高性能多频RF单芯片 简化3G手机设计

通用移动通信系统(UMTS)在第三代(3G)移动通信系统发展中，被认为是可能取代既有全球移动通信系统(GSM)的新兴技术之一，UMTS已成为具备涵盖欧洲、亚洲、北美及日本等地不同频段的全球标准。

为充分利用这项科技，以达到全球漫游、更多功能、提供更快的信息传输率，UMTS移动电话的设计人员日渐需要多频段的支持，同时也积极寻求更精巧平价的组件，这对所有通信半导体供货商而言是莫大的挑战。

UMTS系统在各国各地区所使用的频段不尽相同，为使手机使用范围更加广泛，因此新一代RF收发器应运而生。采用CMOS制程、涵盖多频段的RF系统单芯片，除可使手机设计更为弹性外，还可让工程师易于在原有的架构上，设计全新的UMTS手机。

为迎接这项挑战，芯片设计人员在设计新一代无线射频(RF)收发器时，以体积小、低功耗、支持多频段这三项功能为主要考虑，要解决这些问题，须将多频功能整合在单一芯片上，包括一个可适性接收基带滤波器，完全整合的非整数锁相回路(包括传送与接收)，以及复合式、灵活的程控操作接口，此外，芯片的制程也必须符合手机极小巧精密的需求。

理想的解决方案是单芯片、低功耗的互补式金属氧化物半导体(CMOS)射频收发器，可以支持目前宽带分码多重接取(WCDMA)、UMTS全球无线电频分双工(UTRA FDD)系统指定的所有UMTS频段，UMTS话机只要插入这种芯片，便可在欧洲、亚洲、北美及日本使用，确保这些手机可无阻地使用于最广泛区域，并使服务无远弗届。

UMTS涵盖不同频段

UMTS的目标是成为全球标准，其涵盖多个不同频段，因此难以预测接下来的几年，到底哪个支持的频段才是市场所需，表1显示不同的UMTS频段及广为使用的区域，目前手机设计人员最常要求的UMTS频段组合是频段一、二和五，可允许国际漫游，然而，为顺应市场需求、移动通信业者与终端用户的期待及偏好，这些组合可能随之改变。

若半导体供货商能掌握高度易变的因素，包括长期需求、多频支持、提供最佳设计弹性等关键，即可成功打入市场。而可支持目前国际电信联盟(ITU)指定的大部分UMTS频段，同时能解决北美1,900MHz范围的频段，已被ITU分配给2G移动网络及卫星通信使用的特殊状况之单芯片多频收发器，有助于缩减设计时间及资源，允许话机制造商推出全球通用的单一设备。

以英飞凌(Infineon)的SMARTi 3G单芯片为例，可以单芯片收发器IC支持目前规定的所有UMTS频段，提供多达三个频段的灵活运用，这款收发器的设计包括Zero-中频(IF)接收(RX)路径、直接转换传送(TX)路径及非整数频率合成器，还包含可在混合式滤波器模式下启动的级间陷波滤波器(Notch Filter)，以适用于北美频段配置，同时允许由软件激活额外的陷波滤波器，以符合UMTS对频段二及三的特定需求。

接收器一般采非常线形的设计，可程控增益控制(RX PGC)也非常线性，因此在手机生产过程中，只需极少数的校准点，此可直接反映为客户节省的时间及成本，图1说明接收器的两大特色，并显示在不同输入功率下，在UMTS频段一运作的复合误差矢量振幅(EVM)及信噪比(SNR)。

图1　UMTS频段时，接收器功能曲线图。

传输路径包括一个三级巴特沃斯(Butterworth)型基带主动滤波器、直接升压器、VGA平台及高功率输出驱动平台。适量加偏压于VGA平台以保证在全输出功率幅度下，达到最小的电流消耗，每一个直接转换传输路径均包含一个完全差动的可程控输入缓冲器，以处理不同基带输入信号。附加的三级Butterworth型基带滤波器会移除无用的信号内容，如基带数字模拟转换器(DAC)夹带的远程噪声或杂散发射(Spurious Emission)，同时避免需要的信号失真。

总体而言，TX呈现明显的线性，形成较佳的噪声指数及输出功率，图2比较业者指定偏移量(频段一，TX1,950MHz)中的FDD信号功率(线1)，与第三代合作伙伴计划(3GPP)规定的频谱屏蔽(线2)，此图显示收发器性能具备因应整个系统的广度，可满足3GPP的要求。

图2　传输频谱屏蔽与3GPP规格比较

RX与TX均使用完全整合的非整数锁相回路合成器，拥有芯片回路滤波器与参考电阻，尽可能减少外部零组件需求。为涵盖所有营运的频段，并且提供额外的频段广度，因此使用具广泛调幅的差动VCO，UMTS频段五及六的操作，可由VCO无线射频(RF)输出的两个分频器启动，由内部演算系统选择适当的VCO频段，每次PLL启动或设定新的频率后，便随之启动，同时，进一步校准使PLL的所有偏差减到最小，如回路滤波器转角频率传播的问题。

芯片所有功能皆由一个灵活的程控接口所控制，兼容于多种标准、采用三线总线，并具有回溯兼容及完整读/写功能。标准的模拟接口，更提供移动电话制造商及平台供货商另一个优势，即兼容于多种3G基带信号处理器，因此容许从不同厂商挑选搭配不同的产品，达到最佳零件组合。

利用基本前端控制实现三频设计

为确保能够支持所有的UMTS频段及多种不同的频段组合，设计人员可能希望同时设定低、中、高三种频段，IC使用的频段，可利用三线串连总线，依适当的六频选择/前端控制输出引线，分别设定RX与TX的频段，图3是典型的三频应用举例说明。

图3　典型的三频应用举例

典型的三频UMTS方案所需的电路板尺寸，可小到370平方毫米，而且只需要七十四个组件，比其他只能支持单频的解决方案减少50%。由于多频及多模式操作，前端复杂性也逐渐提高，因此须有效控制外部组件，如功率放大器及电闸等，要满足这项需求，可采用高度弹性、软件程控的前端控制，依据事件而切换六个指定的接收频段与传输频段输出引线。

基本的前端控制功能能为每个频段提供三组任意的输出程控配置，有了此项功能，即可选择前端组件的信号路径。前端控制功能还可进一步自定义接收频段输出引线的切换延迟，而传输频段输出也可个别程序化，在传输路径关闭时降低输出，路径开启时再回到默认选择。

HSDPA芯片产品陆续推出

由UMTS提供的新服务，如高质量视信串流、快速下载音乐内容及互动游戏等，都使所需的传输速率大幅提高。3GPP WCDMA标准第五版使用高速下链封包存取(HSDPA)技术，数据传输速率可高达14.4Mbit/s，此进化也表示UMTS网络升级为HSDPA，该技术目前已在欧洲各地部署，传输速率在1.8M～3.6Mbit/s之间。随着科技进步，手机的地位日益重要，计算机数据卡也将率先成为支持HSDPA的应用。虽然网络仍处发展阶段，但支持HSDPA的RF与基带手机组件，都已陆续问世。

HSDPA需要新的下行共享频道、高速下行共享频道(HS-DSCH)、新的变频技术，以及快速有效的传输连结，也须以更复杂的硬件执行，如在无线电话的传输方面，采用HSDPA会影响相邻通道泄漏比(ACLR)效能及最大输出功率，这些问题在设计过程中都须谨慎考虑。而使用高阶变频以提高传输速率，代表整体效能也会提升，尤其会影响接收器线性；在接收方面，由于提高传输速率会增加SNR的需求，因此误差矢量幅度(EVM)直接受HSDPA影响，表2所示为依变频技术而定义的不同HSDPA类别、使用的编码及支持的传输速率。此外，最大传输速率(参考不同的HSDPA类别)取决于变频技术、编码率及编码数。

CMOS为UMTS接收器主流制程技术

虽然多频功能及HSDPA支持是接收器必然的趋势，所有无线电话业者也已普遍采用，在制程上，新兴的CMOS技术也逐渐成为接收器设计应用的新选择，取代硅锗(SiGe)及两极CMOS (BiCMOS)制程，且几乎所有的接收器业者，目前的设计都采用CMOS。

CMOS比起传统的BiCMOS与SiGe制程技术，具有价格上的优势，所需的屏蔽及制造步骤都较少，CMOS技术的特色包含更快的晶体管、且可达到非常小巧的设计，加上增强整合的可能性，因此新一代RF设计日渐改用CMOS技术。另外，采用CMOS技术得以执行更高比率的数字逻辑，因此更能够弹性整合各种补偿技术，如直流偏移及滤波校准。CMOS制程也能够缩短锁定时间，并快速设定非整数锁相回路频率；在一些特定功能上，如随机存取内存(RAM)信息回读，使特殊的RAM在待机状态时保持默认程序设定，IC重新启动时仍可适用，上述都是CMOS制程才可能达到的功能。

由于半导体制造商在许多其他产品上都采用CMOS，因此同一类的技术制程及生产线都可用于手机的各种数字、RF及混合信号组件，以进一步缩小体积，提高整合程度。

随着多频手机的需求量大增，能支持不同频段、高性能、低价位的RF接收器需求也持续成长，而真正多频单芯片的接收器可让RF平台的多功能移动电话设计更有弹性。由于许多要素都能重新利用，因此采用此类接收器的系统能轻易应用于未来移动设备的各种频段组合，所需的软件及硬件也能减到最低，并完全符合HSDPA对更高传输速率的要求，也让系统设计人员更容易在相同的架构上，设计新一代的UMTS手机，同时节省预算及设计时间。

作者：Irina Prjadeha/Rainer Koller，英飞凌、DICE GmbH & Co. KG