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3.1 射频模块

射频模块主要由收发器(Tranceiver)、锁相环、混频器、滤波器、双工器、功率控制环路、衰减匹配网络、射频天线等组成。射频模块主要负责射频到中频信号的处理、信号的数字/模拟转换工作,同时还要负责信号的放大。基带芯片和射频模块一起工作,共同决定了手机的通信制式。随着电路集成技术日新月异的发展,射频电路也趋向于集成化、模块化,目前智能手机的射频电路通常是以RFIC为中心结合外围辅助、控制电路构成的。

3.1.1 收发器(Tranceiver)

收发器即调制解调器。调制是指发射时基带信号加载到射频信号,解调是指接收时射频信号经过解调电路输出基带信号。

1.射频接收部分

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),解调出接收基带信息;新型手机很多直接解调出接收基带信息(零中频)。

图3-4~图3-6中列出了三种射频接收电路,对应三种变频电路方式。从图中可以看出,信号从天线到低噪声放大器,再到频率变换单元,最后到语音处理电路。超外差二次变频和超外差一次变频都属于超外差变频接收机。超外差变频接收机首先需要将高频信号转换为中频信号然后才传输给解调电路,RXI/Q信号都是需要解调电路输出的,而直接变频接收机混频器输出的就是RXI/Q信号。

图3-4 超外差二次变频

图3-6 直接变频/零中频

图3-5 超外差一次变频

超外差变频接收机因为通过适当地选择中频和滤波器可以获得极佳的选择性和灵敏度,但是却必须使用成本昂贵而且体积庞大的中频零件。直接变频(零中频)接收机由于在下变频过程中不需要经过中频,直接将高频信号转化成低频信号,而且镜像频率即是射频信号本身,不存在镜像频率干扰,这种采用直接转换的方式,节省了昂贵的中频器件及中频至基带转换电路,集成度高。但实际应用中可能受“直流位移”的影响,降低接收灵敏度。

2.射频发射部分

射频发射电路通常分为图3-7~图3-9的三种类型,这三种电路的差异如下所述:

图3-7 带发射变频器电路

图3-8 带发射变频模块电路

图3-9 直接变频/零中频电路

1)最终发射信号的产生方式不同

(1)带发射上变频器发射机:TXI/Q信号首先需要通过发射中频电路完成I/Q调制后,经过发射上变频电路产生最终发射信号;

(2)带发射变换模块发射机:TXI/Q信号同样需要经过发射中频调制,经过发射变换和TXVCO电路成最终发射信号;

(3)直接调制发射机:发射基带信号TXI/Q不再是调制发射中频信号,而是直接调制在发射机射频信号上。I/Q调制器直接输出最终发射信号。

2)集成度不同

所涉及电路越少,集成度将会越高,不论从成本还是外观上都是越来越适应发展需要的。

3.1.2 混频器

超外差变频接收机的核心电路就是混频器,若接收机的混频器出现故障则会导致无信号,不注册等故障。

混频电路又叫混频器(MIX),如图3-10所示,是利用半导体器件的非线性特性,将两个或多个信号混合,取其差频或和频,得到所需要的频率信号。在终端接收电路中,混频器有两个输入信号(一个为输入信号;另一个为本机振荡),一个输出信号(其输出被称为中频IF)。在接收机电路中的混频器是下变频器,即混频器输出的信号频率比输入信号频率低;在发射机电路中的混频器通常用于发射上变频,它将发射中频信号与UHFVCO(或RXVCO)信号进行混频,得到最终发射信号。

图3-10 射频模块-混频器

3.1.3 锁相环部分

在射频电路中,锁相环电路扮演着非常重要的角色,是频率合成器的核心。主要作用是由频稳性很强的基准信号得到一个同样频率稳定的信号。

如图3-11所示,参考源提供与反馈信号鉴相鉴频用的对比输入信号;鉴相器(PD)鉴频器(FD)鉴相鉴频器(PFD)是一个相位/频率比较装置,用来检测输入信号与反馈信号之间的相位/频率差;压控振荡器是一个电压—频率变换装置,用来检测输入信号与反馈信号之间的相位/频率差。锁相环的工作原理是:周期性的输出信号,如果其输出频率低于参考信号的频率,鉴相器通过电荷放大器改变控制电压使压控振荡器的输出频率提高。如果压控振荡器的输出频率高于参考信号的频率,鉴相器通过电荷放大器改变控制电压使压控振荡器的输出频率降低。低通滤波器的作用是平滑电荷放大器的输出,这样在鉴相器进行微小调整的时候,系统趋向一个稳态。图3-12和图3-13是两个锁相环电路在智能手机中应用的例子。

图3-11 锁相环原理

图3-12 接收RX频率合成器

图3-13 TX-VCO锁相环路

3.1.4 功率控制环路

如图3-14所示,功率控制环路(APC)通常由功率放大器、功率耦合器、功率检波器、功率比较/控制器构成。功率控制环路用来将功率较稳定的控制在设定的功率值上。

图3-14 功率控制环路(APC)

功率放大器将低功率射频信号线性无失真的放大到一定功率值,它的主要参数有:工作频率、带宽、最大线性输出功率(压缩点)、输入功率、输入输出匹配阻抗、工作电源及电压电流的要求、控制信号的形式及要求、噪声特性等。功率检波器对高频信号进行包络检波得到一个体现信号幅值大小的检波电压。功率比较器将功率检波信号与设定功率信号比较,得到一个功率控制信号给功率控制器,由功率控制器产生控制电压给功率放大器。

3.1.5 天线

手机天线分外置天线和内置天线两种。天线的作用是接收时把基站发送过来的电磁波转为微弱交流电流信号。

发射时把经过功放放大后的交流电流转化为电磁波信号。手机工作时由天线开关配合完成手机的发射和接收功能,手机天线开关通常由合路器、双工滤波器、电子开关构成。天线的相关知识详见本书第四章第4.5节:天线技术。