CN1181700C - 一种用于多频多模手机的射频模块 - Google Patents
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Abstract
多频多模射频模块是为了满足多种不同频段和模式手机设计的需求。采用射频直接调制发射、超外差中频解调接收的系统方案，以芯片的PD(POWERDOWN)功能，结合SPMT开关实现多频多模的切换，降低功耗；同时，各个频段的不同模式共用同一个直接射频正交调制器、可变增益放大器(VGA)和正交解调器，以降低成本。
Description
(一)技术领域：
本发明属于移动通讯领域，尤其涉及射频电路技术。
(二)发明背景：
多频多模射频模块广泛应用于各种形式的多频多模手机设计中，如GSM/WCDMA双频/双模、GSM/WCDMA/cdma2000/CDMA IS-95三频/四模、GSM/WCDMA/TD-SCDMA三频/三模等手机。
自1992年以来，第二代数字蜂窝移动通信系统，如GSM和CDMA IS-95系统在世界各地迅猛发展，用户数将达到13亿；以提供高速数据传输、多媒体业务服务为目的的第三代移动通信系统移动IMT2000应运而生，它有包括三种不同的体制cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA。针对第二代GSM和CDMAIS-95移动通信系统还在大量使用，而第三代的cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA移动通信系统即将投入运行，由此突现的多种频段和多种模式移动通信系统并存的局面，迫切需要多频多模手机，在多种不同体制的系统之间自由切换，以方便实现全球漫游功能。用于多频多模手机的射频模块已经成为射频技术的研究热点之一，这方面的解决方案有两种，其一是设计支持多频多模手机的专用射频芯片组，针对不同的多频多模手机方案须设计各自的专用射频芯片组，优点是针对性强、系统设计优化、功耗低，缺点是研发费用高、风险大；其二是采用通用射频芯片在PCB板集成设计支持多频多模手机的射频模块，优点是研发费用低、风险小，针对不同的多频多模手机设计，通过灵活地选择芯片，实现所要求的系统方案，缺点是系统设计优化性差，功耗高。
本发明目的是提供一种采用通用射频芯片在PCB板集成设计支持多频多模手机的射频模块，主要解决多频多模手机设计中的射频模块低功耗和低成本的问题，实现并推进多频多模手机商业应用。
(三)发明内容：
多频多模射频模块的技术方案采用射频直接调制发射、超外差中频解调接收，射频直接调制发射是将需传输的信息直接调制到发信机发射频率，省去了中频带通滤波器、上变频器及推动放大器，使得发信机电路简洁；而超外差中频解调接收，是将接收机接收的射频信号先下变频到中频，经中频带通滤波器滤除杂波，并经VGA的自动增益控制后，由正交解调器解调出所需信息，这样确保接收机具有很宽的接收动态范围和灵敏度。同时，以芯片PD功能，结合SPMT开关实现多频多模的切换，降低功耗。此外，各个频段的不同模式共用同一个直接射频正交调制器、可变增益放大器(VGA)和正交解调器，以简化系统结构。
锁相本振频率源采用宽带设计，尽量减少不同频率的频率源的个数，并且使用SPMT开关切换到不同频段的接收前端。
模式和频段切换采用芯片PD功能和SPMT开关切换实现，大大简化了电路结构、降低了功耗。
多频多模射频模块框图如图1所示。模块主要由直接射频正交调制器1、可变增益放大器(VGA)2、功率放大器3/1～3/n、收发双工器及天线4/1～4/n、接收前端6/1～6/n、中频SAW滤波器7/1～7/n、正交解调器8，以及锁相频率综合源5和SPMT开关9，10，11组成。其特征在于：①射频正交调制器1的输出端直接与可变增益放大器(VGA)2联接，而省去了中频SAW滤波器、上变频器和推动放大器等复杂电路；②最大限度地共用芯片，如正交调制器1、正交解调器8，尤其是发射的可变增益放大器(VGA)2；③采用了宽带匹配技术，使可变增益放大器(VGA)2覆盖很宽的频率范围，并保证宽的线性增益控制范围；④接收机选择相近的中频频率，如200MHz左右，简化了中频SAW滤波器匹配电路及SPMT开关电路设计难度；⑤利用芯片自有的PD功能，结合SPMT开关控制信号的流程，实现多频多模之间的切换。
如图1所示，发射部分的工作流程为：不同模式的数据信号从基带部分输入到共用的直接射频正交调制器1，经可变增益放大器(VGA)2放大推动后，由SPMT开关10切换选择，输入到不同频段和模式要求的功率放大器3/1～3/n，再经不同频段和带宽的收发双工器及天线4/1～4/n发射出去。
接收部分的工作流程为：接收到的不同频段和模式的射频信号，经各自双工器及天线4/1～4/n，输入到接收前端6/1～6/n，经过混频后的中频信号馈入不同频率和带宽的中频SAW滤波器7/1～7/n，随后经SPMT开关11切换选择，输入到不同的模式共用的正交解调器8中，经中频放大、解调、基带放大后输出给基带部分处理。
射频模块的本振信号由锁相频率综合源5产生，其中一路宽带射频锁相源输出给正交调制器，一路中频锁相源输出给正交解调器，还有一路宽带射频锁相源输出后，经SPMT开关9选择切换输出给接收前端即锁相频率综合源5直接与正交调制器1、正交解调器8及接收前端6/1-6/n连接。
基带部分不仅给出发射APC、接收AGC控制信号、锁相环频率合成器的数据信号以及AFC控制信号，同时还给出模式切换的控制信号，将SPMT开关切换到所要求的模式位置，并利用芯片PD功能将其他模式工作的功率放大器和接收前端关闭。
本发明有益效果为：(1)省去了中频SAW滤波器、上变频器和推动放大器等复杂电路，有效地简化发射电路结构，减小了印刷电路板空间占用，大大削减了材料成本，可以设计成本低、体积小巧的手机。(2)各个频段的不同模式共用同一个直接射频正交调制器、可变增益放大器(VGA)和正交解调器，以简化系统结构、降低成本；(3)采用了宽带匹配技术，可变增益放大器(VGA)覆盖频率范围更广；(4)简化了中频SAW滤波器匹配电路及SPMT开关电路设计难度。
(四)附图说明：
图1为多频多模手机射频模块框图；
图2为WCDMA/GSM双频双模手机射频模块框图。
图中各符号说明：
PD-POWER DOWN电源关断；
SPMT-SINGLE PORT MULTI TURN单刀多掷；
AGC-AUTO GAIN CONTROL自动增益控制；
VGA-VARIABLE GAIN AMPLIFIER可增益放大器；
AFC-AUTO FREQUENCY CONTROL自动频率控制；
APC-AUTO POWER CONTROL自动功率控制；
PCB-PRINT CIRCUIT BOARD印刷电路板。
(五)具体实施方式：
以下结合附图2详述实施例：WCDMA/GSM双频双模手机射频模块。根据相关标准，两种模式的上、下行频段约定为：
| 移动通信模式 | 上行频段 | 下行频段 |
| 标准GSM900 | 890～915MHz | 935～960MHz |
| 扩展GSM900 | 880～915MHz | 925～960MHz |
| WCDMA | 1920～1980MHz | 2110～2170MHz |
以下GSM模式指标准GSM900模式。
射频模块中采用两个双锁相环，同时产生1920～1980MHz的射频本振频率源11、890～915MHz射频本振频率源9、710～735MHz的射频本振频率源12、1520MHz/1080MHz的中频频率源10。
基带部分不仅给出发射APC、接收AGC控制信号、锁相环频率合成器的数据信号以及AFC控制信号，同时还给出模式切换的控制信号，将SPDT开关切换到所要求的模式位置，并利用芯片PD功能将其他模式工作的功率放大器关闭。
发送通道：基带输出的WCDMA或GSM的正交IQ信号送给直接射频正交调制器1，WCDMA模式调制器本振输入为1920MHz～1980MHz，GSM模式为890～915MHz。WCDMA模式工作时，调制器1输出的1920MHz～1980MHz的WCDMA射频信号经共用可变增益放大器(VGA)2放大推动后，由SPDT开关切换到WCDMA功率放大器3，输出后经WCDMA频段双功器5和天线6发射出去；GSM模式工作时，调制器输出的890MHz～915MHz的GSM射频信号经共用可变增益放大器(VGA)2放大推动后，由SPDT开关切换到GSM功率放大器4，输出后经收发开关7和天线8发射出去。
接收通道：天线接收的2110～2170MHz的WCDMA射频信号，通过WCDMA频段天线6和双工器5输入到共用接收前端13，经放大、镜象抑制带通滤波、混频后，输出到WCDMA中频SAW带通滤波器15，再输入到共用正交解调器16中，经中频AGC放大、I/Q解调、低通滤波后，输出WCDMA的I、Q二路基带信号，经基带放大器17，送给基带作解调处理；天线接收的925～960MHz的GSM射频信号，通过天线收发开关7输入共用接收前端13，经放大、镜象抑制带通滤波、混频后，输出到GSM中频SAW带通滤波器14，再输入到共用正交解调器16中，经中频AGC放大、I/Q解调、低通滤波后，输出GSM的I、Q二路基带信号，经基带放大器17，送给基带作解调处理。
WCDMA/GSM双频双模手机射频模块主要由直接射频正交调制器1、可变增益放大器(VGA)2、WCDMA功率放大器3、GSM功率放大器4、WCDMA频段收发双工器5和天线6、GSM频段收发开关7和天线8、共用接收前端13、GSM中频SAW带通滤波器14、WCDMA中频SAW带通滤波器15、共用正交解调器16、基带放大器17，以及锁相频率源9，10，11，12组成。其特征①射频正交调制器1的输出端直接与可变增益放大器(VGA)2联接，而省去了中频SAW滤波器、上变频器和推动放大器等复杂电路；②最大限度地共用芯片，如正交调制器1、可变增益放大器(VGA)2、接收前端13、正交解调器16、基带放大器17；③采用了宽带匹配技术，使可变增益放大器(VGA)2覆盖很宽的频率范围，并保证宽的线性增益控制范围；④接收前端13采用MAXIAM公司的商用芯片，具有两个独立的射频信号输入端和中频信号输出端，可以直接与WCDMA和GSM模式的中频SAW滤波器15和14连接，省去了SPDT开关；⑤利用芯片自有的PD功能，结合SPDT开关切换WCDMA和GSM模式功放3和4，实现频段和模式之间的切换。
所用通用射频芯片及厂商：
1.正交调制器：RF2483 RFMD公司；
2.VGA：RF2378 RFMD公司；
3.WCDMA功放：RF2186 RFMD公司；
4.GMS功放：RF2173 RFMD公司；
5.接收前端：MAX2320 MAXIAM公司；
6.正交解调器：RF2689 RFMD公司；
7.集成锁相源：Si4133 Silicon Lab.公司；
8.WCDMA中频SAW滤波器：TMXL112 THOMSON公司；
9.GMS中频SAW滤波器：B4846 EPCOS公司。
实际研制中，适当调节I，Q信号偏置电压和I，Q信号幅度、相位来优化正交调制器的性能。选择线性度好的低噪声放大器可以降低双工器成本和体积，对于强的接收信号，为了避免非线性，应将低噪声放大器短接掉，而为了同时满足线性和灵敏度的要求，短接掉的增益要求非常精确的增益控制。在排版设计时，采用6层PCB板布线，有效地降低了各种杂散辐射和窜扰，提高了收发隔离，从而保证了射频模块的总体指标。
技术指标：
表1 WCDMA/GSM双频/双模式射频模块技术指标
| 技术指标项目 | WCDMA模式 | GSM模式 |
| 工作方式 | CDMA，FDD | TDMA，FDD |
| 上行工作频率 | 1920～1980MHz | 890～915MHz |
| 下行工作频率 | 2110～2170MHz | 935～960MHz |
| 双工间隔 | 190MHz | 45MHz |
| 信道间隔 | 5MHz | 200KHz |
| 调制方式 | QPSK调制 | GMSK调制 |
| 接收灵敏度 | -110dBm | -106dBm |
| 输出功率 | 21dBm | 33dBm |
Claims (1)
1.一种用于多频多模手机的射频模块，其特征在于由直接射频正交调制器、可变增益放大器(VGA)、功率放大器、收发双工器及天线、接收前端、中频SAW滤波器、正交解调器，以及锁相频率综合源和SPMT开关组成，其中射频正交调制器的输出端直接与可变增益放大器(VGA)连接；锁相频率综合源直接与正交调制器、正交解调器及接收前端连接。
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