第三代手機(jī)射頻架構(gòu)

大多數(shù)電信企業(yè)為獲得3G許可證投入了巨額資金，現(xiàn)在他們還需要進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施投資，以為這一企盼已久的技術(shù)提供支持。總的成本將會(huì)達(dá)數(shù)十億英磅，因此電信商面臨很大的壓力，需要盡快償還債務(wù)并快速獲得贏利，達(dá)到這一目標(biāo)的最快速的方法還是盡快啟動(dòng)3G的消費(fèi)市場(chǎng)。
對(duì)于價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈的多媒體功能等服務(wù)，贏得消費(fèi)者和商業(yè)客戶青睞并迅速收回投資的關(guān)鍵是提供價(jià)格合理的手機(jī)。包括發(fā)射器和接收器在內(nèi)的手機(jī)內(nèi)部電路在手機(jī)成本中占了相當(dāng)大的部分。為降低3G手機(jī)射頻解決方案的總體成本，必須滿足三個(gè)主要目標(biāo)：即降低芯片成本、減少外部器件需求，同時(shí)盡可能將必須采用的外部器件集成到類似系統(tǒng)芯片(SoC)的一個(gè)解決方案中。

涉及的標(biāo)準(zhǔn)范圍
寬帶碼分多址訪問(W-CDMA)將會(huì)成為3G的主要標(biāo)準(zhǔn)。然而在歐洲，手機(jī)還需要能夠支持現(xiàn)有的GSM 900 和GSM 1800標(biāo)準(zhǔn)。在美國(guó)市場(chǎng)上也有類似的情況，在數(shù)年內(nèi)高端手機(jī)仍需要支持GSM 900 和GSM 1800標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)于需要支持GSM增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率改進(jìn)(EDGE)標(biāo)準(zhǔn)的射頻設(shè)計(jì)人員來說，問題更為復(fù)雜。EDGE將會(huì)用于郊區(qū)或鄉(xiāng)村地區(qū)，以保證那里的居民也可以享受到3G所提供的高數(shù)據(jù)速率服務(wù)，而不僅僅是將3G限制在W-CDMA所覆蓋的主要城市地區(qū)。EDGE將補(bǔ)充W-CDMA并向更廣泛的人群提供高達(dá)384 kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。2G-3G的演進(jìn)過程見圖1。

集成
在手機(jī)設(shè)計(jì)中始終存在進(jìn)一步減小PCB電路板空間的要求。不過由于近年來技術(shù)方面的進(jìn)步，從某些方面來說，為消費(fèi)者提供更為小巧輕便的手機(jī)變得更為容易。例如，功耗更低的電路意味著可采用更小的電池達(dá)到同樣的通話和待機(jī)時(shí)間。
3G的出現(xiàn)對(duì)于進(jìn)一步縮小PCB尺寸帶來新的壓力。因?yàn)檫@需要在不比現(xiàn)有的2G型號(hào)手機(jī)大的3G手機(jī)設(shè)計(jì)中集成更大的多媒體顯示屏以及包括照相機(jī)在內(nèi)的其它特性。
要求降低手機(jī)總體成本的壓力也很大。從電路的角度來看，降低成本的最佳方式是利用更小幾何尺寸和低成本的工藝將盡可能多的元件集成到SoC解決方案中。集成外部元件還可帶來額外的好處，包括提高可靠性、降低生產(chǎn)和組裝成本以及更小的EMC屏蔽問題。
雖然在單個(gè)芯片中集成多個(gè)元件是可能的，但為了實(shí)現(xiàn)雙工，在W-CDMA的發(fā)射和接收通道間需要隔離，這對(duì)于GSM來說是不可行的。所以3G解決方案在現(xiàn)階段還必須采用兩塊芯片。Zarlink半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)的發(fā)射和接收芯片都采用了微引線框(MLF)表面貼裝封裝，只需要占用寶貴的PCB電路板上的少量空間。發(fā)射芯片有40個(gè)引腳，尺寸為6mm x 6mm，而接收芯片有56個(gè)引腳，尺寸為8mm x 8mm。在制造過程中采用了SiGe BiCMOS技術(shù)以獲得幾何尺寸更小、成本更低和功耗更低的器件。所采用的結(jié)構(gòu)可以省掉昂貴的外部元件，如SAW濾波器。同時(shí)還內(nèi)置了VCO(包括振蕩回路)、PLL、LNA和HPA預(yù)驅(qū)動(dòng)電路。

接收器結(jié)構(gòu)
超外差是無(wú)線電傳輸中傳統(tǒng)的也是成熟的接收通道結(jié)構(gòu)。然而，由于這一架構(gòu)需要大量成本高且占用大量PCB空間的外部元件，因此這一解決方案不適合于3G應(yīng)用。
直接變換是一種可以大大降低所需要的外部濾波器數(shù)量的可選架構(gòu)。然而，直接變頻(零中頻)結(jié)構(gòu)也有缺點(diǎn)，為了補(bǔ)償基帶直流偏置，控制電路變得非常復(fù)雜。對(duì)于需要同時(shí)支持EDGE和W-CDMA的3G射頻單元來說，這種補(bǔ)償變得更加困難。這是因?yàn)榭刂齐娐繁仨氃诜日{(diào)制信號(hào)基礎(chǔ)上進(jìn)行直流偏置校正。
這些問題導(dǎo)致需要一種可在成本和功能方面有效滿足3G應(yīng)用要求的支持EDGE的新的3G手機(jī)結(jié)構(gòu)。近零中頻(NZIF)技術(shù)在超外差和直接變頻技術(shù)間提供了一種折衷。原則上，它看起來就象超外差結(jié)構(gòu)，但區(qū)別在于它采用的中頻在一個(gè)略高于直流的信道上。通過將中頻轉(zhuǎn)移到如此低的頻率，就有可能將整個(gè)濾波功能集成在一塊芯片上。這意味著就不必再需要工作在數(shù)百M(fèi)Hz頻率的外部中頻SAW濾波器和直流偏置控制電路。對(duì)于W-CDMA，直流偏置并沒有太大的問題，可以在不對(duì)靈敏度造成太大影響的情況下濾除直流分量。唯一需要的外部濾波器是在LNA之前的射頻濾波器。

圖1  2G向3G的演進(jìn)過程


發(fā)射器結(jié)構(gòu)
在發(fā)射通道上，“上變頻”結(jié)構(gòu)提供了最簡(jiǎn)單的解決方案，然而，由于需要中頻和昂貴的外部濾波器，因此存在很大的成本問題。極性環(huán)(Polar loop)、偏置PLL(Offset PLL)和直接調(diào)制都是用于3G發(fā)射器的可選結(jié)構(gòu)。
偏置PLL結(jié)構(gòu)近些年廣泛用于GSM。該方法去除了信號(hào)的所有幅度調(diào)制(AM)分量，可提供一個(gè)非常干凈的頻譜。不幸的是，這一結(jié)構(gòu)對(duì)于具有AM內(nèi)容的信號(hào)(如EDGE)并不適合。
極性環(huán)技術(shù)與偏置PLL類似，但允許在RF信號(hào)上加入AM分量。但對(duì)于W-CDMA來說，應(yīng)用這一技術(shù)也有問題，因?yàn)橐_(dá)到相位和幅度間的同步極為困難，在某些情況下則是不可能的。
粗看起來最后一種技術(shù)——直接調(diào)制似乎也不合用。因?yàn)樗枰谋镜?a target="_blank">振蕩器(LO)的頻率需要與發(fā)射信號(hào)一樣，這會(huì)導(dǎo)致非常大的輸出信號(hào)從而導(dǎo)致VCO振蕩器頻率牽引問題。然而，通過將LO頻率加倍然后再分頻，LO將不再與發(fā)射信號(hào)工作在同一頻率，從而避免了頻率牽引問題。這一結(jié)構(gòu)同時(shí)適合于W-CDMA和EDGE。由于不需要任何外部器件，該結(jié)構(gòu)成本也較低。
目前采用的工藝(如SiGe BiCMOS)可以實(shí)現(xiàn)極干凈的低噪聲VCO。對(duì)于W-CDMA ，VCO將工作在4GHz以上，在這一頻率，有可能將VCO的所有有源元件都集成在內(nèi)，包括偏置電路以及所有振蕩回路。這意味著整個(gè)VCO可集成在芯片上，然后再分頻到所需要的頻帶。

結(jié)語(yǔ)
最新的制造工藝和結(jié)構(gòu)技術(shù)可以滿足3G手機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)要求：SiGe BiCMOS工藝使得發(fā)射器和接收器都可以保持較低的功耗，同時(shí)使物理尺寸盡可能小。新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法使設(shè)計(jì)人員可通過省掉外部元件或?qū)⑵浼傻叫酒衼斫档统杀?。未來，除了進(jìn)一步解決所面臨的挑戰(zhàn)以外，還需要尋找在完全集成的單芯片上同時(shí)集成發(fā)射器和接收器的方法。■