手机射频基础知识

1GSM手机硬件基础知识-----射频部分手机硬件一部程微2004年5月10日2内容纲要射频基础知识GSM手机基础知识GSM手机射频主要器件介绍GSM手机主板GSM手机测试常用射频仪表校准和综测仿真技术天线基础3射频基础知识4射频基础知识多高的频率才是射频？30-300kHzLF300kHz-3MHzMF3-30MHzHF30-300MHzVHF300-1000MHzUHF1-2GHzL-Band2-4GHzS-Band4-8GHzC-Band5射频基础知识射频=RadioFrequency(RF)→无线中波广播530-1700kHz短波广播5.9-26.1MHzRFID13MHz调频广播88-108MHz(无线)电视54-88,174-220MHz遥控模型72MHz个人移动通信900MHz,1.8,1.9,2GHzWLAN,Bluetooth(ISMBand)2.4-2.5GHz,5-6GHz注：ISM＝Industrial,ScientificandMedical6移动通讯关注的频段EGSM900，双工间隔为45MHz880－915MHz上行频率925－960MHz下行频率GSM1800，双工间隔为95MHz1710-1785MHz上行频率1805-1880MHz下行频率CDMA800MHz824MHz～849MHz上行频率869MHz～894MHz下行频率WCDMAIMT1920MHz～1980MHz上行频率2110MHz～2170MHz下行频率7分布系统与集总系统分布(distributed)系统与集总(lumped)系统–环路电压和节点电流定律在任何时候都成立吗？当然，如果你的模型没错的话。–任何电路、元器件、连接线本质上都是分布系统，在某些条件下它们的分布特性可以被忽略，正如在某些条件下微积分可以简化为四则运算–对于一条长度为l的低损耗连接线和波长为λ的信号，当l0.1λ，连线可以看成理想的电路连接线(阻抗为0的集总系统)当l0.1λ，我们认为它是一个分布系统－传输线8传输线•同轴线或同轴电缆(coaxialcable)•平行双线(twin-lead,twowire)•微带线(microstrip)9波动方程和特性阻抗10元器件和寄生参数–分立无源元件的高频模型电阻、电容和电感的阻抗在高频时往往与它们的标称值有很大的偏差，这时寄生元件造成的，它们降低了元件的品质因数和自谐振频率–自谐振频率频率高到一定的程度，元件的阻抗会由原来的感性变成容性或由容性变成感性，这说明寄生效应已经占据主导地位，元件无法再工作。例如右图中一个电感电抗随频率的变化。11接收机体系结构超外差低中频或近零中频零中频或直接变换12超外差结构经典接收机架构，性能好，成本高使用混频器将高频信号搬到一个低得多的中频频率后再进行信道滤波、放大和解调解决了高频信号处理所遇到的困难。组合频率干扰射频滤波器等元器件多，不易集成13低中频结构具有与零中频结构类似的优点，同时避免了DC附近的问题要求很高的镜频抑制比，需要结合使用抑制镜频的变频结构和额外的镜频抑制措施14零中频结构及主要特点零中频接收机中LO与有用RF信道的频率相同–不存在镜像频率–不需要镜频抑制滤波器–信道选择只需低通滤波器（通常集成在射频主芯片内）直流偏移问题（DCoffset）本振泄漏和放大器直流漂移等都会造成DCoffset15发射机体系结构直接上变频(Direct-conversion)超外差式偏置锁相环发射电路（OPLL）16直接上变频–结构简单–功放对本振形成干扰(LOpullingorinjectionlocking)–本振频率可以通过加减一个偏移量来获得，从而避免LOpulling17超外差式–功放与本振之间具有良好的隔离度–第一本振频率较低，可以达到较高的调制质量–复杂度较高18偏置锁相环发射结构调制信号的带宽通过环路滤波器来控制，可以获得很好的带外抑制，杂散小只能用于恒包络调制方式19频率合成整数分频(Integer-N)频率合成器小数分频(Fractional-N)频率合成器直接数字频率合成(DDS)20PLL频率合成PLL基本原理21PLL频率合成整数分频(Integer-N)频率合成器分频的作用–输出信号经分频以后与输入参考信号进行鉴相，锁定时有fr=fo/N因此fo=Nfr改变分频比N即可获得不同的输出频率22PLL频率合成小数分频(Fractional-N)频率合成器整数分频结构简单，但是有一个很重要的缺点，它的参考信号(PD的输入)频率必须等于信道间隔(或宽度)，这带来了一些问题：–环路带宽受到参考频率限制，从而影响了响应速度以及对VCO噪声的抑制–需要很大的分频比，放大了PD输入端的噪声小数分频频率合成器的输出信号频率可以以参考信号频率的小数倍变化，解决了以上问题。23直接数字频率合成直接数字频率合成(DDS)–不需要VCO和其它环路元件，因此其相位噪声、响应速度和稳定性均优于锁相环频率合成器，并且可以对数字信号直接进行调制–最高输出频率受时钟、DAC等的限制，同时功耗较大24GSM手机基础知识25无线通信系统和信道–蜂窝通讯与频率复用–噪声与干扰的普遍存在背景噪声同信道干扰相邻和临近信道干扰来自其它系统的干扰和阻塞–无线信道的不理想性信号随传播距离迅速衰减多径衰落：不同反射路径的信号在接收天线处叠加，造成几十dB的信号起伏–决定了接收机灵敏度、动态范围、选择性，发射机功放的结构，信号的泄漏等指标26GSM手机射频部分的基本概念•GSM使用了TDMA和FDMA的复用方式•GSM900分为1-124CH，GSM1800分为512-885CH，每个信道200kHz，每个ARFCN分为8个时隙。P-GSM900手机发：890～915MHz；手机收：935～960MHz。E-GSM900手机发：880～915MHz；手机收：925～960MHz。DCS1800手机发：1710～1785MHz；手机收：1805～1880MHz。•GSM的调制方式是BT=0.3的GMSK，调制速率为270.833千波特，0.3表示了高斯滤波器的带宽和比特率之间的关系。•在GSM中，数据的比特率被选择为正好是频偏的4倍，这可以减小频谱的扩散，增加信道的有效性。27GSM的多址方案•FDMA与TDMA的混合方式•每个载波带宽为200kHz，含8个物理信道。时间频率BP15/26ms200KHz间隙28帧结构•时隙（Slot)：一个时隙为15/26ms（约0.577ms）,包含156.25个码元•突发脉冲序列（Burst）：一个时隙的物理内容称之为一个突发序列•帧（Frame）：每个TDMA帧含8个时隙，共占60/13=4.615ms•多个TDMA帧构成复帧•多个复帧构成超帧（SuperFrame）,51*26个TDMA帧•超高帧由2048个超帧构成29帧结构示意图020452046204732120443210494748500242511超高帧=2048超帧=2715648TDMA帧（3h28min53s760ms）1超帧=1326TDMA帧（6.12秒）0125245049101复帧=26TDMA帧（120ms）1复帧=51TDMA帧（3060/13ms)017654321TDMA帧=8时隙（120/26=4.615ms）BCCHCCCHSDCHTCHSACCH/TFACCHTB3加密信息比特58训练序列26加密信息比特58GP8.25TB3TB3TB3TB8TB3TB3TB3GP68.25GP8.25GP8.25加密信息比特39加密信息比特39训练序列64固定比特142同步序列41信息比特36常规突发序列（NB）接入突发序列（AB）同步突发序列（SB）频率校准突发序列（FB）TB:尾比特GP:保护期1时隙=156.25比特持续期（15/26ms）30Burst•Burst分为：常规Burst，接入Burst，FBurst和SBurst58个加密数据比特3个起始比特26个训练比特58个加密数据比特3个停止比特8.25个保护时间比特3个起始比特142个固定零比特3个停止比特8.25个保护时间比特3个起始比特39个加密数据比特41个同步比特39个加密数据比特3个停止比特8.25个保护时间比特8个起始比特64个训练比特36个加密数据比特3个停止比特68.25个扩展保护时间比特3个起始比特58个混合比特26个训练比特58个混合比特3个停止比特8.25个保护时间比特FCCH突发序列正常突发序列SCH突发序列RACH突发序列伪突发序列31GSM手机射频部分框图前端开关(Front-endSwitchModel)收发芯片(Transeiver)功率放大器+功率控制芯片(PA+PAControlIC)温补压控晶体振荡器(TCVCXO)GSM900(Rx)GSM1800(Rx)天线基带芯片(B.BBlock)IQIQClockDataLeAFCAPC(PA_Lever)GSM900(Tx)GSM1800(Tx)RefClockcontrol32手机射频主芯片的发展趋势射频方案ADIOthelloADIOthellooneADIOthelloTVTIPascalTIRitaSkyworks74073单片射频模块接收机体制零中频零中频零中频超外差零中频零中频频段双频段三频段四频段双频段3个LNA（号称4频段）双频段内置VCO本振的RFVCO和发射的VCO均外接本振的RFVCO和发射的VCO均外接是本振的RF/IFVCO集成在主芯片内，发射的外接是是内置LDO否是否是否内置功率控制环路否是否是是是是33接收机的主要技术指标•1.灵敏度是指接收机在满足一定误码率性能条件下接收机需输入的最小信号电平。参考灵敏度电平≤-102dBm（GSM900/GSM1800）•2.阻塞和杂散响应指在非杂散相应或邻频道的频率上，存在一个强无用信号的情况下，接收机接收有用的信号时，其性能不低于给定指标的能力。34发射机的主要技术指标频率误差和相位误差频率误差≤110-7相位误差均方根值（RSM）≤5°相位误差峰值≤20°发射输出功率考虑到开关和传输的损耗RF模块的输出功率：GSM900：最大输出33±2dBm,DCS1800：最大输出30±2dBm,发信功率控制GSM900功率控制等级：5――19级，每级2dBDCS1800功率控制等级：0――15级，每级2dB输出射频频谱是由于调制和功率切换等原因由MS在标称载频的邻近边带上产生的射频频谱，它包括调制频谱和切换瞬态频谱。35GSMTDMA功率包络-30-6-1+1+41081014710810t(us)P(dB)0图1功率/时间分布。36GSM手机主要射频器件37GSM手机主要器件介绍主要器件前端开关（ASM/FEM）收发芯片（Transceiver）压控振荡器（VCO）锁相频率合成器压控温补晶体振荡器（VCTCXO）功率放大器（PA）38前端开关（ASM/FEM）集成了一个双工器+两个T/R开关+两个低通滤波器，类似于一个集成的单刀四掷开关，分别在GSM的收发之间和DCS的收发之间进行转换。它可以加大功放的工作时隙和非工作时隙之间的隔离。通常FEM还包括两个SAW滤波器。39前端开关（ASM/FEM）FEM内部照片JUN.2002GSMROADMAP0206.PPT*Allinformationcontainedhereissubjecttochangewithoutpriornotice.Preliminary&ConfidentialMultilayerProductsDep.,ComponentsDiv.?射频主芯片（Transceiver）射频主芯片通常包括以下部分：频率合成器（通常是分数分频）接收机（目前零中频最流行）OPLL发射通道内置VCO41Pascal超外差射频方案42Othello零中频方案43OthellooneTV零中频方案44AeroI近零中频射频方案45射频功率