一部可以支持通话、短信、网络服务和APP应用的手机,通常包括射频、基带、电源管理、外设和软件五个部分。
射频:一般是收发信息的部分;
基带:一般是信息处理的部分;
电源管理:一般是省电的部分。由于手机是能量有限的设备,电源管理非常重要;
外设:一般包括液晶、键盘、机柜等。
软件:一般包括系统、驱动、中间件、应用。
在手机终端中,最重要的核心是射频芯片和基带芯片。射频芯片负责射频收发、频率合成和功率放大;基带芯片负责信号处理和协议处理。那么射频芯片和基带芯片是什么关系呢?
射频芯片与基带芯片的关系
射频和基带都来自英文直译。其中最早应用射频的是Radio—— (FM/AM),至今仍是射频技术乃至无线电领域最经典的应用。
基带是频带中心点在0Hz的信号,所以基带是最基本的信号。也有人称基带为“未调制信号”。这个观念曾经是正确的。比如AM是调制信号(没有调制,接收后可以通过发声组件读出内容)。
然而,在现代通信领域,基带信号通常是指频谱中心在0Hz的数字调制信号。而且基带一定是模拟的还是数字的,也没有明确的概念。这完全取决于具体的实现机制。
言归正传,基带芯片可以认为包括调制解调器,但不仅仅是调制解调器,还包括信道编解码器、信源编解码器和一些信令处理。射频芯片可以看作是基带调制信号最简单的上变频和下变频。
调制是指将要传输的信号按照一定的规则调制到载波上,然后通过射频收发机发送出去的项目。解调是相反的过程。
工作原理及电路分析
简称RF RF是射频电流,是一种高频交变电磁波。是射频的缩写,意思是能辐射到太空的电磁频率。频率范围在300 kHz到300 GHz之间。每秒变化不到1000次的交流电称为低频电流,变化超过10000次的交流电称为高频电流,射频就是这样的高频电流。高频(超过10K);射频(300K-300G)是高频的较高频段;微波频段(300M-300G)是射频的较高频段。射频技术广泛应用于无线通信领域,有线电视系统采用射频传输方式。
射频芯片是指将无线电信号通信转换成一定的无线电信号波形,通过天线谐振发送出去的电子元器件。它包括功率放大器、低噪声放大器和天线开关。射频芯片架构包括接收通道和发射通道两部分。
射频电路框图
接收电路的结构和工作原理
接收时,天线将基站发出电磁波转换成微弱的交流电流信号,滤波,高频放大,然后送入中频解调,得到接收的基带信息(RXI-P,RXI-N,RXQ-P,RXQ-N);将其发送到逻辑音频电路进行进一步处理。
该电路的关键点是:1 .接收电路的结构;2.各部件的功能和作用;3.接收信号流。
1.电路结构
接收电路由天线、天线开关、滤波器、高放大器(低噪声放大器)、中频集成块(接收解调器)等电路组成。早期的手机有主次混频电路,目的是降低接收频率,然后解调(如下图)。
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接收电路框图
2.每个组件的功能和作用
1)、手机天线:
结构:(如下图)
手机天线有两种:外置天线和内置天线。它由天线座、螺线管和塑料外壳组成。
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功能:a)接收到基站发出电磁波后,转换成微弱的交流电流信号。b)发射时,转换经t放大的交流电流
完成收发切换;完成900M/1800M信号接收切换。逻辑电路发送控制信号(GSM-RX-EN;DCS-RX-EN;GSM-TX-EN;DCS- TX-EN),以使它们各自的通道导通,从而接收和发送信号各走各的路,互不干扰。
因为手机在接收和发送的时候是不能在同一个时隙工作的(也就是接收的时候不发送,发送的时候不接收)。所以后期新手机去掉了接收通道的两个开关,只留了两个发射开关;接收任务就交给高位放管了。
3)过滤器:
结构:手机里有高频滤波器和中频滤波器。
功能:滤除其他无用信号,获得纯净的接收信号。后期所有新手机都是零中频手机;所以手机里没有中频滤波器。
4)、高电平放电管(高频放大管、低噪声放大器):
结构:手机有两个高空管:900M高空管和1800M高空管。是三极管共发射极放大器电路;后期新手机把高电平放大管集成到中频。
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高频放大器电源图
角色:
天线感应微弱电流被放大以满足后续电路对信号幅度的要求。完成900M/1800M接收信号切换。原则:
电源:900M/1800M两个高压放电管的基极偏置共用一个通道,由中频同期通道提供;两管集电极的偏置电压由中频CPU根据手机的接收状态分两路发出。目的是完成900M/1800M接收信号切换。纯935M-960M接收信号,经过滤波器滤波去除其他杂波后,通过电容耦合后送到相应的放大器,再通过电容耦合后送到中频进行后续处理。5)中频(射频接口、射频信号处理器):
结构:由接收解调器、发射调制器、发射鉴相器等电路组成;新手机还集成了高放、频率合成、26M振荡和分频电路(如下图)。
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角色:
a)内部高放电管放大由天线感应的微弱电流;
b)接收时,解调935M-960M(GSM)接收载频信号(有对方信息)和本振信号(无信息),得到67.707KHZ接收基带信息;
c)传输时,将逻辑电路处理后的传输信息和本振信号调制成传输中频;
d)组合13M/26M晶体以产生13M时钟(参考时钟电路);
e)根据CPU发送参考信号,产生符合手机工作频道的本振信号。
3.接收信号流
手机在接收时,天线将基站发出的电磁波转换成微弱的交流电流信号,通过天线开关接收通道送入高频滤波器滤除其他无用杂波,得到纯净的935M-960M(GSM)接收信号,经电容耦合送入中频内相应的高频放大器放大, 然后送至解调器与本振信号(无信息)进行解调,得到接收的67.707KHZ基带信息(RXI-P,RXI)送至逻辑音频电路进行进一步处理。
发射电路的结构和工作原理
发射时,经过逻辑电路处理的发射基带信息被调制成发射中频,发射中频信号的频率通过TX-VCO转换成890M-915M(GSM)的频率信号。经功率放大器放大后,由天线转换成电磁波并辐射出去。
该电路的要点是:(1)电路结构;(2)各部件的功能和作用;(3)传输信号的流程。
1.电路结构
发射电路由中频内的发射调制器和发射鉴相器组成;发射压控振荡器(TX-VCO)、功率放大器(功率放大器)、功率控制器(功率控制)、发射变压器等
功能:将中频调制器调制的发射中频信号转换成基站可以接收的890M-915M(GSM)频率信号。
原理:众所周知,基站只能接收890M-915M(GSM)的频率信号,而中频调制器调制的中频信号(如三星发射的135M中频信号)是基站无法接收的。因此,应使用TX-VCO将发射中频信号转换为890M-915M(GSM)的频率信号。
发射时,电源部分送出3VTX电压使TX-VCO工作,890M-915M(GSM)的频率信号分两路:a)采样送回中频,与本振信号混频产生与发射中频相等的发射鉴频信号,送入鉴相器与发射中频进行比较;如果TX-VCO的振荡频率不符合手机的工作通道,鉴相器会产生1-4V的跳变电压(带交流传输信息的DC电压)来控制TX-VCO内部变容二极管的电容,从而达到调节频率精度的目的。b)输入功率放大器经放大后,由天线转换成电磁波并辐射出去。
从上面可以看出,TX-VCO产生频率,对其进行采样并将其发送回IF,然后产生电压来控制TX-VCO。只是形成一个闭环,控制频率和相位,所以这个电路也叫传输锁相环电路。
3)功率放大器(功率放大器):
结构:目前手机功放为双频功放(900M功放和1800M功放为一体),分为搪胶功放和铁壳功放两种;不同型号的功率放大器不能互换。
功能:放大TX-VCO振荡出的频率信号,获得足够的功率电流,通过天线转换成电磁波,辐射出去。
注意:功率放大器放大发射频率信号的幅度,但不能放大其频率。
功率放大器的工作条件:
a)工作电压(VCC):手机功放电源直接由电池提供(3.6V);
b)接地端子(GND):使电流形成回路;
C) BANDSEL:控制功放工作在900米或1800米;
d)功率控制信号(PAC):控制功放的放大量(工作电流);
e)、输入信号(in);输出信号(OUT)。
4)、发射变压器:
结构:两个线径、匝数相等的线圈相互靠近,利用互感原理组成。
功能:将功率放大器的功率电流样本发送到功率控制器。
原理:功率放大器发出的功率电流在传输过程中通过发射变压器时,在其次级感应出与功率电流同量级的电流,被检测(高频整流)后送至功率控制。
5)、功率电平信号:
所谓功率级,就是工程师在给手机编程时,将接收信号分为八个级别,每个接收级别对应第一个级别的发射功率(如下表所示)。手机工作时,CPU根据接收信号强度判断手机与基站的距离,发出合适的发射电平信号,确定功放的放大倍数(即接收强发射弱)。
随附的功率等级表:
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6)电源控制器(电源控制):
结构:它是一个运算比较放大器。
功能:将发射功率电流采样信号与功率电平信号进行比较,得到合适的电压信号,控制功率放大器的放大。
原理:当电力电流在传输过程中通过发射变压器时,其次级感应的电流被检测(高频整流)并发送给电力控制;同时,编程期间的预设功率电平信号也被发送到功率控制;两个信号内部比较后,产生一个电压信号来控制功放的放大,使功放的工作电流适中,既省电又延长了功放的使用寿命(如果功率控制电压高,功放的功率就会大)。
3.传输信号流
b)两路输入功率放大器放大后由天线转换成电磁波并辐射出去。为了控制功率放大器的放大,当功率电流在传输过程中通过发射变压器时,检测其次级感应的电流(高频整流)并发送给功率控制;同时,编程期间的预设功率电平信号也被发送到功率控制;两个信号经过内部比较后,产生一个电压信号来控制功放的放大,使功放的工作电流适中,既省电又延长了功放的使用寿命。
国内射频芯片产业链现状
在射频芯片领域,市场主要被海外巨头垄断。国产射频芯片方面,没有一家公司能独立支持IDM的运营模式,主要是无晶圆厂设计公司;国内企业通过设计、代工、包装的合作,形成了“软IDM”的运营模式。
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在射频芯片设计方面,国内公司在5G芯片上已经有所建树,并具备一定的出货能力。射频芯片设计门槛较高,有了射频开发经验,可以加速先进射频芯片的开发。
在射频芯片封装方面,一方面,5G射频芯片的频率提高,导致电路中的连接线对电路性能的影响更大,封装时需要减少信号连接线的长度;另一方面,需要将功率放大器、低噪声放大器、开关和滤波器封装在一个模块中,一方面减小了体积,另一方面方便下游终端厂商使用。为了减少射频参数的寄生效应,需要倒装芯片、扇入和扇出封装技术。
倒装芯片采用扇入扇出工艺封装时,不需要通过金线键合进行信号连接,减少了金线键合带来的寄生电效应,提高了芯片的射频性能。5G时代,高性能倒装芯片/扇入/扇出结合Sip封装技术将是未来封装趋势。
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倒装/扇入/扇出和Sip封装是高级封装,其盈利能力远高于传统封装。国内上市公司已经形成了倒装芯片Sip技术的完整封装能力。
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