手机的构造及其工作原理.docx

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手机的构造及其工作原理

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。

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：

（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电源进行滤波，然后为Q400集电极进行供电；I_A01、R403、C403等也一起构成了一个电抗滤波电路，可对RX-275-GSM电源进行滤波，然后为Q400基极供电。

R401为交流负荷电阻，通过该电阻可表现出Q400的放大作用。

L402为集电极的直流通道。

在基极电路中，R403电阻可构成一个固定偏置电路。

在以Q400电路为核心的低噪声放大器中，其前级及后级均有一个射频滤波器。

这两个射频滤波器均属于带通滤波器，只允许GSM频段内的射频信号通过。

在该电路中，RX-275-GSM可为Q400集电极和基极提供工作屯压。

当信号为高电平时，低噪声放大器自动启动。

值得注意的是：

部分手机低噪声放大电路已集成在集成电路中，改类手机没有设置上述的分离元件组成的低噪声放大器。

2.1.4混频电路

对于超外差直接变频接收机和线性变频接收机，接收机只需对高频信号进行一次变频。

而对于超外差二次变频接收机，接收机需对高频信号进行两次变频。

这些工作均由混频电路完成。

混频两种不同的信号就是将本机震动信号及信号频率添加到非线形装备上，进行频率组合后取其差频或和频，以符合电路的要求。

但是该差频或和频并非固定不变的，通常该变化被称作频谱搬移。

混频的英文缩写为MIX。

一般而言，超外差接收机的频率变换装置包括自激式和它激式变换器。

如本机震荡和混频共同由同一电路完成，为自激式变频器；如频率变换与本机振荡的信号分别由不同装备构成产生，则是它激式变频器，所有手机采用的都是它激式变频电路。

我们称该种变频电路中的频率变换单元为混频器。

因此，变频器与混频器是两个不同的概念。

手机混频器包括两个输入端以及一个输出端，具体为：

一个信号输入端、一个本机振荡输入端以及一个信号输出端。

1、混频器的上变频及下变频。

（1）上变频电路。

如果变频器的输出信号比信号频率高，并且是信号频率和本振信号的和，采用的变频器是上边带上变频。

如果变频器的输出信号比信号频率高，并且是信号频率和本振信号的差，采用的变频器是下边带上变频。

上变频器一般应用于发射电路。

（2）下变频电路。

如果变频器的输出信号比信号频率低，并且是信号频率和本振信号的差，采用的变频器是下变频器。

手机接收机电路所采用的混频器均为下变频器。

2、混频电路基本构成形式。

（1）二极管混频电路。

以二极管为非线性混频基本元件的混频电路为二极管混频电路。

该种混频器的最主要的优势是电路简单且噪声系数小。

然而，二极管无放大功能，因此，该类混频器的混频增益通常较低。

以二极管为混频电路的基本元件的手机很少，只有早期的诺基亚8110、3810等少数手机。

（2）晶体管混频电路。

晶体管混频器可有不同的电路形式，例如，双极型晶体管混频器是基于共发射极电路而做成的。

摩托罗拉手机所使用的混频器多数使用该电路，其信号和本振信号有两种输入形式：

均由基极输入，或前者由基极输入而后者由发射极输入。

接下里将以摩托罗拉P7689手机所采用的混频电路作为例子解释说明。

在该电路中，Q450三极管并非在放大区工作，而是在三极管的非线形区域工作。

这种电路为固定偏置共发射电路，R450、C450、L450、R45l、R452共同构成偏置式电路，且R450、C450、L450、R451、R452也可构成去耦电路（滤波电路），以防止电源噪声干扰混频器。

（3）集成电路混频电路。

集成电路混频电路在手机混频电路中的应用最为广泛。

早期的手机部分混频器只使用单个集成组件，然而，现在的手机混频器多数是在复合射频中进行处理，或在中频处理模块中进行集成。

2.1.5中频放大器

1、中频放大器的功能。

中频放大器用于所有手机接收机中。

中频放大器主要的功能为：

（1）获得高增益：

因为中频频率较固定，且频率较低，因此与射频放大部分相比，中频放大器可轻易获得较高增益，从而为下一级提供充足的输入。

（2）提升选择性：

一般而言，中频放大器的通频带宽度决定了接收机的相似频率选择性。

2、中频放大器的要求

中频放大器不仅要求增益高且选择性好，还要求通频带充足、频率响应好且动态范围大等。

而中频放大器的通频带宽度决定了接收机的相似频率选择性，且中频信号为固定的单一频率，因此，中频放大器的通频带可最大限度地进行减小，从而提高邻近信道的选择性。

在实际使用中，多级放大器一般会予以采用，从而使每一级实现其特定的技术要求。

不管接收机采用的是一次变频技术或二次变频技术，中频放大器均置于变频后。

为提升镜频的选择性，避免镜频遭到不必要的干扰，接收机一般会降低第一本机振荡频率来提高第一中频频率及多次变频，从而使信号频率由射频逐渐下降为低频率。

3、手机常用中频放大电路。

大多数厂家在手机电路中采用的多为各自生产的专用芯片。

分离元件的中频放大器电路是共发射极电路，和低噪声放大器电路形式类似，但是两者工作的频点不同。

目前，大多数手机，如摩托罗拉，其电路一般采用分离元件的中频放大器，其他手机采用的中频放大器一般被设置在同一集成电路中。

中频放大器电路和低噪声放大器电路形式很相似，只有工作频罩不一样，具体而言，低噪声放大器为宽带放大器，但中频放大器为窄带放大器。

混频信号在电路中通过C460送往FL457，接着从FL457选择400MHz中频信号，Q480放大将400MHz频信号后送往ICU200中频进行解调。

U200的C7脚传输的SW-VCC提供Q480所需的偏置电压。

值得注意的是：

在超外差一次变频接收机电路中，一般包含一个中频放大器；在超外差二次变频接收机中，一般会包含有第一和第二中频放大器；在直接变频线性接收机中，则无中频放大器。

2.1.6解调电路

锁相解调器、正交鉴频解调器等解调技术经常被应用于移动通信或手机电路中。

锁相环路（PLL）可用于输入信号跟踪，也可用于解调。

摩托罗拉928手机所使用的就是锁相解调器。

锁相解调器的参考信号来源于430MHz振荡器。

鉴相器比较两个输入信号的相位后，输出低频信号以跟踪调制信号，由低通滤波器滤出高频噪声后，得到的就是解调输出。

摩托罗拉、诺基亚以及三星等手机的电路所采用的均为锁相解调。

相移网络可在正交鉴频器中把频率变化转变为相位变化，乘法器把相位变化再转变为电压变化。

调频信号和其移相信号相乘后，再由低通滤波器滤出乘法器输出信号的高频成分，得到的即是解调信号。

一般而言，在现代通信设备中，鉴频器或其他电路都是在芯片中进行集成，正交线圈除外，。

值得注意的是：

所谓解调是指在射频接收电路中，把包含信息的射频或中频信号还原为67.707kHz基带信号的解调（对GSM手机而言）。

在逻辑音频电路中，还有一个GMSK解调，该解调是指把67.707kHz的信号还原为数码信号。

接收机射频部分解调的是电路输出接收机基带信号，以67.707kHz为中心频率。

早期摩托罗拉、诺基亚、爱立信手机的RXI／Q信号均为两道信号线（RXI和RXQ），单身GD90为四道信号线（DQ、DQX、DI以及DIX）。

爱立信T28手机也是四道信号线（RXIA、RXIB、RXQA已经RXQB）。

摩托罗拉A6188、V998、L2000及P7689等型号手机的RXI／Q信号一般都在集成电路内，无需外接引脚，因此示波器无法测出它的波形图。

2.2射频发射功能电路

2.2.1射频发射电路

发射电路的基本构成。

一般而言，GSM手机的发射电路有三种基本形式：

直接变频发射机、带发射变换电路发射机和带发射上变频发射机。

1、带发射VCO的发射机电路构成。

发射过程为：

发射I、Q基带TXUQ信号由数字语音处理电路处理后获得，接着被送往解调电路，以调制载波信号，获得的是TXUQ发射已调中频信号。

用于TXFQ调制器的载波信号来源于VCO模块输出的中频VCO信号（通常来源于二本振接收信号）。

发射参考中频信号来源于一个混频，该混频为发射VCO信号和一本振RXVCO信号的混频。

在鉴相器中，发射已调中频信号与发射参考中频信号相互进行对比，获得包含发送数据的脉动直流信号，以控制VCO发射的工作。

发射VCO输出的最终发射信号（GSM900，为890-915MHz频段；或DCSl800，为1710-1785MHz频段）功率放大器进行放大之后，天线将会进行发送。

摩托罗拉、爱立信、三星、西门子和松下等手机的发射电路采用的基本上都是该种结构。

该种结构的发射电路稳定性较高，然而电路较复杂。

2、带发射二次上变频的发射机电路构成。

发射已调信号发射程序为：

在射混频器中，和RXVCO（或UHFVCO、RFVCO）经行混频后，得到的是最终发射信号（89-915MHz频段的GSM900或1710-1785MHz频段的DCSl800）。

该种结构较简单，而稳定性较差，只有早期诺基亚手机（如3210、3810、6150、7110、8110等型号）的发射机电路结构使用了该种结构。

3、直接变频发射机电路构成。

随着新型手机的出现，部分新型手机使用了直接变频发射电路。

如诺基亚3310、8210和8850手机。

在该类发射机电路中，逻辑音频电路输出的TXI／Q信号直接调制SHFVCO信号（该结构的本振电路通常被称为SHFVCO），获得最终发射信号。

2.2.2TXUQ调制电路

调制是指某个信号的某种特性参数随着另一个信号的变化而变化的过程或处理方法。

根据载波参数随调制情号变化的不同情况，调制主要分为种类型：

连续调制和脉冲调制。

连续调制又分为三种类型——调幅（AM）：

载波振幅随着信号波振幅的变化而变化；调相（PM）：

载波相位随着信号波振幅的变化而变化；调频（FM）：

载波频率随着信号波振幅的变化而变化。

数字手机之所以被称为数字手机，就是因为数字手机采用了数字调制技术。

无论哪一种发射机电路结构，由逻辑音频电路输出后，TXI／Q信号均会进入射频电路TXI／Q调制器。

67．707kHz的TXI／Q信号在TXI／Q调制器中调制发射中频载波，获得己调中频信号。

TXI／Q调制器一般被设置在中频处理模块中，只有少数发射机配备专门的调制器模块。

TXI／Q调制需要的载波信号来自VCO中频电路。

多数手机的VCO接收中频与VCO发射中频共享，只有个别手机配备专门的VCO发射中频，如摩托罗拉928手机。

值得注意的是：

诺基亚3310、8210、8850等型号手机拥有特殊的调制电路，不是发射已调中频信号，调制出来的信号即最终发射信号（经平衡或不平衡转换器直接释放）。

2.2.3发射变换电路

经TXI/Q调制的信号在发射变频电路中进行处理，不同手机的发射变频电路不同，主要有两种形式：

1、VCO（TXVCO）发射电路。

在发射变频电路中，TXVCO输出的一路信号被输送到功率放大电路，另一路信号则与RXVCO信号混频，获得的是发射参考中频信号；在发射变换模块中的鉴相器中，发射己调中频信号与发射参考中频信号进行比较，泵电路（双端输入而单端输出的转换电路）输出包含发送数据的脉动直流，通过控制电压信号来控制TXVCO电路，形成一个闭环回路，以获得由TXVCO电路输出的稳定的最终发射信号，如方框图4-18所示。

大多数手机的发射变频电路采用的是该方式。

2、发射上变频器电路。

事实上，发射上变频器是一个频谱搬移电路，应用于带发射上变频器的发射机电路。

发射上变频器为一个混频电路。

RXVCO（或UHFVCO、RFVCO）信号在发射上变频器中，与发射中频处理电路输出的发射已调中频信号进行混频，获得最终发射信号。

如上面所述，混频器有两个输入信号及一个输出信号。

同样的道理，发射上变频器的输入信号也是发射已调中频信号与UHFVCO（RXVCO、RFVCO）混频的结果，其输出信号为最终发射信号。

目前，只有早期部分诺基亚手机使用了该方式。

2.2.4功率放大器

根据工作频带的不同宽度，高频放大器主要分为窄带型和宽带型两种类型。

这里所说的频带的宽窄度，指的是其相对频带，而不是绝对频带，具体是指通频带与其中心频率的比值。

手机电路中的功率放大器所用的均是高频宽带功率放大器。

一般用PA表示功率放大器，用以放大高频信号，以获得充足的输出功率。

宽带型高频放大器采用了带有很