多模多頻帶3G手機(jī)的RF前端設(shè)計

手機(jī)市場激烈的競爭推動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)計方法。同時，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驗為依據(jù)的應(yīng)用之門，從無線網(wǎng)絡(luò)接入和移動視頻到文本發(fā)送處理和移動電視。

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個增加到了10個并且被設(shè)置可繼續(xù)擴(kuò)展。目前的頻譜和相關(guān)帶寬如圖1所示。

毫無疑問的是：為了在當(dāng)今市場取得成功，手機(jī)設(shè)計師需要設(shè)計具備多頻帶、多模能力的手機(jī)。現(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，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商正在繼續(xù)鋪開3G寬帶CDMA(WCDMA)網(wǎng)絡(luò)。基于通用移動通信系統(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，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，主動加快WCDMA發(fā)展速度的時候。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，GSM手機(jī)的通話時間是WCDMA手機(jī)的兩倍，而通話時間是消費(fèi)者對手機(jī)使用體驗的一個關(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。因為WCDMA采用全雙工通信，所以接收和發(fā)送功能可以同時進(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現(xiàn)。此外，設(shè)計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。

功率效率也是一個挑戰(zhàn)。在無線設(shè)備中，輸出功率放大級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級具有高線性度以免降低信號的質(zhì)量或干擾相鄰信道。因此，WCDMA手機(jī)設(shè)計工程師經(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，支持多個空中接口對手機(jī)的元件數(shù)量有較大影響，因為它要求采用多個聲表面波濾波器(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)計工程師來說，如此多數(shù)量的元件是一個不小的挑戰(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。一個典型的7頻帶WEDGE手機(jī)的射頻電路架構(gòu)如圖3所示，實現(xiàn)這種前端功能目前需要4個PA、10個SAW濾波器、3個雙工機(jī)和1個單刀九擲開關(guān)。

很明顯，為全球市場設(shè)計手機(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。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的單個發(fā)送通道可顯著減少功率損耗并延長手機(jī)電池壽命。