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射頻/無線  

行動射頻整合專用架構

上網時間: 2006年02月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:架構  射頻  收發器  藍芽  超寬頻 

隨著越來越多的蜂巢式電話、PDA和筆記型電腦等行動可攜式設備要求提供多模多波段的無線連接,對射頻部分更深層的整合呼聲空前高漲。體積、成本和功耗約束已經不允許每個通道擁有獨立的無線收發器

最新的GSM手機已經可以提供四個波段,完全覆蓋了全球五大洲的800MHz、900MHz、1,800MHz和1,900MHz GSM頻段。許多GSM手機還整合了主要用於耳機和SIM卡同步的藍芽無線技術。為了充分發揮VoIP(IP語音)連接的優勢,這些手機很快會提供Wi-Fi連接,並能接收數位化地面電視、數位音訊廣播和GPS衛星資訊。之後將發展無線USB用的超寬頻(Ultra WideBand)、行動網際網路存取用的WiMax。當然,並不只是行動電話要用到這些多波、多模無線功能。整合將意味著PDA、筆記型電腦和遊戲機中會出現其他整合業務。因此典型的行動設備可能需要在接近6GHz的總頻寬內接收無線傳輸訊號(見圖1)。

圖1:未來的行動設備可能必須在6GHz的總頻寬上接收無線傳送訊號。

由於目前的通道數量較少,因此每個通道可以使用獨立的收發器,這些收發器都有自己的射頻和基頻電路。隨著90nm CMOS技術的發展,整合密度將進一步提高,加上新的被動元件整合技術和射頻系統級封裝(SiP)技術的應用,這些收發器的體積和功耗會有大幅降低,目前輕便型手持設備中整合2~3個收發器已經不成問題。

然而,隨著無線通道數量的持續增加,這種方法將不再適用。不僅所有模組加起來的體積已經難以容納,而且它們的總功耗已經嚴重影響電池使用時間,不斷增加的矽晶片規模對產品成本也有著非常不利的影響。由於眾多交互干擾天線的使用,不同無線通道共存的局面也將難以為繼。

劃分是關鍵

減少天線問題的方法之一是讓工作於同一頻段的通道共用同一根天線。這是比較合理的一種方法,例如,藍芽和IEEE 802.11b/g Wi-Fi收發器就可以共用同一根天線,因為它們都工作在2.4GHz頻段。行動電話中整合這二種介面也相當自然,因為它們需要透過這二種介面提供VoIP服務-Wi-Fi用來連接區域網路,藍芽用來提供耳機連接。

圖2:雖然第二種通道仍是附件的形式,但設計人員最好在基頻處理後期將它們連接到主通道中。

雖然第二個通道仍將作為其他獨立產品設計的附件出現,但像上述這種自然組合情況也可能促進它們的整合。為了儘量減少這些附件對軟硬體的影響,它們仍將在主機的基頻處理過程的最後階段與主機進行連接(見圖2)。許多數據機將繼續採用以下二種方式緊密地與它們的射頻收發器保持連接,一種方式是整合進單晶片射頻CMOS解決方案,一種方式是作為射頻SiP的一部分。

然而,隨著整合步伐的加快,有許多通道已經擁有標準特性,因此射頻和數據機功能應該如何劃分的問題變得不再那麼清晰。現代基頻數據機(調變-解調)都工作在數位領域,它們或是採用專用硬體,或是採用數位訊號處理器,最多再加上數據機和射頻收發器之間必需的ADC和DAC。因此較合理的做法是將數據機的功能轉移到主機的基頻晶片中,或是至少將數據機合併到獨立的數據機連接引擎裡。

這樣做的好處不僅減少晶片數量,還能快速地將數據機和基頻功能從一種CMOS製程移植到下一種製程,進而減少矽晶片的面積和成本(見圖3)。同時,它允許射頻收發器可以用任何能提供正確性能的技術實現。雖然從2G時代就開始了向RF-CMOS的移植,但對於2G、2.5G和3G行動電話收發器來說,今後很長一段時間內仍可能繼續使用BiCMOS製程。而較低性能的無線收發器將越來越多地採用RF-CMOS製程。

另外一種方法是採用現代CMOS製程的射頻處理能力將數據機和相連的射頻收發器同時整合到同一個CMOS晶片中。雖然這樣做具有系統單晶片(SoC)解決方案的潛在性優勢,但也有幾大缺點。RF CMOS製程的出現意味著射頻收發器可以整合到CMOS中,至少對於像藍芽和IEEE 802.11b這種較低複雜度的無線鏈路是這樣的,但對於多波多模解決方案來說存在著很大的風險。將單個藍芽收發器成功整合到單晶片上的工作已經花了業界好多年的時間。將多個收發器僅以幾微米的間距整合到同一晶片上會帶來全新的問題,特別是當多個收發器需要同時工作時問題會更突出。另外,將這種RF/數位CMOS混合設計移植到下一代CMOS製程也要比移植純數位設計難得多。RF CMOS與CMOS邏輯的調整方法完全不同,因此移植後的性能難以預料,很可能需要大量的重覆設計工作。

因此RF+基頻作為一種短期解決方案,可以在只有很少額外通道連接到蜂巢式基頻主機的階段使用。然而,隨著時間的推移,這些SoC將無法支援所需的系統整合要求。

標準化數據機介面

如果採納上面所述的第一種方法,即把射頻和數據機/基頻功能劃分到獨立晶片中,並且只需要減少數據機引擎上的接腳數量,那麼所需要的就是二者之間更清晰更標準化的數位介面。

這樣一種介面可以讓單個軟體可編程的數據機服務好幾個不同的射頻收發器,特別是當這些不同的收發器使用相似的調變方案時。同樣,天線共用可以明確射頻收發器側的系統劃分,而調變方案可以明確數據機側的系統劃分。像藍芽和GSM/GPRS等要求的窄頻數據機一般採用硬連線方式,而像OFDM/CDMA等要求的更複雜數據機一般採用(向量)DSP實現。正是射頻收發器和數據機之間的標準化介面才徹底實現了數據機的劃分。

與其在同一晶片上整合射頻收發器、數據機和應用引擎而面臨RF CMOS需要緊跟基頻CMOS製程發展速度帶來的挑戰,倒不如從事射頻與射頻、數據機與數據機以及應用處理器與應用處理器之間的整合。行動產業處理器介面(MIPI)聯盟已經在建立到行動應用處理器的標準硬體和軟體數位串列介面的規範。現在需要的是一套標準射頻到數據機的介面規範,有點類似於行動電話遵循的DigRF和DigRF3G規範,但針對的是更大範圍的無線通訊標準。像802.11/g/n、行動電視(DVB-H)和WiBro/Wimax等標準都將從這種高速串列數位射頻-數據機介面中受益。

可重配置的無線設備

這種劃分法提供的靈活性和軟體可編程性也為今後的另一目標:‘可重配置無線設備’概念提供了遷移途徑。可重配置無線設備是在未來行動設備的體積、功耗和成本約束條件之下實現無處不在的無線通訊中最有前途的方式之一,它可以在軟體控制下重新配置相同的收發器和數據機鏈,實現不同頻段和不同調變方案下的順利切換。

圖3:將基頻/數據機功能整合到數位IC後可快速移植到下一代CMOS製程技術。

實現可重配置無線設備的最大挑戰是用可切換/可調諧濾波器代替固定頻率的濾波器。為了保持行動設備的整合度,需要開發新的射頻MEMS(微型電子機械系統)設備。同時還要求提高收發器鏈的數位化程度,不僅數據機要提供數位介面,而且要求根據不同調變方案動態優化收發器性能。正是在這個領域RF CMOS扮演著重要角色,它與新的收發器架構一起能使ADC和DAC更加靠近天線。對於發送通道來說,同時意味著需要開發Class E(切換模式)、Class G(軌跡切換)或Class S(供電調變)的射頻功率放大器,以提供高功效的寬頻解決方案。

可重配置無線設備的優點在於不需要對每個通訊標準或模式組合提供專門的解決方案,而且可透過增加同樣的模組實現設計升級。雖然實際上不可能出現這種理想的狀況,但用少量解決方案覆蓋大範圍通道是很有可能的,見圖4。

無線無處不在

無線通訊能把我們帶到幾乎無所不能的世界,我們想要什麼、什麼時候要和什麼地方想要都能立刻實現。這正是飛利浦互連星球(Connected Planet)概念的主要目標之一,也是飛利浦智慧化環境(Ambient Intelligence)的理想藍圖。目前的問題是我們仍然受限於通道。即使你知道你要的是什麼,你也知道哪裡可以要到,你仍然需要存取傳送目標的正確通道,如寬頻網際網路連接、有GPRS或EDGE功能的蜂巢式網路、區域網路或普通雙絞線。而且我們還不得不過於頻繁地陷於連接過程本身,如撥號、登錄等。

我們今後需要的是一個無縫系統,提供通訊的通道的所有特徵都將消失。當我們在房子周圍漫步、在鄉村遊玩甚至高速行駛在馬路上時,沒有一個通道(甚至是4G時)能夠保持連續的服務品質。為了保持資訊的無縫暢通,不同通道之間必須相互合作,並以我們覺察不到的方式無縫地在蜂巢式、區域網路和衛星網路之間來回切換。可重配置無線設備由於採用了高度的硬體複用,因此完全能夠實現這一願景。如果將許多無線設備緊靠在一起,而其中許多設備既不會連續使用又不會同時使用時顯然是很不經濟的。

可重配置無線設備還為頻譜使用提供了新的可能性。實際上,在0到10GHz頻段內的頻譜使用率一般都在10%以下,也即意味著有相當多的頻寬沒有用上。提供無線連接的消費類產品存在的問題是管理機構允許它們使用的頻段非常狹窄。剩餘頻段已被許可給電視廣播或軍事用途等業務使用。這種限制可能還不會太多地抑制無線連接產業,但隨著無線連接的普及,問題會越來越突顯。

這也是FCC建議開放許可頻段給無需許可的公眾使用的原因。建議的系統將給這些頻段的使用劃分優先順序,其中緊急業務通訊和獲得許可用途的優先順序將高於無許可的公眾業務。可以利用這種方法並根據本地的即時需要調整頻譜用途,同時確保共用相同頻段的系統相互能夠共存。這種具有動態頻譜分配功能的設備常被稱為‘感知無線設備’,因為這種無線設備必須能夠檢測某個特殊頻段是否正在使用,並根據優先順序進行使用協商。正因為如此,它們還必須能夠工作在多個頻段,並能相當靈活地改變載波頻率和調變方案。為了實現這一點,整個發送/接收鏈需要全部可重配置,從而需要在多波段天線、可切換濾波器、高度數位化收發器、先進的向量處理器和MAC軟體等領域進行新的研究開發。

飛利浦司已開始開發數位向量處理器,這些處理器能夠執行滿足各種傳輸標準的軟體編解碼、數據機和通道濾波功能,並提供端到端可重配置所需的射頻電路架構。最終目標是開發出既能在標準間切換、又能同時遵循多個標準工作的收發器/基頻架構,這正是感知無線設備未來的發展方向。

作者:Pieter Hooijmans

射頻部門副總裁

飛利浦半導體公司




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