多頻移動手機的無線性能最佳化方法

2004年10月A版

移動電話正演變成為一種面向數(shù)據(jù)的設(shè)備，彩色屏幕、數(shù)字相機和板上內(nèi)存等功能也逐漸成為主流，用來支持各種面向數(shù)據(jù)的應(yīng)用，包括多媒體消息、移動游戲、上網(wǎng)、收發(fā)郵件和移動商務(wù)。為推動此發(fā)展趨勢，移動電話業(yè)者開始為現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)增加高速E-GPRS (EDGE) 以及WCDMA (UMTS) 數(shù)據(jù)功能，并向后兼容于既有的服務(wù)。這種做法使得移動電話必須支持所有GSM/GPRS/EDGE/WCDMA標準，然而支持多種標準將為手機帶來許多設(shè)計挑戰(zhàn)，特別是手機無線電的設(shè)計。
多標準帶來無線電設(shè)計挑戰(zhàn)
多標準會帶來各種不同規(guī)范，讓手機無線電設(shè)計人員必須面對苛刻，有時甚至相互沖突的性能要求。GSM/GPRS和GSM/EDGE標準采用時分雙工 (TDD) 技術(shù)，因此手機無線電必須透過天線開關(guān)模塊在發(fā)射和接收模式之間切換，讓多位用戶在不同的時間內(nèi)共享相同頻道。另一方面，WCDMA則以頻分雙工(FDD)技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)射機和接收機通過雙工器同時切換，讓多位用戶在同樣的時間內(nèi)共享相同頻道，再利用正交代碼鑒別彼此的傳送內(nèi)容。EDGE和WCDMA都采用線性調(diào)制方式，這種調(diào)制機制必須采用線性發(fā)射架構(gòu)，GSM/GPRS則采用非線性的GMSK調(diào)制技術(shù)。為了滿足線性要求，WCDMA的信道間隔必須達到5 MHz，EDGE則只要200 kHz頻寬。GSM/GPRS/EDGE的信道位速率是以13 MHz基準時鐘[t1]為基礎(chǔ)，WCDMA的芯片速率則以19.2 MHz的基準時鐘為基礎(chǔ) (參考表1)。

無線電性能最佳化
三個重要趨勢極有可能讓多模手機無線電擁有最佳性能：前端模塊、高集成度收發(fā)器以及能在射頻收發(fā)器和基帶處理器需求之間取得平衡的系統(tǒng)最佳化技術(shù)。

前端模塊
前端模塊現(xiàn)有兩種集成趨勢：把開關(guān)／雙工器和SAW濾波器集成在一個封裝內(nèi)，或是將功率放大器和開關(guān)集成在一起。如果要集成開關(guān)、雙工器和SAW濾波器，主要挑戰(zhàn)在于將插入損耗減至最少，同時保持良好的阻隔器抑制特性，進而改善接收靈敏度，同時保持線性工作。雙工器對于WCDMA尤其重要，因為它必須在接收頻帶內(nèi)提供良好的發(fā)射信號隔離。如果將功率放大器和開關(guān)集成在一起，設(shè)計人員就能優(yōu)化調(diào)整功率放大器的開關(guān)的諧波濾波器，進而讓發(fā)射機的諧波抑制能力獲得改善。在這種集成方式中，接收機的所有SAW濾波器可以集成為一個濾波器網(wǎng)站。

圖1  前端模塊的集成趨勢

圖2  集成在單芯片GSM/GPRS收發(fā)器的重要元件

圖3  利用數(shù)字低中頻接收機架構(gòu)防止直流偏移電壓

高集成度收發(fā)器
今日的單芯片收發(fā)器是集成度很高的組件，它集成了所有的壓控振蕩器 (VCO)、頻率合成器以及接收機和發(fā)射機電路。集成多數(shù)或全部的壓控振蕩器正逐漸成為一項標準特色，然而回路濾波器的集成通常卻很困難，因為約1MHz的截止頻率可能需要很大的片上電容。如果采用外部實現(xiàn)方式，回路濾波器通常也需要高精度的薄膜電容，它們可能造成用料成本大增。調(diào)諧元件的集成也很困難，因為它們的損耗必須很低，才能將壓控振蕩器的相位噪聲減至最小。集成回路濾波器和調(diào)諧元件可以屏蔽本地振蕩器，使其不受外部干擾源的影響，進而改善接收線度和發(fā)射機的相位誤差。
DCXO變?nèi)萜鞯募赏ǔＲ埠芾щy，因為它需要精確度極高的線性調(diào)諧能力，才能在基帶處理器的控制下支持自動頻率控制回路。DCXO的集成讓多模系統(tǒng)更容易根據(jù)GSM/GPRS/EDGE的13MHz基準信號以及WCDMA的19.2MHz基準信號來提供系統(tǒng)時鐘。Silicon Labs公司的Aero I+收發(fā)器就是高集成度收發(fā)器的絕佳范例，它是業(yè)界體積最小的GSM/GPRS多頻手機收發(fā)器。Aero I+是完全采用CMOS技術(shù)的收發(fā)器，所集成的功能包括DCXO、鎖相回路、壓控振蕩器、壓控振蕩器調(diào)諧元件以及回路濾波器。
數(shù)字基帶接口，例如以DigRF標準為基礎(chǔ)的接口，可望讓基帶處理器不再需要任何模擬功能，例如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。等到基帶單元沒有任何模擬功能以后，剩下的數(shù)字功能就可以采用最新世代的制程技術(shù)。

系統(tǒng)最佳化以消除直流偏移電壓
隨著數(shù)據(jù)速率不斷增加，射頻收發(fā)器和基帶處理器的系統(tǒng)最佳化就成為提高性能的最重要方法，例如直流偏移電壓在手機無線電中就有許多可能來源，包括電路固有的直流偏移、本地振蕩器或是基準時鐘諧波的自混波、以及阻隔器所導致的二階非線性現(xiàn)象。有些偏移電壓源很容易在校準程序中檢測，并加以抵消，它們對于性能的影響也微不足道。但由阻隔器產(chǎn)生的直流偏移電壓就很難檢測，并可能造成接收靈敏度或自動增益控制回路性能大幅下降。EDGE和WCDMA所采用的阻隔器都是振幅調(diào)制，這使得軟件校準變得非常困難。
防止直流偏移電壓進入基帶處理器的較可靠方法是采用圖3的接收機架構(gòu)，它將不要的直流偏移電壓混頻變換到中頻，再由濾波器將其消除；由于不再需要直接變換接收機常見的基帶直流偏移電壓修正算法，因此接收靈敏度將獲得改善。從產(chǎn)品手機的測量可以發(fā)現(xiàn)，接收靈敏度可能提高0.5dB或者更多，對于阻隔性能的影響則可忽略不計。Silicon Labs公司的Aero I+收發(fā)器采用了這種低中頻接收機架構(gòu)。
面向數(shù)據(jù)的手機正處于快速成長階段，高速率的新型數(shù)據(jù)服務(wù)為移動電話的各層面帶來極富挑戰(zhàn)性的性能需求，特別是手機無線電的設(shè)計。為了讓多模手機擁有最高性能，無線電前端模塊和收發(fā)器的集成度不斷提高，收發(fā)器和基帶之間的功能劃分也要很謹慎。這些方法最終會帶來極高集成度的多模無線電，一旦此集成付諸實現(xiàn)，可以在現(xiàn)有單模環(huán)境下提供最佳射頻性能的無線電設(shè)計自然會成為多模設(shè)計的最佳選擇。