提高射頻電路集成度應對多模手機設計挑戰(zhàn)
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為滿足下一代蜂窩電話設計對更多特性、多模式及工作頻率的需求，工程師們必須尋找提高射頻前端集成度的途徑。通過采用CMOS 工藝的最新集成方案，他們找到了應對這一挑戰(zhàn)的答案。
消費者對更小、更便宜手機和手持式設備中實現(xiàn)更多功能以及高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務與多重無線電技術(多模式)需求，正推動移動電話市場的增長。在2.5G 網(wǎng)絡(GPRS 及CDMA 1xRTT) 與3G 網(wǎng)絡(UMTS/W-CDMA 及cdma2000)的進展使高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務成為可能的同時，通過采用適當?shù)墓韫に囈约凹缮漕l收發(fā)器等關鍵構建模塊則可減少手機及手持式設備的尺寸及成本。
手機制造商整合多種技術來向特定市場提供他們認為銷售最佳的解決方案。例如，支持GSM、GPRS、EDGE 及W-CDMA 的手機使用戶能用一種設備來接入多個高速網(wǎng)絡，這也是多模式技術最基本的應用模式。而GPS、藍牙及無WLAN 則是蜂窩電話及手持式設備中可能使用的其他常見無線功能。
今天的大多數(shù)多模式平臺在同一平臺上構建有多個獨立無線子系統(tǒng)，如圖1 所示。例如，支持GSM、W-CDMA 、藍牙及GPS 的多模式手機可能以GSM/W-CDMA 基帶、應用處理器、電源管理IC、存儲器IC、GSM 射頻收發(fā)器、構成W-CDMA 收發(fā)器的分立元件、單芯片藍牙系統(tǒng)、雙芯片GPS 子系統(tǒng)以及多模式射頻前端與無源器件等來構造，以支持各種無線功能。
在這種手機例子中，單芯片藍牙及雙芯片GPS 芯片組與應用處理器相連，而其各自的驅動程序則被嵌入至控制整個平臺工作的操作系統(tǒng)中。此外，由于它們?yōu)楠毩⒌摹皢螜C”系統(tǒng)，故藍牙與GPS 子系統(tǒng)可在由手機建立的網(wǎng)絡通話中并行工作。
盡管多種無線功能的“系統(tǒng)級”集成對于某些應用來說很有意義，但這并不能獲得一種針對最低成本或最小外形尺寸手機進行優(yōu)化的解決方案。多模式功能的最終集成是在射頻前端、基帶及收發(fā)器等元件級上進行。
集成射頻前端系統(tǒng)
基于GSM 標準并工作于時分雙工基礎上的蜂窩電話，使其射頻前端系統(tǒng)僅需以開關來實現(xiàn)。最簡單的GSM 手機以單頻段模式工作，且僅需要一個單刀雙擲開關、一個接收器濾波器與匹配網(wǎng)絡及一個功放。不過，當今市場對更多功能手機的需求對GSM 手機提出了能支持多達4 個頻段的要求。因此，四頻段GSM 手機可能含有多達4 個發(fā)射通道及4 個接收通道。
基于GSM 標準并工作于時分雙工基礎上的蜂窩電話，使其射頻前端系統(tǒng)僅需以開關來實現(xiàn)。最簡單的GSM 手機以單頻段模式工作，且僅需要一個單刀雙擲開關、一個接收器濾波器與匹配網(wǎng)絡及一個功放。不過，當今市場對更多功能手機的需求對GSM 手機提出了能支持多達4 個頻段的要求。因此，四頻段GSM 手機可能含有多達4 個發(fā)射通道及4 個接收通道。
基于GSM 標準并工作于時分雙工基礎上的蜂窩電話，使其射頻前端系統(tǒng)僅需以開關來實現(xiàn)。最簡單的GSM 手機以單頻段模式工作，且僅需要一個單刀雙擲開關、一個接收器濾波器與匹配網(wǎng)絡及一個功放。不過，當今市場對更多功能手機的需求對GSM 手機提出了能支持多達4 個頻段的要求。因此，四頻段GSM 手機可能含有多達4 個發(fā)射通道及4 個接收通道。
發(fā)射通道至少需要有兩個功放：一個用于GSM850 與GSM900 頻段、另一個用于DCS-1800 及PCS-1900 頻段。若再加上接收通道所需的濾波器及無源器件，則一共有6 個通道，從而增加了設計復雜性及器件數(shù)量。
在將諸如802.11b WLAN 等第二個無線系統(tǒng)添加到同一平臺上以構成多模設備時，既能提供更多功能又不增加設計復雜性或器件成本的挑戰(zhàn)是多方面的。由于GSM 及802.11b 工作于不同頻段，故其前端器件不能共用，因此兩種模式都要求在PCB 板上擁有一組自己的功率放大器(PA)、開關網(wǎng)絡、接收器匹配電路及濾波器。對于這些前端功能的實現(xiàn)，其最佳方法是采用預集成模塊與封裝。
以包含功率放大器及功率控制邏輯功能的多芯片模塊為形式的PA 模塊，已經(jīng)用于多頻段手機及多模式802.11a/g WLAN 應用中。同樣，包含開關網(wǎng)絡及接收濾波器的射頻前端模塊也已經(jīng)可獲得。將來，只要市場需要也可能會有整合了蜂窩與WLAN 的射頻前端子系統(tǒng)。
基帶分割
今天的許多蜂窩基帶芯片均為高度集成的CMOS 系統(tǒng)級芯片(SoC)，且要么是一塊芯片同時具有數(shù)字與模擬功能，要么是模擬與數(shù)字基帶各一塊芯片。在這兩種方案之間進行選擇受到多種因素的影響，包括未來的集成方案。
今天的許多蜂窩基帶芯片均為高度集成的CMOS 系統(tǒng)級芯片(SoC)，且要么是一塊芯片同時具有數(shù)字與模擬功能，要么是模擬與數(shù)字基帶各一塊芯片。在這兩種方案之間進行選擇受到多種因素的影響，包括未來的集成方案。
今天的許多蜂窩基帶芯片均為高度集成的CMOS 系統(tǒng)級芯片(SoC)，且要么是一塊芯片同時具有數(shù)字與模擬功能，要么是模擬與數(shù)字基帶各一塊芯片。在這兩種方案之間進行選擇受到多種因素的影響，包括未來的集成方案。
雙芯片方案是最有競爭力的集成方式，因為模擬基帶功能與構成數(shù)字基帶的“純”數(shù)字電路相互隔離。采用這種方式，數(shù)字基帶可遵照摩爾定律縮小到越來越小的CMOS 幾何尺寸，而這是模擬電路難以實現(xiàn)的。
此分割方案的另一項優(yōu)勢是，可在其中一塊SoC 中集成其他數(shù)字CMOS 平臺器件(如應用處理器、圖像處理器及存儲器等)。隨著數(shù)字射頻接口的出現(xiàn)，如目前DigRF 標準組織所定義的接口等，模擬電路可能完全在基帶中消失。這種方法提倡在無線電與蜂窩基帶之間定義一個標準高速數(shù)字串行接口。
WLAN 供應商在其JEDEC61 組織定義標準串行接口時也在進行類似的努力。一旦數(shù)字串行接口標準化，蜂窩基帶功能即能更經(jīng)濟高效地與補充數(shù)字功能或其他模式的無線基帶電路進行集成。
用CMOS 實現(xiàn)射頻收發(fā)器集成
盡管通過封裝或模塊技術以及將基帶功能與平臺上其他數(shù)字功能進行集成可整合射頻前端系統(tǒng)，但開發(fā)一種高度集成的多頻段/多模式收發(fā)器仍是一項極具挑戰(zhàn)的工作。射頻設計所取得的最新進展使得有可能用CMOS 工藝來制造單芯片多頻段GSM/GPRS 收發(fā)器，而且還不用犧牲性能。但用CMOS 工藝來制造蜂窩多模式射頻/混合信號IC 甚至更具挑戰(zhàn)，要求采用全新的電路架構與技術，以及先進的設計技能。其關鍵挑戰(zhàn)是將射頻發(fā)射器及接收器電路與頻率合成器、振蕩器及濾波器等進行集成，同時支持多個無線模式與頻段。例如，雖然可將收發(fā)器設計成支持GMSK、8-PSK 、W-CDMA 及高速數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)模式，但還需要支持從GSM 850MHz 頻段至具有各種信道帶寬的UMTS 2GHz 以上頻段的多個頻段。
盡管通過封裝或模塊技術以及將基帶功能與平臺上其他數(shù)字功能進行集成可整合射頻前端系統(tǒng)，但開發(fā)一種高度集成的多頻段/多模式收發(fā)器仍是一項極具挑戰(zhàn)的工作。射頻設計所取得的最新進展使得有可能用CMOS 工藝來制造單芯片多頻段GSM/GPRS 收發(fā)器，而且還不用犧牲性能。但用CMOS 工藝來制造蜂窩多模式射頻/混合信號IC 甚至更具挑戰(zhàn)，要求采用全新的電路架構與技術，以及先進的設計技能。其關鍵挑戰(zhàn)是將射頻發(fā)射器及接收器電路與頻率合成器、振蕩器及濾波器等進行集成，同時支持多個無線模式與頻段。例如，雖然可將收發(fā)器設計成支持GMSK、8-PSK 、W-CDMA 及高速數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)模式，但還需要支持從GSM 850MHz 頻段至具有各種信道帶寬的UMTS 2GHz 以上頻段的多個頻段。
盡管通過封裝或模塊技術以及將基帶功能與平臺上其他數(shù)字功能進行集成可整合射頻前端系統(tǒng)，但開發(fā)一種高度集成的多頻段/多模式收發(fā)器仍是一項極具挑戰(zhàn)的工作。射頻設計所取得的最新進展使得有可能用CMOS 工藝來制造單芯片多頻段GSM/GPRS 收發(fā)器，而且還不用犧牲性能。但用CMOS 工藝來制造蜂窩多模式射頻/混合信號IC 甚至更具挑戰(zhàn)，要求采用全新的電路架構與技術，以及先進的設計技能。其關鍵挑戰(zhàn)是將射頻發(fā)射器及接收器電路與頻率合成器、振蕩器及濾波器等進行集成，同時支持多個無線模式與頻段。例如，雖然可將收發(fā)器設計成支持GMSK、8-PSK 、W-CDMA 及高速數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)模式，但還需要支持從GSM 850MHz 頻段至具有各種信道帶寬的UMTS 2GHz 以上頻段的多個頻段。
此外，多模蜂窩收發(fā)器還必須滿足嚴格的性能指標—— 優(yōu)于-102dBm 的靈敏度以及用于GSM/GPRS 發(fā)射屏蔽的4dB 余量。故設計者必須極為仔細地選擇可優(yōu)化設計性/價比的最佳硅技術與收發(fā)器架構。
對于多模集成來說，CMOS 不失為一種理想的工藝技術，因為它能在單個芯片上有效地實現(xiàn)數(shù)字信號處理與射頻/混合信號電路。CMOS 收發(fā)器可利用摩爾定律帶來的更低成本及更高性能的優(yōu)勢，而這是BiCMOS 或SiGe 工藝所不能提供的。
CMOS 收發(fā)器可提供能與BiCMOS 器件相比擬的IC 性能及功能，與其他數(shù)字CMOS 產(chǎn)品相比，它們還能提供更低的器件成本、更低的功耗及更高的生產(chǎn)穩(wěn)定性。許多商用GSM/GPRS、WLAN 或藍牙CMOS 收發(fā)器都證明了用于大批量無線收發(fā)器產(chǎn)品生產(chǎn)的CMOS 工藝的生命力。
低中頻或零中頻(ZIF) 架構是最適合用CMOS 工藝來集成的收發(fā)器架構。因為在這兩種情況下，接收器與發(fā)射器鏈被設計成無需外部聲表面波(SAW)濾波器，而這能提供高水平的集成并減少平臺的材料費。
這兩種架構還能省去片上多個混頻器及振蕩器，因為它們將輸入高頻信號直接轉換為低中頻或零中頻基帶信號。另外，多模式工作也容易實現(xiàn)，因為這些架構可采用片上可編程濾波器結構來提供各種信道帶寬。
由于與CMOS 有關的1/f 噪聲問題以及與零中頻及低中頻有關的DC 偏移問題，基于低中頻或零中頻架構來設計蜂窩收發(fā)器并非是一項簡單的工作。設計者必須仔細：
1. 將1/f 噪聲的影響減至最?。?
2. 設計LNA 及混頻器等低噪聲射頻前端功能；
3. 減少集成振蕩器的相位噪聲；
4. 提供高質量的片上頻率發(fā)生等。一種解決方案便是開發(fā)一種可容忍大量數(shù)字噪聲的全新架構。此架構通常設計先進的射頻/ 混合信號電路設計以及可執(zhí)行片上數(shù)字校準與補償模擬的非理想性的創(chuàng)新DSP 技術。
多模式支持
選擇合適的收發(fā)器架構后，RFIC 設計工程師即必須決定如何通過共用片上資源來支持多工作模式及多個頻段。一些功能天生就更適合某種特定架構。
選擇合適的收發(fā)器架構后，RFIC 設計工程師即必須決定如何通過共用片上資源來支持多工作模式及多個頻段。一些功能天生就更適合某種特定架構。
例如，盡管能以更簡單的零中頻設計來實現(xiàn)W-CDMA ，但低中頻接收器結構可能更適合GSM/GPRS，因為它能提供更窄的信道帶寬。但由于雙模GSM/GPRS 與WCDMA 設計都使用2 GHz 范圍內(nèi)的頻段，故它們有可能共用頻率合成器及濾波器。
對整合多種無線標準以并行工作的要求也促使人們做出是否共用一些構建模塊的決策。并行收發(fā)器工作常常會增加單芯片收發(fā)器設計中的裸片尺寸，并帶來極大的絕緣挑戰(zhàn)。整合廣泛的DSP 技術、共用功能模塊以及用CMOS 工藝來實現(xiàn)零中頻或低中頻架構等，是一種成功且具成本效益的設計所需的最基本元素。由此所得設計良好的單芯片多模式CMOS 收發(fā)器將使蜂窩手機具有更低的成本及更小的外形尺寸。
在嘗試設計整合諸如EDGE 及W-CDMA 等其他模式組合的設備以前，芯片供應商首先應具有成功開發(fā)及生產(chǎn)GSM/GPRS 單芯片多頻段CMOS 收發(fā)器的能力。由于GSM/GPRS 代表目前批量最大的蜂窩手機，故它將是未來多模式蜂窩解決方案的基線。另外，與WLAN 或藍牙相比，蜂窩標準擁有最具挑戰(zhàn)的性能指標。
單芯片多模式收發(fā)器設
圖2 為采用低中頻架構的單芯片四頻段GSM/GPRS 收發(fā)器設計舉例。如圖2 所示，外部天線開關及RF SAW 濾波器提供必要的頻段隔離及選擇性來驅動收發(fā)器的輸入。接收部分包括四個分別對GSM-850 、EGSM-900 、DCS-1800 或PCS-1900 頻段進行過優(yōu)化的低噪聲放大器(LNA)。每個LNA 都具有可編程增益以提高動態(tài)范圍。
LNA 后接經(jīng)過優(yōu)化的正交混頻器，其中一個混頻器組用于支持GSM-850 及EGSM，另一個混頻器組則用于DCS 與PCS 信號混頻。混頻器提供向低中頻的轉換，并提供主要的鏡像抑制。集成低相位噪聲頻率合成器則提供所需的本振。
接收中頻鏈擁有帶集成接收信道選擇濾波器的可編程增益放大器。無需中頻SAW 濾波器，故能減少平臺的BOM 成本及尺寸。可編程增益放大器可提供寬的動態(tài)范圍，并確保以線性增益步進工作。由I、Q 通道濾波器提供的選擇性可衰減鄰近信道干擾并屏蔽信號。低中頻處理部分將信號轉換為基帶信號，或在可選中頻頻率上有選擇性地輸出I/Q 信號。
圖2 所示收發(fā)器的發(fā)射部分含有頻偏鎖相環(huán)(OPLL)—— 亦稱為頻率轉換環(huán)。該環(huán)包括精密的正交調(diào)制器及全集成、低相位噪聲RF VCO。
來自基帶IC 的GMSK 調(diào)制信號應用于發(fā)射器的基帶I、Q 輸入上。這些基帶I、Q 輸入信號再加于精密發(fā)射調(diào)制器上并轉換為中頻。所得中頻信號被注入至頻率轉換環(huán)中。調(diào)制后的信號出現(xiàn)在RF VCO 的輸出上。VCO 輸出則驅動片上發(fā)射緩沖器。圖2 中的頻率合成器部分包括一個鎖定在集成N 分數(shù)合成器中的集成多頻段片上VCO 及片上LC 儲頻電路。單個N分數(shù)合成器將發(fā)射及接收通路中的本振相位鎖定在外部頻率參考上。N 分數(shù)頻率合成器架構必須提供低相位噪聲及快速鎖定時間，以支持GPRS(上至Class 12) 等多時隙應用。
單芯片手機浮出水面
通過克服實現(xiàn)單芯片、四頻段GSM/GPRS CMOS 收發(fā)器的挑戰(zhàn)，RFIC 設計者為開發(fā)支持EDGE、WCDMA 甚至其他無線技術的單芯片、多模式無線電鋪平了道路。該設計亦可充當將來與基帶IC 集成的平臺。
通過克服實現(xiàn)單芯片、四頻段GSM/GPRS CMOS 收發(fā)器的挑戰(zhàn)，RFIC 設計者為開發(fā)支持EDGE、WCDMA 甚至其他無線技術的單芯片、多模式無線電鋪平了道路。該設計亦可充當將來與基帶IC 集成的平臺。
通過克服實現(xiàn)單芯片、四頻段GSM/GPRS CMOS 收發(fā)器的挑戰(zhàn)，RFIC 設計者為開發(fā)支持EDGE、WCDMA 甚至其他無線技術的單芯片、多模式無線電鋪平了道路。該設計亦可充當將來與基帶IC 集成的平臺。
最后，將無線電及基帶功能集成在單片CMOS 硅裸片上以形成單芯片蜂窩電話，被眾多設計者看成神圣的追求。一旦實現(xiàn)了多模式CMOS 收發(fā)器，即可通過將收發(fā)器中的數(shù)字信號處理電路與基帶電路進行整合來開發(fā)單芯片蜂窩手機。利用新型串行接口，可使收發(fā)器與基帶之間的數(shù)模(DAC)及模數(shù)轉換器(ADC)功能變得極為順暢。
這樣的單芯片收發(fā)器將比分立收發(fā)器及基帶產(chǎn)品尺寸更小及更具成本效益。由于商用單芯片藍牙與WLAN 解決方案中已經(jīng)采用了這種水平的集成，故下一步在蜂窩電話系統(tǒng)中也很可行。
LNA 后接經(jīng)過優(yōu)化的正交混頻器，其中一個混頻器組用于支持GSM-850 及EGSM，另一個混頻器組則用于DCS 與PCS 信號混頻?；祛l器提供向低中頻的轉換，并提供主要的鏡像抑制。集成低相位噪聲頻率合成器則提供所需的本振。
接收中頻鏈擁有帶集成接收信道選擇濾波器的可編程增益放大器。無需中頻SAW 濾波器，故能減少平臺的BOM 成本及尺寸?？删幊淘鲆娣糯笃骺商峁挼膭討B(tài)范圍，并確保以線性增益步進工作。由I、Q 通道濾波器提供的選擇性可衰減鄰近信道干擾并屏蔽信號。低中頻處理部分將信號轉換為基帶信號，或在可選中頻頻率上有選擇性地輸出I/Q 信號。
圖2 所示收發(fā)器的發(fā)射部分含有頻偏鎖相環(huán)(OPLL)—— 亦稱為頻率轉換環(huán)。該環(huán)包括精密的正交調(diào)制器及全集成、低相位噪聲RF VCO。
來自基帶IC 的GMSK 調(diào)制信號應用于發(fā)射器的基帶I、Q 輸入上。這些基帶I、Q 輸入信號再加于精密發(fā)射調(diào)制器上并轉換為中頻。所得中頻信號被注入至頻率轉換環(huán)中。調(diào)制后的信號出現(xiàn)在RF VCO 的輸出上。VCO 輸出則驅動片上發(fā)射緩沖器。圖2 中的頻率合成器部分包括一個鎖定在集成N 分數(shù)合成器中的集成多頻段片上VCO 及片上LC 儲頻電路。單個N分數(shù)合成器將發(fā)射及接收通路中的本振相位鎖定在外部頻率參考上。N 分數(shù)頻率合成器架構必須提供低相位噪聲及快速鎖定時間，以支持GPRS(上至Class 12) 等多時隙應用。
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