針對(duì)多模手機(jī)的挑戰(zhàn)的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)

引言

“今后雙模，乃至多模式技術(shù)的手機(jī)將在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)并行?！敝貞c移動(dòng)有關(guān)人士本周三說。

這是為何？主要原因是消費(fèi)者也不會(huì)在一夜之間拋棄曾經(jīng)的手機(jī)號(hào)碼而完全采用3G號(hào)碼，而目前的廣泛使用的2G手機(jī)不能向上兼容3G技術(shù)，這將誕生了特有2G和3G兩種技術(shù)模式在同一手機(jī)上交匯的現(xiàn)象。由于不同運(yùn)營商之間采用的3G技術(shù)大相徑庭，如果用戶同時(shí)使用多家運(yùn)營商的號(hào)碼，這樣就此誕生三模以及多模手機(jī)。

多模手機(jī)是指可以在不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)（如GSM和CDMA）之間使用的手機(jī)，這種手機(jī)可以支持多種不同的無線電信號(hào)處理方式。多模手機(jī)在技術(shù)上較多頻手機(jī)更加復(fù)雜，由于針對(duì)的是完全不同的網(wǎng)絡(luò)，他們不僅使用不同的頻段，而且采用了不同的通信編碼方式，這就要求手機(jī)能提供兩種模式的發(fā)射、接收和處理信號(hào)系統(tǒng)，其開發(fā)難度比多頻手機(jī)要大得多。

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)展使高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)成為可能的同時(shí)，通過采用適當(dāng)?shù)墓韫に囈约凹?a 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。

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源器件等來構(gòu)造，以支持各種無線功能。

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。

盡管多種無線功能的“系統(tǒng)級(jí)”集成對(duì)于某些應(yīng)用來說很有意義，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。

圖1：多模式平臺(tái)中常見獨(dú)立無線子系統(tǒng)。

1 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)僅需以開關(guān)來實(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，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。

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。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。

2 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）。

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線基帶電路進(jìn)行集成。

3 用CMOS實(shí)現(xiàn)射頻收發(fā)器集成

盡管通過封裝或模塊技術(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。

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)于多模集成來說，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。

低中頻或零中頻（ZIF）架構(gòu)是最適合用CMOS工藝來集成的收發(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)來提供各種信道帶寬。

由于與CMOS有關(guān)的1/f噪聲問題以及與零中頻及低中頻有關(guān)的DC偏移問題，基于低中頻或零中頻架構(gòu)來設(shè)計(jì)蜂窩收發(fā)器并非是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的工作。一種解決方案便是開發(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)。

4 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共用片上資源來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)。

5 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，外部天線開關(guān)及RF SAW濾波器提供必要的頻段隔離及選擇性來驅(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?；祛l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。

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。

6 單芯片手機(jī)浮出水面

通過克服實(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)者為開發(fā)支持EDGE、WCDMA甚至其他無線技術(shù)的單芯片、多模式無線電鋪平了道路。該設(shè)計(jì)亦可充當(dāng)將來與基帶IC集成的平臺(tái)。

最后，將無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)行整合來開發(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。