从应用到创新——手机硬件研发与设计

本书是作者根据多年实际工作经验编写而成的。全书理论结合实际，问题辅以实际解决案例，让高深的设计难题浅显易懂，使读者从中受到启发，为自己的设计开发之路打开玄关之门。

本书是国内目前首部详细阐述手机硬件研发与设计的专业书籍。全书由入门篇、提高篇、高级篇和案例分析篇四个部分共23章组成，内容涵盖手机硬件基础知识、PCB与DFX基础知识、电源系统、时钟系统、音频处理、FM接收机、数字调制与解调、ESD防护、色度学与图像处理、信号完整性以及各种相关的国际国内规范。本书采取从简单到复杂、从功能到性能的原则进行编写。入门篇以功能介绍为主，只定性不定量；提高篇基于各种测试规范，在功能介绍的基础上逐步开展性能分析；高级篇将根据电磁学理论、信号处理理论对手机硬件设计进行较为严格的论证并定量计算各种参数指标；而最后的案例分析篇则综合利用前面各篇章所介绍的知识，对实际案例进行分析，从而使读者可以理论联系实践，更快、更好地掌握手机硬件的设计方法，提高故障分析能力。事实上，本书虽以手机硬件为分析对象，但书中所阐述的基本原理同样适用于其它电子、通信产品的设计。

目 录
入 门 篇

第1章 移动通信发展史及关键技术 2
1.1 无线电通信发展历史 2
1.2 移动通信网 3
1.2.1 交换子系统（SSS） 4
1.2.2 基站子系统（BSS） 5
1.2.3 操作维护子系统（OMS） 5
1.2.4 移动电话机（MS） 5
1.3 多址接入 6
1.3.1 频分多址（FDMA） 6
1.3.2 时分多址（TDMA） 7
1.3.3 码分多址（CDMA） 7
1.4 编码与数字调制 11
1.4.1 语音编码 11
1.4.2 信道编码 13
1.4.3 数字调制 14
1.5 我国移动通信发展 15
第2章 手机电路系统组成 17
2.1 手机的基本架构 17
2.2 手机基本组件 19
2.2.1 CPU与PMU 19
2.2.2 Memory 21
2.2.3 Transceiver 24
2.2.4 RF PA 26
2.2.5 天线电路 28
2.2.6 LCD 30
2.2.7 Acoustic 33
2.2.8 键盘与触摸屏 35
2.2.9 蓝牙 37
2.2.10 FM Radio Receiver 39
2.2.11 Wi-Fi 40
2.2.12 GPS 41
2.2.13 G Sensor 43
2.2.14 E-compass 44
2.2.15 Light Sensor与Proximity
Sensor 45
2.2.16 Gyro Sensor 47
2.2.17 SIM卡 48
2.3 手机的电源系统 48
2.3.1 系统电源与外设电源 49
2.3.2 电源的分类 50
2.4 手机中的常用接口 51
2.4.1 总线型接口 51
2.4.2 非总线型接口 52
2.5 手机中的关键信号 53
2.5.1 Acoustic信号 53
2.5.2 I/Q信号 57
2.5.3 Clock信号 57
2.6 天线 59
2.6.1 天线的分类 59
2.6.2 天线指标 60
2.6.3 天线趋势 62
第3章 分立元件与PCB基础知识 63
3.1 电阻、电容与电感 63
3.1.1 电阻 63
3.1.2 电容 64
3.1.3 电感 69
3.2 晶体管与场效应管 73
3.2.1 晶体管 73
3.2.2 场效应管 75
3.3 PCB基础知识 75
3.3.1 PCB的常规术语 76
3.3.2 PCB的电气性能 78
3.3.3 特殊PCB 79
3.3.4 手机PCB的层面分布 79
第4章 DFX基础 82
4.1 DFX的基本概念 82
4.2 Designs for Structure 82
4.2.1 系统架构 83
4.2.2 器件选型 83
4.2.3 原理图设计 83
4.2.4 调试方案 84
4.3 Designs for SMT 84
4.3.1 防呆标志 84
4.3.2 焊盘设计 84
4.3.3 金边粘锡 85
4.3.4 AOI与X-Ray 87
4.4 Designs for Assembly 89
4.5 Designs for Repair 89
4.6 对降成本的思考 90
4.7 一些DFX案例 92

提 高 篇

第5章 电源系统与设计 96
5.1 线性电源与开关电源 96
5.1.1 线性电源 96
5.1.2 开关电源 99
5.2 LDO与DC-DC的优缺点 101
5.2.1 电压大小 102
5.2.2 电源纹波 102
5.2.3 电源效率 105
5.3 其他形式的电源 106
5.4 充电设计 107
5.4.1 充电状态转移图 107
5.4.2 充电电路 109
5.4.3 充电判满 111
5.5 案例分析 112
5.6 电源分配与布线 114
5.7 小结 114
第6章 时钟系统 115
6.1 手机时钟系统简介 115
6.1.1 时钟分类 115
6.1.2 时钟的基本作用 116
6.1.3 振荡的原理 117
6.1.4 小结 121
6.2 常见振荡电路 122
6.2.1 RC振荡电路 122
6.2.2 LC振荡电路 126
6.2.3 晶体振荡电路 132
6.3 手机电路中的振荡器 135
6.4 时钟精度 137
6.4.1 Q值的影响 137
6.4.2 准确度与稳定度 141
6.4.3 相位噪声的影响 143
6.5 锁相环简介 143
6.6 晶体校准案例一则 145
6.6.1 故障现象 145
6.6.2 登网注册流程 145
6.6.3 故障分析 146
第7章 语音通话的性能指标 148
7.1 国际规范 148
7.2 3GPP的音频测试 149
7.3 响度评定原理 156
7.4 测试系统 157
7.4.1 测试系统组成 157
7.4.2 人工耳与人工嘴 158
7.5 高通平台调试 161
7.5.1 调试准备工作 161
7.5.2 语音链路 162
7.5.3 TDD Noise与RF Power 165
7.6 MTK平台的语音链路 165
7.7 频响调整 166
7.7.1 滤波器分类 166
7.7.2 FIR滤波器与IIR滤波器 167
7.7.3 线性相位 167
7.7.4 幅度响应 168
7.7.5 高通与MTK的选择 169
7.8 其他模块 170
7.9 主观测试 170
7.10 手机音频中的声学设计 171
7.11 轶事一则 174
第8章 FM立体声接收机 176
8.1 调制与解调 176
8.1.1 调制与解调的概念 176
8.1.2 调制的必要性 177
8.2 频率调制（FM） 178
8.2.1 FM的数学表达式 178
8.2.2 FM的特点 179
8.2.3 我国FM的规定 180
8.3 立体声 181
8.3.1 立体声的原理 181
8.3.2 调频立体声 183
8.3.3 我国的调频立体声广播 185
8.3.4 预加重与去加重 185
8.3.5 RDS广播 186
8.4 FM立体声接收 187
8.5 FM立体声接收机芯片 190
8.6 FM立体声接收机的性能指标 191
8.6.1 信噪比（S/N） 191
8.6.2 接收灵敏度（Sensitivity） 191
8.6.3 总谐波失真（THD） 192
8.6.4 邻道选择（Adjacent Channel
Selectivity） 192
8.6.5 立体声分离度（Stereo
Separation） 192
8.6.6 调幅抑制度（AM
Suppression） 195
8.6.7 其他指标 195
8.7 案例分析 196
第9章 通信电路与调制解调 200
9.1 收信机架构 200
9.1.1 超外差接收机 200
9.1.2 零中频接收机 202
9.1.3 近零中频接收机 203
9.2 发信机架构 204
9.2.1 发射上变频架构 204
9.2.2 直接变换架构 206
9.2.3 偏移锁相环架构 207
9.3 数字调制与解调 209
9.3.1 数字与模拟 209
9.3.2 GMSK调制 210
9.3.3 QPSK调制 214
9.3.4 恒包络与非恒包络 216
9.4 射频功放 220
9.4.1 GSM功放的近似分析 220
9.4.2 C类功放的特性 223
9.4.3 极化调制PA 229
9.4.4 WCDMA Linear PA 232
第10章 常规RF性能指标 233
10.1 测试规范 233
10.2 RF基础知识 233
10.2.1 频段划分 233
10.2.2 常见物理单位 235
10.2.3 常见指标 236
10.3 GSM手机RF测试 246
10.3.1 发射机指标 246
10.3.2 接收机指标 254
10.4 其他RF指标 259
10.4.1 发射指标 259
10.4.2 接收指标 266
第11章 ESD防护 268
11.1 ESD的原理 268
11.2 ESD的模型 268
11.2.1 人体模型（Human Body
Model） 268
11.2.2 机器模型（Machine Model） 269
11.2.3 带电器件模型（Charged
Device Model） 269
11.3 人体模型充放电原理 269
11.3.1 人体充电 270
11.3.2 人体放电 271
11.3.3 多次放电 272
11.4 静电的影响 273
11.5 ESD设计原则 274
11.5.1 软件防护设计 274
11.5.2 硬件防护设计 275
11.6 手机的ESD测试 280
11.6.1 我国标准 280
11.6.2 测试模型与环境 280
11.6.3 结果判定 282
11.7 案例一则 283
11.7.1 产品基本状况 283
11.7.2 定位静电导入点 284
11.7.3 整改方案 284
11.7.4 小结 287

高 级 篇

第12章 高级音频设计 290
12.1 音频信号处理滤波器 290
12.2 关于FIR滤波器与IIR
滤波器 291
12.3 FIR滤波器 292
12.3.1 FIR滤波器的定义 292
12.3.2 FIR滤波器窗口设计法 292
12.3.3 FIR滤波器频率采样法 292
12.3.4 小结 293
12.4 IIR滤波器 294
12.4.1 IIR滤波器的定义 294
12.4.2 Yule-Walker方程 294
12.5 量化误差与有限字长效应 296
12.5.1 量化误差 296
12.5.2 有限字长效应 297
12.5.3 零/极点波动 297
12.6 随机过程通过线性系统 299
12.6.1 Rayleigh商 299
12.6.2 输入、输出信噪比 301
12.6.3 Wiener滤波器 301
12.6.4 Wiener滤波器的应用 303
12.7 自适应滤波器 304
12.7.1 最陡下降法 304
12.7.2 LMS算法 305
12.8 噪声抑制与回声抵消 307
12.8.1 Single Microphone降噪 307
12.8.2 回声抑制的原理 309
12.8.3 Far-end消噪 311
12.8.4 其他模式下的Dual
Microphone降噪 312
12.9 高级音频指标 313
12.9.1 T-MOS 313
12.9.2 G-MOS 314
12.9.3 Double Talk 315
12.9.4 Echo Attenuation vs. Time 317
12.9.5 Spectral Echo Attenuation 317
12.9.6 BGNT 318
12.10 小结 319
第13章 Camera的高级设计 321
13.1 色度学 321
13.1.1 光学的预备知识 322
13.1.2 颜色的确切含意 322
13.1.3 颜色三要素 323
13.1.4 三原色及三补色 324
13.1.5 格拉斯曼定理与CIE的颜色
表示系统 325
13.2 颜色模型 327
13.2.1 RGB模型 327
13.2.2 CMY模型 327
13.2.3 YUV模型 328
13.2.4 HSI模型 328
13.3 白平衡与色温 329
13.3.1 白平衡 329
13.3.2 色温 330
13.3.3 白平衡的定义 330
13.3.4 人眼的自动白平衡与相机白
平衡 331
13.3.5 Gamma校正 331
13.4 人的视觉特性 332
13.4.1 人眼构造 332
13.4.2 人眼的视觉成像 332
13.4.3 人眼的亮度感觉 333
13.4.4 人眼亮度感觉与图像处理 335
13.5 图像处理 336
13.6 图像增强 338
13.6.1 灰度变换 338
13.6.2 直方图修正 339
13.6.3 图像平滑与锐化 340
13.7 图像恢复 345
13.7.1 退化模型 345
13.7.2 线性运动退化 346
13.7.3 图像的无约束恢复 347
13.7.4 图像的有约束恢复 347
13.8 手机Camera的测试 348
13.8.1 色彩还原性（Color
Reproduction Quality） 348
13.8.2 鬼影炫光（Ghost Flare） 349
13.8.3 成像均匀性（Shading） 349
13.8.4 分辨率（Resolution） 350
13.8.5 成像畸变（Distortion） 350
13.8.6 自动白平衡（Auto White
Balance） 351
13.8.7 灰阶（Gray Scale） 351
13.8.8 视场角 352
13.8.9 曝光误差（Exposure Error） 353
13.8.10 信噪比 353
13.9 调制转移函数 353
13.10 两个案例 357
13.10.1 LCD反色 357
13.10.2 四基色电视 359
第14章 信号完整性 360
14.1 信号完整性概述 360
14.1.1 信号完整性的意义 360
14.1.2 手机设计中的信号完整性 361
14.2 高频模型 364
14.2.1 频谱与带宽 364
14.2.2 阻容感模型 368
14.2.3 传输线模型 371
14.2.4 手机中的传输线 380
14.3 反射与端接 381
14.3.1 反射的机理 381
14.3.2 反射图 383
14.3.3 容性反射与时延累加 386
14.3.4 走线中间的容性反射 387
14.3.5 感性反射 388
14.3.6 端接策略 391
14.4 有损传输线 392
14.4.1 损耗源 393
14.4.2 导线损耗 393
14.4.3 介质损耗 395
14.4.4 有损线建模 397
14.4.5 眼图 399
14.5 传输线的串扰 402
14.5.1 串扰模型 402
14.5.2 容性耦合与感性耦合 404
14.5.3 近端串扰与远端串扰 406
14.5.4 差分阻抗与共模阻抗 410
14.5.5 奇模传输与偶模传输 412
14.5.6 差分对的端接 415
14.6 眼图案例一则 415
14.6.1 案例背景 415
14.6.2 USB 2.0眼图简介 416
14.6.3 不同容值TVS管对眼图
的影响 417
14.6.4 小结 419
第15章 各种新功能 420
15.1 HAC 420
15.1.1 HAC的概念 420
15.1.2 助听器的工作模型 420
15.1.3 两种耦合的优缺点 422
15.1.4 HAC评级 423
15.1.5 M评级 423
15.1.6 T评级 425
15.1.7 HAC认证常见问题 427
15.2 TTY/TDD 428
15.2.1 TTY/TDD 的定义 428
15.2.2 TTY终端 429
15.2.3 TTY呼叫系统 431
15.2.4 TTY设备工作模式 434
15.2.5 TTY测试 434
15.3 无线充电 434
15.3.1 无线充电的概念 434
15.3.2 无线充电的方式 434
15.3.3 无线充电的效能指标 440
15.3.4 无线充电的标准 442
15.3.5 对无线充电的疑问 444
15.3.6 小结 445

案例分析篇

第16章 ADC与电池温度监测 448
16.1 ADC的重要性 448
16.2 A/D的基本原理 449
16.2.1 模拟与数字 449
16.2.2 A/D的分类 450
16.2.3 逐次逼近型A/D的原理 450
16.2.4 逐次逼近型A/D的量化
误差 451
16.2.5 量化处理 452
16.2.6 Σ-Δ型A/D 453
16.3 电池温度监测电路 455
16.4 误差分析 457
16.4.1 NTC电阻离散性导致的
误差 458
16.4.2 A/D转换导致的误差 458
16.4.3 电路拓扑导致的误差 460
16.4.4 多项式插值导致的误差 461
16.5 系统总误差 462
16.6 实际测试结果 463
第17章 Receiver的低频爆震 464
17.1 项目背景 464
17.2 故障现象 464
17.3 调试过程 465
17.3.1 检查Receiver的SPL与
THD 465
17.3.2 调整Receiver的功率 465
17.3.3 调整RFR的低频部分 466
17.3.4 Receiver的工作高度 466
17.3.5 Receiver厂家的测试过程 467
17.4 FFT测试 468
17.5 小结 472
17.6 FFT在音频设计中的应用 473
17.6.1 Audio PA Noise Analysis 473
17.6.2 Good Speaker or Bad
Speaker 474
第18章 UXX的TDD Noise 477
18.1 项目背景 477
18.2 故障现象 477
18.3 实验测试 479
18.4 定位噪声引入点 480
18.5 案例反思 482
第19章 EN55020案例一则 483
19.1 EN55020测试环境 483
19.2 实测结果 484
19.3 测试结果分析 486
19.3.1 干扰信号采用FM方式 486
19.3.2 干扰信号采用AM方式 487
19.3.3 故障优化 487
19.4 充电器与充电线的影响 488
第20章 Acoustic调试中值得关注的
几个现象 490
20.1 磁钢与主板TDD Noise 490
20.2 Receiver的啸叫 490
20.3 波浪状的频响曲线 491
20.4 切换模式后的Echo Loss Fail 492
20.5 按压电池盖导致RCV响度
下降 493
第21章 工厂端音频自动检测方案 495
21.1 目前现状 495
21.2 检测原理 496
21.3 方案步骤 497
21.4 Loudness、Resonance/Echo及
TDMA Noise判定 498
21.4.1 Loudness、Resonance/Echo
判定 498
21.4.2 TDMA Noise判定 498
21.5 确定门限 499
21.5.1 SPL_STD_Criteria及RES_STD_
Criteria的门限 499
21.5.2 测试距离 500
21.6 性能分析 501
21.6.1 频谱分辨力 501
21.6.2 误判率 501
21.6.3 鲁棒性 502
第22章 开机自动进入测试模式 503
22.1 故障状态 503
22.2 故障分析 504
22.2.1 信号测量 504
22.2.1 原因分析 505
22.3 深层思索 507
第23章 GPS受扰案例一则 509
23.1 故障定位 509
23.2 故障解决 512
23.2.1 定位干扰源 512
23.2.2 解决思路 513
23.2.3 原理分析 513
23.2.4 优化结果 517
23.2.5 Sorting方案 519
23.3 小结 520
附录A 几何光学成像 521
附录B 立体声原理 525
附录C 苦逼IT男的那些事儿 537
参考文献 542