蜂窩基站中的模擬技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前，移動(dòng)計(jì)算與通信設(shè)備已很普遍，數(shù)字電子技術(shù)正是支持這一發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，不過(guò)模擬電子技術(shù)發(fā)展也同樣重要，二者缺一不可。
在蜂窩基站中，數(shù)字電子技術(shù)執(zhí)行許多復(fù)雜的功能，通常在軟件與固件控制下工作。而收發(fā)信號(hào)則需要模擬電子技術(shù)，ADC和DAC是二者聯(lián)系的紐帶。圖 1 顯示了發(fā)送與接收架構(gòu)以及目前常用的相關(guān)半導(dǎo)體工藝。
發(fā)送側(cè)架構(gòu)的基本功能是通過(guò)在 DSP或 ASIC中運(yùn)行“程序”生成數(shù)字信號(hào)，隨后信號(hào)由DUC(數(shù)字上變頻器)進(jìn)一步處理，再通過(guò) DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)混頻、濾波與放大，并通過(guò)天線發(fā)送。
接收側(cè)的過(guò)程恰恰相反。天線接收的模擬信號(hào)通過(guò)模擬電子設(shè)備放大、混頻并濾波，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。然后依次經(jīng)過(guò)DDC(數(shù)字下變頻器)專(zhuān)用電子設(shè)備、ASIC 或 DSP 處理。
許多蜂窩基站制造商都力圖增強(qiáng)系統(tǒng)性能并降低尺寸與成本。目前有兩種方法實(shí)現(xiàn)：一是PA(功率放大器)的線性化，二是電子設(shè)備的集成。手機(jī)(手持終端)已成功地集成了收發(fā)功能。這也是基站設(shè)計(jì)的目標(biāo)，不過(guò)基站所需的性能水平要高得多，因此現(xiàn)在要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還很困難。

PA 線性化
為了滿足頻帶外傳輸規(guī)范要求，PA在較高的 A 類(lèi)上工作，效率低于 10%，這就需要大型器件以及大量電能。為了優(yōu)化 PA 的尺寸與效率，TI正在開(kāi)發(fā)線性化技術(shù)。
最簡(jiǎn)單的 PA 線性化方法之一就是降低波峰因數(shù)。波峰因數(shù)降低技術(shù)(FR)壓縮了信號(hào)“峰值”，并降低了線性工作所需的平均功率。
此外，PA 線性化技術(shù)更大的突破是可使信號(hào)預(yù)失真。預(yù)失真是 PA 線性化的“法寶”，有望使 PA 效率優(yōu)于 25%。不過(guò)這種方法非常復(fù)雜，并且要求了解 PA 失真特性——而該特性的變化方式非常復(fù)雜。該方法的基本思路是通過(guò)PA 預(yù)失真，使得當(dāng)傳輸信號(hào)經(jīng)過(guò)PA 時(shí)消除失真，并滿足傳輸屏蔽的要求。其挑戰(zhàn)在于 PA 的失真(即非線性)特性會(huì)隨時(shí)間、溫度以及偏壓 (biasing) 的變化而變化，因器件的不同而不同。因此，盡管能確定單個(gè)器件的特性并設(shè)計(jì)正確的預(yù)失真算法，但要對(duì)每個(gè)器件都進(jìn)行上述工作會(huì)增加成本。為了解決上述偏差，須使用反饋機(jī)制，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，并用以校正預(yù)失真算法。

圖1  基站收發(fā)架構(gòu)

圖2  帶有 PA 線性化的集成發(fā)送器

圖3  集成接收機(jī)

集成常見(jiàn)功能與常見(jiàn)技術(shù)
蜂窩基站的另一發(fā)展趨勢(shì)就是集成更多功能。集成的目的在于讓功能模塊變得更小以降低功耗、減少成本并提高可靠性。
集成通常采取的是將多個(gè)部件放在一個(gè)封裝中。因此，分集接收機(jī)通過(guò)采用一個(gè)雙功能部件，來(lái)代替兩個(gè) ADC。此外還可以集成使用相同工藝技術(shù)的功能。因此，放大器與混頻器可以集成在一起。架構(gòu)發(fā)展是減少組件數(shù)量并提高性能的另一種方法，其實(shí)例之一就是使用正交調(diào)制器與解調(diào)器。
圖 2 顯示了包括更高PA線性化集成度的發(fā)送器。在該例中，波峰因數(shù)降低技術(shù)與數(shù)字預(yù)失真都借助 DSP 或微處理器集成到單芯片中。為了實(shí)現(xiàn)分集，使用兩條發(fā)送路徑，并在一個(gè)部件中集成了多個(gè) DUC?？梢钥闯?，正交調(diào)制需要兩個(gè) DAC，而放大器也整合到了調(diào)制器中。發(fā)送信號(hào)的采樣在 PA 進(jìn)行，反饋用于線性化目的。
圖 3 給出了帶有分集接收機(jī)的更高集成度的接收機(jī)。每個(gè)信道都集成了 LNA(低噪聲放大器)，帶有正交解調(diào)器、濾波功能、可變?cè)鲆嬉约半p ADC。通過(guò)使用正交解調(diào)，可用更簡(jiǎn)單的 Nyquist 濾波器及抽樣濾波器替代DDC功能。

集成數(shù)字與模擬
真正的挑戰(zhàn)來(lái)自在單芯片上混合數(shù)字與模擬功能。高頻數(shù)字邏輯會(huì)產(chǎn)生“噪聲”，并會(huì)通過(guò)電源、其他共用連接以及輻射路徑傳導(dǎo)。噪聲在模擬電路中至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定著信噪比(SNR)，而信噪比則是模擬系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)范圍的關(guān)鍵品質(zhì)因素。高性能數(shù)字意味著邏輯速度快，高性能模擬意味著動(dòng)態(tài)范圍高，將兩者放置在同一 PCB板上需要很高的工程設(shè)計(jì)技巧，在芯片級(jí)上進(jìn)行集成則更加困難。
盡管模擬電壓最近已成功地從12V下降到5V與3.3V，不過(guò)他們很難繼續(xù)降低到目前數(shù)字內(nèi)核電壓以下的水平。這是由于噪聲在工作電壓下降時(shí)沒(méi)有降低，因此模擬工作電壓必須保持在足夠的高度才能提供良好的 SNR。較低的電壓不足以提供高動(dòng)態(tài)范圍模擬信號(hào)所需的性能空間。
此外，最先進(jìn)的數(shù)字工藝與最先進(jìn)的模擬工藝之間在工藝特征尺寸上也有很大差距。例如，德州儀器(TI)剛投產(chǎn)的最新型DSP采用了C027 90nm制造工藝，而TI最新高性能模擬工藝HPA07與BiCom-III則基于0.35mm的CMOS工藝。
模擬工藝的起點(diǎn)是穩(wěn)定的數(shù)字工藝。不管數(shù)字工藝晶體管提供什么線性功能，都作為片上模擬功能。因此，工藝早期階段的重點(diǎn)仍是數(shù)字；而模擬功能只限于那些不需要額外工藝步驟或修改的項(xiàng)目。一旦工藝成熟并成功制造最新系列的高速邏輯產(chǎn)品后，數(shù)字工藝開(kāi)發(fā)人員接下來(lái)就會(huì)開(kāi)始下一工藝節(jié)點(diǎn)的工作，而模擬技術(shù)設(shè)計(jì)人員就會(huì)努力采用該工藝推出更高的模擬功能。開(kāi)發(fā)與改進(jìn)模擬組件需要大量的時(shí)間，高性能模擬工藝推出的時(shí)間通常比基于數(shù)字工藝的投產(chǎn)要晚幾年。
TI 的 HPA07 與 BiCom-III建立在 0.35mm CMOS 工藝基礎(chǔ)上，該工藝最初開(kāi)發(fā)用于數(shù)字元件，因此，二者都有著廣泛的數(shù)據(jù)庫(kù)。雖然基于CMOS工藝的電源要求與速度使其目前還不適用于領(lǐng)先的 DSP 與 ASIC。但是，工藝的成熟使得模擬元件設(shè)計(jì)人員能夠推出高度專(zhuān)業(yè)化的技術(shù)，以滿足各種不同終端設(shè)備的應(yīng)用。其中，HPA07精確模擬CMOS工藝集成了5V與3.3V數(shù)字邏輯器件以及存儲(chǔ)器，并添加了專(zhuān)門(mén)用于模擬功能的晶體管與無(wú)源組件。該工藝經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，符合噪聲、晶體管線性以及組件匹配與穩(wěn)定性方面的高性能標(biāo)準(zhǔn)，適用于運(yùn)算放大器、ADC、DAC、電壓參考與穩(wěn)壓器以及儀表放大器等。此外，該工藝還有助于模擬集成，實(shí)現(xiàn)了良好的邏輯門(mén)密度、較好的模擬元件性能，并提供埋層隔離，從而使模擬信號(hào)免受高頻數(shù)字電路的干擾。
而B(niǎo)iCom-III 是一種硅鍺 (SiGe) 工藝，為超高精度模擬集成電路而開(kāi)發(fā)。通過(guò)在基區(qū)加鍺，大大提高了載流子遷移率，實(shí)現(xiàn)了極快的瞬態(tài)時(shí)間。該工藝實(shí)現(xiàn)了真正互補(bǔ)的雙極 NPN 與 PNP 晶體管，傳輸頻率 (fT)為18GHz，最大頻率(fmax)為 40~60GHz?；パa(bǔ)晶體管可實(shí)現(xiàn) AB 類(lèi)放大器級(jí)，這對(duì)設(shè)計(jì)高速、高性能模擬電路至關(guān)重要。
BiCom-III 工藝先進(jìn)性能的實(shí)例之一是 THS4304。它是首款單位增益穩(wěn)定的 3GHz電壓反饋運(yùn)算放大器，主要用于高性能、高速模擬信號(hào)處理鏈中，在+5V單電源下工作。與傳統(tǒng)器件相比較，所需的補(bǔ)償要高于G=+2V/V的補(bǔ)償情況，但在電源電壓減半的情況下仍然具有極佳的失真性能。

結(jié)語(yǔ)
新型工藝技術(shù)正推動(dòng)用于蜂窩基站的高性能元件的集成。這一推進(jìn)力量與拓?fù)浼皠?chuàng)新型設(shè)計(jì)解決方案(如正交調(diào)制器與解調(diào)器)方面的進(jìn)步以及PA線性化技術(shù)的結(jié)合，將可以降低成本、降低功耗需求、減小尺寸、提高可靠性。但是要在單個(gè)器件上集成所有數(shù)字與模擬功能，工藝技術(shù)還有很長(zhǎng)的路要走，而要想以低成本實(shí)現(xiàn)上述目的，則要走的路還更長(zhǎng)。