多模多頻帶3G手機(jī)的RF前端簡化設(shè)計(jì)

手機(jī)市場激烈的競爭推動(dòng)制造商去尋找新的降低成本、印制電路板（PCB）面積和功率損耗的設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，第三代（3G）網(wǎng)絡(luò)的首次展示已打開各種新型多媒體和以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)的應(yīng)用之門，從無線網(wǎng)絡(luò)接入和移動(dòng)視頻到文本發(fā)送處理和移動(dòng)電視。

　　隨著這些新型應(yīng)用需求的上升和市場變得日益全球化，手機(jī)生產(chǎn)商陷入了困境。他們怎樣才能在不違背市場嚴(yán)格的成本、覆蓋區(qū)和功率制約的情況下維持不斷增長的用來支持全球平臺(tái)和需提供這些新的增收服務(wù)的多路寬頻帶技術(shù)的頻帶數(shù)量？最新的3GPP標(biāo)準(zhǔn)支持的頻率數(shù)量已經(jīng)從3個(gè)增加到了10個(gè)并且被設(shè)置可繼續(xù)擴(kuò)展。

　　毫無疑問的是：為了在當(dāng)今市場取得成功，手機(jī)設(shè)計(jì)師需要設(shè)計(jì)具備多頻帶、多模能力的手機(jī)?，F(xiàn)有的2G GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的用戶持續(xù)增長，且具有當(dāng)今最大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率。EDGE技術(shù)通過在GSM系統(tǒng)中引入二級(jí)調(diào)制格式提高了數(shù)據(jù)傳輸率， 基于這種技術(shù)的手機(jī)的出貨速度增長迅速。

　　與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商正在繼續(xù)鋪開3G寬帶CDMA（WCDMA）網(wǎng)絡(luò)?；谕ㄓ靡苿?dòng)通信系統(tǒng)（UMTS）的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，這種新技術(shù)正迅速成為引領(lǐng)全球移動(dòng)寬帶的解決方案。行業(yè)分析家預(yù)示W(wǎng)CDMA和EDGE將在未來幾年代表手機(jī)市場的兩個(gè)發(fā)展最迅速的部分。而且，為了滿足基于IP的服務(wù)需要，全世界正增加的UMTS運(yùn)營商正在部署高速下行鏈路數(shù)據(jù)分組接入（HSDPA）網(wǎng)絡(luò)。高速上行鏈路數(shù)據(jù)分組接入（HSUPA）也將在不久后開始部署。圖2給出了每個(gè)手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)上下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸率。

　　與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和服務(wù)提供商相信現(xiàn)在正是朝3GPP長期演變（LTE）方向，主動(dòng)加快WCDMA發(fā)展速度的時(shí)候。LTE正在成為下一代無線寬帶網(wǎng)絡(luò)的主導(dǎo)技術(shù)。它使得下行和上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸率分別為 100Mbps和50Mbps，并通過采用多輸入多輸出（MIMO）智能天線技術(shù)的正交頻分復(fù)用（OFDM）傳輸機(jī)制來改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋和效率。

　　LTE將為4G技術(shù)奠定基礎(chǔ)，它要求網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商支持另一個(gè)調(diào)制方案。為利用這些新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商必須克服兩個(gè)巨大的障礙：更高昂的成本和更大的功率損耗。WCDMA手機(jī)的BOM成本為EDGE手機(jī)的兩倍，接近GSM/GPRS手機(jī)成本的三倍。與此同時(shí)，GSM手機(jī)的通話時(shí)間是WCDMA手機(jī)的兩倍，而通話時(shí)間是消費(fèi)者對手機(jī)使用體驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵因素。

　　這些區(qū)別主要是由于WCDMA前端架構(gòu)更復(fù)雜。WCDMA是一種擴(kuò)頻技術(shù)，它采用5MHz的傳輸寬帶。因?yàn)閃CDMA采用全雙工通信，所以接收和發(fā)送功能可以同時(shí)進(jìn)行，但這要求前端電路能衰減發(fā)送器的寬帶噪聲，以避免接收器靈敏度降低。通常，這可以通過在發(fā)送和接收通道上采用雙工器和額外的帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)。此外，設(shè)計(jì)工程師一般都采用外部LNA。與GSM/GPRS和EDGE 手機(jī)相比，額外的元件數(shù)量和面積增加了WCDMA手機(jī)的成本。

　　功率效率也是一個(gè)挑戰(zhàn)。在無線設(shè)備中，輸出功率放大級(jí)通常消耗大部分的電池能量。與GSM手機(jī)的功率放大器（PA）工作在飽和模式不同，WCDMA系統(tǒng)中PA工作于線性模式。此外，復(fù)雜的四相移位鍵控（QPSK）調(diào)制技術(shù)也要求PA級(jí)具有高線性度以免降低信號(hào)的質(zhì)量或干擾相鄰信道。因此，WCDMA手機(jī)設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常要在確保WCDMA性能所需的高線性度與更長電池壽命要求所需的高功率效率之間進(jìn)行權(quán)衡。

　　前端電路復(fù)制

　　傳統(tǒng)上，為在同一設(shè)備中支持多種空中接口標(biāo)準(zhǔn)，手機(jī)設(shè)計(jì)工程師已在采用帶有單獨(dú)無線電收發(fā)器的堆疊的無線電架構(gòu)。通常，支持多個(gè)空中接口對手機(jī)的元件數(shù)量有較大影響，因?yàn)樗蟛捎枚鄠€(gè)聲表面波濾波器（SAW）、振蕩器、濾波器和專用的混頻器。顯然，對在成本和功率敏感的手機(jī)行業(yè)中的設(shè)計(jì)工程師來說，如此多數(shù)量的元件是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。此外，功能復(fù)制與最小化產(chǎn)品PCB面積的要求直接沖突。實(shí)現(xiàn)這種前端功能目前需要4個(gè)PA、10個(gè)SAW濾波器、3個(gè)雙工機(jī)和1個(gè)單刀九擲開關(guān)。

　　很明顯，為全球市場設(shè)計(jì)手機(jī)的工程師需要一種新的前端架構(gòu)，這種架構(gòu)可以減少現(xiàn)有的堆疊式射頻前端電路的固有冗余。單個(gè)普通的發(fā)送通道可以最大化地復(fù)用芯片上的電路、減少系統(tǒng)BOM成本、節(jié)省PCB面積并簡化手機(jī)的前端設(shè)計(jì)。此外，由于線性PA消耗了大部分的手機(jī)電池能量，采用非線性PA的單個(gè)發(fā)送通道可顯著減少功率損耗并延長手機(jī)電池壽命。

　　擴(kuò)展極性調(diào)制

　　實(shí)現(xiàn)這種前端設(shè)計(jì)的一個(gè)方法是在WCDMA和其他高帶寬無線技術(shù)中采用極性調(diào)制。極性調(diào)制廣泛用于GSM和EDGE系統(tǒng)中，它通過允許PA的輸入信號(hào)為固定包絡(luò)或不包含幅度不同的分量信號(hào)，來消除功率效率和放大器線性度之間的固有沖突。

　　在極性調(diào)制機(jī)構(gòu)中，通常以直接上變頻發(fā)送到收發(fā)器的I和Q矩形基帶信號(hào)被轉(zhuǎn)換為具有幅度和相位組成的極性格式。這就允許設(shè)計(jì)師有區(qū)別且更有效的應(yīng)用兩種調(diào)制元件。相位信號(hào)被供給被用做相位/頻率調(diào)制器的相鎖回路（PLL）。然后PLL-VCO的輸出信號(hào)被供給工作在接近飽和/削波狀態(tài)的VGA或PA。因?yàn)镻LL產(chǎn)生的相位調(diào)制信號(hào)幅度仍然不變，所以可以通過采用更高效非線性類的E或F放大器被放大。通過發(fā)射機(jī)極大減少了功率損耗，并且最終延長了電池壽命。

　　GSM系統(tǒng)采用具有高斯最小移位鍵控的固定包絡(luò)調(diào)制。由于復(fù)雜信號(hào)軌跡位于單位圓上，因此調(diào)制可以通過其相位組成得到完全描述。 EDGE系統(tǒng)采用不同方式編碼3π/8的8相移位鍵控（PSK） 調(diào)制使GSM數(shù)據(jù)傳輸率提高了3倍。AM被加到信號(hào)上以便傳送信號(hào)與GSM占用相同的 270 kHz帶寬。這些相似性簡化了GSM極性收發(fā)器到EDGE的擴(kuò)展。

　　WCDMA提出了一套完全不同的挑戰(zhàn)。這個(gè)技術(shù)包括多路數(shù)據(jù)信道，并且采用擴(kuò)展頻譜混合PSK（HPSK）調(diào)制來達(dá)到更高的數(shù)據(jù)傳輸率。多路信道的使用產(chǎn)生了一套疊加的由不同擴(kuò)展因數(shù)引起的不同增益的四相 PSK（QPSK）模式。一種根升余弦濾波器限制標(biāo)志拖尾，并且傳送信號(hào)的帶寬約束為3.84MHz。

　　這些區(qū)別之處對發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)有不同要求。GSM和EDGE系統(tǒng)要求出色的相位線性、低相位噪聲和高效率。WCDMA系統(tǒng)在相當(dāng)大的帶寬和幅度范圍內(nèi)都需求高精確性。

　　極性架構(gòu)已在GSM/EDGE解決方案得到驗(yàn)證，它能提供最低的噪聲性能，從而無需采用SAW濾波器。這個(gè)方法能被運(yùn)用在WCDMA方案中以消除發(fā)送 SAW濾波器，且不需要線性架構(gòu)所要求的額外電流損耗。因?yàn)闃O性架構(gòu)支持所有的調(diào)制格式，它同樣能支持真正的多模PA。這種架構(gòu)大大減少下一代解決方案的總體尺寸和復(fù)雜度。

　　新的前端電路架構(gòu)

　　為簡化多模手機(jī)的前端電路設(shè)計(jì)且降低手機(jī)的成本和PCB面積，Sequoia Communications公司已開發(fā)了一種創(chuàng)新、利用極性調(diào)制技術(shù)為所有模式提供單發(fā)送通道的架構(gòu)。該公司的FullSpectra架構(gòu)為單芯片多模RF收發(fā)器的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。第二代SEQ7400支持7個(gè)頻帶，同時(shí)支持3頻帶WCDMA/HSDPA、4 頻帶EDGE、GPRS和GSM，可適用全世界的大多數(shù)主要網(wǎng)絡(luò)。為了減少元件數(shù)量和成本，收發(fā)器集成了所有的LNA和WCDMA級(jí)間濾波器。設(shè)備在緊湊的RF引腳中提供標(biāo)準(zhǔn)模擬接口和SCI或DigRF 2.5G控制接口。

　　在多模多頻帶手機(jī)設(shè)計(jì)中，這種器件的優(yōu)勢非常明顯。單個(gè)IC便能通過消除堆疊設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和重復(fù)設(shè)計(jì)，顯著減少工程師的工作量。通過集成LNA和消除接收級(jí)間WCDMA的SAW濾波器，能減少BOM成本，縮小PCB面積。采用這種新技術(shù)，設(shè)計(jì)師能減少接近70%的RF面板面積和超過40%的RF元件數(shù)量。

　　另外，通過在同一手機(jī)中支持4頻帶EDGE和3頻帶WCDMA接口，這種新的方法給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為不同地理區(qū)域和市場開發(fā)平臺(tái)體統(tǒng)了很大靈活性。這種新架構(gòu)能提高工廠生產(chǎn)量和進(jìn)一步改進(jìn)手機(jī)制造成本，并最終通過降低發(fā)送和備用電流的要求，允許設(shè)計(jì)師在下一代手機(jī)設(shè)計(jì)中延長電池壽命。

　　本文小結(jié)

　　在當(dāng)今高度競爭的手機(jī)市場上，傳統(tǒng)的堆疊無線電架構(gòu)對多模多頻帶手機(jī)來說不再可行。它們的功能重復(fù)設(shè)計(jì)、更高的BOM成本和更大的PCB面積都將降低市場競爭力。為滿足顧客要求，設(shè)計(jì)師需要一種新的、更有效的多模多頻手機(jī)的前端設(shè)計(jì)方法。

　　極性調(diào)制為開發(fā)最有前途的發(fā)送架構(gòu)提供了機(jī)會(huì)。極性調(diào)制允許單個(gè)通道被用在所有的調(diào)制方案中，從而提供面積最小的硅實(shí)現(xiàn)方法。它易于支持下一代多模式 PA。該解決方案固有的低噪聲性能提供了一種高效率的電池能量使用方法，省去了WCDMA發(fā)送SAW濾波器。此外，這種超過其他架構(gòu)的效率優(yōu)點(diǎn)將隨著行業(yè)向更高階位調(diào)制機(jī)制（如HSUPA和LTE）的轉(zhuǎn)移而增加。