射頻電路集成度應(yīng)對(duì)多模手機(jī)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn) - 全文

為滿足下一代蜂窩電話設(shè)計(jì)對(duì)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(guò)采用CMOS工藝的最新集成方案，他們找到了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的答案。

消費(fèi)者對(duì)更小、更便宜手機(jī)和手持式設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更多功能以及高速無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與多重?zé)o線電技術(shù)(多模式)需求，正推動(dòng)移動(dòng)電話市場(chǎng)的增長(zhǎng)。在2.5G網(wǎng)絡(luò)(GPRS及CDMA 1xRTT)與3G網(wǎng)絡(luò)(UMTS/W-CDMA及cdma2000)的進(jìn)展使高速無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)成為可能的同時(shí)，通過(guò)采用適當(dāng)?shù)墓韫に囈约凹?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/105/" target="_blank">射頻收發(fā)器等關(guān)鍵構(gòu)建模塊則可減少手機(jī)及手持式設(shè)備的尺寸及成本。

圖1：多模式平臺(tái)中常見(jiàn)獨(dú)立無(wú)線子系統(tǒng)。

手機(jī)制造商整合多種技術(shù)來(lái)向特定市場(chǎng)提供他們認(rèn)為銷售最佳的解決方案。例如，支持GSM、GPRS、EDGE及W-CDMA的手機(jī)使用戶能用一種設(shè)備來(lái)接入多個(gè)高速網(wǎng)絡(luò)，這也是多模式技術(shù)最基本的應(yīng)用模式。而GPS、藍(lán)牙及無(wú)WLAN則是蜂窩電話及手持式設(shè)備中可能使用的其他常見(jiàn)無(wú)線功能。

今天的大多數(shù)多模式平臺(tái)在同一平臺(tái)上構(gòu)建有多個(gè)獨(dú)立無(wú)線子系統(tǒng)，如圖1所示。例如，支持GSM、W-CDMA、藍(lán)牙及GPS的多模式手機(jī)可能以GSM/W-CDMA基帶、應(yīng)用處理器、電源管理IC、存儲(chǔ)器IC、GSM射頻收發(fā)器、構(gòu)成W-CDMA收發(fā)器的分立元件、單芯片藍(lán)牙系統(tǒng)、雙芯片GPS子系統(tǒng)以及多模式射頻前端與無(wú)源器件等來(lái)構(gòu)造，以支持各種無(wú)線功能。

在這種手機(jī)例子中，單芯片藍(lán)牙及雙芯片GPS芯片組與應(yīng)用處理器相連，而其各自的驅(qū)動(dòng)程序則被嵌入至控制整個(gè)平臺(tái)工作的操作系統(tǒng)中。此外，由于它們?yōu)楠?dú)立的“單機(jī)”系統(tǒng)，故藍(lán)牙與GPS子系統(tǒng)可在由手機(jī)建立的網(wǎng)絡(luò)通話中并行工作。

盡管多種無(wú)線功能的“系統(tǒng)級(jí)”集成對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)很有意義，但這并不能獲得一種針對(duì)最低成本或最小外形尺寸手機(jī)進(jìn)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(jí)上進(jìn)行。

集成射頻前端系統(tǒng)

基于GSM標(biāo)準(zhǔn)并工作于時(shí)分雙工基礎(chǔ)上的蜂窩電話，使其射頻前端系統(tǒng)僅需以開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。最簡(jiǎn)單的GSM手機(jī)以單頻段模式工作，且僅需要一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)、一個(gè)接收器濾波器與匹配網(wǎng)絡(luò)及一個(gè)功放。不過(guò)，當(dāng)今市場(chǎng)對(duì)更多功能手機(jī)的需求對(duì)GSM手機(jī)提出了能支持多達(dá)4個(gè)頻段的要求。因此，四頻段GSM手機(jī)可能含有多達(dá)4個(gè)發(fā)射通道及4個(gè)接收通道。

發(fā)射通道至少需要有兩個(gè)功放：一個(gè)用于GSM850與GSM900頻段、另一個(gè)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(wú)源器件，則一共有6個(gè)通道，從而增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜性及器件數(shù)量。

在將諸如802.11b WLAN等第二個(gè)無(wú)線系統(tǒng)添加到同一平臺(tái)上以構(gòu)成多模設(shè)備時(shí)，既能提供更多功能又不增加設(shè)計(jì)復(fù)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(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、接收器匹配電路及濾波器。對(duì)于這些前端功能的實(shí)現(xiàn)，其最佳方法是采用預(yù)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(jī)及多模式802.11a/g WLAN應(yīng)用中。同樣，包含開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)及接收濾波器的射頻前端模塊也已經(jīng)可獲得。將來(lái)，只要市場(chǎng)需要也可能會(huì)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(jí)芯片(SoC)，且要么是一塊芯片同時(shí)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(jìn)行選擇受到多種因素的影響，包括未來(lái)的集成方案。

雙芯片方案是最有競(jìng)爭(zhēng)力的集成方式，因?yàn)槟M基帶功能與構(gòu)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(lái)越小的CMOS幾何尺寸，而這是模擬電路難以實(shí)現(xiàn)的。

此分割方案的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是，可在其中一塊SoC中集成其他數(shù)字CMOS平臺(tái)器件(如應(yīng)用處理器、圖像處理器及存儲(chǔ)器等)。隨著數(shù)字射頻接口的出現(xiàn)，如目前DigRF標(biāo)準(zhǔn)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(wú)線電與蜂窩基帶之間定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)高速數(shù)字串行接口。

WLAN供應(yīng)商在其JEDEC61組織定義標(biāo)準(zhǔn)串行接口時(shí)也在進(jìn)行類似的努力。一旦數(shù)字串行接口標(biāo)準(zhǔn)化，蜂窩基帶功能即能更經(jīng)濟(jì)高效地與補(bǔ)充數(shù)字功能或其他模式的無(wú)線基帶電路進(jìn)行集成。

用CMOS實(shí)現(xiàn)射頻收發(fā)器集成

盡管通過(guò)封裝或模塊技術(shù)以及將基帶功能與平臺(tái)上其他數(shù)字功能進(jìn)行集成可整合射頻前端系統(tǒng)，但開(kāi)發(fā)一種高度集成的多頻段/多模式收發(fā)器仍是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的工作。射頻設(shè)計(jì)所取得的最新進(jìn)展使得有可能用CMOS工藝來(lái)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(lái)制造蜂窩多模式射頻/混合信號(hào)IC甚至更具挑戰(zhàn)，要求采用全新的電路架構(gòu)與技術(shù)，以及先進(jìn)的設(shè)計(jì)技能。

其關(guān)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(jìn)行集成，同時(shí)支持多個(gè)無(wú)線模式與頻段。例如，雖然可將收發(fā)器設(shè)計(jì)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(gè)頻段。

此外，多模蜂窩收發(fā)器還必須滿足嚴(yán)格的性能指標(biāo)——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(shè)計(jì)者必須極為仔細(xì)地選擇可優(yōu)化設(shè)計(jì)性/價(jià)比的最佳硅技術(shù)與收發(fā)器架構(gòu)。

圖2：?jiǎn)涡酒?、四頻段GSM/GPRS收發(fā)器設(shè)計(jì)框圖。

對(duì)于多模集成來(lái)說(shuō)，CMOS不失為一種理想的工藝技術(shù)，因?yàn)樗茉趩蝹€(gè)芯片上有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理與射頻/混合信號(hào)電路。CMOS收發(fā)器可利用摩爾定律帶來(lái)的更低成本及更高性能的優(yōu)勢(shì)，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(lán)牙CMOS收發(fā)器都證明了用于大批量無(wú)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(gòu)是最適合用CMOS工藝來(lái)集成的收發(fā)器架構(gòu)。因?yàn)樵谶@兩種情況下，接收器與發(fā)射器鏈被設(shè)計(jì)成無(wú)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(tái)的材料費(fèi)。

這兩種架構(gòu)還能省去片上多個(gè)混頻器及振蕩器，因?yàn)樗鼈儗⑤斎敫哳l信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為低中頻或零中頻基帶信號(hào)。另外，多模式工作也容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)檫@些架構(gòu)可采用片上可編程濾波器結(jié)構(gòu)來(lái)提供各種信道帶寬。

由于與CMOS有關(guān)的1/f噪聲問(wèn)題以及與零中頻及低中頻有關(guān)的DC偏移問(wèn)題，基于低中頻或零中頻架構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)蜂窩收發(fā)器并非是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作。設(shè)計(jì)者必須仔細(xì)：
1. 將1/f噪聲的影響減至最??；
2. 設(shè)計(jì)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(zhì)量的片上頻率發(fā)生等。
一種解決方案便是開(kāi)發(fā)一種可容忍大量數(shù)字噪聲的全新架構(gòu)。此架構(gòu)通常設(shè)計(jì)先進(jìn)的射頻/混合信號(hào)電路設(shè)計(jì)以及可執(zhí)行片上數(shù)字校準(zhǔn)與補(bǔ)償模擬的非理想性的創(chuàng)新DSP技術(shù)。

多模式支持

選擇合適的收發(fā)器架構(gòu)后，RFIC設(shè)計(jì)工程師即必須決定如何通過(guò)共用片上資源來(lái)支持多工作模式及多個(gè)頻段。一些功能天生就更適合某種特定架構(gòu)。

例如，盡管能以更簡(jiǎn)單的零中頻設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)W-CDMA，但低中頻接收器結(jié)構(gòu)可能更適合GSM/GPRS，因?yàn)樗芴峁└男诺缼挕５捎陔p模GSM/GPRS與WCDMA設(shè)計(jì)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(duì)整合多種無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)以并行工作的要求也促使人們做出是否共用一些構(gòu)建模塊的決策。并行收發(fā)器工作常常會(huì)增加單芯片收發(fā)器設(shè)計(jì)中的裸片尺寸，并帶來(lái)極大的絕緣挑戰(zhàn)。

整合廣泛的DSP技術(shù)、共用功能模塊以及用CMOS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)零中頻或低中頻架構(gòu)等，是一種成功且具成本效益的設(shè)計(jì)所需的最基本元素。由此所得設(shè)計(jì)良好的單芯片多模式CMOS收發(fā)器將使蜂窩手機(jī)具有更低的成本及更小的外形尺寸。

在嘗試設(shè)計(jì)整合諸如EDGE及W-CDMA等其他模式組合的設(shè)備以前，芯片供應(yīng)商首先應(yīng)具有成功開(kāi)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(jī)，故它將是未來(lái)多模式蜂窩解決方案的基線。另外，與WLAN或藍(lán)牙相比，蜂窩標(biāo)準(zhǔn)擁有最具挑戰(zhàn)的性能指標(biāo)。

單芯片多模式收發(fā)器設(shè)計(jì)

圖2為采用低中頻架構(gòu)的單芯片四頻段GSM/GPRS收發(fā)器設(shè)計(jì)舉例。

如圖2所示，外部天線開(kāi)關(guān)及RF SAW濾波器提供必要的頻段隔離及選擇性來(lái)驅(qū)動(dòng)收發(fā)器的輸入。接收部分包括四個(gè)分別對(duì)GSM-850、EGSM-900、DCS-1800或PCS-1900頻段進(jìn)行過(guò)優(yōu)化的低噪聲放大器(LNA)。每個(gè)LNA都具有可編程增益以提高動(dòng)態(tài)范圍。

LNA后接經(jīng)過(guò)優(yōu)化的正交混頻器，其中一個(gè)混頻器組用于支持GSM-850及EGSM，另一個(gè)混頻器組則用于DCS與PCS信號(hào)混頻。混頻器提供向低中頻的轉(zhuǎn)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(wú)需中頻SAW濾波器，故能減少平臺(tái)的BOM成本及尺寸。可編程增益放大器可提供寬的動(dòng)態(tài)范圍，并確保以線性增益步進(jìn)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(hào)。低中頻處理部分將信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)，或在可選中頻頻率上有選擇性地輸出I/Q信號(hào)。

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(zhuǎn)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(lái)自基帶IC的GMSK調(diào)制信號(hào)應(yīng)用于發(fā)射器的基帶I、Q輸入上。這些基帶I、Q輸入信號(hào)再加于精密發(fā)射調(diào)制器上并轉(zhuǎn)換為中頻。所得中頻信號(hào)被注入至頻率轉(zhuǎn)換環(huán)中。調(diào)制后的信號(hào)出現(xiàn)在RF VCO的輸出上。VCO輸出則驅(qū)動(dòng)片上發(fā)射緩沖器。

圖2中的頻率合成器部分包括一個(gè)鎖定在集成N分?jǐn)?shù)合成器中的集成多頻段片上VCO及片上LC儲(chǔ)頻電路。單個(gè)N分?jǐn)?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?jǐn)?shù)頻率合成器架構(gòu)必須提供低相位噪聲及快速鎖定時(shí)間，以支持GPRS(上至Class 12)等多時(shí)隙應(yīng)用。

單芯片手機(jī)浮出水面

通過(guò)克服實(shí)現(xiàn)單芯片、四頻段GSM/GPRS CMOS收發(fā)器的挑戰(zhàn)，RFIC設(shè)計(jì)者為開(kāi)發(fā)支持EDGE、WCDMA甚至其他無(wú)線技術(shù)的單芯片、多模式無(wú)線電鋪平了道路。該設(shè)計(jì)亦可充當(dāng)將來(lái)與基帶IC集成的平臺(tái)。

最后，將無(wú)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(shè)計(jì)者看成神圣的追求。一旦實(shí)現(xiàn)了多模式CMOS收發(fā)器，即可通過(guò)將收發(fā)器中的數(shù)字信號(hào)處理電路與基帶電路進(jìn)行整合來(lái)開(kāi)發(fā)單芯片蜂窩手機(jī)。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(zhuǎn)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(lán)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。