移動設備多重標準射頻前端的挑戰(zhàn) - 全文

　　用“整合”一詞來描述時下將復合式多媒體與連結(jié)功能整合至可攜式消費性電子產(chǎn)品(CE)的過程，實為再貼切不過。移動電話正是功能整合日益蓬勃的好例子：在十幾年前，第一款手機只配有FM無線電接收器，而現(xiàn)在的移動電話不但備有高質(zhì)量數(shù)字成像、本地及個人局域網(wǎng)絡、衛(wèi)星導航，甚至還有廣播電視收訊。

　　移動電話有著日益強大的連結(jié)及功能，其發(fā)展的動力不外乎下三個關(guān)鍵要素：第一，移動通信業(yè)者有著維護用戶數(shù)據(jù)庫和增加平均每戶貢獻度(ARPU)的需求，而方法之一就是提供新式的非通信服務及特色;第二，手機業(yè)者持續(xù)地力求提供產(chǎn)品多樣性，以吸引通信業(yè)者以及消費者;第三，熟知高科技的消費者對于多元化媒體功能與方便可攜式裝置間無遠弗屆的結(jié)合，有著日益增加的需求。

　　這樣的科技整合不僅限在手機上;事實上，任何含有液晶顯示器屏幕及多媒體處理能力的可攜式裝置，皆被消費性電子產(chǎn)品制造商當作多重無線電平臺的目標。它們包括了筆記型計算機、可攜式多媒體播放器(PMP)、掌上型游戲機，甚至是可攜式導航裝置(PND)。

　　由于以無線電為基礎的科技日新月異，而消費者對于消費性電子產(chǎn)品的需求也不斷增長，芯片供貨商和系統(tǒng)整合商現(xiàn)在面臨了在可攜式裝置中提供整合功能的挑戰(zhàn)。這些無線電科技可依功能分類為：

　　● 通信：全球移動通信系統(tǒng)(GSM)、CDMA2000、全球移動通信系統(tǒng)(UMTS)、長期演進技術(shù)(LTE)等

　　● 廣播：GPS，模擬&數(shù)字無線電、移動數(shù)字電視(MDTV)、數(shù)字地面廣播電視(DTT)等

　　● 連結(jié)：無線局域網(wǎng)絡(WLAN)、藍芽、超寬帶(UWB)、近端交易技術(shù)(NFC)、全球微波存取互通接口等

　　整合這些無線電技術(shù)的挑戰(zhàn)獨具意義，尤其是任何經(jīng)整合的裝置，由于本身的特性使然，會將每個無線電應用程序所需之最具技術(shù)性的效能需求，聚集在單一平臺上。系統(tǒng)設計師也必須謹記，在選擇內(nèi)存解決方案時，或許得用全國或地方性的標準(如操作頻率、鄰近信道狀況、傳輸功率位準等)來部署“全球性”的標準(如DVB-T數(shù)字電視)。 提供這項漸增的功能時，不會有任何妥協(xié)。這些新的整合平臺也需堅守消費性電子產(chǎn)品低成本、低功率及小尺寸的真言，而這實際上也僅能由多重標準、多功能的前端解決方案來實現(xiàn)。需注意的關(guān)鍵點就于，任何多標準前端，都必須盡可能提供具競爭性的解決方案，甚至是部署在單一或雙重標準的應用程序中，或是為芯片供貨商和系統(tǒng)整合者提供規(guī)模經(jīng)濟時亦然。

　　在本文中，射頻接收器或收發(fā)器功能皆會稱為“前端”。當然，在一完整的系統(tǒng)中，必須有一調(diào)制解調(diào)器(可能會與前端整合為芯片系統(tǒng)，或稱SoC)、較高階的數(shù)字處理、多媒體編碼以及A/V輸出裝置，像是屏幕和揚聲器。

　　功能性分隔

　　雖然單一消費性電子產(chǎn)品裝置可能不會具備所有上述的通信：廣播和連結(jié)無線電技術(shù)。但舉例來說，時下的移動電話已經(jīng)整合了那三種功能性分類中，每一個分類的其中一個無線電技術(shù)，而同時制造商也不斷力求整合更多的功能。漸漸地，筆記型計算機、可攜式多媒體播放器和其它可攜式消費性電子產(chǎn)品裝置也正跟上這股整合的潮流。

　　既然可以實際裝載于單一裝置平臺上的獨立集成電路(ICs)數(shù)量有著尺寸的限制與成本上的考慮，集成電路目前的解決方案可夠整合上述三個功能性分類其中之一的無線電功能。這可能會被稱為“水平式”功能性整合，而其概念則如圖1所示。值得注意的是，雖然今日已可將藍芽獨立集成電路和無線局域網(wǎng)絡及FM無線電信號整合，廣播應用程序也可以整合至消費性電子產(chǎn)品裝置中，但已整合FM無線電信號的移動數(shù)字電視(MDTV)/ 數(shù)字地面廣播電視(DTT電視)的接收器集成電路會是較佳的使用案例。

　　整合使用功能類似的無線電，而非跨功能的整合，有著基本的考慮。首先應注意，在具通信能力的消費性電子產(chǎn)品中，裝置整合器會發(fā)展以相同通信基頻平臺為基礎的產(chǎn)品世代，以取得與大量投注于新通信基頻軟件開發(fā)之努力間的平衡;若次于通信功能的新無線電功能慣常地被并至通信基頻中，則所需的軟件開發(fā)可能會使新無線電技術(shù)的部署產(chǎn)生一個“潛在因子”。因此，多重無線電硅晶整合通常不會超出通信范圍。第二，消費性電子產(chǎn)品裝置制造商通常會發(fā)展具有不同功能及特色的產(chǎn)品系列，以應付不同的消費者、地域及市場需求;因此多重無線電、多重功能同時成本也可能因此更高的裝置，便無法滿足所有市場或消費者的需求。第三，聚集或不聚集特定的無線電技術(shù)，有著技術(shù)上的考慮。這些原因可能包括了一些基本原則，像是：相似調(diào)變技術(shù)的使用(例如多個數(shù)字電視和無線電技術(shù)使用正交分頻多任務技術(shù)(OFDM)調(diào)變);天線限制(例如因為頻寬限制或需同時操作，因而無法共享天線);干擾的共存問題(例如若將一敏感的全球定位系統(tǒng)接收器整合至一通信收發(fā)器，該接收器可能會失去功能)。

　　多重標準射頻前端的挑戰(zhàn)

　　多重標準射頻前端可能是獨立的集成電路，或是一個較大、且整合了射頻及調(diào)制解調(diào)器之芯片系統(tǒng)(SoC)解決方案的一部份。在這兩種情況中，射頻電路系統(tǒng)的關(guān)鍵設計需求基本上相同，也就是：

　　● 必須支持一大規(guī)模的操作頻帶，以及大范圍的通道頻寬

　　● 必須支持高度輸入信號動態(tài)范圍(低噪聲、高線性度)

　　● 必須與其它射頻功能共存，并不受“真實世界”的妨礙影響

　　● 必須能相符天線限制，即尺寸、天線共享、天線隔離等

　　● 必須是低電量，以達電池之最長壽命

　　● 必須能使用低系統(tǒng)成本

　　● 必須提供小規(guī)模的解決方案

　　當然，在任何前端射頻的系統(tǒng)整合中，這些都是最典型的考慮因素，但當多重無線電因不同的聚集需求而共同指定位置時，這些挑戰(zhàn)會更為艱難。

　　多重標準前端之范例

　　在一包含F(xiàn)M、數(shù)字音頻廣播(DAB)和DVB-T數(shù)字電視(針對歐洲市場)的可攜式裝置中，“僅僅”提供廣播電視及無線電信號的多重標準前端設計，就已是一項挑戰(zhàn)。接收器的合成器必須在88MHz(FM)到超過800MHz(DVB-T數(shù)字電視) 的頻率中涵蓋10HMz的范圍， 最低支持至個位數(shù)千赫(FM)的頻距，提供低整合相位噪聲。以支持正交調(diào)幅(QAM)64(DVB-T數(shù)字電視)， 也需搭配低單邊帶雜音，以緩和影像中出現(xiàn)小的影像區(qū)塊之現(xiàn)象。除了這些合成器的挑戰(zhàn)之外，接收器的射頻輸入級必須支持一廣泛的動態(tài)范圍(低噪聲、高線性度)，使其能接收通常含有干擾的信號準位之收信，范圍低至-105dBm(FM)，高至0dBm(數(shù)位音頻廣播)，而基頻區(qū)段則需支持通道頻寬，自200KHz(FM)～8MHz(DVB-T數(shù)字電視)。

　　要滿足這些不同的前端效能需求，其一方法就是設計多重射頻電路，接合至多重相對應的基頻電路。然而，如果在特定的消費性電子產(chǎn)品裝置中只能支持一或二項應用程序標準，這樣的方法將會造成組件尺寸過大，而失去商業(yè)上的競爭性。要解決此問題，較好的方式為使用一可重復設定的接收器結(jié)構(gòu)。

　　圖4的區(qū)塊圖顯示Mirics Semiconductor MSi002涵蓋從長波至L波帶間所有頻率的多重標準廣播射頻前端。這項裝置配具有多重輸入擴音器，其已為一特定操作帶設定好最佳化，不過接著會將其所有輸出聚集至一普遍可程序設計的降頻轉(zhuǎn)換以及基頻結(jié)構(gòu)。這項方法會使特定的使用案例相互排除，例如消費者不會想要在同一時間聽無線電和看電視。

　　這項可再設定的結(jié)構(gòu)，確保了每一輸入級提供正確的音信效能、信號處理及消耗功率組合。同時，基頻效益及濾波器的可再配置性，結(jié)合了分數(shù)式頻率合成器的彈性，確保可以接受所有相關(guān)通道，并以充分的模擬處理將其呈現(xiàn)在解調(diào)器上。而可重復設定的基頻方法在廣播收信上效果顯著，但在其它如無線局域網(wǎng)絡和藍芽等的功能性使用案例上可能無法多加利用，因其可能需要無線電的同時操作(例如無線影像分流及無線藍芽音效)。

　　要確保有絕佳的“真實世界”使用者經(jīng)驗，在具有不需要之干擾的環(huán)境下，高效能正是關(guān)鍵。在這個廣播接收器范例的情況下，典型的通道中干擾源包括了高功率FM信號，其二次諧波可能會落在想要的數(shù)字音頻廣播(DAB)信號上，或數(shù)字音頻廣播(DAB)信號的諧波落在想要的DVB-T數(shù)字電視頻道上。另外，震動器和所需的信號的諧波混頻結(jié)果也有可能于落于頻帶內(nèi)。造成封鎖想要信號的其它干擾情形包括強烈的鄰近通道，或是因相位噪聲不足而產(chǎn)生的寬帶干擾信號相互混雜。謹慎選擇降頻轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(外差相對于零差)、使用抗諧波混合及過濾芯片，可以協(xié)助減緩這些問題。

　　在接收廣播信號的情況下，雙重、三重甚或四重科技可以用來減少必須整合至一消費性電子產(chǎn)品裝置中的實際天線數(shù)量。然而，有限的寬帶天線頻率響應和顯著的多重插入損失，通常會將天線共享限制于雙重配置之上。

　　系統(tǒng)效能并非由射頻前端單獨指定，并且在射頻前端與數(shù)字解調(diào)器之間，信號處理的光學分隔其中還有著功率與尺寸的妥協(xié)。模擬過濾為此處的最佳范例：如果一射頻前端提供了過多的模擬信道選擇，則組件尺寸會受到負面性的影響。相反地，如果提供不夠充分的模擬選擇，解調(diào)器至數(shù)字轉(zhuǎn)換器的模擬將會面臨不合理的動態(tài)范圍需求。如此謹慎考慮的系統(tǒng)交換可以提供顯著的技術(shù)及商業(yè)效益。