移動(dòng)設(shè)備多重標(biāo)準(zhǔn)射頻前端的挑戰(zhàn) - 全文

　　用“整合”一詞來(lái)描述時(shí)下將復(fù)合式多媒體與連結(jié)功能整合至可攜式消費(fèi)性電子產(chǎn)品(CE)的過(guò)程，實(shí)為再貼切不過(guò)。移動(dòng)電話正是功能整合日益蓬勃的好例子：在十幾年前，第一款手機(jī)只配有FM無(wú)線電接收器，而現(xiàn)在的移動(dòng)電話不但備有高質(zhì)量數(shù)字成像、本地及個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星導(dǎo)航，甚至還有廣播電視收訊。

　　移動(dòng)電話有著日益強(qiáng)大的連結(jié)及功能，其發(fā)展的動(dòng)力不外乎下三個(gè)關(guān)鍵要素：第一，移動(dòng)通信業(yè)者有著維護(hù)用戶數(shù)據(jù)庫(kù)和增加平均每戶貢獻(xiàn)度(ARPU)的需求，而方法之一就是提供新式的非通信服務(wù)及特色;第二，手機(jī)業(yè)者持續(xù)地力求提供產(chǎn)品多樣性，以吸引通信業(yè)者以及消費(fèi)者;第三，熟知高科技的消費(fèi)者對(duì)于多元化媒體功能與方便可攜式裝置間無(wú)遠(yuǎn)弗屆的結(jié)合，有著日益增加的需求。

　　這樣的科技整合不僅限在手機(jī)上;事實(shí)上，任何含有液晶顯示器屏幕及多媒體處理能力的可攜式裝置，皆被消費(fèi)性電子產(chǎn)品制造商當(dāng)作多重?zé)o線電平臺(tái)的目標(biāo)。它們包括了筆記型計(jì)算機(jī)、可攜式多媒體播放器(PMP)、掌上型游戲機(jī)，甚至是可攜式導(dǎo)航裝置(PND)。

　　由于以無(wú)線電為基礎(chǔ)的科技日新月異，而消費(fèi)者對(duì)于消費(fèi)性電子產(chǎn)品的需求也不斷增長(zhǎng)，芯片供貨商和系統(tǒng)整合商現(xiàn)在面臨了在可攜式裝置中提供整合功能的挑戰(zhàn)。這些無(wú)線電科技可依功能分類為：

　　● 通信：全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)、CDMA2000、全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)、長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)(LTE)等

　　● 廣播：GPS，模擬&數(shù)字無(wú)線電、移動(dòng)數(shù)字電視(MDTV)、數(shù)字地面廣播電視(DTT)等

　　● 連結(jié)：無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)、藍(lán)芽、超寬帶(UWB)、近端交易技術(shù)(NFC)、全球微波存取互通接口等

　　整合這些無(wú)線電技術(shù)的挑戰(zhàn)獨(dú)具意義，尤其是任何經(jīng)整合的裝置，由于本身的特性使然，會(huì)將每個(gè)無(wú)線電應(yīng)用程序所需之最具技術(shù)性的效能需求，聚集在單一平臺(tái)上。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師也必須謹(jǐn)記，在選擇內(nèi)存解決方案時(shí)，或許得用全國(guó)或地方性的標(biāo)準(zhǔn)(如操作頻率、鄰近信道狀況、傳輸功率位準(zhǔn)等)來(lái)部署“全球性”的標(biāo)準(zhǔn)(如DVB-T數(shù)字電視)。 提供這項(xiàng)漸增的功能時(shí)，不會(huì)有任何妥協(xié)。這些新的整合平臺(tái)也需堅(jiān)守消費(fèi)性電子產(chǎn)品低成本、低功率及小尺寸的真言，而這實(shí)際上也僅能由多重標(biāo)準(zhǔn)、多功能的前端解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。需注意的關(guān)鍵點(diǎn)就于，任何多標(biāo)準(zhǔn)前端，都必須盡可能提供具競(jìng)爭(zhēng)性的解決方案，甚至是部署在單一或雙重標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序中，或是為芯片供貨商和系統(tǒng)整合者提供規(guī)模經(jīng)濟(jì)時(shí)亦然。

　　在本文中，射頻接收器或收發(fā)器功能皆會(huì)稱為“前端”。當(dāng)然，在一完整的系統(tǒng)中，必須有一調(diào)制解調(diào)器(可能會(huì)與前端整合為芯片系統(tǒng)，或稱SoC)、較高階的數(shù)字處理、多媒體編碼以及A/V輸出裝置，像是屏幕和揚(yáng)聲器。

　　功能性分隔

　　雖然單一消費(fèi)性電子產(chǎn)品裝置可能不會(huì)具備所有上述的通信：廣播和連結(jié)無(wú)線電技術(shù)。但舉例來(lái)說(shuō)，時(shí)下的移動(dòng)電話已經(jīng)整合了那三種功能性分類中，每一個(gè)分類的其中一個(gè)無(wú)線電技術(shù)，而同時(shí)制造商也不斷力求整合更多的功能。漸漸地，筆記型計(jì)算機(jī)、可攜式多媒體播放器和其它可攜式消費(fèi)性電子產(chǎn)品裝置也正跟上這股整合的潮流。

　　既然可以實(shí)際裝載于單一裝置平臺(tái)上的獨(dú)立集成電路(ICs)數(shù)量有著尺寸的限制與成本上的考慮，集成電路目前的解決方案可夠整合上述三個(gè)功能性分類其中之一的無(wú)線電功能。這可能會(huì)被稱為“水平式”功能性整合，而其概念則如圖1所示。值得注意的是，雖然今日已可將藍(lán)芽獨(dú)立集成電路和無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)及FM無(wú)線電信號(hào)整合，廣播應(yīng)用程序也可以整合至消費(fèi)性電子產(chǎn)品裝置中，但已整合FM無(wú)線電信號(hào)的移動(dòng)數(shù)字電視(MDTV)/ 數(shù)字地面廣播電視(DTT電視)的接收器集成電路會(huì)是較佳的使用案例。

　　整合使用功能類似的無(wú)線電，而非跨功能的整合，有著基本的考慮。首先應(yīng)注意，在具通信能力的消費(fèi)性電子產(chǎn)品中，裝置整合器會(huì)發(fā)展以相同通信基頻平臺(tái)為基礎(chǔ)的產(chǎn)品世代，以取得與大量投注于新通信基頻軟件開發(fā)之努力間的平衡;若次于通信功能的新無(wú)線電功能慣常地被并至通信基頻中，則所需的軟件開發(fā)可能會(huì)使新無(wú)線電技術(shù)的部署產(chǎn)生一個(gè)“潛在因子”。因此，多重?zé)o線電硅晶整合通常不會(huì)超出通信范圍。第二，消費(fèi)性電子產(chǎn)品裝置制造商通常會(huì)發(fā)展具有不同功能及特色的產(chǎn)品系列，以應(yīng)付不同的消費(fèi)者、地域及市場(chǎng)需求;因此多重?zé)o線電、多重功能同時(shí)成本也可能因此更高的裝置，便無(wú)法滿足所有市場(chǎng)或消費(fèi)者的需求。第三，聚集或不聚集特定的無(wú)線電技術(shù)，有著技術(shù)上的考慮。這些原因可能包括了一些基本原則，像是：相似調(diào)變技術(shù)的使用(例如多個(gè)數(shù)字電視和無(wú)線電技術(shù)使用正交分頻多任務(wù)技術(shù)(OFDM)調(diào)變);天線限制(例如因?yàn)轭l寬限制或需同時(shí)操作，因而無(wú)法共享天線);干擾的共存問(wèn)題(例如若將一敏感的全球定位系統(tǒng)接收器整合至一通信收發(fā)器，該接收器可能會(huì)失去功能)。

　　多重標(biāo)準(zhǔn)射頻前端的挑戰(zhàn)

　　多重標(biāo)準(zhǔn)射頻前端可能是獨(dú)立的集成電路，或是一個(gè)較大、且整合了射頻及調(diào)制解調(diào)器之芯片系統(tǒng)(SoC)解決方案的一部份。在這兩種情況中，射頻電路系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)需求基本上相同，也就是：

　　● 必須支持一大規(guī)模的操作頻帶，以及大范圍的通道頻寬

　　● 必須支持高度輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍(低噪聲、高線性度)

　　● 必須與其它射頻功能共存，并不受“真實(shí)世界”的妨礙影響

　　● 必須能相符天線限制，即尺寸、天線共享、天線隔離等

　　● 必須是低電量，以達(dá)電池之最長(zhǎng)壽命

　　● 必須能使用低系統(tǒng)成本

　　● 必須提供小規(guī)模的解決方案

　　當(dāng)然，在任何前端射頻的系統(tǒng)整合中，這些都是最典型的考慮因素，但當(dāng)多重?zé)o線電因不同的聚集需求而共同指定位置時(shí)，這些挑戰(zhàn)會(huì)更為艱難。

　　多重標(biāo)準(zhǔn)前端之范例

　　在一包含F(xiàn)M、數(shù)字音頻廣播(DAB)和DVB-T數(shù)字電視(針對(duì)歐洲市場(chǎng))的可攜式裝置中，“僅僅”提供廣播電視及無(wú)線電信號(hào)的多重標(biāo)準(zhǔn)前端設(shè)計(jì)，就已是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。接收器的合成器必須在88MHz(FM)到超過(guò)800MHz(DVB-T數(shù)字電視) 的頻率中涵蓋10HMz的范圍， 最低支持至個(gè)位數(shù)千赫(FM)的頻距，提供低整合相位噪聲。以支持正交調(diào)幅(QAM)64(DVB-T數(shù)字電視)， 也需搭配低單邊帶雜音，以緩和影像中出現(xiàn)小的影像區(qū)塊之現(xiàn)象。除了這些合成器的挑戰(zhàn)之外，接收器的射頻輸入級(jí)必須支持一廣泛的動(dòng)態(tài)范圍(低噪聲、高線性度)，使其能接收通常含有干擾的信號(hào)準(zhǔn)位之收信，范圍低至-105dBm(FM)，高至0dBm(數(shù)位音頻廣播)，而基頻區(qū)段則需支持通道頻寬，自200KHz(FM)～8MHz(DVB-T數(shù)字電視)。

　　要滿足這些不同的前端效能需求，其一方法就是設(shè)計(jì)多重射頻電路，接合至多重相對(duì)應(yīng)的基頻電路。然而，如果在特定的消費(fèi)性電子產(chǎn)品裝置中只能支持一或二項(xiàng)應(yīng)用程序標(biāo)準(zhǔn)，這樣的方法將會(huì)造成組件尺寸過(guò)大，而失去商業(yè)上的競(jìng)爭(zhēng)性。要解決此問(wèn)題，較好的方式為使用一可重復(fù)設(shè)定的接收器結(jié)構(gòu)。

　　圖4的區(qū)塊圖顯示Mirics Semiconductor MSi002涵蓋從長(zhǎng)波至L波帶間所有頻率的多重標(biāo)準(zhǔn)廣播射頻前端。這項(xiàng)裝置配具有多重輸入擴(kuò)音器，其已為一特定操作帶設(shè)定好最佳化，不過(guò)接著會(huì)將其所有輸出聚集至一普遍可程序設(shè)計(jì)的降頻轉(zhuǎn)換以及基頻結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)方法會(huì)使特定的使用案例相互排除，例如消費(fèi)者不會(huì)想要在同一時(shí)間聽無(wú)線電和看電視。

　　這項(xiàng)可再設(shè)定的結(jié)構(gòu)，確保了每一輸入級(jí)提供正確的音信效能、信號(hào)處理及消耗功率組合。同時(shí)，基頻效益及濾波器的可再配置性，結(jié)合了分?jǐn)?shù)式頻率合成器的彈性，確?？梢越邮芩邢嚓P(guān)通道，并以充分的模擬處理將其呈現(xiàn)在解調(diào)器上。而可重復(fù)設(shè)定的基頻方法在廣播收信上效果顯著，但在其它如無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)芽等的功能性使用案例上可能無(wú)法多加利用，因其可能需要無(wú)線電的同時(shí)操作(例如無(wú)線影像分流及無(wú)線藍(lán)芽音效)。

　　要確保有絕佳的“真實(shí)世界”使用者經(jīng)驗(yàn)，在具有不需要之干擾的環(huán)境下，高效能正是關(guān)鍵。在這個(gè)廣播接收器范例的情況下，典型的通道中干擾源包括了高功率FM信號(hào)，其二次諧波可能會(huì)落在想要的數(shù)字音頻廣播(DAB)信號(hào)上，或數(shù)字音頻廣播(DAB)信號(hào)的諧波落在想要的DVB-T數(shù)字電視頻道上。另外，震動(dòng)器和所需的信號(hào)的諧波混頻結(jié)果也有可能于落于頻帶內(nèi)。造成封鎖想要信號(hào)的其它干擾情形包括強(qiáng)烈的鄰近通道，或是因相位噪聲不足而產(chǎn)生的寬帶干擾信號(hào)相互混雜。謹(jǐn)慎選擇降頻轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(外差相對(duì)于零差)、使用抗諧波混合及過(guò)濾芯片，可以協(xié)助減緩這些問(wèn)題。

　　在接收廣播信號(hào)的情況下，雙重、三重甚或四重科技可以用來(lái)減少必須整合至一消費(fèi)性電子產(chǎn)品裝置中的實(shí)際天線數(shù)量。然而，有限的寬帶天線頻率響應(yīng)和顯著的多重插入損失，通常會(huì)將天線共享限制于雙重配置之上。

　　系統(tǒng)效能并非由射頻前端單獨(dú)指定，并且在射頻前端與數(shù)字解調(diào)器之間，信號(hào)處理的光學(xué)分隔其中還有著功率與尺寸的妥協(xié)。模擬過(guò)濾為此處的最佳范例：如果一射頻前端提供了過(guò)多的模擬信道選擇，則組件尺寸會(huì)受到負(fù)面性的影響。相反地，如果提供不夠充分的模擬選擇，解調(diào)器至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的模擬將會(huì)面臨不合理的動(dòng)態(tài)范圍需求。如此謹(jǐn)慎考慮的系統(tǒng)交換可以提供顯著的技術(shù)及商業(yè)效益。