Tổng Quan Về Máy Điện Thoại Di Động

Ngoài ra, anten còn có vai trò chuyển tín hiệu sóng điện từ thu được trong không gian thành tín hiệu điện để đưa vào xử lý hướng thu và biến đổi tín hiệu điện đã được xử lý hành tín hiệu

Chương 3 MÁY ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG

3.1 Tổng quan về máy điện thoại di động

Máy điện thoại di động có rất nhiều chủng loại và thế hệ khác nhau về tính năng, thiết kế và giá thành nhưng chúng cũng có chung nguyên lý hoạt động và sơ đồ khối của chúng có thể được thể hiện như hình vẽ

3.1.1 Sơ đồ tổng quát của máy điện thoại di động

Pin

Bộ sạc

- Cổng hồng ngoại: được sử dụng để cung cấp đường kết nối giữa bộ phận thu phát với một máy tính Máy tính có thể kết nối với máy di động qua cổng hồng ngoại để quay số kết nối vào Internet, lúc này ĐTDĐ đóng vai trò như một Modem Trong điện thoại di động có thể có hoặc không có cổng hồng ngoại

- Pin được sử dụng để cấp nguồn cho điện thoại hoạt động Pin được sản xuất theo nhiều công nghệ khác nhau, theo thứ tự thời gian có các loại Pin là: Hg - NiCd - NiMH - Li-ion - Polyme

Công nghệ đang được sử dụng hiện nay chủ yếu là Li-ion Công nghệ Polyme hiện đang là công nghệ sản xuất pin mới nhất và đang được đưa vào sử dụng thử nghiệm Pin được sử dụng với nhiều mức điện áp khác nhau 1.2V, 2.4V, 3.6V, 4.8V, 6.0V, 7.2V nhưng mức điện áp đang được sử dụng phổ biến hiện nay là 3.6V (gồm 3 viên pin chuẩn có mức điện áp 1.2V)

- Antena được sử dụng để thu và phát tín hiệu cao tần Ở đây có thể là anten ngoài hoặc anten trong tuỳ thuộc vào kiểu dáng thiết kế của nhà sản xuất

- SIM là khối nhận dạng thuê bao (Subscribe Identity Module) riêng của người sử dụng điện thoại di động, nó dùng để lưu trữ mật mã nối mạng của điện thoại di động Việc tính cước sẽ dựa vào SIM card của người dùng, không phụ thuộc vào loại máy

mà người đó đang sử dụng

- Bộ rung (vibrator): là một motor với tải là một khối trụ hình bán nguyệt Khi motor quay thì lực ly tâm sẽ làm cho máy rung, báo hiệu cho người sử dụng

- Chuông (buzzer): để nghe các chuông nhạc đa âm sắc

Ngoài ra còn có các bộ phận rời khác như tai nghe ngoài, micro ngoài, và có thể có thêm một số bộ phận sản xuất theo công nghệ mới như Blue Tooth

3.1.3 Sơ đồ thu phát RF

- Anten: Anten là thiết bị dùng để định hướng tín hiệu Ngoài ra, anten còn có vai trò chuyển tín hiệu sóng điện từ thu được trong không gian thành tín hiệu điện để đưa vào xử lý (hướng thu) và biến đổi tín hiệu điện đã được xử lý hành tín hiệu song điện

từ để phát ra ngoài không gian (hướng phát)

- Duplex (Bộ ghép): Bộ ghép có vai trò ghép tín hiệu theo hướng phát và thu Duplex

có thể là một khối riêng hoặc có thể được tích hợp chung vào trong Switch tuỳ thuộc vào từng loại máy Duplex hoạt động theo nguyên tắc cộng hưởng trong dải tần phát (890 ~ 915MHz) hoặc thu (935 ~ 960MHz)

- Switch (Chuyển mạch): Vai trò của khối chuyển mạch là chuyển đổi giữa hai mạng

di động GSM900 và DCS1800 Switch được điều khiển bởi phần mềm trong IC trung tần (hình 3.4)

Hình 3.2: Sơ đồ khối phần xử lý cao tần hướng thu

Trung tần

Hình 3.3: Sơ đồ khối phần xử lý cao tần hướng phát

DCS 1800 GMS 900 ANTEN

Được điều khiển bởi phần mềm

Hình 3.4: Cấu tạo của switch

- Bộ lọc: Bộ lọc được sử dụng để lọc tần số tín hiệu trong dải tần phát (890 ~ 915MHz) hay dải tần thu (935 ~ 960MHz) Độ rộng băng tần được sử dụng trong thông tin di động là 25MHz, bao gồm 124 kênh liên lạc với khoảng cách giữa các kênh là 200KHz Vì thế, mỗi kênh sẽ hoạt động với một tần số khác nhau nên trong

IC lọc được tích hợp 124 bộ lọc RC và được điều khiển bởi phần mềm để lọc lấy tần

số thích hợp (nên còn được gọi là lọc mềm)

- Khuếch đại công suất PA: IC khuếch đại công suất được sử dụng cho hướng phát tín hiệu Vì tín hiệu đến từ khối trung tần còn yếu nên nó cần phải được khuếch đại lên nhiều lần để đảm bảo đủ công suất cho việc liên lạc thông tin Tín hiệu sau khi được khuếch đại lên đủ mạnh sẽ được đưa qua mạch lọc để lọc tần số phát trong dải tần, sau đó phối hợp trở kháng với anten để phát ra ngoài Khối khuếch đại công suất

PA thường được bọc bởi một hộp sắt vì phần cao tần phải được thiết kế tránh xa phần xử lý tín hiệu để giảm bớt bức xạ sóng điện từ đối với phần xử lý tín hiệu IC khuếch đại công suất PA thường là nguyên nhân gây ra các lỗi về phần cứng trong điện thoại di động như:

ƒ Mất sóng (không thu được)

ƒ Không phát được (không gọi được)

ƒ Hao pin do chập mạch IC khuếch đại công suất (chân Power bị nối mass)

ƒ Hình bị mất do PA hút nguồn => tụt áp cấp cho CPU làm mất điều khiển

- Khuếch đại nhiễu thấp LNA: Bộ khuếch đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amplifier) có vai trò vừa khuếch đại vừa giảm nhiễu nhằm nâng cao tỉ số tín hiệu trên nhiễu S/N (nâng cao chất lượng tín hiệu) trước khi đưa vào xử lý

- Trung tần: IC trung tần cho mỗi loại máy khác nhau là khác nhau IC trung tần được dùng chung cho cả hai hướng phát và thu tín hiệu Theo hướng thu thì nó có vai trò biến đổi tín hiệu cao tần thu được thành tín hiệu trung tần để xử lý, theo hướng

phát thì nó có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu trung tần đã được xử lý thành tín hiệu cao tần để phát ra ngoài không gian

Ngoài ra cần có bộ tổng hợp tần số dùng để đồng bộ tín hiệu, làm việc với tín hiệu chuẩn 13MHz Khi bật máy lên thì vấn đề đồng bộ sẽ được thực hiện đầu tiên

3.1.4 Các thành phần chức năng của khối trung tần

Hình 3.5: Khối trung tần

Phần xử lý tín hiệu (Base Band) của điện thoại di động gồm có các khối EEPROM (IC nhớ sao chép), RAM (IC nhớ ghi đọc), FLASH (IC nhớ nhanh), CPU, nguồn Các khối chức năng này có vai trò gần giống như các khối chức năng trong một máy tính Ta hình dung sự tương đồng giữa chúng thông qua hình dưới đây:

RAM RAM FLASH HDD CPU CPU

Chức năng của các khối Nguồn: Năng lượng nguồn cung cấp chủ yếu cho bộ khuếch đại công suất và màn hình Trong đó điện thế cấp cho CPU, PA gần bằng với điện áp pin, còn điện thế cấp cho màn hình thì gấp đôi điện áp của pin nhưng dùng điện áp

âm Điện thế cấp cho CPU phải là một điện thế chuẩn vì nếu dùng điện thế thấp sẽ gây ra tỉ lệ lỗi xử lý ở CPU, còn nếu dùng điện thế cao thì hao pin

Hình 3.6: Khối nguồn của máy điện thoại di động

- EEPROM: IC nhớ sao chép này thường dùng để ghi các mã riêng của máy, mã khoá máy và các dữ liệu về phần cứng của máy Các dữ liệu trong EEPROM sẽ không bao giờ bị mất khi tắt máy

- RAM: RAM được sử dụng để ghi đọc dữ liệu trong quá trình xử lý tín hiệu của CPU Khi tắt máy thì dữ liệu trong RAM có thể bị mất

- FLASH: Flash dùng để ghi các chương trình ứng dụng của máy

- CPU: Đây là khối quan trọng nhất trong phần xử lý tín hiệu CPU bao gồm các khối chính Vi xử lý, Xử lý tín hiệu số, các bus dữ liệu và các bộ giao tiếp Ngoài ra, nó có thể tích hợp cả MODEM, CODEC và Bộ chuyển đổi A/D

- Hướng phát: Tín hiệu từ micro có dạng tín hiệu tương tự được biến đổi thành tín hiệu số bằng bộ chuyển đổi A/D Sau đó tín hiệu này sẽ được mã hoá, tín hiệu được điều chế GMSK dạng vuông pha và đặt lên sóng mang cao tần, tần số sóng mang trong khoảng 900MHz, tín hiệu qua bộ khoá điện anten và được đưa lên anten roi để phát sóng ra ngoài

- Hướng thu: Quá trình được làm ngược lại Tín hiệu thu được ở anten roi sẽ đi qua

bộ khoá điện anten để được đưa vào bộ giải điều chế I/Q Sau đó tín hiệu này được giải mã, tín hiệu số này được đưa qua mạch biến đổi D/A để chuyển thành tín hiệu tương tự và tín hiệu này được nghe ở loa

Nạp

IF

Hình 3.7: Sơ đồ khối thu/phát

3.2 Giới thiệu máy điện thoại di động Nokia 8210

3.2.1 Khái quát linh kiện

D200 CPU

N101 IC sạc

N310 IC giao tiếp ngoại vi (rung, chuông, đèn màn hình, đèn bàn phím)

N505 IC trung tần (Hagar) (quản lý sóng + nguồn)

N250 COBBA (quản lý sóng + âm thanh)

N702 Công suất (PA)

Z670 Duplex (Anten Switch)

3.2.2 Khối thu và phát

Hình 3.8: Sơ đồ mạch thu/phát

1 Nguyên lý làm việc của NOKIA 8210 lúc máy đang ở mode thu sóng

Tín hiệu cao tần (sóng điện từ) từ đài phát sẽ được thu vào Anten và được lọc bởi bộ lọc dãi thông Z620 Máy điện thoại cầm tay NOKIA 8210 có thể làm việc với 2 dãi sóng :

- Dãi sóng hệ GSM từ 935MHz đến 960MHz (quen gọi là hệ 900MHZ)

- Dãi sóng hệ DCS từ 1805MHz đến 1880MHz (quen gọi là hệ 1800MHz)

Bộ chuyển hoán dãi sóng hay còn gọi là Anten Switch sẽ chọn thu tín hiệu GSM 900MHz hay DCS 1800MHz Tín hiệu từ Anten vào Anten Switch (Z670)

+ Anten Switch :

- Chân số 3 : tín hiệu GSM vào khi phát

- Chân số 5 : tín hiệu DCS vào khi phát

- Chân số 9 : tín hiệu GSM ra khi thu

- Chân 7 : tín hiệu DCS ra khi thu

- Chân số 10 và 13 là hai chân hay đổi SW khi thu, phát hệ GSM và DCS

Tùy theo khóa điện, tín hiệu thu được của hệ GSM –RX sẽ cho ra trên chân số 9 và tín hiệu của hệ DCS –RX sẽ cho ra trên chân số 7

Các tín hiệu cao tần RF của GSM và DCS sẽ qua tụ liên lạc C614, C645 vào bộ lọc dãi thông Z620 Tín hiệu RF hệ GSM vào bộ lọc Z620, Z620 là bộ lọc dãi thông kép, tín hiệu GSM sau khi ra khỏi bộ lọc sẽ được V940 khuếch đại.Trong khi đó tín hiệu DCS sau khi ra khỏi bộ lọc cũng được V903 khuếch đại.V904 và V903 là mạch khuếch đại cao tần dùng Transistor

Ra khỏi các tần khuếch đại RF, tín hiệu GSM-RX và DCS-RX được cho qua mạch lọc dãi thông với Z600, Z600 cũng là bộ lọc dãi thông kép dùng cho GSM và DCS

Đường ra của tín hiệu GSM-RX sẽ được đưa vào biến áp T600 để biến đổi tín hiệu ở dạng không cân bằng (Un-balance) ra tín hiệu cân bằng (balance), sau đó tín hiệu này được phân thành 2 đường và đưa vào IC xử lý tín hiệu cao tần N505 (IC trung tần), tín hiệu vào chân C9 và B9

Tương tự đường ra của tín hiệu DCS-RX sẽ được đưa vào biến áp T630 để biến đổi tín hiệu ở dạng không cân bằng (Un-balance) ra tín hiệu cân bằng (balance), sau đó tín hiệu này được phân thành 2 đường và đưa vào IC xử lý tín hiệu cao tần N505 (IC trung tần), tín hiệu vào chân A8 và A9

Lúc này khối dao động VCO G800 sẽ dao động và phát ra tín hiệu nằm trong dãi tần 935MHz đến 960MHz cho sóng GSM và dãi tần 1805MHz đến 1880MHz cho sóng DCS Tín hiệu dao động tần số cao sẽ cho trộn với tín hiệu RF thu được của đài và cho qua mạch giải mã trong IC N505 tạo ra tín hiệu vuông pha RXI (In phase) và RXQ (Quadrature phase)

Các tín hiệu RXI và RXQ sẽ cho vào IC N250 (N250 là IC tổng hợp tín hiệu âm thanh, quen gọi là IC COOBA), từ đó lấy ra được tín hiệu âm thanh còn ở dạng số, tín hiệu này chuyển trở lại N250 ở đây sẽ giải mã PCM rồi chuyển đổi tín hiệu âm thanh dạng số (Digital) ra dạng tương tự (Analog) (biến đổi D/A) và sau cùng cho

âm thanh phát ra ở ống nghe

2 Mạch khuếch đại RF lúc thu

a Tầng khuếch đại RF hệ GSM

Tín hiệu RF GSM sau khi ra khỏi mạch lọc dãi thông Z620 sẽ vào khối khuếch đại

RF dùng Transistor V904, V904 mắc kiểu E chung và được cấp nguồn 2,8V từ IC nguồn N100 Tín hiệu lấy ra ở cực C và đưa vào bộ lọc Z600 Ra khỏi bộ lọc kép Z600, tín hiệu RF cho đổi ra dạng cân bằng với điện áp Un-balance/Balance T600 rồi vào N505 qua các chân C9, B9 Tín hiệu này được khuếch đại 1 lần nửa bên trong IC N505, sau đó được chia làm 2 đường Một đường qua bộ lọc bên trong IC N505, đường còn lại được tách và điều chỉnh với 1 mức độ nào đó bởi mạch tách dò bên trong IC N505, sau đó mức volt kiểm soát (Bias GSMLNA) được đưa ra để điều khiển Transistor V907, V907 là transistor điều chỉnh nguồn cấp cho V904 mục đích

là để làm ổn định độ khuếch đại tín hiệu cao tần khi thu (V904)

b Tầng khuếch đại RF hệ DCS

Tương tự như hệ GSM, đối với hệ DCS người ta dùng V903 khuếch đại RF và V905 điều chỉnh nguồn cung cấp cho V903 nhằm ổn định độ khuếch đại tín hiệu cao tần khi thu

3 Mạch trộn sóng và giải điều chế : (bên trong IC N505)

- Khi làm việc ở hệ GSM 900MHz, bộ dao động VCO G800 đưa ra tín hiệu có tần số 1870MHz -1920MHz, tín hiệu được đưa vào IC N505 và được chia 2 thành

935MHz -960MHz (được gọi là dao động ngoại sai) Tín hiệu này sẽ trộn với tín hiệu cao tần từ đài phát gởi đến cũng có tần số 935MHz – 960MHz và qua mạch giải điều chế cho ra tín hiệu RXI và RXQ

- Tương tự khi làm việc ở hệ DCS 1800MHz bộ dao động VCO G800 đưa ra tín hiệu có tần số 1805MHz – 1881MHz Tín hiệu này sẽ trộn với tín hiệu cao tần từ đài phát gởi đến cũng có tần số 1805MHz – 1881MHz và qua mạch giải điệu chế cho ra tín hiệu RXI và RXQ

- Cuối cùng tín hiệu RXI và RXQ sẽ được đưa ra từ chân H8, F5, G5 sau đó kết hợp thành hai tín hiệu và tín hiệu này được gởi đến IC xử lý tín hiệu âm thanh N250

4 Nguyên lý làm việc của NOKIA 8210 lúc máy ở mode phát sóng

Lúc máy ở mode phát, tín hiệu TXMOD ( TXIN, TXINP, TXQN, TXQP) từ IC xử lý tín hiệu âm thanh N250 gửi đến IC trung tần N505 và sau khi được sửa lại cho đúng sau khi khuếch đại trộn tần Do máy dùng hai dãi sóng GSM và DCS nên trong N505

có hai cách xử lý tín hiệu để phát sóng

- Khi máy làm việc với dãi tần GSM, lúc này mạch dao động G800 sẽ cho tần số 1780MHz đến 1830MHz, tín hiệu vào N505 qua hai chân J5, J4, sau khi qua mạch chia hai tần số để có tín hiệu 890MHz đến 915MHz Tín hiệu này sẽ dùng để điều chế tín hiệu vuông pha I/Q, đặt nó lên sóng mang tần cao, tín hiệu điều chế SHF sẽ cho ra trên các chân B1, A1 (hệ GSM có tần số nằm trong dãi 890MHz đến 915MHz) Tín hiệu GSM cho qua biến áp biến đổi dạng tín hiệu cân bằng (Balance Signal ) ra dạng tín hiệu không cân bằng (Unbalance Signal) với T700, rồi qua mạch lọc dãi thông với Z700 sau đó qua biến thế phối hợp tổng trở T750, tín hiệu vào tầng khuếch đại với transistor V801, sau cùng vào tầng khuếch đại công suất RF với N702 Ra khỏi tầng khuếch đại công suất RF, tín hiệu RF vào mạch phối hợp trở kháng với cuộn cảm L553 rồi vào khối chọn đường Anten Z670 để lên Anten phát sóng về trạm thu sóng

- Tương tự khi máy làm việc với dãi sóng DCS, mạch dao động SHF G800 cũng

sẽ tạo ra tín hiệu có tần số 1710HMz đến 1785MHz, tín hiệu vào N505 qua các chân J5, J4 Tín hiệu của tầng dao động sẽ trực tiếp cho điều chế với tín hiệu vuông pha I/Q để có tín hiệu RF DCS ở dãi tần 1710MHz đến 1785 MHz Tín hiệu RF này cho

ra trên chân A2, A3, qua biến áp biến đổi tín hiệu dạng cân bằng ra tín hiệu không cân bằng với T740, tín hiệu này vào khối khuếch đại công suất RF với V801 và N702 sau khi qua T750 Sau khi được khuếch đại, tín hiệu cao tần DCS sẽ cho qua mạch phối hợp trở kháng L553 và sau cùng vào mạch chọn đường Anten SW Z670 lên Anten phát sóng về trạm thu sóng

5 Mạch khuếch đại tín hiệu RF lúc phát

Tín hiệu cao tần sau khi được điều chế (cả 2 hệ GSM và DCS) được đưa đến Transistor V801, V801 là Transistor tiền khuếch đại tín hiệu cao tần cần phát V801

được mắc kiểu E chung, nhận nguồn 2,8V từ chân A6 của IC N505, tín hiệu ra ở cực

C transistor V801 qua R723 và chân 8 IC N702, N702 là IC khuếch đại tín hiệu cao tần

+ IC N702 :

- Nguồn cấp thẳng vào chân 3 và 6

- Chân 1 tín hiệu chuyển mạch dành cho hệ DCS

- Chân 2 tín hiệu chuyển mạch dành cho hệ GSM

- Chân 4, 5 ngõ ra của tín hiệu cao tần DCS và GSM

- Chân 7 nhận ra tín hiệu kiểm soát nguồn từ IC trung tần N505 (chân A5)

- Chân 8 ngõ vào tín hiệu cao tần sau khi ra khỏi V801

Tín hiệu điều khiển phát hệ nào do IC N505 quyết định lấy ra từ chân D3, D4 để điều khiển đồng bộ IC N702 và Anten SW Khi phát ở hệ GSM N702 khuếch đại ở tần số 890 - 915 MHz Khi phát ở DCS N702 sẽ khuếch đại ở 1710 – 1850MHz, tín hiệu sau khi được khuếch đại sẽ được đưa tới khối Anten SW sau khi qua cuộn phối hợp trở kháng L553

6 Mạch dao động và tổng hợp tần số

Mạch tổng hợp tần số bao gồm những mạch chính sau: CPU D200, thạch anh 26MHz G502, IC N505, dao động nội VCO G800 và những thành phần bên ngoài như điện trở, tụ điện, transistor…

Dao động nội VCO G800 được cấp nguồn 4,7V từ chân số 4 IC ổn áp nguồn N600 (IC này có 8 chân) Tín hiệu dao động sẽ có khi có nguồn đến G800

- Khi điện thoại làm việc ở band 900MHz Tầng dao động SHF G800 sẽ tạo ra tín hiệu có tần số từ 1870MHz đến 1920MHz để dùng cho lúc thu, và tạo ra tín hiệu có dãi tần từ 1780MHz đến 1830MHz lúc phát

- Khi điện thoại làm việc ở band 1800MHz, tầng dao động SHF G800 sẽ tạo ra tín hiệu có tần số từ 1805MHz đến 1880 MHz để dùng cho lúc thu, và tạo ra tín hiệu

có dãi tần từ 1710 MHz đến 1785 MHz lúc phát Sau khi qua R805 tín hiệu dao động được đưa đến IC N505 khuếch đại, tín hiệu dao động này có 3 nhiệm vụ chính:

+ Thứ 1: Trong quá trình thu, bộ dao động VCO tạo ra tần số từ 1870MHz đến 1920 MHz, sau đó được chia 2 trong ICN505 cho ra tần số 935MHz đến 960MHz, đây là tín hiệu dao động ngoại sai sẽ được trộn với tín hiệu 935MHz đến 960MHz từ đài phát gửi đến, sau khi trộn cho ra tín hiệu RXI và RXQ khi máy làm việc ở band 900MHz Đối với band 1800MHz bộ dao động tạo ra tần số 1805MHz đến 1880 MHz để trộn với tín hiệu 1805MHz đến 1880MHz từ đài phát gửi đến