GSM手机工作原理及射频控制电路结构详解

蜂窝手机

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手机基本原理（一）

第一章手机的功能电路

ETACS、GSM 蜂窝手机是一个工作在双工状态下的收发信机。一部移动电话包括无线

接收机(Receiver)、发射机(Transmitter)、控制模块(Controller)及人机界面部分(Interface)和电

源(Power Supply)。

数字手机从电路可分为，射频与逻辑音频电路两大部分。其中射频电路包含从天线到接

收机的解调输出，与发射的 I/Q 调制到功率放大器输出的电路；逻辑音频包含从接收解调到，

接收音频输出、发射话音拾取(送话器电路)到发射 I/Q 调制器及逻辑电路部分的中央处理单

元、数字语音处理及各种存储器电路等。见图 1-1 所示

从印刷电路板的结构一般分为：逻辑系统、射频系统、电源系统，3 个部分。在手机中，

这 3 个部分相互配合，在逻辑控制系统统一指挥下，完成手机的各项功能。

图 1-1 手机的结构框图

注：双频手机的电路通常是增加一些 DCS1800 的电路,但其中相当一部分电路是 DCS

与 GSM 通道公用的。

第二章射频系统

射频系统由射频接收和射频发射两部分组成。射频接收电路完成接收信号的滤波、信号

放大、解调等功能；射频发射电路主要完成语音基带信号的调制、变频、功率放大等功能。

手机要得到 GSM 系统的服务,首先必须有信号强度指示,能够进入 GSM 网络。手机电路中不

管是射频接收系统还是射频发射系统出现故障,都能导致手机不能进入 GSM 网络。

对于目前市场上爱立信、三星系列的手机,当射频接收系统没有故障但射频发射系统有

故障时,手机有信号强度值指示但不能入网；对于摩托罗拉、诺基亚等其他系列的手机,不管

哪一部分有故障均不能入网,也没有信号强度值指示。当用手动搜索网络的方式搜索网络时,

如能搜索到网络,说明射频接收部分是正常的；如果不能搜索到网络,首先可以确定射频接收

部分有故障。

而射频电路则包含接收机射频处理、发射机射频处理和频率合成单元。

第一节接收机的电路结构

移动通信设备常采用超外差变频接收机，这是因为天线感应接收到的信号十分微弱,而

鉴频器要求的输人信号电平较高,且需稳定。放大器的总增益一般需在 120dB 以上,这么大的

放大量,要用多级调谐放大器且要稳定,实际上是很难办得到的，另外高频选频放大器的通带

宽度太宽,当频率改变时,多级放大器的所有调谐回路必须跟着改变，而且要做到统一调谐,

这是难于做到的。超外差接收机则没有这种问题,它将接收到的射频信号转换成固定的中频,

其主要增益得自于稳定的中频放大器。

手机接收机有三种基本的框架结构,一是超外差一次变频接收机,二是超外差二次变频接

收机,三是诺基亚的直接变换线性接收机。

我们通常讲的手机电路结构主要是指射频电路的结构,不同厂家的手机的射频电路结构

有一些差异,但不同手机厂家的手机中的逻辑音频电路结构却大都一致,同一手机厂家出品的

手机的射频电路也基本土是一致的。

超外差变频接收机的核心电路就是混频器,我们可以根据手机接收机电路中混频器的数

量来确定该接收机的电路结构。

一、超外差一次变频接收机

接收机射频电路中只有一个混频电路的，属于超外差一次变频接收。超外差一次变频接

收机的原理方框图如图⒍2 所示.在看手机的接收机射频方框图时,应注意该接收机中有几次

频率变换(混频电路),如图 1-2 所示。

图 1-2 超外差一次变频接收机框图

摩托罗拉手机(包括数字手机和模拟手机)的接收机基本上是图 1-2 所示的框架结构。

摩托罗拉的接收射频结构除从图 1-2 能明显看出来的特点外,还有一个特点,那就是用于

解调的接收中频 VCO 都是接收中频信号的 2 倍频。对超外差一次变频接收机可以这样描述：

天线感应到的无线蜂窝信号经天线电路和射频滤波电路进入接收机电路，接收到的信号首先

由低噪声放大器进行放大；放大后的信号再经射频滤波后,被送到混频电路；在混频电路中,

射频信号与接收 VCO 信号进行混频,得到接收中频信号；中频信号经中频放大后,在中频处

理模块内迸行 RXI/Q 解调,解调所用的参考信号来自接收中频 VCO。该信号首先在中频处理

电路中被二分频,然后与接收中频信号进行混频,得到 67.707kHz 的 RXI/Q 信号。 RXI/Q 信

号在逻辑音频电路中经 GMSK 解调、去分间插入、解密、信道解码、PCM 解码等处理,还原

出模拟的话音信号,推动受话器发出声音。

二、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，则该接收机是超外差二次变频接收机。超外差二

次变频接收机的方框图如图 1-3 所示。

与一次变频接收机相比,二次变频接收机多了一个混频器及一个 VCO,这个 VCO 在一些

电路中被叫做 IFVCO 或 VHFVCO。诺基亚手机、爱立信手机、三星、松下和西门子等手机

的接收机电路基本上都属于这种电路结构。在这种接收机电路中,若 RXI/Q 解调是锁相解调,

则解调用的参考信号通常都来自基准频率信号。

图 1-3

超外差二次变频接收机框图

在图 1-2、图 1-3 中,解调电路部分也有 VCO,该处的 VCO 信号是用于解调,作参考信号。

而且该 VCO 信号通常来自两种方式：一是来自基准频率信号,如诺基亚的 8110 手机第二接

收中频是 13MHz,基准频率信号 13MHz 也提供给解调器用于解调；另一种是来自专门的中

频 VCO,如摩托罗拉 GSM328 手机的接收中频是 153MHz,该 VCO 是 306MHz,,306MHz 的

VCO 信号在中频处理电路中被二分频得到 153MHz 用于接收机解调。

接收电路将天线感应到的高频己调信号放大，经两级(或一级)变频将频率很高的射顿信

号转变成频率较低的带调制信号的固定中频信号,然后解调出原来的调制音频信号或数据信

号,并将其送到音频处理电路或者逻辑电路,以完成相应的各种功能。

对超外差二次变频接收机可以这样描述：天线感应到的无线蜂窝信号经天线电路和射频

滤波电路进入接收机电路，接收到的信号首先由低噪声放大器进行放大；放大后的信号再经

射频滤波后,被送到混频电路；在混频电路中,射频信号与接收 VCO 信号进行混颇,得到接收

第一中频信号；接收第一中频信号被送到接收第二混频电路,与接收第二本机振荡信号混频,

得到接收第二中频(接收第二中频来自 VHF VCO 电路)；接收第二中频信号经中频放大后,

在中频处理模块内进行 RxI/Q 解调,（解调所用的参考信号来自接收中频 VCO，该信号首先

在中频处理电路中被二分频,然后与接收中频信号进行混频，得到 67.707MHz 的 RXI/Q 信号；

RXI/Q 信号在逻辑音频电路中经 GMSK 解调、去分间插入、解密、信道解码、PCM 解码等

处理,

还原出模拟的话音信号,推动受话器发出声音。

三、直接变换的接收机

早期的手机接收机电路结构基本上都分别属于上述两种电路结构形式,但随着新型手机

的面世,出现了一种新的信号接收机电路结构——直接变换的线形接收机(Direct Conversion

Linear Receiver),如诺基亚的 8210 手机。这种接收机的电路结构如图 1-4 所示。

图 1-4 直接变换的接收机方框图

从一次变频接收机和二次变频接收机的方框图可以看，RXI/Q 信号都是从解调电路输出

的,但在直接变换线形接收机中,混频器输出的就是 RXI/Q 信号了。

不管电路结构怎样变,都可以看到它们的一些相似之处：信号是从天线到底噪声放大器,

再到频率变换单元,最后到语音处理电路。

所以在手机接收机电路中,主要有以下几个不同的功能电路，组合而成。

接收天线(ANT)：作用是将高频电磁波转化为高频信号电流。

双工滤波器：作用是将接收射频信号与发射射频信号分离,以防止强的发射信号对接收

机造成影响。双工滤波器包含一个接收滤波器和一个发射滤波器,它们都是带通射频滤波器。

天线开关：作用同双工滤波器，由于 GSM 手机使用了 TDMA 技术,接收机与发射机间

歇工作,天线开关在逻辑电路的控制下,在适当的时隙内接向接收机或发射机通道。

射频滤波器：是一个带通滤波器,只允许接收频段的射频信号进入接收机电路。

低噪声放大器(LNA): 作用是将天线接收到的微弱的射频信号进行放大,以满足混频器

对输入信号幅度的需要,提高接收机的信噪比。

混频器(MIx):是一个频谱搬移电路,它将包含接收信息的射频信号转化为一个固定频率

的包含接收信息的中频信号。它是接收机的核心电路。

中频滤波器:中频滤波器在电路中只允许中频信号通过,它在接收机中的作用比较重要。

中频滤波器防止邻近信道的干扰,提高邻近信道的选择性。

中频放大器:中频放大器主要是提高接收机的增益，接收机的整个增益主要来自中频放

大。

射频 VCO:在不同的手机电路中的英文缩写不同,常见的有 RXVCO(诺基亚、爱立信及

其他部分手机常见)、PFVCO(三星手机常见)、UHFVCO(诺基亚手机常见

)、MAINVCO(摩

托罗拉手机常见)等。它给接收机提供第一本机振荡信号；给发射上变频器提供本机振荡信

号,得到最终发射信号；给发射交换模块提供信号,经处理得到发射参考中频信号。

中频 VCO:通常被称为 IFVCO 或 VHFVCO,若接收有第二混频器的话,给接收机的第二

混频器提供本机振荡信。在一些手机电路中,给 RXI/Q 解调电路提供参考振荡信号。

语音处理部分:语音处理部分包含几个方面,首先 RXI/Q 信号在逻辑电路中进行 GSMK

解调,然后进行解密、去分间插入等处理,然后将这个信号进行 PCM 解码,还原出模拟的话音

信号(参见接收音频)。

第二节接收机的功能电路

一、天线及天线电路

话机本身的天线一般为螺旋鞭状天线或短鞭状天线。移动台的天线具有足够宽的工作频

带,它工作于全部的收发信道，基本上所有的蜂窝话机都可使用内接和外接天线。

天线分为发射天线与接收天线，将高频电流转化为高频电磁波传送出去的导体被称为发

射天线；将高频电磁波转化为高频信号电流的导体被称为接收天线。

在一些蜂窝电话机中,天线进来常采用双工滤波器(选频电路)，天线和双工器都是无源器

件。双工器包括发射滤波器和接收滤波器,它们都是带通滤波器，双工器有 3 个端口——公

共端天线接口、发射输出端及接收输入端。天线及双工滤波器与接收机发射机的连接如图

1-15 所示。

发射信号总是比接收信号强,而强信号对弱信号有抑制作用,会使接收电路被强信号阻塞,

使接收的弱信号被淹没,引起接收灵敏度下降。所以接收滤波器就是阻止发射信号串人接收

电路,并拒收天线接收到的接收频段以外的信号；而发射滤波器则拒绝，接收频率段的噪声

功率及发射调和信号等。当然,也有一些话机使用接收与发射分离的滤波器。

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devilgavin

2014-01-06

对初学者帮助很大，讲解得比较清楚，很好的资料。

elevo

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