手機(jī)射頻系統(tǒng)硬件原理及設(shè)計(jì)淺析

陳國(guó)宏

摘要：本文概要介紹手機(jī)的射頻硬件研發(fā)與設(shè)計(jì)相關(guān)過程內(nèi)容，并扼要介紹手機(jī)系統(tǒng)的射頻各部分硬件電路內(nèi)容。旨在以此概要描述和介紹移動(dòng)終端設(shè)備的射頻硬件研發(fā)設(shè)計(jì)階段所涉及到的相關(guān)內(nèi)容，以此作為我對(duì)過去工作的回顧和小結(jié)。

關(guān)鍵詞：RF;移動(dòng)通信

引言：

隨著移動(dòng)通訊技術(shù)的高速發(fā)展，手機(jī)正從GSM，GPRS，EDGE，到3G，HSPA，4G LTE實(shí)用化，將向5G邁進(jìn)。用手機(jī)上網(wǎng)瀏覽查閱信息，網(wǎng)購(gòu)，QQ，微信聊天，發(fā)電子郵件等無所不能，而手機(jī)的研發(fā)升級(jí)時(shí)刻在不斷進(jìn)行之中。本文據(jù)本人從事過手機(jī)硬件研發(fā)設(shè)計(jì)的過往經(jīng)歷，謹(jǐn)對(duì)手機(jī)射頻研發(fā)做一次簡(jiǎn)析。

一、手機(jī)射頻（RF）硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)簡(jiǎn)介

手機(jī)硬件研發(fā)設(shè)計(jì)主要由射頻系統(tǒng)部分和基帶系統(tǒng)部分組成。

總體上，手機(jī)射頻電路包含射頻信號(hào)發(fā)射通路和手機(jī)射頻信號(hào)接收通路。

手機(jī)射頻信號(hào)發(fā)射通路：從基帶芯片提供的低頻基帶信號(hào)TX I/Q-->給射頻收發(fā)器，它將基帶信號(hào)與TCXO振蕩信號(hào)進(jìn)行上變頻，目的將低頻基帶信號(hào)調(diào)制成為符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)射頻高頻信號(hào)-->再由PA對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行射頻功率放大，使頻段內(nèi)的頻點(diǎn)射頻功率符合規(guī)范要求功率的射頻信號(hào)-->射頻信號(hào)進(jìn)入前終端FEM對(duì)信號(hào)模式切換，切換控制信號(hào)由基帶處理器提供，然后將信號(hào)傳送至下一級(jí)-->經(jīng)過放大的射頻功率信號(hào)進(jìn)入天線匹配網(wǎng)絡(luò)及天線系統(tǒng)，通過天線將手機(jī)通信射頻信號(hào)向空間發(fā)射給基站;

手機(jī)射頻信號(hào)接收通路：為手機(jī)射頻發(fā)射通路的逆過程。經(jīng)過天線系統(tǒng)將空間的射頻通信信號(hào)接收下來，經(jīng)天線匹配網(wǎng)絡(luò)及SAW聲表面帶通濾波網(wǎng)絡(luò)，篩選并分離出不同頻帶內(nèi)的不同頻段的射頻通信電信號(hào) -->射頻信號(hào)進(jìn)入前終端FEM，先由LNA低噪聲放大器進(jìn)行前置放大，然后進(jìn)行信號(hào)模式切換，切換控制信號(hào)由基帶處理器提供，將信號(hào)按規(guī)范要求的方式傳送至下一級(jí) -->信號(hào)進(jìn)入射頻信號(hào)收發(fā)器（TRX Transceiver），它會(huì)將射頻信號(hào)與XO振蕩信號(hào)進(jìn)行混頻下變頻，目的將高頻射頻信號(hào)解調(diào)降頻，最終得到符合通信規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的低頻RX IQ基帶目標(biāo)信號(hào)->基帶信號(hào)TX I/Q送入基帶處理器處理，從而完成信號(hào)接收過程。

手機(jī)系統(tǒng)以基帶處理器芯片為核心，分別與射頻通信系統(tǒng)和基帶處理系統(tǒng)、LCD顯示系統(tǒng)、攝像組件、傳感器組件（光敏，磁敏等器件）、GPS組件、WIFI及藍(lán)牙單元、電池充放電單元、按鍵人機(jī)接口相連接組成一個(gè)手機(jī)硬件系統(tǒng)。

二、手機(jī)設(shè)備射頻單元工作原理與設(shè)計(jì)內(nèi)容

本文謹(jǐn)以MTK MT6592平臺(tái)實(shí)際做過的項(xiàng)目為實(shí)例，淺談手機(jī)的射頻研發(fā)。

該平臺(tái)項(xiàng)目手機(jī)射頻發(fā)射接收電路設(shè)計(jì)為2個(gè)部分，一部分為GSM900MHz/GSM1800MHz射頻發(fā)送和接收電路;另一個(gè)部分為WCDMA B1/B5射頻發(fā)射和接收電路。

1）.GSM模式射頻接收通路電路設(shè)計(jì)以900MHz為例，

射頻信號(hào)接收部分：經(jīng)天線系統(tǒng)接收935-960MHz的射頻信號(hào) ?>>經(jīng)天線匹配濾波器濾波后 ?>>送入前終端芯片射頻天線開關(guān)芯（SKY77584），天線開關(guān)的作用是將發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)分開，使收發(fā)互不干擾。接收或發(fā)射工作狀態(tài)又受到來自CPU的發(fā)射開（TXON）、接收開（RXON）信號(hào)的控制。接收射頻信號(hào)再?gòu)腟KY77584芯片TRX2腳輸出 ?>>再經(jīng)π型LC帶通濾波器選頻 ?>>進(jìn)入SAW聲表面濾波器篩選出有用900MHz信號(hào)>>然后送入TRX射頻收發(fā)器芯片MT6166，經(jīng)過高頻低噪聲放大器放大，再與本機(jī)振蕩信號(hào)進(jìn)行混頻處理，混頻處理后的中頻信號(hào)再進(jìn)行濾波器濾波、放大后輸出，在內(nèi)部中頻信號(hào)再與載波信號(hào)解調(diào)產(chǎn)生IRX和QRX模擬基帶信號(hào)，混頻變頻處理后，得到RX I/Q基帶信號(hào)從RX IQ引腳輸出>>I/Q交給MT6592處理，從而完成射頻信號(hào)接收任務(wù)。

射頻發(fā)送部分，從基帶處理器輸出的TX IQ發(fā)射基帶信號(hào)送給MT6166，它內(nèi)部產(chǎn)生216MHz的載波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)內(nèi)部的分頻器分頻產(chǎn)生發(fā)射中頻信號(hào)。四路調(diào)制信號(hào)在芯片內(nèi)完成108MHz載波調(diào)制并輸出。MT6166內(nèi)完成發(fā)射取樣信號(hào)與TXVCO產(chǎn)生鑒相誤差電壓，去控制變?nèi)荻O管的容量來改變TXVCO的振蕩頻率，從MT6166輸出890-915MHz的發(fā)射信號(hào)經(jīng)前級(jí)放大，然后送進(jìn)功放PA（SKY77584），放大后的信號(hào)進(jìn)入天線開關(guān)，最后890-915MHz的射頻信號(hào)從天線輻射出去。

2）.WCDMA B1/B5模式射頻接收通路電路設(shè)計(jì)（注：省略，設(shè)計(jì)思想跟GSM900MHz類似）

3）.手機(jī)射頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容：需要按照客戶定制的需求書，根據(jù)其中項(xiàng)目需求依據(jù)目標(biāo)客戶，地區(qū)，網(wǎng)絡(luò)模式（GSM，CDMA，LTE等），網(wǎng)絡(luò)頻率段（Bands），支持頻率點(diǎn)（Frequency）等要素，設(shè)計(jì)和完成射頻通路各環(huán)節(jié)的器件選型和TRX通路電路設(shè)計(jì)及PCB走線設(shè)計(jì)等。

三、手機(jī)射頻系統(tǒng)硬件研發(fā)測(cè)試項(xiàng)

手機(jī)射頻常規(guī)測(cè)試項(xiàng)目簡(jiǎn)介：

a.相位和頻率誤差測(cè)試：手機(jī)在不同電壓下（供電高、中、低電壓）以及不同功率等級(jí)時(shí)，測(cè)量手機(jī)與模擬基站之間通話時(shí)，手機(jī)相位和頻率誤差是否符合GSM 11.10-13.1標(biāo)準(zhǔn);b.發(fā)射輸出功率測(cè)試：手機(jī)在不同電壓下及不同功率等級(jí)時(shí)，測(cè)量手機(jī)輸出的功率是否符合規(guī)范;c.相鄰信道抑制測(cè)試：手機(jī)在不同電壓下及不同功率等級(jí)時(shí)，與模擬基站通話，測(cè)量手機(jī)對(duì)相鄰信道射頻信號(hào)的抑制能力;d.靈敏度測(cè)試：手機(jī)在不同電壓下及不同功率等級(jí)時(shí)，與模擬基站通話，分別測(cè)量手機(jī)在BER誤碼率符合規(guī)范要求是的最小接收機(jī)電平值，即靈敏度;e.接收質(zhì)量級(jí)別測(cè)試（誤碼率BER）：手機(jī)在不同電壓下及不同功率等級(jí)時(shí)，分別測(cè)量手機(jī)在BER誤碼率符合規(guī)范前提下，測(cè)得的最小接收機(jī)電平，即RX Quality、f.開關(guān)譜測(cè)試：測(cè)量手機(jī)在不同電壓下以及不同功率等級(jí)時(shí)，手機(jī)功率與時(shí)間關(guān)系譜;g.射頻發(fā)送模式輻射測(cè)試：測(cè)量手機(jī)在不同電壓下以及不同功率等級(jí)時(shí)，手機(jī)發(fā)射模式下輸出輻射指標(biāo)值;h.交調(diào)注入失真測(cè)試：測(cè)量手機(jī)在不同電壓下以及不同功率等級(jí)時(shí)，手機(jī)交調(diào)失真抑制性能;i.TRP測(cè)試：測(cè)量手機(jī)天線位置總輻射功率指標(biāo);j.TIS測(cè)試：測(cè)量手機(jī)天線總?cè)蜢`敏度指標(biāo)等測(cè)試項(xiàng)。

四、手機(jī)射頻系統(tǒng)常見問題與對(duì)策簡(jiǎn)析

常見問題舉例：

1）接收通路損耗較大;對(duì)策：使用網(wǎng)絡(luò)分析儀或頻譜儀重點(diǎn)檢查PCB layout走線：測(cè)量RX通路中各級(jí)的損耗，排查出損耗異常的級(jí);

2）發(fā)射功率較小;對(duì)策：重點(diǎn)檢查PCB layout走線：a.測(cè)量發(fā)射通路中各級(jí)的損耗，排查出損耗值異常的級(jí);b.確認(rèn)TX通路走線的射頻阻抗控制是否正常; c.匹配網(wǎng)絡(luò); d.濾波網(wǎng)絡(luò); d.PA射頻功放電路匹配等

3）RX quality在某些頻段過差;對(duì)策：使用矢量信號(hào)源輸入RX通路，用頻譜儀重點(diǎn)檢查RX接收通路相應(yīng)的頻段存在干擾源或?yàn)V波網(wǎng)絡(luò)。a.重點(diǎn)測(cè)量通路匹配網(wǎng)絡(luò)、通路濾波網(wǎng)絡(luò);b.檢查PCB layout走線：c.測(cè)量RX各級(jí)的損耗;d.確認(rèn)RX通路走線的阻抗控制是否符合要求阻抗; e.射頻器件參數(shù)選擇是否得當(dāng)?shù)?/p>

結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)手機(jī)射頻硬件的簡(jiǎn)要論述，旨在介紹手機(jī)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1]《移動(dòng)通信》（第四版）.李建東等編著西安電子科技大學(xué)出版社2007.9

[2]GPP TS 151.010-1 ?Mobile Station （MS） conformance specification ETSI.