手機射頻系統硬件原理及設計淺析

陳國宏

摘要：本文概要介紹手機的射頻硬件研發與設計相關過程內容，并扼要介紹手機系統的射頻各部分硬件電路內容。旨在以此概要描述和介紹移動終端設備的射頻硬件研發設計階段所涉及到的相關內容，以此作為我對過去工作的回顧和小結。

關鍵詞：RF;移動通信

引言：

隨著移動通訊技術的高速發展，手機正從GSM，GPRS，EDGE，到3G，HSPA，4G LTE實用化，將向5G邁進。用手機上網瀏覽查閱信息，網購，QQ，微信聊天，發電子郵件等無所不能，而手機的研發升級時刻在不斷進行之中。本文據本人從事過手機硬件研發設計的過往經歷，謹對手機射頻研發做一次簡析。

一、手機射頻（RF）硬件系統總體架構簡介

手機硬件研發設計主要由射頻系統部分和基帶系統部分組成。

總體上，手機射頻電路包含射頻信號發射通路和手機射頻信號接收通路。

手機射頻信號發射通路：從基帶芯片提供的低頻基帶信號TX I/Q-->給射頻收發器，它將基帶信號與TCXO振蕩信號進行上變頻，目的將低頻基帶信號調制成為符合規范標準的手機射頻高頻信號-->再由PA對射頻信號進行射頻功率放大，使頻段內的頻點射頻功率符合規范要求功率的射頻信號-->射頻信號進入前終端FEM對信號模式切換，切換控制信號由基帶處理器提供，然后將信號傳送至下一級-->經過放大的射頻功率信號進入天線匹配網絡及天線系統，通過天線將手機通信射頻信號向空間發射給基站;

手機射頻信號接收通路：為手機射頻發射通路的逆過程。經過天線系統將空間的射頻通信信號接收下來，經天線匹配網絡及SAW聲表面帶通濾波網絡，篩選并分離出不同頻帶內的不同頻段的射頻通信電信號 -->射頻信號進入前終端FEM，先由LNA低噪聲放大器進行前置放大，然后進行信號模式切換，切換控制信號由基帶處理器提供，將信號按規范要求的方式傳送至下一級 -->信號進入射頻信號收發器（TRX Transceiver），它會將射頻信號與XO振蕩信號進行混頻下變頻，目的將高頻射頻信號解調降頻，最終得到符合通信規范標準的低頻RX IQ基帶目標信號->基帶信號TX I/Q送入基帶處理器處理，從而完成信號接收過程。

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

二、手機設備射頻單元工作原理與設計內容

本文謹以MTK MT6592平臺實際做過的項目為實例，淺談手機的射頻研發。

該平臺項目手機射頻發射接收電路設計為2個部分，一部分為GSM900MHz/GSM1800MHz射頻發送和接收電路;另一個部分為WCDMA B1/B5射頻發射和接收電路。

1）.GSM模式射頻接收通路電路設計以900MHz為例，

射頻信號接收部分：經天線系統接收935-960MHz的射頻信號 ?>>經天線匹配濾波器濾波后 ?>>送入前終端芯片射頻天線開關芯（SKY77584），天線開關的作用是將發射信號和接收信號分開，使收發互不干擾。接收或發射工作狀態又受到來自CPU的發射開（TXON）、接收開（RXON）信號的控制。接收射頻信號再從SKY77584芯片TRX2腳輸出 ?>>再經π型LC帶通濾波器選頻 ?>>進入SAW聲表面濾波器篩選出有用900MHz信號>>然后送入TRX射頻收發器芯片MT6166，經過高頻低噪聲放大器放大，再與本機振蕩信號進行混頻處理，混頻處理后的中頻信號再進行濾波器濾波、放大后輸出，在內部中頻信號再與載波信號解調產生IRX和QRX模擬基帶信號，混頻變頻處理后，得到RX I/Q基帶信號從RX IQ引腳輸出>>I/Q交給MT6592處理，從而完成射頻信號接收任務。

射頻發送部分，從基帶處理器輸出的TX IQ發射基帶信號送給MT6166，它內部產生216MHz的載波信號，該信號經內部的分頻器分頻產生發射中頻信號。四路調制信號在芯片內完成108MHz載波調制并輸出。MT6166內完成發射取樣信號與TXVCO產生鑒相誤差電壓，去控制變容二極管的容量來改變TXVCO的振蕩頻率，從MT6166輸出890-915MHz的發射信號經前級放大，然后送進功放PA（SKY77584），放大后的信號進入天線開關，最后890-915MHz的射頻信號從天線輻射出去。

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

3）.手機射頻系統設計內容：需要按照客戶定制的需求書，根據其中項目需求依據目標客戶，地區，網絡模式（GSM，CDMA，LTE等），網絡頻率段（Bands），支持頻率點（Frequency）等要素，設計和完成射頻通路各環節的器件選型和TRX通路電路設計及PCB走線設計等。

三、手機射頻系統硬件研發測試項

手機射頻常規測試項目簡介：

a.相位和頻率誤差測試：手機在不同電壓下（供電高、中、低電壓）以及不同功率等級時，測量手機與模擬基站之間通話時，手機相位和頻率誤差是否符合GSM 11.10-13.1標準;b.發射輸出功率測試：手機在不同電壓下及不同功率等級時，測量手機輸出的功率是否符合規范;c.相鄰信道抑制測試：手機在不同電壓下及不同功率等級時，與模擬基站通話，測量手機對相鄰信道射頻信號的抑制能力;d.靈敏度測試：手機在不同電壓下及不同功率等級時，與模擬基站通話，分別測量手機在BER誤碼率符合規范要求是的最小接收機電平值，即靈敏度;e.接收質量級別測試（誤碼率BER）：手機在不同電壓下及不同功率等級時，分別測量手機在BER誤碼率符合規范前提下，測得的最小接收機電平，即RX Quality、f.開關譜測試：測量手機在不同電壓下以及不同功率等級時，手機功率與時間關系譜;g.射頻發送模式輻射測試：測量手機在不同電壓下以及不同功率等級時，手機發射模式下輸出輻射指標值;h.交調注入失真測試：測量手機在不同電壓下以及不同功率等級時，手機交調失真抑制性能;i.TRP測試：測量手機天線位置總輻射功率指標;j.TIS測試：測量手機天線總全向靈敏度指標等測試項。

四、手機射頻系統常見問題與對策簡析

常見問題舉例：

1）接收通路損耗較大;對策：使用網絡分析儀或頻譜儀重點檢查PCB layout走線：測量RX通路中各級的損耗，排查出損耗異常的級;

2）發射功率較小;對策：重點檢查PCB layout走線：a.測量發射通路中各級的損耗，排查出損耗值異常的級;b.確認TX通路走線的射頻阻抗控制是否正常; c.匹配網絡; d.濾波網絡; d.PA射頻功放電路匹配等

3）RX quality在某些頻段過差;對策：使用矢量信號源輸入RX通路，用頻譜儀重點檢查RX接收通路相應的頻段存在干擾源或濾波網絡。a.重點測量通路匹配網絡、通路濾波網絡;b.檢查PCB layout走線：c.測量RX各級的損耗;d.確認RX通路走線的阻抗控制是否符合要求阻抗; e.射頻器件參數選擇是否得當等

結語

本文通過對手機射頻硬件的簡要論述，旨在介紹手機通信系統設計的基本內容。

參考文獻

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

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