2.2.2 手机的基本原理与工作过程
1.手机的基本组成部分
手机的种类很多，本节以GSM手机为例进行说明。GSM手机主要由射频模块、逻辑音频模块、界面模块和供电模块组成。其中，射频模块包括天线及天线开关、接收电路、发射电路、频率合成电路，接收电路中又包含接收高频处理（滤波、放大、混频）和接收中频处理（滤波、放大、解调）电路，发射电路中又包含发射高频处理（功率放大、滤波）和发射中频处理（调制、滤波、放大）电路，频率合成电路中又包含接收本振RXVCO、发射本振TXVCO、时钟电路；逻辑音频模块包含接收音频处理电路、CPU、存储器（版本、码片、暂存）、发射音频处理电路；界面模块包括受话器、送话器、显示屏、SIM（UIM）卡、振动器、振铃、键盘、指示灯电路；供电模块包括射频供电、逻辑供电、充电供电电路，手机电路框图如图2-16所示。
图2-16 手机电路框图
2.手机的基本工作原理
（1）语音信号的处理与发射过程
在界面模块中的送话器MIC将300～3400Hz的语音信号转换为模拟电信号，再经A/D转换和PCM编码变为数字信号。然后送入逻辑音频模块进行数字信号处理（DSP），即进行语音编码、信道编码、语音加密、交织、突发脉冲形成等，对带有发射信息、处理好的数字信号进行GMSK编码并分离出4路TX I/Q信号送到射频模块的发射电路。4路TX I/Q信号在发射中频调制器中被调制在中频载波上，得到发射中频信号TX-IF。该信号一路输出到发射高频处理电路，另一路与频率合成电路的接收本振RXVCO和发射本振TXVCO的差频在鉴相器（PD）内进行鉴相，得到一个包含发射数据的脉动直流信号TX-CP，用以控制发射本振TXVCO的输出频率的准确性，如图2-17所示，该电路一般被集成在中频IC内部或前端IC中。其中的发射本振TXVCO由振荡器和锁相环共同完成发射频率的合成（GSM：890～915MHz，DCS：1710～1785MHz），发射本振的输出一路经过缓冲放大后，送到前级功放电路，经过功率放大后，从天线发射出去；另一路送回发射变换（IC），在其内部与RXVCO经过MIX混频后得到差频作为TX-IF的参考频率。调制器和解调器有的集成在一个IC内，有的分别集成在两个IC中。完成I/Q调制的中频信号在发射高频处理电路中经环路低通滤波器LP F、前置放大器、功率放大器放大，使天线获得足够的功率，最后由天线将信号发射出去。功放的启动和功率控制由一个功率控制IC来完成，功率放大器输出的功率的大小受来自中频IC的控制信号控制，功放的输出信号经过微带线耦合取回一部分信号送到功控电路，经过高频整流后得到一个反映功放大小的直流电平U，与来自基站的基准功率控制参考电平AOC进行比较，如果U＜AOC，功率控制输出脚电压上升，控制功放的输出功率上升，反之控制功放的输出功率减少。
图2-17 发射变频电
实现GSM手机发射功能的发射机有三类：超外差一次混频发射机、超外差二次混频发射机、直接变频线性发射机来完成。图2-18所示为超外差一次混频发射机，语音信号的处理与发射过程：语音信号经A/D转换后，由DSP进行逻辑音频处理，再由发射电路进行中频、高频调制，上变频为射频信号后，再经功放和天线发射的过程。
图2-18 超外差一次混频发射机
（2）射频信号解调制与语音还原过程
手机天线感应基站的信号，经过天线匹配电路进入射频模块的接收电路，经接收滤波（RX-FL）电路滤波后由低噪声放大器（LNA）放大，再过接收滤波后被送到混频器（MIX），与来自本机振荡电路输出的压控振荡信号进行混频，经中频滤波器（RX-IL）得到接收中频信号（RX-IF），经过中频放大（IFA）后在解调器中进行正交解调，得到接收基带（RX I/Q）信号，接收基带信号在逻辑音频模块电路中经GMSK解调，进行去交织、解密、信道解码等DSP处理，再由界面模块进行PCM解码、D/A转换还原出模拟语音信号，推动受话器送入人耳。
GSM手机接收电路一般采用以下三种类型的接收机：
超外差一次混频接收机，即输入射频信号和一本振混频得到中频信号。
超外差二次混频接收机，又称双超外差接收机，这种接收机中有两个混频器，第一次混频是射频信号RF与一本振信号混频得到二者的差额为一中频信号IF1，第二次混频为中频信号IF1与二本振信号混频得到二者的差额为二中频IF2。
直接变频线性接收机，又称零中频接收机，直接解调出I/Q信号，所以只有收发共用的调制解调载波信号振荡器（SHFVCO），其振荡频率直接用于发射调制和接收解调（收、发时振荡频率不同）。零中频指信号直接由RF变到基带，不经过中频的调制解调方法。
图2-19所示为超外差一次混频接收机将射频信号解调制并还原成语音的过程。
图2-19 超外差一次混频接收
天线为接收和发射共用。天线开关主要完成接收和发射信号的双工切换，为防止相互干扰，通过控制信号完成接收和发射的分离，控制信号来自CPU的RX-EN（接收启动）、TE-EN（发射启动），或由它们转换而得来；此外天线开关还要完成双频和三频的切换，使手机在某一频段工作时，另外的频段空闲，控制信号主要来自切换电路。天线开关连接接收滤波和发射滤波。有的机器采用双工滤波器，将接收信号和发射信号分离，防止强的发射信号对接收机造成影响，双工器包含一个接收滤波器和发射滤波器，它们都是带通滤波器（BPF）。
接收带通滤波器只允许某一频段中的频率通过，而对于高于或低于这一频段的成分进行衰减，高频低噪声放大器LNA只允许GSM：935~960MHz或DCS：1805~1880MHz的频段进入接收机，得到纯净的射频信号进入混频器。
低噪声放大器（LNA）一般位于天线和混频器之间，是第一级放大器，所以叫接收前端放大器或高频放大器。主要完成对接收到的高频信号进行第一级放大，以满足混频器对输入的接收信号幅度的要求，提高接收信号的信噪比；此外放大管的集电极上加了由电感（L）与电容（C）组成的并联谐振回路，选出所需要的频带，所以叫选频网络或谐振网络。一般采用分离元件或前端IC。
混频器（MIX）实际上是一个频谱搬移电路，它将包含接收信息的射频信号（RF）转化为一个固定频率的包含接收信息的中频信号，由于中频信号频率低而且固定，容易得到比较大而且稳定的增益，提高接收机的灵敏性。混频后会产生许多新的频率，利用接收中频滤波器从中选出需要的中频，滤除其他成分，然后后送到中放。
中频放大器（IFA）是接收机的主要增益来源，一般为共射极放大器，带有分压电阻和稳定工作点的放大电路。
多数手机的解调制器采用对零中频进行正交解调，得到四路基带I/Q信号，其中I信号为同相支路信号，Q信号为正交支路信号，两者相位相差90°，所以叫正交。从天线到I/Q解调，接收机完成全部任务。测量接收机都是测试I/Q信号，测到I/Q信号，说明前面包括本振电路在内的各部分电路都没有问题，接收机已经完成其接收任务，这是射频模块和逻辑音频模块电路的分水岭。
数字信号处理（DSP）接收基带（I/Q）信号在逻辑音频模块电路中经GMSK解调制，包括进行去交织、解密、信道解码、语音均衡等DSP处理。
界面模块完成最后的PCM解码、D/A转换还原模拟语音信号，推动受话器将声波送入人耳。
（3）频率合成SYN的概念
频率合成技术是利用一块或少量晶体，采用综合或合成手段获得大量不同的工作频率，这些频率具有接近石英晶体的稳定度和准确度。频率合成的基本方法分为：直接频率合成、锁相环频率合成、直接数字频率合成。
直接频率合成：使用谐波发生器、倍频器、分频器、混频器等部件对基准频率进行加、减、乘、除的基本运算，然后用滤波器滤出所需频率。一般很少使用。
锁相环频率合成：利用锁相环路（PLL）的特性，使VCO输出频率与基准频率保持严格的比例关系，并得到相同的频率稳定度。
直接数字频率合成：利用计算机直接生成所需要的频率，在微电脑的控制下自动分频。
锁相环是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路，主要由鉴相器（PD）、低通滤波器（LPF）、压控振荡器（VCO）三部分组成，其作用是使压控振荡器输出的振荡频率与规定基准信号的频率和相位都相同（同步）。如图2-20所示为锁相环频率合成器的原理图。
图2-20 锁相环频率合成框图
锁相环中的鉴相器（PD）是一个相位比较器，压控振荡器（VCO）输出的振荡频率送回一个取样信号与基准参考频率进行鉴相，使鉴相器送出一个与相位误差成比例的误差电压，利用该电压控制压控振荡器的输出频率。锁相环是否工作及输出频率的高低，受基准参考频率和设置信号SYS-EN、SYS-CLK、SYS-DAT控制。
在手机中，一本振和二本振都是收发共用电路，均采用锁相环路。
手机中有32.768kHz、13MHz两个基本的时钟。其中，32.768kHz用于手机休眠时的实时时钟和用于提供时间显示的时钟；13MHz作为整个系统的主时钟，控制逻辑电路各个部件同步工作，13MHz还经锁相环产生一本振和二本振所需时钟信号。一本振的振荡频率与射频信号相接近，在逻辑电路的控制下，自动跟踪信道。一本振信号在手机电路中分为三路输出：一是去接收电路的第一混频器，与高频放大后的接收信号进行混频，得到二者的差频，即中频信号；二是去发射混频；三是返回一个取样信号去PLL的鉴相电路与基准时钟信号13MHz鉴相，得到误差信号去控制接收本振的准确性。
有两种电路方式获得13MHz基本时钟：其一是由一个13MHz石英晶体、集成电路、外接元件构成晶体振荡电路；其二是由13MHz的晶体及变容二极管、晶体管、电阻、电容等构成的13MHz振荡电路。可以将PLL全部集成在一个模块上，组成一个完整的晶体振荡电路，直接输出13MHz时钟信号。有些品牌的手机的基准时钟是将26MHz进行2分频得到13MHz。
（4）逻辑音频模块中的CPU和存储器
CPU内部结构包括控制器、运算器、寄存器，对外接口主要有地址总线AB（单向传输）、数据总线DB（双向传输）、控制总线CB（单向传输），CPU在时钟CLK和复位RST信号控制下，主要完成操作控制、程序控制、时间控制、数据加工。存储器有ROM（包括EPROM、EEPROM）和RAM两类。EPROM存储手机主程序，如基本程序、功能程序、监控程序、版本或中文字库、外围参数。EEPROM以二进制代码的形式存储手机的资料，如手机的机身码、检测程序、功率控制（PA）、数摸转换（DAC）、自动增益控制（AGC）、自动频率控制（AFC），以及手机的随机资料等。