手机射频系统硬件原理及设计浅析

陈国宏

摘要：本文概要介绍手机的射频硬件研发与设计相关过程内容，并扼要介绍手机系统的射频各部分硬件电路内容。旨在以此概要描述和介绍移动终端设备的射频硬件研发设计阶段所涉及到的相關内容，以此作为我对过去工作的回顾和小结。

关键词：RF;移动通信

引言：

随着移动通讯技术的高速发展，手机正从GSM，GPRS，EDGE，到3G，HSPA，4G LTE实用化，将向5G迈进。用手机上网浏览查阅信息，网购，QQ，微信聊天，发电子邮件等无所不能，而手机的研发升级时刻在不断进行之中。本文据本人从事过手机硬件研发设计的过往经历，谨对手机射频研发做一次简析。

一、手机射频（RF）硬件系统总体架构简介

手机硬件研发设计主要由射频系统部分和基带系统部分组成。

总体上，手机射频电路包含射频信号发射通路和手机射频信号接收通路。

手机射频信号发射通路：从基带芯片提供的低频基带信号TX I/Q-->给射频收发器，它将基带信号与TCXO振荡信号进行上变频，目的将低频基带信号调制成为符合规范标准的手机射频高频信号-->再由PA对射频信号进行射频功率放大，使频段内的频点射频功率符合规范要求功率的射频信号-->射频信号进入前终端FEM对信号模式切换，切换控制信号由基带处理器提供，然后将信号传送至下一级-->经过放大的射频功率信号进入天线匹配网络及天线系统，通过天线将手机通信射频信号向空间发射给基站;

手机射频信号接收通路：为手机射频发射通路的逆过程。经过天线系统将空间的射频通信信号接收下来，经天线匹配网络及SAW声表面带通滤波网络，筛选并分离出不同频带内的不同频段的射频通信电信号 -->射频信号进入前终端FEM，先由LNA低噪声放大器进行前置放大，然后进行信号模式切换，切换控制信号由基带处理器提供，将信号按规范要求的方式传送至下一级 -->信号进入射频信号收发器（TRX Transceiver），它会将射频信号与XO振荡信号进行混频下变频，目的将高频射频信号解调降频，最终得到符合通信规范标准的低频RX IQ基带目标信号->基带信号TX I/Q送入基带处理器处理，从而完成信号接收过程。

手机系统以基带处理器芯片为核心，分别与射频通信系统和基带处理系统、LCD显示系统、摄像组件、传感器组件（光敏，磁敏等器件）、GPS组件、WIFI及蓝牙单元、电池充放电单元、按键人机接口相连接组成一个手机硬件系统。

二、手机设备射频单元工作原理与设计内容

本文谨以MTK MT6592平台实际做过的项目为实例，浅谈手机的射频研发。

该平台项目手机射频发射接收电路设计为2个部分，一部分为GSM900MHz/GSM1800MHz射频发送和接收电路;另一个部分为WCDMA B1/B5射频发射和接收电路。

1）.GSM模式射频接收通路电路设计以900MHz为例，

射频信号接收部分：经天线系统接收935-960MHz的射频信号  >>经天线匹配滤波器滤波后  >>送入前终端芯片射频天线开关芯（SKY77584），天线开关的作用是将发射信号和接收信号分开，使收发互不干扰。接收或发射工作状态又受到来自CPU的发射开（TXON）、接收开（RXON）信号的控制。接收射频信号再从SKY77584芯片TRX2脚输出  >>再经π型LC带通滤波器选频  >>进入SAW声表面滤波器筛选出有用900MHz信号>>然后送入TRX射频收发器芯片MT6166，经过高频低噪声放大器放大，再与本机振荡信号进行混频处理，混频处理后的中频信号再进行滤波器滤波、放大后输出，在内部中频信号再与载波信号解调产生IRX和QRX模拟基带信号，混频变频处理后，得到RX I/Q基带信号从RX IQ引脚输出>>I/Q交给MT6592处理，从而完成射频信号接收任务。

射频发送部分，从基带处理器输出的TX IQ发射基带信号送给MT6166，它内部产生216MHz的载波信号，该信号经内部的分频器分频产生发射中频信号。四路调制信号在芯片内完成108MHz载波调制并输出。MT6166内完成发射取样信号与TXVCO产生鉴相误差电压，去控制变容二极管的容量来改变TXVCO的振荡频率，从MT6166输出890-915MHz的发射信号经前级放大，然后送进功放PA（SKY77584），放大后的信号进入天线开关，最后890-915MHz的射频信号从天线辐射出去。

2）.WCDMA B1/B5模式射频接收通路电路设计（注：省略，设计思想跟GSM900MHz类似）

3）.手机射频系统设计内容：需要按照客户定制的需求书，根据其中项目需求依据目标客户，地区，网络模式（GSM，CDMA，LTE等），网络频率段（Bands），支持频率点（Frequency）等要素，设计和完成射频通路各环节的器件选型和TRX通路电路设计及PCB走线设计等。

三、手机射频系统硬件研发测试项

手机射频常规测试项目简介：

a.相位和频率误差测试：手机在不同电压下（供电高、中、低电压）以及不同功率等级时，测量手机与模拟基站之间通话时，手机相位和频率误差是否符合GSM 11.10-13.1标准;b.发射输出功率测试：手机在不同电压下及不同功率等级时，测量手机输出的功率是否符合规范;c.相邻信道抑制测试：手机在不同电压下及不同功率等级时，与模拟基站通话，测量手机对相邻信道射频信号的抑制能力;d.灵敏度测试：手机在不同电压下及不同功率等级时，与模拟基站通话，分别测量手机在BER误码率符合规范要求是的最小接收机电平值，即灵敏度;e.接收质量级别测试（误码率BER）：手机在不同电压下及不同功率等级时，分别测量手机在BER误码率符合规范前提下，测得的最小接收机电平，即RX Quality、f.开关谱测试：测量手机在不同电压下以及不同功率等级时，手机功率与时间关系谱;g.射频发送模式辐射测试：测量手机在不同电压下以及不同功率等级时，手机发射模式下输出辐射指标值;h.交调注入失真测试：测量手机在不同电压下以及不同功率等级时，手机交调失真抑制性能;i.TRP测试：测量手机天线位置总辐射功率指标;j.TIS测试：测量手机天线总全向灵敏度指标等测试项。

四、手机射频系统常见问题与对策简析

常见问题举例：

1）接收通路损耗较大;对策：使用网络分析仪或频谱仪重点检查PCB layout走线：测量RX通路中各级的损耗，排查出损耗异常的级;

2）发射功率较小;对策：重点检查PCB layout走线：a.测量发射通路中各级的损耗，排查出损耗值异常的级;b.确认TX通路走线的射频阻抗控制是否正常; c.匹配网络; d.滤波网络; d.PA射频功放电路匹配等

3）RX quality在某些频段过差;对策：使用矢量信号源输入RX通路，用频谱仪重点检查RX接收通路相应的频段存在干扰源或滤波网络。a.重点测量通路匹配网络、通路滤波网络;b.检查PCB layout走线：c.测量RX各级的损耗;d.确认RX通路走线的阻抗控制是否符合要求阻抗; e.射频器件参数选择是否得当等

结语

本文通过对手机射频硬件的简要论述，旨在介绍手机通信系统设计的基本内容。

参考文献

[1]《移动通信》（第四版）.李建东等编著西安电子科技大学出版社2007.9

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