手机的构造及其工作原理

桂林电子科技大学毕业设计（论文）原文用纸第1页共15页手机的构造及其工作原理手机包括四个系统：音频逻辑系统：完成音频数字信号的处理以及手机音频控制各部分的逻辑。射频系统：完成信号的接收和传输，是手机与基站之间信息交换的桥梁。人机接口系统：实现人机之间的沟通交流，供用户查看运行结果。电源系统：手机及其所需的各种电压来源于由手机电池，手机内部的电池电压需转换为多种不同的电压，以供手机的不同部件使用。1、音频逻辑系统逻辑控制可分为音频逻辑和音频信号处理两部分。它是完整的数字信号处理和手机工作的管理和控制。1.1逻辑电路部分手机逻辑电路主要由CPU和存储器组成。在手机程序存储器中，存储主程序、主存储芯片手机机身码(俗称串号)和一些检测程序、如电池检测、电压显示检测程序等的主要工作是字体(版本)。CPU与存储器组通过总线和控制线连接。所谓总线，是由4到20根功能性质一样的数据传输线组成。所谓控制线，是指获得各项操作指令的CPU存储器通道，例如芯片选择信号、复位信号、监视信号和读写信号等。在存储器的支持下，CPU才能发挥其复杂多样的功能。如果没有存储器或其中某些部分出错，手机就会出现软件故障。CPU对音频部分和射频部分的控制处理也是通过控制线完成的，这些控制信号一般包括静音(MUTE)、显示屏使能(LCDEN)、发光控制(LIGHT)、充电控制(CHARGE)、接收使能(RXON/RXEN)、发送使能(TXON/TXEN)、频率合成器使能(SYNEN)、频率合成器时钟(SYNCLK)等。这些从CPU部分、射频部分和电源部分发出的控制信号扩展到音频信号，以完成手机复杂的控制工作。所有工作电路都需要设置时间，即前面所说的13MHz。部分机型为26MHz或19.5MHz，使用前需在机内进行分频。还有一块实时时钟晶体，其特殊频率为32.768kHz。主要功能为，为显示屏提供正确的时间显示及让手机处于睡眠状态。早期机型无该晶体，所以没有时间显示和睡眠功能。1.2音频电路1.2.1接收音频处理电路接收机通过解调得到的接收机基带信号被送到逻辑音频电路进行处理。当接收信号时，通过低噪声放大、混频、中频放大、RXI／Q解调，电路天线接收到的射频信号解调出67．707kHz模拟基带信号，模拟基带信号进一步进行GMSK解调(模数转换)，在DSP电路内进行解码和去交织，然后经过语音编码进行通道解码，得到64kbit／s的数字信号，最后进行PCM解码，经驱动听筒扩大发音来产生模拟语音信号。桂林电子科技大学毕业设计（论文）原文用纸第2页共15页1.2.2发射音频处理电路发射时，话筒传播的模拟语音信号，在音频部分进行PCM编码，得到64kbit／s的数字信号，通过语音编码、信道编码、加密、交织、GMSK调制(数模转换)，最后得到67.768kHz的模拟基带信号，被送往解调电路以进行变频处理。1.3其他逻辑功能电路其它逻辑电路还包括铃音电路、振动电路、键盘电路、背景灯电路、键盘灯电路、SIM卡电路和实时时钟电路等（服务指示灯电路不属于该类电路）。2、射频系统2.1射频接收功能电路2.1.1射频接收电路接收电路基本结构。手机接收机有三种基本结构：一、超外差一次变频接收机；二、超外差二次变频接收机；三、直接变频线性接收机。超外差变频接收机的核心电路是混频器，根据混频器中的电话数量，可确定接收机电路的结构。移动通信设备通常使用超外差变频接收机。因为天线感应接收到的信号十分微弱，而变频器所要求的输入信号一般较高且较稳定。一般来说，放大器的总接收量高于120dB。如此大的接收量，需使用稳定的多级调谐放大器，但是，这在实际操作中是很难办到的。此外，高频选频放大器通带的宽度一般都过大，当进行频变时，多级放大器所有的调谐回路须作出相应改变，且须做到协调一致，这在现实操作中也是很难实现的。使用超外差接收机则无需担忧此类问题，它可以把接收到的射频信号转换成固定不变的中频，它的接收量主要来源于稳定的中频放大器。1、超外差一次变频接收机。只有一个混频电路的射频电路接收机叫超外差一次变频接收机。超外差一次变频接收机包括天线电路(ANT)、低噪声放大器(LNA)、混频器(Mixer)、中频放大器(IFAmplifier)和解调电路(Demodulator)等。应用于摩托罗拉手机的接收电路基本上都采用以上电路。超外差一次变频接收机运行程序为：天线感应到的蜂窝式无线信号(935-960MHz频段的GSM900或1805-1880MHz频段的DCSl800)不断变频，经过天线电路和射频滤波器后进入接收电路。接收到的信号先经低噪声放大器放大，放大后的信号再经射频滤波器送到混频器。在混频器内，射频信号与接收VCO信号进行混频，以获取接收中频信号。中频信号经中频放大后，在中频处理模块中进行RXI／Q解调，解调采用的参考信号来自VCO接收中频。该信号首先在中频处理电路中进行分频，然后与接收中频信号进行混频，得到67.707kHz的RXI／Q信号。解调电路也包括VCO，值得注意的是，该部分的VCO信号仅用于解调，参考信号和VCO信号一般来来源于两种途径：一、来自13MHz基准频率信号；二、来自特定的桂林电子科技大学毕业设计（论文）原文用纸第3页共15页VCO中频。2、超外差二次变频接收机。若接收机射频电路中有两个混频电路，则该机是超外差二次变频接收机。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在一些电路中被叫作IFVCO或VHFVCO。诺基亚手机、爱立信手机、三星、松下和西门子等手机的接收电路大多数属于这种电路结构。超外差二次变频接收机运行程序是：天线感应到的蜂窝式无线信号(935-960MHz频段的GSM900或1805-1880MHz频段的DCSl800)经果天线电路和射频滤波器后，进入接收电路。接收到的信号先经低噪声放大器放大，放大后的信号再经射频滤波后被送到第一混频器。在第一混频器内，射频信号接收VCO信号进行混频，以获得接收第一中频信号。第一中频信号与接收第二本机震动信号混频，得到接收第二中频。接收第二本机震荡来自VHFVCO电路。接收第二中频信号经二中频放大后，在中频处理模块中进行RXI／Q解调，解调采用的参考信号来自VCO接收中频。该信号先在中频处理电路内分频，然后与接收中频信号进行混频，得到67.707kHz的RXI／Q信号。3、直接变频线性接收机。随着手机的改革，部分手机采用了直接变频线性接收电路，如诺基亚3310、8210、8250等型号手机。但在直接变频线性接收机中，混频器输出的是RXVQ信号。但不管电路结构如何变化，总会有相似之处，也就是：信号先由天线到达低噪声放大器，再经变频率变换单位，最后进入语音处理电路。2.1.2天线电路天线电路是手机首级电路接收电路，也是最终级电路发射电路。其主要功能如下：一、通过天线把电磁波转化为高频电流，并输送到接收电路；二、分离发射及接收信号，以避免两者互扰。因为GSM手机采用了TDMA技术，接收机与发射机间歇工作，受逻辑电路的控制，天线开关在特定的时限间歇连接接收机或发射机通道；三、可应用于切换内接或外接天线电路；四、对于双频或三频手机，天线电路还可分辨GSM900MHz、PCNl900MHz或GSMl800MHz信号。目前，手机天线电路主要采用下面所介绍的三种形式：1、天线开关电路。一般而言，天线开关电路包括集成电路和外接元件，如摩托罗拉P7689手机。该手机采用了此方式，主要由U150、U151及相关外接元件组成。该天线开关电路主要有以下作用：一、用于ANTl内置天线与EXT-ANT外接收天线进行切换；二、用于收发信号切换；三、用于接收信号900MHz、1800MHz和1900MHz切换。外接天线与J600底部接插座的前两只脚连接，其中，INT-2为1800MHz频段信号输出，1NT-3为900MHz和1900MHz频段信号输出，RX275-DCS为DCS频段控制信号，RX275-GSM-PCS为GSM、PCN频段控制信号，这些信号均全部来源于CPU；TXIN为发射信号输入，RF-V1是收发切换器正电源，TXON是发射允许信号，RX-0N是接收允许信号，FILTERED是负电源。天线开关电路包括四组控制信号：桂林电子科技大学毕业设计（论文）原文用纸第4页共15页(1)天线开关内的U151的2脚所输出的U150控制ANTl信号，转向接收电路或转向发射电路。(2)天线开关内的U151的3脚所输出的U150控制ANT2信号，转向接收电路或转向发射电路。(3)RX275-DCS内的DCS频段U150控制信号，和内置或外接天线连接。(4)RX275-GSM-PCS内的GSM、PCN频段U150信号控制，和内置或外接天线连接。2、分离滤波器。部分手机的天线电路采用了分离滤波器（分离器）。分离器属于无源器件，包括发射滤波器和内接滤波器，两者均属于带通滤波器。分离器有三个端口，即天线接口公共端、发射输出端和接收输入端。诺基亚5110手机采用的就是该种天线电路。分离器天线的ANT端及RX端是信号接收的输出端，TX端是信号发射的输入端。3、双信器。部分手机的天线电路采用了双信器(Diplexer)。事实上，双信器与分离滤波器相类似，不同的是，双信器除了区分开发射信号与接收信号之外，还把GSM900MHz和GSMl800MHz信号区分开。诺基3310手机的天电路采用的就是该种双信器。双信器是为附带双信器组件的开关电路，TXVGSM和TXVDCS为控制端。GSM-TX代表GSM的发射端口，GSM-RX代表接收端口；DCS-TX代表1800MHz收发信机的发射端口，DCS-RX代表接收端口。双信器分离的是GSM射频信号和DCS射频信号，而开关电路分离的则是发射射频信号和接收射频信号。诺基亚3310手机采用了内置天线。天线感应接收到的蜂窝式无线信号转换为高频电信号，该类信号包括GSM900接收射频信号、DCSl800接收射频信号以及其他多余信号。天线接收到的射频信号最先到达Z502。Z502为包含射频开关的双信器。它负责切换GSM射频信号通道及DCS射频信号通道，同时也负责分离接收射频信号与发射射频信号。Z502控制信号来源于N500模块。如果TXVGSM信号有效，Z502会自动把天线连接GSM接收机及发射机电路；如果TXVDCS信号有效，Z502则会自动把天线连接DCS接收机及发射机电路。综合以上分析可得出，在电路结构和功能上，双信器与天线开关类似，不一样的是，天线开关集成电路只有一组开关而无滤波器，但双信器不仅包含分离滤波器，还包含开关电路。2.1.3低噪声放大电路在电路中，低噪声放大器主要负责放大天线感应到的微弱射频信号，以符合混频器对输入信号幅度的要求。低噪声放大器在手机电路图中采用的是其缩写LNA(LowNoiseAmplifier)。低噪声放大器位于天线电路后面，为接收机的首级放大电路。射频滤波器一般安置桂林电子科技大学毕业设计（论文）原文用纸第5页共15页在低噪声放大器的前面和后面。低噪声放大器为一个高频小信号放大器，该放大器的三极管要求截止频率大，放大倍数高，噪声系数小。首级信号非常微小，而工作点往往处于较低位置，加上电流负反馈，减小噪音尤其必要。高频放大电路采用了低噪声放大器，以降低接收机的总噪声系数，且高频放大器还可防止RXVCO信号从天线路径放射出去。低噪声放大器的分离元件通常采用共发射极电路，以放大微弱的射频信号，弥补射频滤波器的插入损耗。从低噪声性能出发，低噪声射频晶体管放大器所需的偏压或偏流，都是电抗滤波器提供的。如此可避免电源噪声及偏置电阻热噪声进入射频通道，影响放大器降低噪声的性能。摩托罗拉P7689手机所采用的GSM900低噪声放大器电路。在该手机的电路中，Q400三极管为低噪声放大器的核心元件，Q400和周围的元件共同构成GSM900低噪声放大器。在此放大器中，C402为输入电容，C405为集电极输出电容。LA02、R401、C403等元件共同构成了一个电抗滤波供电电路，可对RX-275-GSM