1. 频率合成
现代移动通信要求系统能够提供足够的信道，移动台也应根据系统的控制变换自己的工作频率。这就需要提供多个信道的频率信号。使用多个振荡器是不现实的，在工程中，通常使用频率合成器来提供有足够精度、稳定性好的工作频率。
将一个或多个基准频率信号变换为另一个或多个所需频率信号的技术称为频率合成或频率综合技术。移动电话通常使用的为带锁相环的频率合成器。每个频率合成环路都包括5个基本的功能电路：参考振荡器、鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和程控分频器。图1为一个频率合成器的方框图。
设参考振荡信号为f\(_{1}\)，VCO输出信号为f\(_{2}\)。分频器输出的信号为f\(_{2}\)/N。这整个环路的控制目的就是要使f\(_{1}\)=f\(_{2}\)/N。
在手机电路中，一个频率合成系统通常包含以下几个频率合成环路：接收VCO频率合成环路、接收中频VCO频率合成环路、发射中频VCO频率合成环路等。不管是哪一个频率合成环路，其电路结构都如图1所示，且它们的参考信号都来自基准频率时钟电路。
2. 参考振荡器
参考振荡器在频率合成乃至整个手机电路中都是很重要的。在手机电路中，特别是GSM手机中，这个参考振荡器被称为基准频率时钟电路，它不但给频率合成环路提供参考信号，还给手机的逻辑电路提供信号。如该电路出现故障，手机将不能开机。
手机电路中的参考振荡器都使用晶体振荡电路。而且，大多数手机中使用的是一个基准频率时钟VCO组件。它将13MHz的晶体及变容二极管、三极管、电阻、电容等构成的13MHz振荡电路封装在一个屏蔽盒内。这些VCO组件都有4个端口，即电源端、接地端、输出端与控制端。
13MHz振荡电路受逻辑电路提供的AFC（自动频率控制）信号控制。
AFC信号由逻辑电路中的DSP（数字语音处理器）输出。由于GSM手机采用时分多址（TDMA）技术，以不同的时间段（Slot，时隙）来区分用户，手机与系统保持时间上的同步就显得非常重要。如手机时钟与系统时钟不同步，将会导致手机不能与系统进行正常的通信。
在GSM系统中，有一个公共的广播控制信道（BCCH），它包含频率校正信息与同步信息等。手机一开机，就会在逻辑电路的控制下扫描这个信道，从中获取同步与频率校正信息。如手机系统检测到手机的时钟与系统不同步，手机逻辑电路就会输出AFC信号。AFC信号改变13MHz电路中变容二极管两端的反偏压，从而使该VCO电路输出频率发生变化，以保证手机与系统同步。
图2所示的是一个13MHz振荡电路（基准频率时钟电路）。由图可见，AFC信号经一个RC低通滤波器去控制以晶体Y702、变容二极管CR221和U220构成的振荡电路。
基准频率时钟信号可用示波器、频率计、频谱分析仪等来检查。
3. 鉴相器
鉴相器简称PD，是英文Phase Detector的缩写。它是一个相位比较器，是一个相位—电压转换装置。它将VCO振荡信号的相位变化变换为电压的变化，鉴相器输出的脉动直流信号经LPF滤除高频成分后去控制VCO电路。
鉴相器是相位比较装置，它对基准信号f1与VCO产生的信号f2进行相位比较，输出反映两信号相位误差的误差电压。鉴相器有多种多样，有模拟的也有数字的，如双D鉴相器、鉴频鉴相器等。
当采用数字鉴相器时，由于其为双端口输出，在与环路滤波器的连接上就成问题。通常需在两者之间加入一个双端输入单端输出的，而且能将鉴相器输出的相位误差信号正确地反映出来的电路，这个电路被称为电荷泵或泵电路。在摩托罗拉的GSM手机中，其发射频率合成中基本上都使用了泵电路。
在频率合成器中，为了作精确的相位比较，鉴相器是在低频下工作的。
在手机电路中，鉴相器通常与分频器集成在一个专用的芯片中，这个芯片通常称为PLL（锁相环），或被集成在一个复合芯片中（即该芯片包含多种功能电路）。
鉴相器输出的是一个脉动直流信号，该信号可用示波器检查。在手机电路中，接收一本振、发射VCO频率合成中的鉴相器输出的信号幅度是随信道的变化而变化的。图3 是一个控制信号的波形图。
4. 低通滤波器
低通滤波器简称LPF，是英文Low Pass Filter的缩写。低通滤波器在频率合成环路中又被称为环路滤波器。它是一个RC电路，位于鉴相器与VCO电路之间。低通滤波器电路基本形式如图4所示。它通过对电阻电容进行适当的参数设置，将高频成分滤出。
由于鉴相器PD输出的不但包含直流控制信号，还有一些高频谐波成分，这些谐波会影响VCO电路的工作。低通滤波器就是要把这些高频成分滤除，以防止对VCO电路造成干扰。
5. 压控振荡器
压控振荡器简称VCO，是英文Voltage Control Oscillator的缩写。压控振荡器是一个电压—频率转换装置。它将鉴相器PD输出的相差电压信号的变化转化成频率的变化。
顾名思义，VCO电路是一个电压控制电路。电压控制功能的完成是通过一个特殊的器件来完成的，这个器件就是变容二极管。
鉴相器输出的相差电压实际上是加在变容二极管两端的。当鉴相器输出的相差电压发生变化时，变容二极管两端的反偏电压也随之发生变化，导致变容二极管的结电容改变，VCO振荡回路的参数改变，VCO输出频率也随之改变。在实际应用中，变容二极管为反向偏置使用，其线性好，可控范围大。
在手机电路中，VCO是多种多样。有接收机VCO，有发射机VCO等。在电路形式上，VCO有分立元件电路与VCO组件。但VCO组件采用的电路也基本与分立元件的VCO电路相似。
早期手机电路中的UHFVCO（或RFVC、RXVCO等）通常是使用VCO组件；而IFVCO（或VHFVCO等）使用的是分立元件的VCO电路。而现在手机电路中的VCO基本上都使用了VCO组件。
图5是摩托罗拉V998的接收VCO电路（RXVCO）。
其他如摩托罗拉87、328、928等的TXVCO与RXVCO都与它基本相似；诺基亚6110的232MHz电路等也都是这种基本电路形式。
在电路中，以三极管VT253为核心，构成了电容三点式振荡电路。VT253基极与发射极之间的两个电容——C252、C254的连接方式是这种VCO电路的明显标志。变容二极管CR251则是VCO电路中的控制主体，VCO的电压控制信号就送到CR251的负极。VT255则构成VCO电路的恒流源，以减小推频效应对VCO电路的影响。
而三星600、爱立信788、NOKIA8810等的接收VCO都是一个集成组件。随着手机小型化的发展，越来越多的手机使用VCO组件。
为了减小负载效应对VCO的影响，通常在VCO的输出端接入缓冲放大器。
压控振荡器在锁相环中比较重要，是频率合成及锁相环路的核心电路。它应满足这样一些特性：输出幅度稳定性要好，在整个VCO工作频率内均应满足此要求，否则会影响鉴相灵敏度；频率覆盖范围要满足要求且有余量；电压—频率变换特性的线性范围要宽。
在双频手机中VCO电路通常还有频段切换控制端口。一般情况下，当手机工作在GSM模式下时，频段切换控制信号是低电平；当手机工作在DCS模式下时（1800MHz）频段切换控制信号是高电平。
6. 分频器
鉴相器是将VCO输出信号与参考信号进行比较。在频率合成中，为了提高控制精度，鉴相器在低频下工作。而VCO输出频率是比较高的，为了提高整个环路的控制精度，就离不开分频技术。
手机中的频率合成环路多，不同的频率合成环路使用的分频器也不同：接收机的第一本机振荡（RXVCO、UHFVCO、RFVCO）信号是随信道的变化而变化的，该频率合成环路中的分频器是一个程控分频器，其分频比受控于手机的逻辑电路；中频VCO信号是固定的，中频VCO频率合成环路中的分频器分频比也是固定的。
程控分频器受控于频率合成数据信号（SYNDAT、SYNDATA或SDAT）。分频器输出的信号送到鉴相器。图6所示的是示波器所检测到的频率合成数据信号。
7. 综述
频率合成环路包含5个基本的功能电路：参考振荡器、鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和分频器。
参考振荡器给频率合成环路提供基准信号，使手机的工作频率与系统保持一致。
鉴相器是一个相位—电压转换装置，它将信号相位的变化转换成电压的变化，是一个比较器。
低通滤波器滤掉鉴相器输出中的高频成分，以防止高频谐波对VCO电路造成影响。在鉴相器中，参考信号与VCO分频后的信号进行比较。
VCO是一个电压—频率转换装置，它将鉴相器输出电压的变化转化为频率变化。VCO输出的信号通常是一路到其他功能电路，另一路回到分频器做取样信号。
分频器包含程控分频器和一般分频器。程控分频器的分频比是可变的，手机电路中UHFVCO（RXVCO）频率合成环路中的分频器就是一个程控分频器；一般分频器的分频比是固定的，手机电路中VHFVCO频率合成中分频器就是固定的。分频器将VCO信号进行分频，得到频率比较低的信号，以提高鉴相器的比较精度（提高频率合成环路的控制精度）。
当VCO处于正常工作状态时，VCO输出一个固定的频率。若由于某种外界因素（如电压、温度）导致VCO频率升高，则分频输出的信号f\(_{2}\)/N比参考信号f\(_{1}\)高，鉴相器检测到这个变化后，其输出电压减小，使变容二极管两端的反偏压减小，导致变容二极管的结电容增大，振荡回路改变，VCO输出频率降低。若外界因素导致VCO频率下降，整个控制环路则执行相反的过程。
在频率合成器中，基准频率f1由晶体振荡器产生的信号分频而得。另一方面，程控分频器则将VCO产生的f分成f/N。这两个信号被送到鉴相器（PD，Phase Detector）。当信号f/N与基准信号的频率、相位出现误差时，鉴频器输出对应于相位差的误差信号电压。该信号经低通滤波器滤除高次谐波成分，去控制VCO的振荡频率。当f/N与基准频率的相位相同时，鉴相器的输出为0，VCO以原来的频率f=N·f\(_{1}\)继续振荡。只要电路工作正常，VCO的输出频率为N f\(_{1}\)，通常把这时的状态称为锁定状态。
程控分频器可以设定分频比，因此，如果改变N，则PLL可以在跟踪范围内改变VCO的输出频率。移动电话的信道切换控制就是逻辑电路通过控制程控分频器的分频比来实现的。
当VCO信号工作在一个信道上并锁定时，f\(_{1}\)=f/N，鉴相器PD输出保持不变。若逻辑电路改变N，则f/N发生变化，鉴相器检测到这种变化后，就会改变其输出，直到使f/N=f\(_{1}\)。以摩托罗拉CD928手机为例：当接收机工作在GSM60信道时（使用摩托罗拉GSM手机测试指令设置，在GSM60信道时手机接收频率为947MHz），VCO电路中变容二极管CR202负极电压是2.23V，VCO输出频率为731.996MHz；而当设置手机工作于GSM的001信道时，逻辑电路控制程控分频器的N减小。这时，f/N大于f\(_{1}\)，PD检测到这个变化后，要控制使f/N=f\(_{1}\)，其输出电压减小。VCO电路中变容二极管的反偏压也随之减小，变容二极管的结电容增大，从而使VCO的输出频率下降。这时变容二极管负极电压是1.81V，VCO输出频率为720.166MHz；当手机要工作在高于60信道的信道上工作时，例如124信道，整个环路则发生相反的变化（N增大）。变容二极管负极电压为2.59V，VCO输出频率为744.765MHz。
在移动电话的频率合成器中，其控制信号SYNDAT（频率合成器数据信号）、SYNCLK（频率合成器时钟信号）及SYN EN（频率合成器允许/禁止）均来自于逻辑电路。
下期，笔者为大家介绍逻辑音频电路。
（张兴伟）