常会造成手机接收差的故障。 移动通信接收机均要使用中频放大器。中频放大器最主要的作用是： 获取高增益：与射频放大部分相比,由于中频频率固定,并且频率较低,可以很容易地得到较高的增益,因而可以为下一级提供足够大的输人。 提高选择性：接收机的邻近频率选择性一般由中频放大器的通频带宽度决定。 对于中频放大器,不仅需要得到高的增益、好的选择性,还要有足够宽的通频带和良好的频率响应、大的动态范围等。而接收机的邻近信道选择性一般由中频放大器的通频带宽度决定，由于中频信号为单一的固定频率,其通频带可最大限度地做得很小,以提高相邻信道选择性。在实际工程上,一般采用多级放大器,并使每级实现某一技术要求，就电路形式而言,第一级中频放大器多采用共发射极电路,最后一级中频放大器多采用射极输出电路。不论接收机采用一次或二次变频技术,中频放大器总是位居下变频（即混频）之后。 为避免镜频干扰,提高镜频选择性,接收机通常采用降低第一本机振荡频率、提高第一中频频率和多次变频的方法,使信号频谱逐渐由射频搬移到较低频率上。 分离元件的中频放大器电路形式与低噪声放大器的电路形式很相似,也是一个共发射极电路,只是它们工作的频点不一样。 摩托罗拉手机中通常使用分离元件的中频放大器,其他手机的中频放大器通常都是在一个集成电路中。图1-26是cd928手机的中频放大器。 - 图 1-26 cd 928中 频 放 大 器 中频放大器的电路形式与低噪声放大器的电路形式差别不大,但它们工作的频段不同。低噪声放大器是一个宽带放大器,而中频放大器是一个窄带放大器。中频放大电路的信号通路和偏压、电源的查找与低噪声放大器的方法一样,读者可自行分析。 在集成的中频放大器中查找信号通道等相对困难些,它不是一个单一的电路,通常存在于一个复合电路中,尽管如此，它总是有规律可寻的。图1-27（一）所示的是GD90的中频电路，从手机的电路结构知识可以知道：中频放大器总是置于混频后,所以只要掌握混频电路,则较容易找到中频放大器。请仔细观察图1-27（一）和图1-27（二）中的黑色方块。 图 1-27（一） 图 1-27（二） 图1-27（一）所示的是GD90的中频放大器查找示意图。根据手机电路结构可知,中频放大器位于混频器之后(输出端后)；我们知道,混频器的英文缩写是MIX。那么,在图1-27（一）中,可以看到集成电路的42、43脚有MIX OUT的字样,MIX代表混频器,OUT表示输出,结合前面提到的知识,则中频放大器可以从这个集成电路的42、43脚开始查找。跟着线路,可以发现,集成电路29、30脚上有IF IN的字样(IF代表中频IN是输人),所以29、30脚是中频放大器的输人端。 注！图1-27（一）和图1-27（二）都是集成的中频处理电路,要识别它们就需从手机的电路结构以及手机电路中的英文缩写去分析(请注意图中所指的英文缩写)。 诺基亚8810、232中频放大器查找示意图 五．解调电路 接收机的解调电路是把包含在接收中频信号中的语音信息或各种信令信息还原出来,得到中心频率为67.707kHz的RXI/Q信号。在接收机电路中,解调电路输出的RXI/Q信号是检修接收机电路的一个关键信号。 在移动通信中,常用的解调技术有锁相解凋器、正交鉴频解调器等。 PLL（锁相环）可以跟踪输人信号,它可以用作解调。图1-28为一个锁相解调器的方框图。摩托罗拉87系列和928系列手机采用的就是锁相解调器87的锁相解调器中鉴频器的参考频率由216Mz的振荡器提供,而928的锁相解调器的参考信号则来自430MHz的振荡器。鉴相器通过对输入的两个信号的相位比较,输出一跟踪调制信号的低频信号,通过低通滤波器滤去高频噪声,即得到解调输出。 图 1-28 图1-29为正交鉴频器的原理框图。在正交鉴频器中,相移网络将频率的变化变换为相位的变化,乘法器将相位的变化变换为电压的变化。将调频信号与其移相信号相乘,通过低通滤波器将乘法器的输出信号中的高频成分滤出,就得到了解调信号。通常,在现代的通信设备的电路中,除正交线圈外,鉴频器的其他电路均被集成在芯片内。 图 1-29 需注意的是,这里所说的解调,是指接收射频电路中将包含信息的射频或中频信号还原出67.707kHz的基带信号的解调(针对GSM手机而言)。在逻辑音频电路中还有一个解调——GMSK的解调,它是将67.707kHz的信号还原出数码信号。 诺基亚8850解调查找示意图 图 1-30 不同手机解调查找示意图 摩托罗拉、诺基亚手机与三星等手机电路使用的都是锁相解调。在三星SGH-600手机电路中,接收第二中频是45 MHz,解调用的参考信号来自IFⅤCO信号(540 MHz)的12分频。 接收机的解调电路输出的是接收机基带信号,该信号的中心频率为67.707MHz.摩托罗拉、诺基亚、爱立信等手机的RXI/Q信号都有2条信号线；而GD90等则有4条RXI/Q信号线，所以RX I/Q的输出就成了解调电路的标志,参见图1-30。 以上两图是用数字示波器测得的RXI/Q信号。 六．振荡电路 在电子设备中,振荡器的用途极为广泛。振荡电路的种类很多,按其工作原理,可分为反馈型振荡电路、负阻型振荡电路、多谐振荡电路(张弛振荡)；按使用元件,又分为IC振荡器、RC振荡器、晶体振荡器等。 按需要,振荡器可产生正弦波、脉冲波等。振荡器以放大器为基础,引入正反馈即可得到振荡电路如图1-31所示。产生振荡的条件有两个：正反馈和环路增益为1。 图 1-31 1．LC荡器 把只由L和C构成的反馈电路称为LC振荡器。LC振荡器有调谐型和三元件型。它们包括集电极调谐型振荡器、基极调谐型振荡器、发射极调谐型振荡器；三点式的有，电容三点式振荡器和电感三点式振荡器。 2．RC振荡器 把由R和C构成的反馈电路称为RC振荡器,RC振荡器有电桥式和移相式。移相式又分为HP型和LP。HP是High Pass的缩写,即反馈电路由高通滤波器构成。LP是Low Pass的缩写即指反馈电路由低通滤波器构成。 图1-32（a）为RC移相振荡电路，通常用于频率需求较低的情况下。无绳电话中的导频的产生、呼叫信号的产生多采用这种电路。可调电阻R5用于调较振荡频率。图1-32(b)为维恩电桥振荡器。 （a） RC移相振荡器 （b）维恩电桥振荡电路 图 1-32 3．晶体振荡器 在移动通信中，以动台需要能够根据实时分配到的话音信道改变自己的工作频率，这就要求必须有足够精度、稳定性好的频率合成器。而且随着通信技术的发展,对频率的稳定性和准确度的要求越来越高。在移动通信中,为了减少移动台之间或与基站间的相互干扰,常常要求频率稳定度优于10-5。而RC和LC都难达到这个精度。 只有高精度、高稳定性的振荡才可以减小因频率偏移而造成的邻近信道干扰。 石英晶片具有压电效应,能做成谐振器,且晶片本身的固有机械振动频率只与晶片的几何尺寸有关,其振动频率可以做得非常精确稳定。利用石英晶体振荡器可把振荡频率稳定度提高几个数量级。 在石英晶片的两面镀银,引出电极,然后封装在由金属或胶木、玻璃等材料制成的外壳里就得到晶体振荡器。石英晶体可以用人工合成,也可将天然晶体切割成晶片。 晶体用于振荡电路的形式较多。诺基亚2110的DSP(数字语音处理器)时钟振荡器为其中的一种,它构成射极跟随器,也被称为萨巴罗夫电路。 虽然晶体振荡器的振荡频率稳定,但由于某些客观因素的影响,使频率稳定度变差。晶体振荡器的频率稳定度主要受三种因素的影响： ①是负载效应。减小负载效应一般是加隔离器,如射极跟随器等。2110的DSP时钟振荡器为射极输出,其带负载的能力就比较强,但为提高稳定度,其后还加了一级射极输出器,并采用变压器耦合加以隔离。图1-33就是一个射极输出的晶体振荡电路。 图 1-33 ⑵是推频效应。所谓推频效应,即由于供电系统条件发生改变,致使振荡电压源和电流发生改变、振荡器件的工作参数发生改变,最终使振荡器出现频率漂移。所以对其电压源要求较高,在移动电话内一般均使用专门的、比较精确的电源。如摩托罗拉168手机的VCO电源就通过了两次稳压。在诺基亚232和摩托罗拉168手机的发射接收VCO电路中,为了使振荡管具有较稳定的偏置,除了采用高精度的稳压电源外,还采用了固定分压偏置的共发射极电路。 图 1-34 ③是温度效应。晶体振荡器受温度的影响比较大,一般采用温度补偿或将振荡器放入恒温环境中来解决，温度补偿法包括模拟温度补偿、数字温度补偿及模拟—数字温度补偿法二大类。温度补偿电路有电容补偿电路及热敏网络补偿电路；电容补偿方法简单,但补偿范围较窄,一般在0～50℃之间,补偿精度一般可达到±5×106。而热敏网络补偿电路则用得较多,其补偿范围宽,在-40～70℃之间,补偿精度可达到±0.2×106。其原理图如图1-34所示。利用热敏网络给变容二极管提供一个随晶体工作环境变化的反向偏压,通过变容二极管电容的变化来补偿晶体振荡器因温度而导致的频率漂移。 在实际的移动电话电路中,目前多使用温度补偿压控振荡器组件(VCTXO)。如诺基亚232的14.85MHz振荡器和摩托罗拉168的16.8MHz振荡器,它们被封装在一个金属外壳里,与外界环境隔开。前者为接收发射VCO及PLL锁相环电路提供基准频率；后者既为射频电路提供基准频率,又为逻辑电路提供时钟信号。 七．锁相频率合成器 1．频率合成 在现代的移动通信中,常要求系统能够提供足够的信道,移动台也需能根据系统的控制变换自己的工作频率,这就需提供多个信道的频率信号。然而使用多个振荡器是不现实的，在工程中,通常使用频率合成器来提供有足够精度、稳定性好的工作频率。 将一个或多个基准频率信号变换为另一个或多个所需频率信号的技术称为频率合成,或频率综合技术。移动电话通常使用的是带锁相环的频率合成器。图1-35为一个频率合成器的方框图。 图1-35频率合成器的一般方框图 我们设参考振荡信号为f1,VCO输出信号为f2,分频器输出的信号为f2/N,这整个环路的控制目的就是要使f1=f2/N。 在手机电路中,一个频率合成系统通常包含几个频率合成环路：接收VCO频率合成环路、接收中频VCO频率合成环路、发射中频VCO频率合成环路等。不管是哪一个频率合成环路,其电路结构均如图1-35所示。 （1）．参考振荡 参考振荡在频率合成乃至在整个手机电路中都是很重要的。在手机电路中,特别是GSM手机中,这个参考振荡被称为基准频率时钟电路,它不但给频率合成环路提供参考信号,还给手机的逻辑电路提供信号，如该电路出现故障,手机将不能开机。 手机电路中的参考振荡都使用晶体振荡电路。而且,大多数手机中使用的是一个基准频率时钟VCO组件。在GSM手机中,这个组件输出频率是13 MHz,有时它被称为13MHz晶体。事实上它是一个VCO组件,13 MHz晶体及VCO电路中的晶体管及变容二极管等器件被封装在一个频率罩内(参见13MHz晶体振荡器的识别)。 13MHz振荡电路受逻辑电路提供的AFC(自动频率控制)信号控制。由于GSM手机采用时分多址(TDMA)技术,以不同的时间段(Slot,时隙)来区分用户,故手机与系统保持时间同步就显得非常重要。若手机时钟与系统时钟不同步,则会导致手机不能与系统进行正常的通信。 在GSM系统中,有一个公共的广播控制信道(BCCH),它包含频率校正信息与同步信息等。手机一开机,就会在逻辑电路的控制下扫描这个信道,从中获取同步与频率校正信息，如手机系统检测到手机的时钟与系统不同步,手机逻辑电路就会输出AFC信号。AFC信号改变13MHz电路中VCO两端的反偏压,从而使该VCO电路的输出频率发生变化,进而保证手机与系统同步。 图 1-36 图1-36是部分手机电路中的13MHz电路(基准频率时钟电路)。 由手机基准频率时钟电路图我们可以发现,不管是哪个厂家的电路,在13MHz电路中，都可以看到AFC的字样,所以“AFC”是我们寻找13MHz振荡电路的一个关键。 当然,不同手机的基准频率时钟电路也有一些不同的标识,如图1-26所示。 诺基亚8810图中G801的3脚是控制端,1脚是输出端,2脚是电源端。 松下GD90图中,U350是一个VCO组件。其4脚是电源端,3脚是输出端,2脚是接地端,1脚是控制端,Q350电路是一个VCO的缓冲放大器。 诺基亚6150的图中,G650是一个VCO组件。其1脚是输出端,2脚是电源端,3脚是接地端,4脚是控制端,V600是ⅤCO的缓冲放大器。 上图中除cd928中的基准频率时钟电路使用的是一个单一的晶体与集成电路内的电路构成振荡电路外,其他几幅图中的基准频率振荡电路均使用的基准频率时钟振荡组件。这些VCO组件都有4个端口：电源端；接地端；输出端与控制端(参见VCO的识别部分).。读图时应注意图中所指示的一些电路标识。