多模多頻帶3G手機的RF前端設計

手機市場(chǎng)激烈的競爭推動(dòng)制造商去尋找新的降低成本、印制電路板(PCB)面積和功率損耗的設計方法。同時(shí)，第三代(3G)網(wǎng)絡(luò )的首次展示已打開(kāi)各種新型多媒體和以實(shí)驗為依據的應用之門(mén)，從無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接入和移動(dòng)視頻到文本發(fā)送處理和移動(dòng)電視。

隨著(zhù)這些新型應用需求的上升和市場(chǎng)變得日益全球化，手機生產(chǎn)商陷入了困境。他們怎樣才能在不違背市場(chǎng)嚴格的成本、覆蓋區和功率制約的情況下維持不斷增長(cháng)的用來(lái)支持全球平臺和需提供這些新的增收服務(wù)的多路寬頻帶技術(shù)的頻帶數量？最新的3GPP標準支持的頻率數量已經(jīng)從3個(gè)增加到了10個(gè)并且被設置可繼續擴展。目前的頻譜和相關(guān)帶寬如圖1所示。

毫無(wú)疑問(wèn)的是：為了在當今市場(chǎng)取得成功，手機設計師需要設計具備多頻帶、多模能力的手機?，F有的2G GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò )的用戶(hù)持續增長(cháng)，且具有當今最大的網(wǎng)絡(luò )覆蓋率。EDGE技術(shù)通過(guò)在GSM系統中引入二級調制格式提高了數據傳輸率, 基于這種技術(shù)的手機的出貨速度增長(cháng)迅速。

與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商正在繼續鋪開(kāi)3G寬帶CDMA(WCDMA)網(wǎng)絡(luò )?；谕ㄓ靡苿?dòng)通信系統(UMTS)的網(wǎng)絡(luò )拓撲架構，這種新技術(shù)正迅速成為引領(lǐng)全球移動(dòng)寬帶的解決方案。行業(yè)分析家預示W(wǎng)CDMA和EDGE將在未來(lái)幾年代表手機市場(chǎng)的兩個(gè)發(fā)展最迅速的部分。而且，為了滿(mǎn)足基于IP的服務(wù)需要，全世界正增加的UMTS運營(yíng)商正在部署高速下行鏈路數據分組接入(HSDPA)網(wǎng)絡(luò )。高速上行鏈路數據分組接入(HSUPA)也將在不久后開(kāi)始部署。圖2給出了每個(gè)手機標準和相關(guān)上下行鏈路數據傳輸率。

與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商和服務(wù)提供商相信現在正是朝3GPP長(cháng)期演變(LTE)方向，主動(dòng)加快WCDMA發(fā)展速度的時(shí)候。LTE正在成為下一代無(wú)線(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò )的主導技術(shù)。它使得下行和上行鏈路數據傳輸率分別為100Mbps和50Mbps，并通過(guò)采用多輸入多輸出(MIMO)智能天線(xiàn)技術(shù)的正交頻分復用(OFDM)傳輸機制來(lái)改善網(wǎng)絡(luò )覆蓋和效率。

LTE將為4G技術(shù)奠定基礎，它要求網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商支持另一個(gè)調制方案。為利用這些新型網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商必須克服兩個(gè)巨大的障礙：更高昂的成本和更大的功率損耗。WCDMA手機的BOM成本為EDGE手機的兩倍，接近GSM/GPRS手機成本的三倍。與此同時(shí)，GSM手機的通話(huà)時(shí)間是WCDMA手機的兩倍，而通話(huà)時(shí)間是消費者對手機使用體驗的一個(gè)關(guān)鍵因素。

這些區別主要是由于WCDMA前端架構更復雜。WCDMA是一種擴頻技術(shù)，它采用5MHz的傳輸寬帶。因為WCDMA采用全雙工通信，所以接收和發(fā)送功能可以同時(shí)進(jìn)行，但這要求前端電路能衰減發(fā)送器的寬帶噪聲，以避免接收器靈敏度降低。通常，這可以通過(guò)在發(fā)送和接收通道上采用雙工器和額外的帶通濾波器來(lái)實(shí)現。此外，設計工程師一般都采用外部LNA。與GSM/GPRS和EDGE手機相比，額外的元件數量和面積增加了WCDMA手機的成本。

功率效率也是一個(gè)挑戰。在無(wú)線(xiàn)設備中，輸出功率放大級通常消耗大部分的電池能量。與GSM手機的功率放大器(PA)工作在飽和模式不同，WCDMA系統中PA工作于線(xiàn)性模式。此外，復雜的四相移位鍵控(QPSK)調制技術(shù)也要求PA級具有高線(xiàn)性度以免降低信號的質(zhì)量或干擾相鄰信道。因此，WCDMA手機設計工程師經(jīng)常要在確保WCDMA性能所需的高線(xiàn)性度與更長(cháng)電池壽命要求所需的高功率效率之間進(jìn)行權衡。

前端電路復制

傳統上，為在同一設備中支持多種空中接口標準，手機設計工程師已在采用帶有單獨無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器的堆疊的無(wú)線(xiàn)電架構。通常，支持多個(gè)空中接口對手機的元件數量有較大影響，因為它要求采用多個(gè)聲表面波濾波器(SAW)、振蕩器、濾波器和專(zhuān)用的混頻器。顯然，對在成本和功率敏感的手機行業(yè)中的設計工程師來(lái)說(shuō)，如此多數量的元件是一個(gè)不小的挑戰。此外，功能復制與最小化產(chǎn)品PCB面積的要求直接沖突。一個(gè)典型的7頻帶WEDGE手機的射頻電路架構如圖3所示，實(shí)現這種前端功能目前需要4個(gè)PA、10個(gè)SAW濾波器、3個(gè)雙工機和1個(gè)單刀九擲開(kāi)關(guān)。

很明顯，為全球市場(chǎng)設計手機的工程師需要一種新的前端架構，這種架構可以減少現有的堆疊式射頻前端電路的固有冗余。單個(gè)普通的發(fā)送通道可以最大化地復用芯片上的電路、減少系統BOM成本、節省PCB面積并簡(jiǎn)化手機的前端設計。此外，由于線(xiàn)性PA消耗了大部分的手機電池能量，采用非線(xiàn)性PA的單個(gè)發(fā)送通道可顯著(zhù)減少功率損耗并延長(cháng)手機電池壽命。