手机的基本原理
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手机基本原理
培训教材
1. 概述
我们常用的移动电话按制式有GSM,CDMA,WCDMA,TDSCDMA,PHS等。由于其基本功能都是进行语音通讯的，所以本文即 以移动电话在语音通讯中的基本原理作一个简单介绍。 语音通讯包括 语音发送和语音接收两个部分，两个相对的过程基本类似，本文主要 以发送过程为例讨论。另外不同制式采用的语音编解码及主要接收发 射指标基本类似，本文主要以GSM为例来进行讨论。
Power Time
FDMA
Frequency
2) 时分多址(TDMA) TDMA的原理如下。它采用了时间分割技术，在某一频点上，通过时 间轴上分割出多个时隙，一个手机占用其中确定的一个时隙，间隔一定 的周期该时隙重复出现，也就是通信数据实际上是在断续发送的。但是 由于在发送时隙其数据发送的速率比通话数据的实际速率要快的多，也 就是说在一个时隙已经发送了间隙没有发送时积累的所有数据，所以通 信数据不会丢失，通话仍然是连续的，不过数据相对于实际产生的信号 是有一定时间延迟的。选择合适的时隙间隔，则这种迟后可以忽略，像 我们的GSM,PHS,TD-SCDMA都采用了这种技术，不过TD-SCDMA采用 的不是各个用户之间的时隙分割，而是上下行信号(发送和接收)之间的时 间分割即时分双工模式(TDD)。
振荡器和谐振器一般是用于产生某一频率的正弦波的，谐振器价格比 较便宜，在振荡电路中起选频作用。振荡器本身就是一个振荡电路，加 上电压后就可以产生一定频率的信号。晶体压控振荡器(VCO)是输出信 号的频率随压控端电压值的大小在一定范围内变化的振荡器，经常用在 锁相环路(PLL)中用于产生一个精确频率的信号。
4) 天线(Antenna) ANT的基本功能就是发送和接收无线电信号。一般一部手机只有一个 天线，通过电子开关和双工器来实现同时完成发送和接收功能。手机的 外置天线一般有螺旋天线等，内置天线常见的有平面倒F型(PIFA)天线、 PCB天线等。 5) 天线开关(Switch) 天线开关实际上是一个单刀多掷的波段开关，通过几个数字信号控制 天线切换连接到各个不同的频段和收发状态。下表为常用的 CXG1190AEQ-T2天线开关在P609A2项目中的逻辑关系：一般如果需要 在时间上存在复用的(TD复用或TD双工等)如GSM/PHS/TD-SCDMA等都 需要用到天线开关。 Sel1 Sel2 Sel3 天线连接状态
Power Time
TDMA/FDMA
Frequency
3) 码分多址(CDMA) CDMA的原理如下。它采用的是一组相互相干性为零的所谓正交码来 区分不同用户的数据。可以举一个形象的例子，一个房间里三对人分别 互相讲话，一对用汉语，一对用英语，另一对用法语，并且他们任意两 对之间语言互相都不相通，那么虽然讲话的声音可以互相听到，但却不 会互相影响到别人的讲话。其他人的声音对讲话者来说只是相当于一个 不相干的噪音罢了。CDMA和这种情况比较类似，接收方通过用自己唯 一的正交地址码进行解码即可得到自己所要接收的语音数据。
3. 手机的多址模式和信道分配
不同制式的手机其频率分配不同，而且由于频谱资源有限，需要在 有限的频率带宽上同时为多个用户提供通信，这就需要采取一定的多址 技术，所以才产生了TDMA,CDMA,FDMA等不同的多址方式。
1) 频分多址(FDMA)
FDMA的原理如下图所示，在频率轴上划分出多个信道，每个用户占 用一个信道(频率带宽)通信互不干扰。这是一种最基本的多址方式，基本 上大部分移动通信设备都采用了信道划分(实际上相当于FDMA)。
收发双工模式 GSM WCDMA CDMA2000 大灵童 /IS95 TD-SCDMA PHS FDD (频分双工) FDD (频分双工) 频率复用方式 TDMA (时分复用) CDMA (码分复用) 天线开关 有 双工器 有
FDD (频分双工)
TDD (时分双工) TDD (时分双工)
CDMA (码分复用)
Time Powe r
CDMA
Frequency
4) 双工方式(Duplex Methods) 双工方式和多址方式完全类似，常用的主要有频分双工(FDD)和时分 双工(TDD)，如下图所示。
频分双工
(Frequency Division Duplex)
Amplitude
F1 Tim e Amplitude
5) 常用的通信频率 通信管理部门对各种不同的通信制式分配了各自的通信频率。常见的 有： (1) GSM，在我国和欧洲主要有900MHz和1800MHz两个频段，在澳 大利亚和北美主要采用了850MHz和1900MHz两个频段。具体分配如下： GSM频段划分 GSM900 发射：890-915MHz ; 接收：935-960MHz; 接收：925-960MHz;
CDMA (码分复用) TDMA (时分复用)
-
有
有 有
-
7) 定向耦合器 (Coupler)
定向耦合器用于检测手机发射的功率大小，它一般在射频功放输出与 天线开关或双工器之间，从功放输出的功率基本上全部通过定向耦合器 进入天线开关或双工器到达天线发射出去，只有很小的一部分功率从定 向耦合器的耦合端口输出送入一个功率检测电路用于检测得到发射的实 际功率以便实现功率的闭环控制。 8) 声表面波滤波器 (SAW) 声表滤波器用于射频信号滤波。它通过一个叉指形换能器结构使射频 信号产生一个声表面波，然后通过声表面波的共振传播在输出端再产生 出射频信号，借助声表面波的频率选择性实现带通滤波功能。 9) 低噪声放大电路 (LNA),可变增益放大器(VGA/DVGA) 低噪放电路用于射频信号的前置预放大，它处于接收通路的最前端， 也叫高放电路，现在有的机型已经集成在射频接收主芯片内部了。
10) 功率放大电路 (Power Amplifier,简写PA)
射频功放电路位于发射通路的最末端，用于对发射的射频信号进行功 率放大以达到要求的功率值然后通过天线发射出去。一般功放芯片除了 各频段的输入输出和电源外还有功率控制及使能等信号，可以满足多个 频段的信号放大。 11) ESD和EMI器件 ESD器件是静电放电器件，防止静电对其他器件的损坏，当静电电压 低于某一值时器件是不工作的，当静电电压超过该值时器件即相当于对 地短路使静电泻放掉从而起到保护作用。EMI器件的作用是防止电磁干 扰，通常EMI器件也具有ESD的作用，可以保护一切传导的或者辐射的电 磁信号对电路器件的破坏和干扰。 12) 晶体振荡器和晶体谐振器(Crystal)
15) 编、解码电路
语音通过MIC接收送入手机主芯片经过语音放大后仍然还是连续的模 拟信号，必须进行数字编码后才能进行传送，编码包括语音编码和信道 编码两个过程。在GSM通讯中，语音编码把模拟的语音信号转化成 64KBps的二进制数字信号流，然后通过RPE-LTP编码(规则脉冲激励—线 性长期预测编码)变成13KBps的数据信号。信道编码先把13KBps的数据 信号加上9.8KBps的检错纠错码变成22.8KBps，然后进行交织、加密形成 270.833KBps的TDMA帧数据流。解码则是编码的逆过程，在接收部分进 行还原语音信号。 16) 调制、解调
调制和解调互为逆过程，调制是在发射过程中把要发送的语音数据信 号调制在相应频点的射频信号上以便通过射频信号发射出去。解调是从 接收到的射频信号中还原出发送方调制上去的语音数据信号。 另外还有许多其他电路如：电源管理、存储器(Nand/Nor Flash， SRAM等)、LCD驱动、充电电路、SIM卡电路、蓝牙、红外、收音机、 摄像处理等，由于本文主要讨论典型的语音通话工作原理，所以不再一 一描述。
2. 基本的电路单元介绍
1) 麦克风(Microphone)
MIC的基本功能是把语音信号转化为便于传送的电信号，通话中用于 接收讲话语音。常用的驻极体麦克风内部有一个场效应管放大器，所以 需要提供一个直流工作电压，因此一般的麦克风电路上有一个直流电压 通过一个几千欧姆的电阻(下图中R140和R141)加到MIC的输入端用于为 麦克风内部电路供电。 同时，由于MIC是直 接和外界接触的接口器件， 容易接受静电干扰造成基 带主芯片损坏，所以在靠 近MIC器件位置的两个引 脚上都接有ESD器件(图中 R142和R120)。一个典型 的MIC电路如右图所示。 常用MIC的交流阻抗 (1KHz)一般为2.2K。
时分双工
(Time Division Duplex)
Tim e
Tx
F
1
Rx
F
2
Rx Tx Rx Tx
Frequenc y
Frequenc y
F1
频分双工对每一个信道需要一组上下行频率对F1和F2，发射、接收各 占一个频点，如GSM, CDMA2000, WCDMA就采用了FDD。而时分双工 只需要一个频点，在不同的时隙分别进行接收和发射，如TD-SCDMA, PHS就采用了TDD。
14) 频率合成电路
手机频率合成电路的基本结构如下图所示。根据前面介绍的基本锁相 环原理 F÷R 基准频率 F 基准频率
÷R 分频器
信号源
鉴相器
低通滤波器
压控振荡器
输出wenku.baidu.com率 Fo
Fo÷M
÷M 分频器
可知，当环路锁定时，检相器的两路输入频率严格跟踪，即 F÷R =Fo÷M 所以得到： Fo=F×M/R 所以，改变不同的分频数M和R就可以得到任意分数值的输出合成频 率，这就是频率合成电路的基本工作原理。
2) 扬声器(Speaker) SPK的基本功能是把电信号转化为语音信号便于使人耳听到，主要用 于有来电时播放来电铃音、闹钟的铃声以及免提通话时发出语音等，也 叫做喇叭。常用的一般为8欧的动圈式定阻扬声器，由于推动扬声器需要 的功率较大，所以一般还有一个功率放大芯片，有的机器功放电路集成 在基带主芯片或电源管理芯片中。同样在靠近器件位置的两个引脚上都 接有ESD器件加以保护。在早期的手机或者一些超低端机上没有Speaker, 而采用一个蜂鸣器(Buzzer)发出类似电子琴声的单音音乐来作为提示铃音 和闹铃声，当然那就不支持免提功能了。 3) 受话器(Receiver) REC的功能也是把电信号转化为语音信号的，主要用于通话时播放对 方的话音，一般为一个32欧(1KHz)的耳机，直接接受来自基带主芯片送 出来的语音信号。同样在靠近器件位置的两个引脚上也有ESD器件加以 保护。
13) 锁相环路(Phase Lock Loop)
当手机电路工作在某信道上时必须要产生一个误差不超过0.1PPM的 正弦波信号，产生这一信号的频率合成电路其核心就是一个锁相环路 (PLL)。基本的锁相环路结构框图如下图所示。压控振荡器输出的频率送 到鉴相器输入端和一个 F1
F0
精确的输入频率进行鉴相，鉴相器输出的是两个信号的相位之差，如果 两个信号的频率有微小差异，通过混频电路可能检测不出来，但在微观 上会表现为一个信号的相位慢慢落后于另一个信号，经过一段时间积累， 两个信号的相位可能有一定差别，鉴相器会输出这个差异信息经过环路 的低通滤波器变成一个直流电压来反馈控制压控振荡器。若输出频率偏 小，则反馈控制压控振荡器使Fo变大，反之则控制变小，当环路稳定下 来之后则输出频率严格的跟踪输入频率达到完全相同即所谓的环路锁定。 基本的锁相环路实际上用处不大，实际中的锁相环路都是基本锁相环 的变形和应用。手机电路中的频率合成电路其实就是基于锁相环电路的。
H H H L L L GSM 900 TX GSM 1800/1900 TX GSM 1800 RX GSM 1900 RX GSM 900 RX WCDMA 850 RX/TX
L L L L
H H L L
H L H L
6) 双工器(Duplex) 如果手机在发射的同时还需要接收信号就必须用到双工器。它实际上 相当于一个环形器，连接着天线、接收电路和发射电路三个单元，从天 线收到的信号只能进入接收电路而不许进入发射电路，同时从发射电路 输入的信号只能送到天线发射出去而不能进入接收电路。 综上可知，如果需要在时间上存在复用的话就需要用到天线开关， 而CDMA/WCDMA等手机工作时发射、接收同时进行，所以单靠天线开 关不能控制天线的发射、接收不受干扰，所以必须使用双工器，当然如 果存在多模共存的手机的则两种器件可能都会用到。总结如下表所示：
培训教材
1. 概述
我们常用的移动电话按制式有GSM,CDMA,WCDMA,TDSCDMA,PHS等。由于其基本功能都是进行语音通讯的，所以本文即 以移动电话在语音通讯中的基本原理作一个简单介绍。 语音通讯包括 语音发送和语音接收两个部分，两个相对的过程基本类似，本文主要 以发送过程为例讨论。另外不同制式采用的语音编解码及主要接收发 射指标基本类似，本文主要以GSM为例来进行讨论。
Power Time
FDMA
Frequency
2) 时分多址(TDMA) TDMA的原理如下。它采用了时间分割技术，在某一频点上，通过时 间轴上分割出多个时隙，一个手机占用其中确定的一个时隙，间隔一定 的周期该时隙重复出现，也就是通信数据实际上是在断续发送的。但是 由于在发送时隙其数据发送的速率比通话数据的实际速率要快的多，也 就是说在一个时隙已经发送了间隙没有发送时积累的所有数据，所以通 信数据不会丢失，通话仍然是连续的，不过数据相对于实际产生的信号 是有一定时间延迟的。选择合适的时隙间隔，则这种迟后可以忽略，像 我们的GSM,PHS,TD-SCDMA都采用了这种技术，不过TD-SCDMA采用 的不是各个用户之间的时隙分割，而是上下行信号(发送和接收)之间的时 间分割即时分双工模式(TDD)。
振荡器和谐振器一般是用于产生某一频率的正弦波的，谐振器价格比 较便宜，在振荡电路中起选频作用。振荡器本身就是一个振荡电路，加 上电压后就可以产生一定频率的信号。晶体压控振荡器(VCO)是输出信 号的频率随压控端电压值的大小在一定范围内变化的振荡器，经常用在 锁相环路(PLL)中用于产生一个精确频率的信号。
4) 天线(Antenna) ANT的基本功能就是发送和接收无线电信号。一般一部手机只有一个 天线，通过电子开关和双工器来实现同时完成发送和接收功能。手机的 外置天线一般有螺旋天线等，内置天线常见的有平面倒F型(PIFA)天线、 PCB天线等。 5) 天线开关(Switch) 天线开关实际上是一个单刀多掷的波段开关，通过几个数字信号控制 天线切换连接到各个不同的频段和收发状态。下表为常用的 CXG1190AEQ-T2天线开关在P609A2项目中的逻辑关系：一般如果需要 在时间上存在复用的(TD复用或TD双工等)如GSM/PHS/TD-SCDMA等都 需要用到天线开关。 Sel1 Sel2 Sel3 天线连接状态
Power Time
TDMA/FDMA
Frequency
3) 码分多址(CDMA) CDMA的原理如下。它采用的是一组相互相干性为零的所谓正交码来 区分不同用户的数据。可以举一个形象的例子，一个房间里三对人分别 互相讲话，一对用汉语，一对用英语，另一对用法语，并且他们任意两 对之间语言互相都不相通，那么虽然讲话的声音可以互相听到，但却不 会互相影响到别人的讲话。其他人的声音对讲话者来说只是相当于一个 不相干的噪音罢了。CDMA和这种情况比较类似，接收方通过用自己唯 一的正交地址码进行解码即可得到自己所要接收的语音数据。
3. 手机的多址模式和信道分配
不同制式的手机其频率分配不同，而且由于频谱资源有限，需要在 有限的频率带宽上同时为多个用户提供通信，这就需要采取一定的多址 技术，所以才产生了TDMA,CDMA,FDMA等不同的多址方式。
1) 频分多址(FDMA)
FDMA的原理如下图所示，在频率轴上划分出多个信道，每个用户占 用一个信道(频率带宽)通信互不干扰。这是一种最基本的多址方式，基本 上大部分移动通信设备都采用了信道划分(实际上相当于FDMA)。
收发双工模式 GSM WCDMA CDMA2000 大灵童 /IS95 TD-SCDMA PHS FDD (频分双工) FDD (频分双工) 频率复用方式 TDMA (时分复用) CDMA (码分复用) 天线开关 有 双工器 有
FDD (频分双工)
TDD (时分双工) TDD (时分双工)
CDMA (码分复用)
Time Powe r
CDMA
Frequency
4) 双工方式(Duplex Methods) 双工方式和多址方式完全类似，常用的主要有频分双工(FDD)和时分 双工(TDD)，如下图所示。
频分双工
(Frequency Division Duplex)
Amplitude
F1 Tim e Amplitude
5) 常用的通信频率 通信管理部门对各种不同的通信制式分配了各自的通信频率。常见的 有： (1) GSM，在我国和欧洲主要有900MHz和1800MHz两个频段，在澳 大利亚和北美主要采用了850MHz和1900MHz两个频段。具体分配如下： GSM频段划分 GSM900 发射：890-915MHz ; 接收：935-960MHz; 接收：925-960MHz;
CDMA (码分复用) TDMA (时分复用)
-
有
有 有
-
7) 定向耦合器 (Coupler)
定向耦合器用于检测手机发射的功率大小，它一般在射频功放输出与 天线开关或双工器之间，从功放输出的功率基本上全部通过定向耦合器 进入天线开关或双工器到达天线发射出去，只有很小的一部分功率从定 向耦合器的耦合端口输出送入一个功率检测电路用于检测得到发射的实 际功率以便实现功率的闭环控制。 8) 声表面波滤波器 (SAW) 声表滤波器用于射频信号滤波。它通过一个叉指形换能器结构使射频 信号产生一个声表面波，然后通过声表面波的共振传播在输出端再产生 出射频信号，借助声表面波的频率选择性实现带通滤波功能。 9) 低噪声放大电路 (LNA),可变增益放大器(VGA/DVGA) 低噪放电路用于射频信号的前置预放大，它处于接收通路的最前端， 也叫高放电路，现在有的机型已经集成在射频接收主芯片内部了。
10) 功率放大电路 (Power Amplifier,简写PA)
射频功放电路位于发射通路的最末端，用于对发射的射频信号进行功 率放大以达到要求的功率值然后通过天线发射出去。一般功放芯片除了 各频段的输入输出和电源外还有功率控制及使能等信号，可以满足多个 频段的信号放大。 11) ESD和EMI器件 ESD器件是静电放电器件，防止静电对其他器件的损坏，当静电电压 低于某一值时器件是不工作的，当静电电压超过该值时器件即相当于对 地短路使静电泻放掉从而起到保护作用。EMI器件的作用是防止电磁干 扰，通常EMI器件也具有ESD的作用，可以保护一切传导的或者辐射的电 磁信号对电路器件的破坏和干扰。 12) 晶体振荡器和晶体谐振器(Crystal)
15) 编、解码电路
语音通过MIC接收送入手机主芯片经过语音放大后仍然还是连续的模 拟信号，必须进行数字编码后才能进行传送，编码包括语音编码和信道 编码两个过程。在GSM通讯中，语音编码把模拟的语音信号转化成 64KBps的二进制数字信号流，然后通过RPE-LTP编码(规则脉冲激励—线 性长期预测编码)变成13KBps的数据信号。信道编码先把13KBps的数据 信号加上9.8KBps的检错纠错码变成22.8KBps，然后进行交织、加密形成 270.833KBps的TDMA帧数据流。解码则是编码的逆过程，在接收部分进 行还原语音信号。 16) 调制、解调
调制和解调互为逆过程，调制是在发射过程中把要发送的语音数据信 号调制在相应频点的射频信号上以便通过射频信号发射出去。解调是从 接收到的射频信号中还原出发送方调制上去的语音数据信号。 另外还有许多其他电路如：电源管理、存储器(Nand/Nor Flash， SRAM等)、LCD驱动、充电电路、SIM卡电路、蓝牙、红外、收音机、 摄像处理等，由于本文主要讨论典型的语音通话工作原理，所以不再一 一描述。
2. 基本的电路单元介绍
1) 麦克风(Microphone)
MIC的基本功能是把语音信号转化为便于传送的电信号，通话中用于 接收讲话语音。常用的驻极体麦克风内部有一个场效应管放大器，所以 需要提供一个直流工作电压，因此一般的麦克风电路上有一个直流电压 通过一个几千欧姆的电阻(下图中R140和R141)加到MIC的输入端用于为 麦克风内部电路供电。 同时，由于MIC是直 接和外界接触的接口器件， 容易接受静电干扰造成基 带主芯片损坏，所以在靠 近MIC器件位置的两个引 脚上都接有ESD器件(图中 R142和R120)。一个典型 的MIC电路如右图所示。 常用MIC的交流阻抗 (1KHz)一般为2.2K。
时分双工
(Time Division Duplex)
Tim e
Tx
F
1
Rx
F
2
Rx Tx Rx Tx
Frequenc y
Frequenc y
F1
频分双工对每一个信道需要一组上下行频率对F1和F2，发射、接收各 占一个频点，如GSM, CDMA2000, WCDMA就采用了FDD。而时分双工 只需要一个频点，在不同的时隙分别进行接收和发射，如TD-SCDMA, PHS就采用了TDD。
14) 频率合成电路
手机频率合成电路的基本结构如下图所示。根据前面介绍的基本锁相 环原理 F÷R 基准频率 F 基准频率
÷R 分频器
信号源
鉴相器
低通滤波器
压控振荡器
输出wenku.baidu.com率 Fo
Fo÷M
÷M 分频器
可知，当环路锁定时，检相器的两路输入频率严格跟踪，即 F÷R =Fo÷M 所以得到： Fo=F×M/R 所以，改变不同的分频数M和R就可以得到任意分数值的输出合成频 率，这就是频率合成电路的基本工作原理。
2) 扬声器(Speaker) SPK的基本功能是把电信号转化为语音信号便于使人耳听到，主要用 于有来电时播放来电铃音、闹钟的铃声以及免提通话时发出语音等，也 叫做喇叭。常用的一般为8欧的动圈式定阻扬声器，由于推动扬声器需要 的功率较大，所以一般还有一个功率放大芯片，有的机器功放电路集成 在基带主芯片或电源管理芯片中。同样在靠近器件位置的两个引脚上都 接有ESD器件加以保护。在早期的手机或者一些超低端机上没有Speaker, 而采用一个蜂鸣器(Buzzer)发出类似电子琴声的单音音乐来作为提示铃音 和闹铃声，当然那就不支持免提功能了。 3) 受话器(Receiver) REC的功能也是把电信号转化为语音信号的，主要用于通话时播放对 方的话音，一般为一个32欧(1KHz)的耳机，直接接受来自基带主芯片送 出来的语音信号。同样在靠近器件位置的两个引脚上也有ESD器件加以 保护。
13) 锁相环路(Phase Lock Loop)
当手机电路工作在某信道上时必须要产生一个误差不超过0.1PPM的 正弦波信号，产生这一信号的频率合成电路其核心就是一个锁相环路 (PLL)。基本的锁相环路结构框图如下图所示。压控振荡器输出的频率送 到鉴相器输入端和一个 F1
F0
精确的输入频率进行鉴相，鉴相器输出的是两个信号的相位之差，如果 两个信号的频率有微小差异，通过混频电路可能检测不出来，但在微观 上会表现为一个信号的相位慢慢落后于另一个信号，经过一段时间积累， 两个信号的相位可能有一定差别，鉴相器会输出这个差异信息经过环路 的低通滤波器变成一个直流电压来反馈控制压控振荡器。若输出频率偏 小，则反馈控制压控振荡器使Fo变大，反之则控制变小，当环路稳定下 来之后则输出频率严格的跟踪输入频率达到完全相同即所谓的环路锁定。 基本的锁相环路实际上用处不大，实际中的锁相环路都是基本锁相环 的变形和应用。手机电路中的频率合成电路其实就是基于锁相环电路的。
H H H L L L GSM 900 TX GSM 1800/1900 TX GSM 1800 RX GSM 1900 RX GSM 900 RX WCDMA 850 RX/TX
L L L L
H H L L
H L H L
6) 双工器(Duplex) 如果手机在发射的同时还需要接收信号就必须用到双工器。它实际上 相当于一个环形器，连接着天线、接收电路和发射电路三个单元，从天 线收到的信号只能进入接收电路而不许进入发射电路，同时从发射电路 输入的信号只能送到天线发射出去而不能进入接收电路。 综上可知，如果需要在时间上存在复用的话就需要用到天线开关， 而CDMA/WCDMA等手机工作时发射、接收同时进行，所以单靠天线开 关不能控制天线的发射、接收不受干扰，所以必须使用双工器，当然如 果存在多模共存的手机的则两种器件可能都会用到。总结如下表所示：