第三代手機射頻架構

大多數電信企業(yè)為獲得3G許可證投入了巨額資金，現在他們還需要進(jìn)行基礎設施投資，以為這一企盼已久的技術(shù)提供支持?？偟某杀緦?huì )達數十億英磅，因此電信商面臨很大的壓力，需要盡快償還債務(wù)并快速獲得贏(yíng)利，達到這一目標的最快速的方法還是盡快啟動(dòng)3G的消費市場(chǎng)。
對于價(jià)格競爭激烈的多媒體功能等服務(wù)，贏(yíng)得消費者和商業(yè)客戶(hù)青睞并迅速收回投資的關(guān)鍵是提供價(jià)格合理的手機。包括發(fā)射器和接收器在內的手機內部電路在手機成本中占了相當大的部分。為降低3G手機射頻解決方案的總體成本，必須滿(mǎn)足三個(gè)主要目標：即降低芯片成本、減少外部器件需求，同時(shí)盡可能將必須采用的外部器件集成到類(lèi)似系統芯片(SoC)的一個(gè)解決方案中。

涉及的標準范圍
寬帶碼分多址訪(fǎng)問(wèn)(W-CDMA)將會(huì )成為3G的主要標準。然而在歐洲，手機還需要能夠支持現有的GSM 900 和GSM 1800標準。在美國市場(chǎng)上也有類(lèi)似的情況，在數年內高端手機仍需要支持GSM 900 和GSM 1800標準。
對于需要支持GSM增強數據速率改進(jìn)(EDGE)標準的射頻設計人員來(lái)說(shuō)，問(wèn)題更為復雜。EDGE將會(huì )用于郊區或鄉村地區，以保證那里的居民也可以享受到3G所提供的高數據速率服務(wù)，而不僅僅是將3G限制在W-CDMA所覆蓋的主要城市地區。EDGE將補充W-CDMA并向更廣泛的人群提供高達384 kbps的數據傳輸速率。2G-3G的演進(jìn)過(guò)程見(jiàn)圖1。

集成
在手機設計中始終存在進(jìn)一步減小PCB電路板空間的要求。不過(guò)由于近年來(lái)技術(shù)方面的進(jìn)步，從某些方面來(lái)說(shuō)，為消費者提供更為小巧輕便的手機變得更為容易。例如，功耗更低的電路意味著(zhù)可采用更小的電池達到同樣的通話(huà)和待機時(shí)間。
3G的出現對于進(jìn)一步縮小PCB尺寸帶來(lái)新的壓力。因為這需要在不比現有的2G型號手機大的3G手機設計中集成更大的多媒體顯示屏以及包括照相機在內的其它特性。
要求降低手機總體成本的壓力也很大。從電路的角度來(lái)看，降低成本的最佳方式是利用更小幾何尺寸和低成本的工藝將盡可能多的元件集成到SoC解決方案中。集成外部元件還可帶來(lái)額外的好處，包括提高可靠性、降低生產(chǎn)和組裝成本以及更小的EMC屏蔽問(wèn)題。
雖然在單個(gè)芯片中集成多個(gè)元件是可能的，但為了實(shí)現雙工，在W-CDMA的發(fā)射和接收通道間需要隔離，這對于GSM來(lái)說(shuō)是不可行的。所以3G解決方案在現階段還必須采用兩塊芯片。Zarlink半導體公司設計的發(fā)射和接收芯片都采用了微引線(xiàn)框(MLF)表面貼裝封裝，只需要占用寶貴的PCB電路板上的少量空間。發(fā)射芯片有40個(gè)引腳，尺寸為6mm x 6mm，而接收芯片有56個(gè)引腳，尺寸為8mm x 8mm。在制造過(guò)程中采用了SiGe BiCMOS技術(shù)以獲得幾何尺寸更小、成本更低和功耗更低的器件。所采用的結構可以省掉昂貴的外部元件，如SAW濾波器。同時(shí)還內置了VCO(包括振蕩回路)、PLL、LNA和HPA預驅動(dòng)電路。

接收器結構
超外差是無(wú)線(xiàn)電傳輸中傳統的也是成熟的接收通道結構。然而，由于這一架構需要大量成本高且占用大量PCB空間的外部元件，因此這一解決方案不適合于3G應用。
直接變換是一種可以大大降低所需要的外部濾波器數量的可選架構。然而，直接變頻(零中頻)結構也有缺點(diǎn)，為了補償基帶直流偏置，控制電路變得非常復雜。對于需要同時(shí)支持EDGE和W-CDMA的3G射頻單元來(lái)說(shuō)，這種補償變得更加困難。這是因為控制電路必須在幅度調制信號基礎上進(jìn)行直流偏置校正。
這些問(wèn)題導致需要一種可在成本和功能方面有效滿(mǎn)足3G應用要求的支持EDGE的新的3G手機結構。近零中頻(NZIF)技術(shù)在超外差和直接變頻技術(shù)間提供了一種折衷。原則上，它看起來(lái)就象超外差結構，但區別在于它采用的中頻在一個(gè)略高于直流的信道上。通過(guò)將中頻轉移到如此低的頻率，就有可能將整個(gè)濾波功能集成在一塊芯片上。這意味著(zhù)就不必再需要工作在數百MHz頻率的外部中頻SAW濾波器和直流偏置控制電路。對于W-CDMA，直流偏置并沒(méi)有太大的問(wèn)題，可以在不對靈敏度造成太大影響的情況下濾除直流分量。唯一需要的外部濾波器是在LNA之前的射頻濾波器。

圖1  2G向3G的演進(jìn)過(guò)程


發(fā)射器結構
在發(fā)射通道上，“上變頻”結構提供了最簡(jiǎn)單的解決方案，然而，由于需要中頻和昂貴的外部濾波器，因此存在很大的成本問(wèn)題。極性環(huán)(Polar loop)、偏置PLL(Offset PLL)和直接調制都是用于3G發(fā)射器的可選結構。
偏置PLL結構近些年廣泛用于GSM。該方法去除了信號的所有幅度調制(AM)分量，可提供一個(gè)非常干凈的頻譜。不幸的是，這一結構對于具有AM內容的信號(如EDGE)并不適合。
極性環(huán)技術(shù)與偏置PLL類(lèi)似，但允許在RF信號上加入AM分量。但對于W-CDMA來(lái)說(shuō)，應用這一技術(shù)也有問(wèn)題，因為要達到相位和幅度間的同步極為困難，在某些情況下則是不可能的。
粗看起來(lái)最后一種技術(shù)——直接調制似乎也不合用。因為所需要的本地振蕩器(LO)的頻率需要與發(fā)射信號一樣，這會(huì )導致非常大的輸出信號從而導致VCO振蕩器頻率牽引問(wèn)題。然而，通過(guò)將LO頻率加倍然后再分頻，LO將不再與發(fā)射信號工作在同一頻率，從而避免了頻率牽引問(wèn)題。這一結構同時(shí)適合于W-CDMA和EDGE。由于不需要任何外部器件，該結構成本也較低。
目前采用的工藝(如SiGe BiCMOS)可以實(shí)現極干凈的低噪聲VCO。對于W-CDMA ，VCO將工作在4GHz以上，在這一頻率，有可能將VCO的所有有源元件都集成在內，包括偏置電路以及所有振蕩回路。這意味著(zhù)整個(gè)VCO可集成在芯片上，然后再分頻到所需要的頻帶。

結語(yǔ)
最新的制造工藝和結構技術(shù)可以滿(mǎn)足3G手機的關(guān)鍵技術(shù)要求：SiGe BiCMOS工藝使得發(fā)射器和接收器都可以保持較低的功耗，同時(shí)使物理尺寸盡可能小。新的系統結構設計方法使設計人員可通過(guò)省掉外部元件或將其集成到芯片中來(lái)降低成本。未來(lái)，除了進(jìn)一步解決所面臨的挑戰以外，還需要尋找在完全集成的單芯片上同時(shí)集成發(fā)射器和接收器的方法?！?

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