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GSM手机的工作原理.doc

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.78M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    GSM 手机的基本工作原理 GSM 手机的基本工作原理 发射频率：GSM 为 935-960M，DCS 为 1805-1880M；接收频率：GSM 为 890-915M，DCS 为 1710-1785M； 一、GSM 手机的基本组成部分 射频部分： 天线及天线开关 接收部分： 发射部分： 接收高频处理（滤波、放大、混频） 接收中频处理（滤波、放大、解调） 发射高频处理（功率放大、滤波） 发射中频处理（调制、滤波、放大） 逻辑音频部分： 供电部分： 钟 频率合成部分： 接收本振 RXVCO 发射本振 TXVCO 时 CPU 存储器（版本、码片、暂存） 音频处理（DSP、音乐 IC） 逻辑供电 射频供电 其 他 界面部分：显示屏、SIM（UIM）卡、震动器、振铃、指示器等 二、GSM 手机的基本工作原理 1、发射机（上变频） 信号流程：送话器将声音转化为模拟电信号，经过 PCM 编码，再将其转化为数字信号，经过逻辑音频电路 中进行数字语音处理即进行：话音编码、信道编码、交织、加密、突发脉冲形成、TX I/Q 分离。分离后 的四路 TX I/Q 信号到发射中频 TX-IF 电路完成 I/Q 调制，该信号与频率合成器的接收本振 RXVCO 和发射 本振 TXVCO 的差频进行比较（即混频后经过鉴相），得到一个包含发射数据的脉动直流信号，去控制发射 本振的输出频率，控制发射本振频率的精确性，作为最终的信号，经过功率放大，从天线发射。GSM 手机 发射电路一般采用以下三种类型的发射机： A、带有发射变换电路的发射机
    GSM 手机的基本工作原理 B、带发射上变频电路的发射机 C、直接变频发射机 发射各部分功能电路 （一） 发射音频通道：MIC 将声音信号转换为模拟电信号，并只允许 300-3400Hz 通过。模拟信号经过 A/D 转换，变为数字信号，经过语音编码、信道编码、交织、加密、突发脉冲串的形成一系列处理， 对带有发射信息、处理好的数字信号进行 GMSK 编码并分离出 4 路 I/Q 信号，送到发射电路。 （二） I/Q 调制：经过发射音频通道分离出来的 4 路 I/Q 信号在在调制器中被调制在载波上，得到发射中 频信号 TX-IF。四路 I/Q 调制所用的载波，一般由中频 IC 内振荡电路或由二本振分频得到。在 GSM 数字移动电话中，调制器和解调器有的集成在一个 IC 内，有的分别集成在两个 IC 中。 （三） 发射变换电路：四路 TX I/Q 信号经过调制后得到 TX-IF 信号后，在鉴相器（PD）中与 TXVCO 和 RXVCO 混频后得到的差频进行鉴相，得到误差控制信号去控制 TXVCO 的输出频率的准确性。该电路一般 被继承在中频 IC 内部或前端 IC 中，其工作原理如下图所示： （四） 发射本振 TXVCO：由振荡器和锁相环共同完成发射频率的合成（GSM：890-915MHz，DCS： 1710-1785 MHz），发射本振的去向有两个地方：一路经过缓冲放大后，送到前置功放电路，经过 功率放大后，从天线发射出去；另一路送回发射变换 IC，在其内部与 RXVCO 经过混频后得到差
    GSM 手机的基本工作原理 频作为 TX-IF 的参考频率。 （五） 环路低通滤波器 LPF：低通滤波器是从零频率到某一频率范围内的信号能通过 ，而又衰减超过此 频率范围的高频信号的元件。在此电路中的主要目的是：平滑 CP-TX 信号，以防止在进行信道切 换时出现尖峰电压，防止对发射造成干扰，使 CP-TX 准确控制 TXVCO 振荡频率的精确性。 （六） 前置放大器：作用有两个，一是进行信号放大到一定的程度，以满足后级电路的需要；二是使发 射本振电路有一个稳定的负载，防止后级电路对发射本振造成影响。 （七） 功率放大器：作用是放大即将发射的调制信号，使天线获得足够的功率将其发射出去。它是手机 中负担最重、最容易损坏的元件。引脚主要有：900M 输入输出、1800M 输入输出、电池供电 VCC、 频段切换 BS、功率控制 VAPC、GND 等。功控电压 VAPC 一般为 1.2-1.5V，空载时约为 2V 左右。 （八） 功率控制：功放的启动和功率控制是由一个功率控制 IC 来完成的，控制信号来自中频 IC。功放的 输出信号经过微带线耦合取回一部分信号送到功控电路，经过高频整流后得到一个反映功放大小 的支流电平 U，与来自基站的基准功率控制参考电平 AOC 进行比较，如果 U
    GSM 手机的基本工作原理 C、直接变频线性接收机：零中频接收机，直接解调出 I/Q 信号，所以只有收发共用的调制解调载波 信号振荡器（SHFVCO），其振荡频率直接用于发射调制和接受解调（收、发时振荡频率不同）。 接收各部分功能电路 （一） 天线开关：天线开关属于接收和发射共用，主要完成两个任务：一是完成接收和发射信号的双工 切换，为防止相互干扰所以要有控制信号完成接收和发射的分离，控制信号来自 CPU 的 RX-EN（接 收启动）、 TE-EN（发射启动），或由它们转换而得来的信号；二是完成双频和三频的切换，使手 机在某一频段工作时，另外的频段空闲，控制信号主要来自切换电路。天线开关连接接收滤波和 发射滤波。有的机器采用双工滤波器，将接收信号和发射信号分离，防止强的发射信号对接收机 造成影响，双工器包含一个接收滤波器和发射滤波器，他们都是带通滤波器（BPF）。 （二） 带通滤波器（BPF）：带通滤波器只允许某一频段中的频率通过，而对于高于或低于这一频段的成 分衰减。在高频放大器 LNA 前后一般都有。只允许 GSM：935-960M 或 DCS：1805-1880M 的频 段进入接受机，得到纯净的射频信号进入混频器。 （三） 低噪声放大器（LNA）：一般位于天线和混频器之间，是第一级放大器，所以叫接收前端放大器或 高频放大器。主要完成两个任务：一是对接收到的高频信号进行第一级放大，以满足混频器对输 入的接收信号幅度的要求，提高接收信号的信噪比；二是杂一放大管的集电极上加了由电感（L） 与电容（C）组成的并联谐振回路，选出我们所需要的频带，所以叫选频网络或谐振网络。出现故 障则接收性能变差。一般采用分离元件或前端 IC。 （四） 混频器（MIX）：混频器实际上是一个频谱搬移电路，它将包含接收信息的射频信号（RF）转化为 一个固定频率的包含接收信息的中频信号，由于中频信号频率低、而且固定，容易得到比较大而 且稳定的增益，提高接收机的灵敏性。他的主要特点是：它由非线性器件构成，MIX 有两个输入 端，一个输出端，均为交流信号。混频后可以产生许多新的频率在多个新的频率中选出我们需要 的频率（中频），滤除其他成分后送到中放。将载波的高频信号不失真的变换为固定中频的已调信 号，保持原调制规律不变。接收机中的 MIX 位于 LNA 和 IFA 之间，是接受机的核心。
    GSM 手机的基本工作原理 （五） 中频滤波器：中频滤波器在电路中个头最大，一般为低通滤波器，保证中频信号的纯净。 （六） 中频放大器（IFA）：接收机的主要增益来源，它一般都是共射极放大器，带有分压电阻和稳定工 作点的放大电路。对工作电压要求高，一般用专门供电；一般集成在中频 IC 内或独立。 （七） 解调器：调制的反过程，多数手机往往都是对零中频进行正交解调，得到四路基带 I/Q 信号，其中 I 信号为同相支路信号，Q 信号为正交支路信号，两者相位相差 90º，所以叫正交。从天线到 I/Q 解 调，接收机完成全部任务。测量接收机都是测试 I/Q 信号，测到 I/Q 信号，说明前边各部分电路， 包括本振电路都没有问题，接收机已经完成其接收任务，是射频电路和逻辑电路的分水岭。 （八） 数字信号处理（DSP）：接收基带（I/Q）信号在逻辑电路中经 GMSK 解调，进行去交织、解密、 信道解码等 DSP 处理，再进行 PCM 解码，还原模拟话音信号，推动受话器送入人耳。 三、频率合成 SYN 概念：利用一块或少量晶体又采用综合或合成手段，可获得大量的不同的工作频率，而这些频率的稳定度 和准确度或接近石英晶体的稳定度和准确度的技术为频率合成技术。 （一） 频率合成的基本方法： A． 直接频率合成：使用谐波发生器、倍频器、分频器、混频器等部件对基准频率进行加、减、乘、 除的基本运算，然后用滤波器滤出所需频率。一般很少使用。 B．锁相频率合成器:利用锁相环路（PLL）的特性，使 VCO 输出频率与基准频率保持严格的比例关 系，并得到相同的频率稳定度。 定义：锁相环路是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路。 作用：使压控振荡输出振荡频率与规定基准信号的频率和相位都相同（同步）。 构成：由鉴相器（PD），低通滤波器（LPF），压控振荡器（VCO）三部分组成。 鉴相器（PD）：是一个相位比较器，VCO 输出的振荡频率送回一个取样信号与基准频率进行鉴相。 使鉴相器送出一个与相位误差成比例的误差电压。 C、直接数字频率合成：利用计算机直接生成所需要的频率，在微电脑的控制下自动分频。 （二） 手机中的频率合成 32.768KHz：手机休眠时的实时时钟和用与提供时间显示的时钟，均为 32.768K。 13M 晶体振荡电路：在手机中主要有两个方面的作用：一是作为整个系统的主时钟，控制逻辑电路个部件 同步工作；二是作为基准参考信号，去接收本振和中频振荡器锁相环的鉴相器与振荡频率进行鉴相，从而 产生误差信号去控制振荡频率。目前主要有两种电路方式：①由一个 13M 石英晶体、集成电路、外接元件 构成晶体振荡电路；②是 13M 的晶体及变容二极管、三极管、电阻、电容等构成的 13M 震荡电路及 PLL 全 部集成在一个模块上，组成一个完整的晶体振荡电路，可以直接输出 13M 时钟信号。基准时钟 VCO 组件一 般有 4 个端口：13M 输出端、电源端、AFC 控制端、接地端。还有一些品派的手机的基准时钟是 26M 进行 2 分频得到 13M；三星 A188 采用的是 19.5M 的 5 分频得到 3.9M 作为主时钟。 （三）第一本振(摩托罗拉手机叫 RXVCO，诺基亚叫 UHFVCO，三星叫 RX-LO) 在手机中，一本振和二本振都是收发共用电路，均采用锁相环路。一本振的震荡频率与射频信号相接 近，在逻辑电路的控制下，自动跟踪信道，该信号在手机电路中主要去向两个地方：①去接收电路的第一 混频器，与高频放大之后的接收信号进行混频，得到二者的差频——中频信号；②去发射混频；③拿回一 个取样信号去 PLL 的鉴相电路与基准时钟信号去 PLL 的鉴相电路与基准时钟信号 13M 鉴相，得到 误差
    信号去控制接收本振的准确性； GSM 手机的基本工作原理 OUT GND 13M 组件 AFC VCC PLL 合成有三方面的控制： A、 控制：当射频信号进入某一信道，一本振必须马上跟踪进入该信道才能得到固定的中频频点。来 自逻辑路的 SYS-EN、SYS-CLK、SYS-DAT 的三路控制完成任务，通过由逻辑路提供的 SYS-DAT， 对 VCO 合成环路中的程控分频器进行编程来实现的。 B、VCO 振荡频率精度的控制。 C、对工作频段的切换控制。 （四）第二本振(摩托罗拉手机叫 IFVCO，诺基亚叫 VHFVCO，三星叫 IF-LO) 在手机中，第二本振主要的去向有：①与一中频混频得到二中频；②作为接收解调参考信号；③在 自身 PLL 中与 13M 鉴相；④在发射电路中作为发射中频的调制载波；摩托罗拉的二本振均为中频的二倍。 单频机均为独立元件，双频机一般集成在中频 IC 或频率合成 IC。 四、音频逻辑系统 （一） 中央处理器 CPU 能：操作控制、程序控制、时间控制、数据加工； 功 内部结构：控制器、运算器、寄存器； 外部电路：地址总线 AB（单向传输）、数据总线 DB（双向传输）、控制总线 CB（单向传输） 工作条件：A、CPU 供电 VDD B、时钟 CLK C、复位 RST 三个条件缺一不可； （二）存储器 ROM 版本或字库：EPROM 存储手机主程序（基本程序、功能程序、监控程序、中文字库、外围参数）。 码 片：EEPROM 以二进制代码的形式存储手机的资料，但是它存储的是：手机的机身码、 检测程序、功率控制 PA、数摸转换 DAC、自动增益控制 AGC、自动功率控制 AFC、 手机的随机资料等，码片一般有 8 脚。它的各引脚功能如下图： （三）随机存储器 RAM，既暂存器。 （四）数据的存取，数据存储在具有存储功能的存储器中，对存储器中的数据进行读/写起码需要下 列两条控制线：①区分读/写操作（R/W）控制线，连接 CPU 的 R/W 端，由 CPU 决定；②片选 控制线（CS），有时也称片选启动控制线（CE）。
    手机常用元器件的识别与检测 GSM 手机的基本工作原理 手机电路中的基本元器件 手机电路中的基本元件主要包括电阻、电容、电感、晶体管等。由于手机体积小、功能强大，电路比 较复杂，决定了这些元件必须采用贴片式安装(SMD)，片式元件与传统的通孔元器件相比，贴片元件安装 密度高，减小了引线分布的影响，降低了寄生电容和电感，高频特性好，并增强了搞电磁干扰和射频干扰 能力。 一、电阻 表面贴片安装的电阻元件外型多呈薄片形状，引脚在元器件的两端。电阻一般为黑色，手机中的电阻 大多末标出其阻值，个别个头稍大的电阻在其表面一般用三位数表示其阻值的大小，三位数的前两位数是 有效数字，第三位数是 10 的指数。如 100 表示 10n，102 表示 1000n 即 1kn，当阻值小于 10n 时，以*R* 表示，将 R 看作小数点，如 5R1 表示 5.1Ω。 个别手机采用了组合电阻，如诺基亚 8210 手机的 R805、R120 就采用了组合电阻，共有四个引脚和外 电路相连。 二、电容 在手机中，电容一般为黄色或淡蓝色，个别电解除电容也用红色的，电解电容稍大，无极性电容很小， 最小的只有 1mmx2mm,有的电容在其中间标出两个字符，大部分电容则未标出其容量。手机中的电解电容， 在其一端有一较窄的暗条，表示该端为其正极。 对于标出容量的电容，一般其第一个字符是英文字母， 代表有效数字，第二个字符是数字，代表 10 的指数，电容单位为 pF。 例，一个电容器标注为 G3，通过 查表，查出 G=1.8，3=103，那么，这个电容器的标称值为 1.8x103=1800pF。电解电容器当其外壳极性标 志不清时，可用下述方法进行判别：用指针式万用表的 R×10K 挡，分别两次对调测量电容器两端的电阻 值，当表针稳定时，比较两次测量的读数的大小，取值较大的读数时，这时万用表黑笔接的是电容器的正 极，红笔接的是电容器的负极，其原理一是利用了万用表内部的电池用电源，二是利用了电解电容反向漏 电流比正向漏电流大的特性。 三、电感和微带线 电感是一个电抗器件，它在电子电路中也经常使用。将一根导线绕在铁芯或磁芯上或一个空心线圈就 是一个电感。在手机电路中，一条特殊的印刷铜线即构成一个电感，在一定条件下，又称其为微带线。电 感的主要物理特征是将电能转换为磁能并储存起来，也可说它是一个储存磁能的元件。电感是利用电磁感 应的原理进行工作的。当有电流流过某一根导线时，就会在这根导线的周围产生电磁场，而这个电磁场又 会对处在这个电磁场范围内的导线产生电磁感应现象。与手机板上的电阻、电容不同的是，手机电路中的 电感的外观形状多种多样，有的电感很大，从外观上很容易判断；但有的电感的外观形状和电阻。电容的 外观相差不大，很难判断。用万用表的欧姆档可以检查电感是否开路。手机电路中比较常见的电感有以下 几种：一种是两端银白色，中间是白色的；另一种是两端是银白色，中间是蓝色的。还有一种电源电路的 电感，体积比较大，一般为圆形或方形，黑色，很容易辨认。如摩托罗拉 V998 手机的储能电感 L901(黑色， 方形)，三星 188 手机的储能电感 L401(黑色，圆形)等。 需要说明的是：在部分手机电路中，还常常用一 段特殊形状的铜皮来构成一个电感。通常我们把这种电感称为印刷电感或微带线。在手机电路中，微带线 一般有两个方面的作用。一是它把高频信号能较有有效有传输；二是微带线与其它固体器件如电感、电容 等构成一个匹配网络，使信号输出端与负载能很好地匹配。微带线耦合器常用在射频电路中，特别是接收 的前级和发射的末级。用万用表量微带线的始点和末点是相通的，但绝不能将始点和末点短接。 四、二极管 1、普通二极管 普通二极管利用二极管的单向导电性来工作的，有两个引脚，一般为黑色，在其一端有一白色的竖条， 表示该端为负极。 2.稳压二极管 稳压二极管简称稳压管，是利用二极管的反向击穿特性来工作的。在手机电路中，它常常用于受话 器(喇叭、扬声器)电路、振动器电路和铃声电路。由于手机电路所使用的受话器、蜂鸣器和振动器都带有
    GSM 手机的基本工作原理 线圈，当这些电路工作时，由于线圈的感生电压会导致一个很高的反峰电压，稳压二极管就是用来防止这 个反峰电压引起电路损坏的。另外，在手机的充电电路、电源电路也较多地采用了稳压二极管。 3.变容二极管 变容二极管是采用特殊工艺使 PN 结电容随反向偏压变化比较灵敏的一种特殊二极管。二极管结电 容的大小除了与本身结构和工艺有关外，还与外加的反向电压有关。 与一般的二极管不同的是，变容二 极管需要反向偏压才能正常工作，即变容二极管的负极接电源的正极，变容二极管的正极接电源的负极。 当变容二极管的反向偏压增大时，变容二极管的结电容变小；当变容二极管的反向偏压减小时，变容二极 管的结电容增大。变容二极管是一个电压控制元件，通常用于振荡电路，与其他元件一起构成 VCO(压控振 荡器)。在 VCO 电路中，主要利用它的结电容随反偏压变化而变化的特性，通过改变变容二极管两端的电 压便可改变变容二极管电容的大小，从而改变振荡频率。一般情况下，在手机电路中，只要看到变容二极 管的符号，基本上可以断定这个电路是一个压控振荡器。变容二极管既然是一个电压控制元件，那么它所 存在的电路就有一个电压控制信号。在手机电路中，这个电压控制信号是来自频率合成环路中的鉴相器输 出端。 4.发光二极管 发光二极管在手机中主要被用来作背景灯及信号指示灯，发光二极管一般分发红光、绿光、黄光等 几种，发光二极管的发光的颜色取决于制造材料。发光二极管对工作电流有要求，一般为几毫安(mA)至几 十毫安，发光二极管的发光强度基本上与发光二极管的正向电流成线形关系。但如果流过发光二极管的电 流太大，就有可能造成发光二极管损坏。在实际运用中，一般在二极管电路中串接一个限流电阻，以防止 大电流将发光二极管损坏。发光二极管只工作在正偏状态。正常情况下，发光二极管的正向电压在 1．5-3V 之间。另外，还有一些特殊的发光二极管，如红外二极管。目前越来越多的手机中都使用了红外发光二极 管，它被用来进行红外线传输。 5.组合二极管 组合二极管，也就是说，由几个二极管共同构成一个二极管模块电路。如三星 A288 手机开关机控 制电路的 D107 就是一个组合二极管，内部集中了四个二极管共同构成一个模块结构，组合二极管还有三 支脚、四支脚的，这些组合二极管在三星手机中应用较多。 五、三极管 1.三极管的结构 手机电路中使用的三极管都是 SMD 器件，从电路结构上可分为以下几种： (1)普通三极管 普通三极管有三个电极的，也有四个电极的。四个引脚的三极管中，比较大的一个引脚是三极管输出 端，另有两个引脚相通是发射极，余下的一个是基极。晶体三极管的外型和双二极管(即两个二极管组成 的元件，也为三个引脚)、场效应管极为相似，判断时应注意区分，以免造成误判。 (2)带阻三极管 带阻三极管是由一个三极管及一、二个内接电阻组成的。带阻三极管在电路中使用时相当于一个开 关电路，当状态转换三极管饱和导通时 Ic 很大，ce 间输出电压很低，当状态转换三极管截止时，Ic 很小， ce 间输出电压很高，相当于 VCC(供电电压)。管子中的 R1 决定了管子的饱和深度，R1 越小，管子饱和越 深，Ic 电流越大，ce 间输出电压很低，抗干扰能力越强，但 R1 不能太小，否则会影响开关速度。R2 的作 用是为了减小管子截止时集电极反向电流，·并可减小整机的电源消耗。带阻三极管外观结构上与普通三 极管并无多大区别，要区分它们只能通过万用表进行测量。 (3)组合三极管 所谓组合三极管，就是由几个三极管共同构成一个模块。组合三极管在手机电路中得到了广泛的应用。 如摩托罗拉 V998 手机的混频管 Q1254、三星 A188 手机的开机控制管 U608 等都是组合三极管。 2.三极管的判别 (1) 管脚的判别 将万用电表置于电阻 Rxlk 挡，用黑表笔接三极管的某一管脚(假设作为基极)，再用红表笔分别接另 外两个管脚。如果表针指示的两次都很大，该管便是 PNP 管，其中黑表笔所接的那一管脚是基极。若表针
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