利用靈活低功耗SDR架構(gòu)實(shí)現(xiàn)多射頻的設(shè)計(jì)方案

今天，忙碌穿梭的消費(fèi)者也許覺得隨身攜帶的不過是一臺(tái)手機(jī)，而實(shí)際上，他們正帶著七個(gè)以上射頻，用于處理多頻段蜂窩工作、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙連接、輔助GPS（全球定位系統(tǒng)）等等功能。今后，他們還會(huì)擁有實(shí)現(xiàn)Ad hoc式設(shè)備間通信的射頻，這樣一臺(tái)設(shè)備可以利用有更好覆蓋的鄰近設(shè)備（見附文《Ad hoc共享可能意味著更多射頻》）。為了將所有必需的射頻功能裝在一個(gè)便攜無線設(shè)備中，整個(gè)2008年，研究人員都在開發(fā)微型多功能模塊，并利用靈活的低功耗SDR（軟件無線電）架構(gòu)。

在一個(gè)產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)多功能射頻的傳統(tǒng)方式是簡單地設(shè)計(jì)出多個(gè)分立的射頻，即對于產(chǎn)品準(zhǔn)備支持的每種通信標(biāo)準(zhǔn)，都建立一個(gè)發(fā)射/接收功能。這種方案要占用大量實(shí)際資源，Epcos公司用它的微型前端LTCC（低溫共燒陶瓷）射頻模塊解決了這個(gè)問題。該公司模塊產(chǎn)品開發(fā)總監(jiān)Patric Heide博士說：“我們交付一種經(jīng)過完整測試的單封裝RF系統(tǒng)。在一部手機(jī)中，一面有采用CMOS的射頻IC，另一面是天線。我們提供一種位于兩者之間的全功能前端模塊?！睘榱丝s小多射頻的實(shí)現(xiàn)，Epcos提供多射頻模塊，如Wi-Fi/WiMax（全球微波接入互操作）模塊（圖1）。有關(guān)模塊測試方法的討論見參考文獻(xiàn)1。

Epcos LTCC這類模塊可以適應(yīng)多種半導(dǎo)體元件，如GaAs（砷化鎵）功率放大器，但發(fā)射/接收信號(hào)鏈中前端模塊的CMOS射頻芯片包含了很多射頻功能，可以用多個(gè)CMOS芯片實(shí)現(xiàn)多種射頻標(biāo)準(zhǔn)。更簡潔的方法是采用一只靈活的CMOS芯片去實(shí)現(xiàn)多種射頻標(biāo)準(zhǔn)。

英特爾副總裁兼首席技術(shù)官Justin R Rattner在去年6月加州阿納海姆召開的設(shè)計(jì)自動(dòng)化會(huì)議上發(fā)表了有關(guān)這一主題的演講（參考文獻(xiàn)2）。在一次主題為“數(shù)字、可編程多射頻的EDA”演講中，他指出消費(fèi)者希望“輕便而享有舒適生活”，即，他們希望緊湊的設(shè)計(jì)中有多種先進(jìn)功能。為支持這種輕裝上陣、暢享生活（Carry Small Live Large）的方式，消費(fèi)設(shè)備必須支持“任意地點(diǎn)/任何時(shí)間”的協(xié)作，無論采用哪種空中接口（3G蜂窩、Wi-Fi或WiMax），設(shè)備都能夠互相通信。

Rattner承認(rèn)，我們生活在一個(gè)模擬世界中。他說：“模擬是我們與真實(shí)世界互動(dòng)的方式，但技術(shù)更青睞于數(shù)字。因此，我們必須在模擬世界與數(shù)字世界之間建立橋梁?！睂Α拜p裝上陣、暢享生活”的生活方式來說，彌補(bǔ)這一間隙很重要。他還認(rèn)同模擬電路的數(shù)量正在增長：在2006年，超過70%的SoC（系統(tǒng)單芯片）有模擬成分。但不幸的是，傳統(tǒng)模擬開發(fā)在面對晶體管尺寸變化時(shí)舉步維艱。困難的原因在于遮罩成本的增加、泄漏和工藝偏差的影響、輸出阻抗、增加的閃爍噪聲，以及降低的電源電壓減少了動(dòng)態(tài)范圍。

他的傾向是采用“數(shù)字輔助的模擬”，將一個(gè)模擬問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)數(shù)字問題，通過數(shù)字門來提高模擬性能。該技術(shù)利用了信息理論給出的射頻計(jì)算特性，大大簡化了射頻架構(gòu)，使一個(gè)射頻能夠同時(shí)作多種用途，例如在3G和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)之間作無縫切換，并能探測射頻環(huán)境，看是否存在更高性能的網(wǎng)絡(luò)。

在Rattner版的數(shù)字多射頻實(shí)現(xiàn)中，傳統(tǒng)的模擬接收機(jī)信號(hào)鏈（由一個(gè)前端模塊、一個(gè)混頻器和一個(gè)信道選擇濾波器構(gòu)成）讓位于一個(gè)簡單的數(shù)字方案?，F(xiàn)在單只芯片就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)Wi-Fi或3G射頻。未來集成式可編程多射頻實(shí)現(xiàn)方案將能處理所遇到的任何空中接口。據(jù)Rattner說，英特爾可能需要一年左右時(shí)間，就能提供這種數(shù)字射頻的商用版，但該公司已用65 nm CMOS建立了一個(gè)數(shù)字功率放大器，用90 nm CMOS建立了一個(gè)分?jǐn)?shù)合成器。

另一個(gè)走得很遠(yuǎn)的組織是IMEC，它在2008年10月14日比利時(shí)布魯塞爾舉辦的年度研究評審會(huì)上展示了一個(gè)SDR平臺(tái)。IMEC無線研究科學(xué)主管 Liesbet Van der Perre表示，該組織的SDR原型集成了下一代靈巧移動(dòng)終端的主要部件。她說，這個(gè)原型帶有一個(gè)RF收發(fā)器和可編程基帶平臺(tái)，能夠測量實(shí)際狀態(tài)下和不同工作模式下的性能與功耗。

Van der Perre報(bào)告說，IMEC的靈巧RF收發(fā)器前端SCALDIO（可縮放射頻芯片）可工作于所有當(dāng)前與未來蜂窩式、WLAN（無線局域網(wǎng)）、WPAN（無線個(gè)人局域網(wǎng)）、廣播與定位的標(biāo)準(zhǔn)，頻率范圍從174MHz～6GHz。IMEC的可編程基帶平臺(tái)BEAR（自適應(yīng)射頻的基帶引擎）支持各種標(biāo)準(zhǔn)，如 802.11n、802.16e和移動(dòng)電視，并且與發(fā)展中的3GPP-LTE（第三代伙伴項(xiàng)目/長期演進(jìn)通信）標(biāo)準(zhǔn)向前兼容。

以連接為中心的SDR平臺(tái)可在多種多樣的環(huán)境下，靈活高效地使用網(wǎng)絡(luò)與頻譜資源。SDR還可作為以頻譜為中心、投機(jī)性的、認(rèn)知式射頻應(yīng)用的促成性技術(shù)。認(rèn)知式射頻（圖2）可以根據(jù)與運(yùn)行環(huán)境的互動(dòng)，自主修改自己的參數(shù)，它可以與其它無線系統(tǒng)共存于或同時(shí)使用相同頻譜資源，而不會(huì)產(chǎn)生明顯干擾。Van der Perre估計(jì)，全認(rèn)知式射頻需要到2025年或2030年以后才會(huì)出現(xiàn)，但SDR的實(shí)現(xiàn)促成了認(rèn)知式射頻功能的發(fā)展，并將在短期內(nèi)出現(xiàn)。

很多公司都專注于SDR概念，包括Vanu公司，它將該技術(shù)用于基站，使之能同時(shí)工作在GSM（全球移動(dòng)系統(tǒng)）通信、CDMA（碼分多址）和摩托羅拉的 IDEN（集成數(shù)字增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)）。另一家是BitWave Semiconductor公司，它的工程師開發(fā)了一種SDR IC，可以至少工作于16種無線網(wǎng)絡(luò)接口下，包括GSM、WCDMA（寬帶CDMA）、Wi-Fi、WiMax和UMTS（全球移動(dòng)電信系統(tǒng)）LTE。 BitWave在2007年初發(fā)布了器件的首個(gè)原型Softransceiver RFIC（射頻集成電路）。該款I(lǐng)C現(xiàn)在已接近商用化，工程師正在測試該器件（圖3），并確定它們在量產(chǎn)下的特性（參考文獻(xiàn)3）。

IMEC在2008年10月份宣布，東芝已獲得了適用于SDR的IMEC技術(shù)許可。IMEC與松下公司上個(gè)月簽署了一個(gè)涉及半導(dǎo)體、網(wǎng)絡(luò)、無線與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域技術(shù)的聯(lián)合研發(fā)合約。根據(jù)合約條款，研究工作將在位于比利時(shí)IMEC的Leuven，以及荷蘭埃因霍溫Holst Centre的研究部門中進(jìn)行，部分研究將注重于動(dòng)態(tài)可重配置SDR。

MathWorks公司的技術(shù)營銷經(jīng)理John Irza從該公司為芯片與系統(tǒng)供應(yīng)商提供基帶與RF仿真工具的優(yōu)勢談起。他估計(jì)，帶寬用戶只使用了可用頻譜的10%～20%，為認(rèn)知式射頻留下了大量的運(yùn)作空間。但當(dāng)頻譜的主要用戶打算使用認(rèn)知式射頻已占據(jù)的頻譜時(shí)，認(rèn)知式射頻必須足夠靈巧地讓出來。Irza指出，認(rèn)知式射頻的挑戰(zhàn)包括政治與技術(shù)兩個(gè)方面，需要美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）這類監(jiān)管機(jī)構(gòu)的認(rèn)可。迄今為止，F(xiàn)CC已支持了認(rèn)知式射頻概念。

至于未來，Irza認(rèn)為，隨著供應(yīng)商克服了將數(shù)字信號(hào)處理器功能更接近于天線的挑戰(zhàn)，會(huì)有一種基帶/上行頻段器件的集成趨勢，它支持藍(lán)牙、Wi-Fi、GPS和LTE通信標(biāo)準(zhǔn)。 IMEC的Van der Perre引用來自研究機(jī)構(gòu)ARCchart的數(shù)字，樂觀地估計(jì)2011年制造商將交付1.57億部有SDR的手機(jī)，或占全部手機(jī)的11%。該研究機(jī)構(gòu)的悲觀預(yù)測是，當(dāng)年有SDR的手機(jī)為7400萬部。

Van der Perre未提及2011年以后的SDR或認(rèn)知式射頻數(shù)字，但她預(yù)測，到大約2030年時(shí)，射頻的ADC將更加接近于天線，從而獲得一個(gè)直覺而靈活的全認(rèn)知式射頻。作為通往這個(gè)目標(biāo)的步驟之一，IMEC在2008年11月日本福岡的IEEE 亞洲固體電路會(huì)議上展示了一個(gè)2.4GHz sigma-delta ADC，它采用90 nm CMOS制造。IMEC在繼續(xù)研究一種可變能效的頻譜探測引擎，可以讓認(rèn)知式射頻更進(jìn)一步。

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