多模多頻帶3G手機的RF前端簡化設計

手機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計方法。同時，第三代（3G）網(wǎng)絡的首次展示已打開各種新型多媒體和以實驗為依據(jù)的應用之門，從無線網(wǎng)絡接入和移動視頻到文本發(fā)送處理和移動電視。

　　隨著這些新型應用需求的上升和市場變得日益全球化，手機生產(chǎn)商陷入了困境。他們怎樣才能在不違背市場嚴格的成本、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的多路寬頻帶技術的頻帶數(shù)量？最新的3GPP標準支持的頻率數(shù)量已經(jīng)從3個增加到了10個并且被設置可繼續(xù)擴展。

　　毫無疑問的是：為了在當今市場取得成功，手機設計師需要設計具備多頻帶、多模能力的手機。現(xiàn)有的2G GSM/GPRS網(wǎng)絡的用戶持續(xù)增長，且具有當今最大的網(wǎng)絡覆蓋率。EDGE技術通過在GSM系統(tǒng)中引入二級調(diào)制格式提高了數(shù)據(jù)傳輸率， 基于這種技術的手機的出貨速度增長迅速。

　　與此同時，網(wǎng)絡運營商正在繼續(xù)鋪開3G寬帶CDMA（WCDMA）網(wǎng)絡。基于通用移動通信系統(tǒng)（UMTS）的網(wǎng)絡拓撲架構(gòu)，這種新技術正迅速成為引領全球移動寬帶的解決方案。行業(yè)分析家預示W(wǎng)CDMA和EDGE將在未來幾年代表手機市場的兩個發(fā)展最迅速的部分。而且，為了滿足基于IP的服務需要，全世界正增加的UMTS運營商正在部署高速下行鏈路數(shù)據(jù)分組接入（HSDPA）網(wǎng)絡。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給出了每個手機標準和相關上下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸率。

　　與此同時，網(wǎng)絡運營商和服務提供商相信現(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)絡的主導技術。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）智能天線技術的正交頻分復用（OFDM）傳輸機制來改善網(wǎng)絡覆蓋和效率。

　　LTE將為4G技術奠定基礎，它要求網(wǎng)絡運營商支持另一個調(diào)制方案。為利用這些新型網(wǎng)絡技術，網(wǎng)絡運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手機的BOM成本為EDGE手機的兩倍，接近GSM/GPRS手機成本的三倍。與此同時，GSM手機的通話時間是WCDMA手機的兩倍，而通話時間是消費者對手機使用體驗的一個關鍵因素。

　　這些區(qū)別主要是由于WCDMA前端架構(gòu)更復雜。WCDMA是一種擴頻技術，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，設計工程師一般都采用外部LNA。與GSM/GPRS和EDGE 手機相比，額外的元件數(shù)量和面積增加了WCDMA手機的成本。

　　功率效率也是一個挑戰(zhàn)。在無線設備中，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，復雜的四相移位鍵控（QPSK）調(diào)制技術也要求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手機設計工程師經(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行權衡。

　　前端電路復制

　　傳統(tǒng)上，為在同一設備中支持多種空中接口標準，手機設計工程師已在采用帶有單獨無線電收發(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行業(yè)中的設計工程師來說，如此多數(shù)量的元件是一個不小的挑戰(zhàn)。此外，功能復制與最小化產(chǎn)品PCB面積的要求直接沖突。實現(xiàn)這種前端功能目前需要4個PA、10個SAW濾波器、3個雙工機和1個單刀九擲開關。

　　很明顯，為全球市場設計手機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面積并簡化手機的前端設計。此外，由于線性PA消耗了大部分的手機電池能量，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電池壽命。

　　擴展極性調(diào)制

　　實現(xiàn)這種前端設計的一個方法是在WCDMA和其他高帶寬無線技術中采用極性調(diào)制。極性調(diào)制廣泛用于GSM和EDGE系統(tǒng)中，它通過允許PA的輸入信號為固定包絡或不包含幅度不同的分量信號，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矩形基帶信號被轉(zhuǎn)換為具有幅度和相位組成的極性格式。這就允許設計師有區(qū)別且更有效的應用兩種調(diào)制元件。相位信號被供給被用做相位/頻率調(diào)制器的相鎖回路（PLL）。然后PLL-VCO的輸出信號被供給工作在接近飽和/削波狀態(tài)的VGA或PA。因為PLL產(chǎn)生的相位調(diào)制信號幅度仍然不變，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調(diào)制。由于復雜信號軌跡位于單位圓上，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被加到信號上以便傳送信號與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的擴展。

　　WCDMA提出了一套完全不同的挑戰(zhàn)。這個技術包括多路數(shù)據(jù)信道，并且采用擴展頻譜混合PSK（HPSK）調(diào)制來達到更高的數(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志拖尾，并且傳送信號的帶寬約束為3.84MHz。

　　這些區(qū)別之處對發(fā)射機的設計有不同要求。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解決方案得到驗證，它能提供最低的噪聲性能，從而無需采用SAW濾波器。這個方法能被運用在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。因為極性架構(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雜度。

　　新的前端電路架構(gòu)

　　為簡化多模手機的前端電路設計且降低手機的成本和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)器的設計提供了基礎。第二代SEQ7400支持7個頻帶，同時支持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。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級間濾波器。設備在緊湊的RF引腳中提供標準模擬接口和SCI或DigRF 2.5G控制接口。

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

　　另外，通過在同一手機中支持4頻帶EDGE和3頻帶WCDMA接口，這種新的方法給設計團隊為不同地理區(qū)域和市場開發(fā)平臺體統(tǒng)了很大靈活性。這種新架構(gòu)能提高工廠生產(chǎn)量和進一步改進手機制造成本，并最終通過降低發(fā)送和備用電流的要求，允許設計師在下一代手機設計中延長電池壽命。

　　本文小結(jié)

　　在當今高度競爭的手機市場上，傳統(tǒng)的堆疊無線電架構(gòu)對多模多頻帶手機來說不再可行。它們的功能重復設計、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，設計師需要一種新的、更有效的多模多頻手機的前端設計方法。

　　極性調(diào)制為開發(fā)最有前途的發(fā)送架構(gòu)提供了機會。極性調(diào)制允許單個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)點將隨著行業(yè)向更高階位調(diào)制機制（如HSUPA和LTE）的轉(zhuǎn)移而增加。