什么是射频、基带、调制、解调 -- 以 手机射频电路为例图解

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本文来自微波仿真论坛
 
1.手机射频工作原理与电路分析
 
2.图解手机射频电路的设计原理及应用
 
3.手机里的射频芯片和基带芯片是什么关系?
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▲图解手机射频电路的设计原理及应用
 
1射频电路组成和特点
 
普通手机射频电路由接收通路、发射通路、本振电路三大电路组成。其主要负责接收信号解调;发射信息调制。早期手机通过超外差变频(手机有一级、二级混频和一本、二本振电路),后才解调出接收基带信息;新型手机则直接解调出接收基带信息(零中频)。更有些手机则把频合、接收压控振荡器(RX—VCO)也都集成在中频内部。
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(射频电路方框图)
 
(一)接收电路的结构和工作原理:
 
接收时,天线把基站发送来电磁波转为微弱交流电流信号经滤波,高频放大后,送入中频内进行解调,得到接收基带信息(RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N);送到逻辑音频电路进一步处理。
 
该电路掌握重点:
 
(1)、接收电路结构。
 
(2)、各元件的功能与作用。
 
(3)、接收信号流程。
 
电路分析:
 
(1)、电路结构。
 
接收电路由天线、天线开关、滤波器、高放管(低噪声放大器)、中频集成块(接收解调器)等电路组成。早期手机有一级、二级混频电路,其目的把接收频率降低后再解调(如下图)。
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(接收电路方框图)
 
(2)、各元件的功能与作用。
 
1)、手机天线:
 
结构:(如下图)
 
由手机天线分外置和内置天线两种;由天线座、螺线管、塑料封套组成。
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作用:
 
a)、接收时把基站发送来电磁波转为微弱交流电流信号。
 
b)、发射时把功放放大后的交流电流转化为电磁波信号。
 
2)、天线开关:
 
结构:(如下图)
 
手机天线开关(合路器、双工滤波器)由四个电子开关构成。
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(图一)(图二)
 
作用:其主要作用有两个:
 
a)、完成接收和发射切换;
 
b)、完成900M/1800M信号接收切换。
 
逻辑电路根据手机工作状态分别送出控制信号(GSM-RX-EN;DCS- RX-EN;GSM-TX-EN;DCS- TX-EN),令各自通路导通,使接收和发射信号各走其道,互不干扰。
 
由于手机工作时接收和发射不能同时在一个时隙工作(即接收时不发射,发射时不接收)。因此后期新型手机把接收通路的两开关去掉,只留两个发射转换开关;接收切换任务交由高放管完成。
 
3)、滤波器:
 
结构:手机中有高频滤波器、中频滤波器。
 
作用:
 
其主要作用:滤除其他无用信号,得到纯正接收信号。后期新型手机都为零中频手机;因此,手机中再没有中频滤波器。
 
4)、高放管(高频放大管、低噪声放大器):
 
结构:手机中高放管有两个:900M高放管、1800M高放管。都是三极管共发射极放大电路;后期新型手机把高放管集成在中频内部。
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(高频放大管供电图)
 
作用:
 
a)、对天线感应到微弱电流进行放大,满足后级电路对信号幅度的需求。
 
b)、完成900M/1800M接收信号切换。
 
原理:
 
a)、供电:900M/1800M两个高放管的基极偏压共用一路,由中频同时路提供;而两管的集电极的偏压由中频CPU根据手机的接收状态命令中频分两路送出;其目的完成900M/1800M接收信号切换。
 
b)、原理:经过滤波器滤除其他杂波得到纯正935M-960M的接收信号由电容器耦合后送入相应的高放管放大后经电容器耦合送入中频进行后一级处理。
 
5)、中频(射频接囗、射频信号处理器):
 
结构:
 
由接收解调器、发射调制器、发射鉴相器等电路组成;新型手机还把高放管、频率合成、26M振荡及分频电路也集成在内部(如下图)。
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作用:
 
a)、内部高放管把天线感应到微弱电流进行放大。
 
b)、接收时把935M-960M(GSM)的接收载频信号(带对方信息)与本振信号(不带信息)进行解调,得到67.707KHZ的接收基带信息。
 
c)、发射时把逻辑电路处理过的发射信息与本振信号调制成发射中频(后述)。
 
d)、结合13M/26M晶体产生13M时钟(参考时钟电路)。
 
e)、根据CPU送来参考信号,产生符合手机工作信道的本振信号(后述)。
 
(2)、接收信号流程。(参照零中频手机)
 
手机接收时,天线把基站发送来电磁波转为微弱交流电流信号,经过天线开关接收通路,送高频滤波器滤除其它无用杂波,得到纯正935M-960M(GSM)的接收信号,由电容器耦合送入中频内部相应的高放管放大后,送入解调器与本振信号(不带信息)进行解调,得到67.707KHZ的接收基带信息(RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N);送到逻辑音频电路进一步处理。
 
(二)、发射电路的结构和工作原理:
 
发射时,把逻辑电路处理过的发射基带信息调制成的发射中频,用TX-VCO把发射中频信号频率上变为890M-915M(GSM)的频率信号。经功放放大后由天线转为电磁波辐射出去。
 
该电路掌握重点:
 
(1)、电路结构。
 
(2)、各元件的功能与作用。
 
(3)、发射信号流程。
 
电路分析:
 
(1)、电路结构。
 
发射电路由中频内部的发射调制器、发射鉴相器;发射压控振荡器(TX-VCO)、功率放大器(功放)、功率控制器(功控)、发射互感器等电路组成。(如下图)
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(发射电路方框图)
 
(2)、各元件的功能与作用。
 
1)、发射调制器:
 
结构:发射调制器在中频内部,相当于宽带网络中的MOD。
 
作用:发射时把逻辑电路处理过的发射基带信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)与本振信号调制成发射中频。
 
2)、发射压控振荡器(TX-VCO):
 
结构:发射压控振荡器是由电压控制输出频率的电容三点式振荡电路;在生产制造时集成为一小电路板上,引出五个脚:供电脚、接地脚、输出脚、控制脚、900M/1800M频段切换脚。当有合适工作电压后便振荡产生相应频率信号。
 
作用:把中频内调制器调制成的发射中频信号转为基站能接收的890M-915M(GSM)的频率信号。
 
原理:
 
众所周知,基站只能接收890M-915M(GSM)的频率信号,而中频调制器调制的中频信号(如三星发射中频信号135M)基站不能接收的,因此,要用TX-VCO把发射中频信号频率上变为890M-915M(GSM)的频率信号。
 
当发射时,电源部分送出3VTX电压使TX-VCO工作,产生890M-915M(GSM)的频率信号分两路走:a)、取样送回中频内部,与本振信号混频产生一个与发射中频相等的发射鉴频信号,送入鉴相器中与发射中频进行较;若TX-VCO振荡出频率不符合手机的工作信道,则鉴相器会产生1-4V跳变电压(带有交流发射信息的直流电压)去控制TX-VCO内部变容二极管的电容量,达到调整频率准确性目的。b)、送入功放经放大后由天线转为电磁波辐射出去。
 
从上看出:由TX-VCO产生频率到取样送回中频内部,再产生电压去控制TX-VCO工作;刚好形成一个闭合环路,且是控制频率相位的,因此该电路也称发射锁相环电路。
 
3)、功率放大器(功放):
 
结构:目前手机的功放为双频功放(900M功放和1800M功放集成一体),分黑胶功放和铁壳功放两种;不同型号功放不能互换。
 
作用:把TX-VCO振荡出频率信号放大,获得足够功率电流,经天线转化为电磁波辐射出去。
 
值得注意:功放放大的是发射频率信号的幅值,不能放大他的频率。
 
功率放大器的工作条件:
 
a)、工作电压(VCC):手机功放供电由电池直接提供(3.6V)。
 
b)、接地端(GND):使电流形成回路。
 
c)、双频功换信号(BANDSEL):控制功放工作于900M或工作于1800M。
 
d)、功率控制信号(PAC):控制功放的放大量(工作电流)。
 
e)、输入信号(IN);输出信号(OUT)。
 
4)、发射互感器:
 
结构:两个线径和匝数相等的线圈相互靠近,利用互感原理组成。
 
作用:把功放发射功率电流取样送入功控。
 
原理:当发射时功放发射功率电流经过发射互感器时,在其次级感生与功率电流同样大小的电流,经检波(高频整流)后并送入功控。
 
5)、功率等级信号:
 
所谓功率等级就是工程师们在手机编程时把接收信号分为八个等级,每个接收等级对应一级发射功率(如下表),手机在工作时,CPU根据接的信号强度来判断手机与基站距离远近,送出适当的发射等级信号,从而来决定功放的放大量(即接收强时,发射就弱)。
 
附功率等级表:
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6)、功率控制器(功控):
 
结构:为一个运算比较放大器。
 
作用:把发射功率电流取样信号和功率等级信号进行比较,得到一个合适电压信号去控制功放的放大量。
 
原理:当发射时功率电流经过发射互感器时,在其次级感生的电流,经检波(高频整流)后并送入功控;同时编程时预设功率等级信号也送入功控;两个信号在内部比较后产生一个电压信号去控制功放的放大量,使功放工作电流适中,既省电又能长功放使用寿命(功控电压高,功放功率就大)。
 
(3)、发射信号流程。
 
当发射时,逻辑电路处理过的发射基带信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N),送入中频内部的发射调制器,与本振信号调制成发射中频。而中频信号基站不能接收的,要用TX-VCO把发射中频信号频率上升为890M-915M(GSM)的频率信号基站才能接收。当TX-VCO工作后,产生890M-915M(GSM)的频率信号分两路走:
 
a)、一路取样送回中频内部,与本振信号混频产生一个与发射中频相等的发射鉴频信号,送入鉴相器中与发射中频进行较;若TX-VCO振荡出频率不符合手机的工作信道,则鉴相器会产生一个1-4V跳变电压去控制TX-VCO内部变容二极管的电容量,达到调整频率目的。
 
b)、二路送入功放经放大后由天线转化为电磁波辐射出去。为了控制功放放大量,当发射时功率电流经过发射互感器时,在其次级感生的电流,经检波(高频整流)后并送入功控;同时编程时预设功率等级信号也送入功控;两个信号在内部比较后产生一个电压信号去控制功放的放大量,使功放工作电流适中,既省电又能长功放使用寿命。
 
3、本振电路的结构和工作原理:(本机振荡电路、锁相环电路、频率合成电路)
 
该电路产生四段不带任何信息的本振频率信号(GSM-RX;GSM-TX;DCS-RX;DCS-TX);送入中频内部,接收时对接收信号进行解调;发射时对发射基带信息进行调制和发射鉴相。
 
该电路掌握重点:
 
(1)、电路结构。
 
(2)、各元件的功能与作用。
 
(3)、本振电路工作原理。
 
电路分析:
 
(1)、电路结构。手机本振电路有四种电路结构:
 
a)、由频率合成集成块、接收压控振荡器(RX-VCO)、13M基准时钟、预设频率参考数据(SYN-DAT;SYN-CLK;SYN-RST;SIN-EN),组成(早期手机多用;如下图)。
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b)、把频率合成集成块集成在中频内部,结合外接RX-VCO组成(中期机、诺基亚机多用;(如下图)
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c)、把频率合成集成块、接收压控振荡器(RX-VCO)集成一体,称本振集成块或本振舐IC(中期机、三星机多用;如下图)。
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d)、把频率合成集成块、接收压控振荡器(RX-VCO)集成在中频内部(新型机、杂牌机多用;如下图)。
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值得注意:无论采用何种结构模式,只是产生的频率不同;其工作原理,产生的频率信号的走向和作用都一样的。
 
(2)、各元件的功能与作用。
 
a)、接收压控振荡器(RX-VCO):
 
与TX-VCO的结构和工作原理一样;与TX-VCO不同的是:TX-VCO产生两个频率段,只参与发射;而RX-VCO产生四个频率段,既参与接收又参与发射;两个VCO不能互换。
 
b)、频率合成集成块:
 
为一个比较运算放大器;把RX-VCO产生频率取样信号、预设频率参考数据在内部进行比较,并以13M基准时钟为参考,产生1-4V跳变电压(纯直流电压)去控制RX-VCO振荡出准确本振频率目的。
 
c)、预设频率参考数据:
 
即工程师在设计手机时,根据手机在不同信道(GSM手机为124个)上工作时所需要的本振频率标准预先设定好,列成数据表;并寄存在字库内。即CPU送出的频合时钟(SYN-CLK);频合数据(SYN-DAT);频合复位(SYN-RST);频合启动(SIN-EN)。
 
(3)、本振电路工作原理。
 
手机正常开机后,电源部分送出频合电源使本振电路工作,此时RX-VCO振荡出本振频率信号分两路走:
 
1)、把本振频率取样送入频率合成集成块内,与预设频率参考数据在内部进行比较;并以13M基准时钟为参考,产生1-4V跳变电压,去控制RX-VCO内部变容二极管的电容量,调整输出频率,使RX-VCO振荡出符合手机工作信道所需的本振频率(俗称微调)。
 
2)、本振频率送入中频内部,经分频后又分三路:
 
a)、接收时本振频率送入接收解调器对接收信号进行解调(即本振频率与接收频率这两个大小相等,相位相反频率信号进行搬移和抵消;剩余对方送来的信息)。
 
b)、发射时本振频率送入发射调制器,对逻辑电路送来的发射基带信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N),调制发射中频(即把发射信息叠加在本振频率上)。
 
C)、发射时,把TX-VCO产生频率取样送回中频内部,与本振频率混频,产生一个与发射中频频率相等的发射鉴频信号。
 
900M/1800M本振频率转换由CPU送出双频功换信号(BANDSEL)来控制(俗称粗调)。
 
从上看出:由RX-VCO产生频率到取送入频率合成集成块内部,再产生电压去控制RX-VCO工作;刚好形成一个闭合环路,且是控制频率相位的,因此该电路也称锁相环电路。
 
从频合电路工作原理看,本振频率与接收频率要同步(同一工作信道)手机才有信号。CPU如何判定手机工作信道?原来当手机开机后,CPU送出900M/1800M两系统所有工作信道所需的SYN-DAT、SYN-CLK、SYN-RST、SIN-EN令RX-VCO产生所有本振频率,遂一送入中频内部与接收频率进行对接,直到逻辑电路接到基带信息为止。并锁定在该信道上,因此,手机找网是漫长过程。
 
手机里的射频芯片和基带芯片是什么关系?
 
目前的手机芯片分为三块,射频收发机(RF transceiver), 基带调制解调器(baseband modem)以及应用处理器(AP: application processor)。以高通的产品线为例,射频收发机芯片的产品代号为WTR1605,基带调制解调器芯片为MDM9x25系列,应用处理器则是比较熟悉的骁龙系列。
 
按照高通的产品划分来看,射频收发机芯片负责无线通信,应用处理器就是传统意义的CPU和GPU,基带调制解调器芯片负责对无线通信的收发信号进行数字信号处理,在整个系统中的位置介于前两者之间。
 
高通的RF360解决方案,个人认为是和基带芯片有关的。从公开的资料来看,RF360里面用到了功率放大器(PA, power amplifier)的包络追踪(envelope tracking)技术,这个需要根据要发射的数据实时调整PA的供电电压,一般来说通过基带和射频的协同可以获得更好的效果。
 
基带信号现在都是数字的了,所以用DSP处理,前端是模拟的高频modulated的RF信号,后端是DSP芯片,中间是AD/DA,调制解调器放在基带芯片里(见下图)。
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那么射频芯片和基带芯片是什么关系?基带芯片是否就是调制解调器?射频芯片和基带芯片是不是一个前端一个后端?
 
先讲一下历史,射频(Radio Frenquency)和基带(Base Band)皆来自英文直译。其中射频最早的应用就是Radio——无线广播(FM/AM),迄今为止这仍是射频技术乃至无线电领域最经典的应用。基带则是band中心点在0Hz的信号,所以基带就是最基础的信号。有人也把基带叫做“未调制信号”,曾经这个概念是对的,例如AM为调制信号(无需调制,接收后即可通过发声元器件读取内容)。但对于现代通信领域而言,基带信号通常都是指经过数字调制的,频谱中心点在0Hz的信号。而且没有明确的概念表明基带必须是模拟或者数字的,这完全看具体的实现机制。
 
言归正传,基带芯片可以认为是包括调制解调器,但不止于调制解调器,还包括信道编解码、信源编解码,以及一些信令处理。而射频芯片,则可看做是最简单的基带调制信号的上变频和下变频。
 
总结一下,所谓调制,就是把需要传输的信号,通过一定的规则调制到载波上面让后通过无线收发器(RF Transceiver)发送出去的工程,解调就是相反的过程。
 
DSP如果涉及通信,在这里指的究竟是什么?DSP和基带芯片、射频芯片是什么关系?它们的工作流程是怎样的?
 
简言之,DSP芯片和射频芯片、基带芯片无关。DSP芯片是一个有强大数字处理能力的专用处理器,用于语音信号处理、信道编解码、图像处理等方面,基带芯片或射频芯片内部可内置一至多个DSP,但它是用于大量数据计算的,因而DSP可在芯片内部做成硬核(hardcore),但这样做灵活性欠佳。
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