多模多頻帶3G手機的RF前端簡(jiǎn)化設計

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。

　　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。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。

　　擴展極性調制

　　實(shí)現這種前端設計的一個(gè)方法是在WCDMA和其他高帶寬無(wú)線(xiàn)技術(shù)中采用極性調制。極性調制廣泛用于GSM和EDGE系統中，它通過(guò)允許PA的輸入信號為固定包絡(luò )或不包含幅度不同的分量信號，來(lái)消除功率效率和放大器線(xiàn)性度之間的固有沖突。

　　在極性調制機構中，通常以直接上變頻發(fā)送到收發(fā)器的I和Q矩形基帶信號被轉換為具有幅度和相位組成的極性格式。這就允許設計師有區別且更有效的應用兩種調制元件。相位信號被供給被用做相位/頻率調制器的相鎖回路（PLL）。然后PLL-VCO的輸出信號被供給工作在接近飽和/削波狀態(tài)的VGA或PA。因為PLL產(chǎn)生的相位調制信號幅度仍然不變，所以可以通過(guò)采用更高效非線(xiàn)性類(lèi)的E或F放大器被放大。通過(guò)發(fā)射機極大減少了功率損耗，并且最終延長(cháng)了電池壽命。

　　GSM系統采用具有高斯最小移位鍵控的固定包絡(luò )調制。由于復雜信號軌跡位于單位圓上，因此調制可以通過(guò)其相位組成得到完全描述。 EDGE系統采用不同方式編碼3π/8的8相移位鍵控（PSK） 調制使GSM數據傳輸率提高了3倍。AM被加到信號上以便傳送信號與GSM占用相同的 270 kHz帶寬。這些相似性簡(jiǎn)化了GSM極性收發(fā)器到EDGE的擴展。

　　WCDMA提出了一套完全不同的挑戰。這個(gè)技術(shù)包括多路數據信道，并且采用擴展頻譜混合PSK（HPSK）調制來(lái)達到更高的數據傳輸率。多路信道的使用產(chǎn)生了一套疊加的由不同擴展因數引起的不同增益的四相 PSK（QPSK）模式。一種根升余弦濾波器限制標志拖尾，并且傳送信號的帶寬約束為3.84MHz。

　　這些區別之處對發(fā)射機的設計有不同要求。GSM和EDGE系統要求出色的相位線(xiàn)性、低相位噪聲和高效率。WCDMA系統在相當大的帶寬和幅度范圍內都需求高精確性。

　　極性架構已在GSM/EDGE解決方案得到驗證，它能提供最低的噪聲性能，從而無(wú)需采用SAW濾波器。這個(gè)方法能被運用在WCDMA方案中以消除發(fā)送 SAW濾波器，且不需要線(xiàn)性架構所要求的額外電流損耗。因為極性架構支持所有的調制格式，它同樣能支持真正的多模PA。這種架構大大減少下一代解決方案的總體尺寸和復雜度。

　　新的前端電路架構

　　為簡(jiǎn)化多模手機的前端電路設計且降低手機的成本和PCB面積，Sequoia Communications公司已開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng )新、利用極性調制技術(shù)為所有模式提供單發(fā)送通道的架構。該公司的FullSpectra架構為單芯片多模RF收發(fā)器的設計提供了基礎。第二代SEQ7400支持7個(gè)頻帶，同時(shí)支持3頻帶WCDMA/HSDPA、4 頻帶EDGE、GPRS和GSM，可適用全世界的大多數主要網(wǎng)絡(luò )。為了減少元件數量和成本，收發(fā)器集成了所有的LNA和WCDMA級間濾波器。設備在緊湊的RF引腳中提供標準模擬接口和SCI或DigRF 2.5G控制接口。

　　在多模多頻帶手機設計中，這種器件的優(yōu)勢非常明顯。單個(gè)IC便能通過(guò)消除堆疊設計的復雜度和重復設計，顯著(zhù)減少工程師的工作量。通過(guò)集成LNA和消除接收級間WCDMA的SAW濾波器，能減少BOM成本，縮小PCB面積。采用這種新技術(shù)，設計師能減少接近70%的RF面板面積和超過(guò)40%的RF元件數量。

　　另外，通過(guò)在同一手機中支持4頻帶EDGE和3頻帶WCDMA接口，這種新的方法給設計團隊為不同地理區域和市場(chǎng)開(kāi)發(fā)平臺體統了很大靈活性。這種新架構能提高工廠(chǎng)生產(chǎn)量和進(jìn)一步改進(jìn)手機制造成本，并最終通過(guò)降低發(fā)送和備用電流的要求，允許設計師在下一代手機設計中延長(cháng)電池壽命。

　　本文小結

　　在當今高度競爭的手機市場(chǎng)上，傳統的堆疊無(wú)線(xiàn)電架構對多模多頻帶手機來(lái)說(shuō)不再可行。它們的功能重復設計、更高的BOM成本和更大的PCB面積都將降低市場(chǎng)競爭力。為滿(mǎn)足顧客要求，設計師需要一種新的、更有效的多模多頻手機的前端設計方法。

　　極性調制為開(kāi)發(fā)最有前途的發(fā)送架構提供了機會(huì )。極性調制允許單個(gè)通道被用在所有的調制方案中，從而提供面積最小的硅實(shí)現方法。它易于支持下一代多模式 PA。該解決方案固有的低噪聲性能提供了一種高效率的電池能量使用方法，省去了WCDMA發(fā)送SAW濾波器。此外，這種超過(guò)其他架構的效率優(yōu)點(diǎn)將隨著(zhù)行業(yè)向更高階位調制機制（如HSUPA和LTE）的轉移而增加。