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射頻/無線  

全新MIPI RFFE標準協助RF前端邁向統一

上網時間: 2011年03月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:MIPI  RFFE  行動無線系統  匯流排  4G 

隨著手機射頻系統日趨複雜,業界需要一個單一控制介面解決方案。 MIPI RFFE 是一種專門針對當前及未來行動無線系統在射頻(RF)前端控制從設備的匯流排介面規範。本文將探討MIPI RFFE 1.0版、業界發展RFFE的原因,以及針對現有的相關替代規範進行討論。

手機在過去10年增長迅速,2010年的出貨量達到了 14億部,但需求仍未飽和。同一時間,手機複雜性也日趨提升,從純語音的2G轉移到3G,最近則進展到了4G多功能智慧手機。此外,Wi-Fi、藍牙、全球定位系統(GPS)、調頻收音機和其他無線連接功能也增加了行動通訊的複雜性。

這些不斷加入的無線標準建構出了一種對能涵蓋10個或更多頻段的多無線電解決方案的需求。因此,數位設備所需的射頻前端數量也增加了。對手機製造商來說,要能良好控制這些複雜的設備已成為一大難題。

MIPI聯盟的RF前端控制介面(RFFE)規範透過提供一個可連接到收發器或無線電的匯流排介面解決了這一難題,可用於給多種射頻前端設備,如低雜訊放大器(LNA)功率放大器(PA)、天線開關、天線調諧器、DC/DC轉換器、濾波器、感測器等。這些元件或許由射頻晶片或一些其他設備控制。本文提供了RFFE規格的簡要功能概述,正是這些功能使它適用於這一新興環境所提出的獨特要求。

射頻前端設計挑戰

幾乎所有的蜂巢式手機都必須支援多頻和多無線電。全球無線通訊的頻譜分配已經透過有關當局重新定義或重新界定。從歷史角度看,頻譜分配一直是由各國主導,因而在全球並不一致,因為它們通常由地方政府控制。不幸的是,頻譜的調整是由產業的規模經濟效益所推動,而非由於該領域的先見之明或是全球相關機構之間的合作。若缺乏頻譜對照,就難以實現設備標準化。隨著無線通訊產業持續進行頻譜分配,可預見未來不同的頻段仍將遵循本地化需求,而非針對全球性需要而最佳化。

因此,營運商必須支援他們選定的頻率波段及一些所選擇的漫遊帶;而終端供應商則傾向於提供少量但多樣化的終端產品,以提升其銷售量。這將導致頻帶支援的需求增加。另一個結果是使用頻帶並不需要仰賴射頻存取技術(RAT),不過,無線電仍必須能識別各種使用的RAT,並採取相應的行動。

營運商也希望不斷提升無線電性能。除了更高的吞吐量,業者們還希望在其他領域做出改善,如更高的靈敏度、增加小區覆蓋、改善抗干擾,以及更好的連接品質。結合multi-RAT和多波段同時還要不斷提升性能是一個巨大的設計挑戰。但由於要以現有解決方案在這些領域內提出改良是極其困難的,因此,無線供應商通常採用整合度較低的解決方案。

行動裝置領域也需要藉由導入更多用於射頻前端的新型態元件來獲得更高的性能和更多功能。這些新元件代表了嶄新的技術,而且即使這些組件支持多種功能,仍可能會增加射頻前端的元件數量。在此同時,這些元件還需要專用的平行訊號路徑,以因應必須控制這些路徑的控制需求。舉例來說,一個功率放大器(PA)模組便可能包含多個功率放大器和訊號鏈,因而需要更多的控制能力。

另一個推動性能改善的原因,是必須對類比元件造成的缺陷進行校正。過去的方法是預失真訊號,但當前的趨勢是朝更複雜解決方案發展,包括閉環和即時調整在內。如閉環極座標發射器和天線調諧器,這些方案都為射頻前端導入了全新組件和功能。

很明顯,隨著射頻前端越來越複雜,為了管理眾多訊號鏈,必須擴展解決方案的智慧特性及複雜性。而RFFE控制匯流排的發展已足以因應這些挑戰。

MIPI聯盟的RFFE規範被設計為針對射頻前端中時間關鍵(time-critical)資訊的通道,能滿足典型行動裝置的應用需求。MIPI RFFE規範的一個主要目標是為設備提供相容性,以確保任何供應商的產品都能互通。在複雜RF前端所需的控制功能日益增加之際,系統設計人員要選擇能共用相同控制方案的合適設備也越來越困難。對設備供應商而言,具備可支援所有控制方案的能力,就意味著可開發出各式各樣的裝置,或是具備多種複雜介面的產品。

RFEE規範的另一個目標是滿足主設備(RF IC)和從設備的低接腳數設計需求,從而能在封裝級節省昂貴的I/O成本,並透過採用可連接所有元件的匯流排系統來減少PCB上的走線。在任何高度動態的使用情況下,即時編程和高速、低延遲的指令傳輸對時序精確控制是絕對必要的。而這對提供前端裝置狀態的功能而言也是必須的。

由於射頻前端元件可能會因為其專有需求和必須支援的複雜控制能力而有所變動,因此,RFFE必須提供一系列可選功能。這些功能允許開發更緊湊的矽元件,從僅支援最少指令和功能的簡單元件,到具備高效指令序列的複雜元件都包含在內。該規範還支援可擴展性和省電模式,以協助開發消耗電流更低的系統。


圖 1:RFFE匯流排控制的前端架構範例。

RFFE規範提供整合、靈活的解決方案

MIPI RFFE規範定義了帶RFFE功能設備之間的介面,在RFFE匯流排上有一個主設備以及多達 15個從設備。它使用兩條訊號線,一個由主設備控制的時脈訊號(SCLK),一個單/雙向數據訊號(SDATA),以及一個I/O電源/參考電壓(VIO)。SDATA屬性的選擇是根據從設備是否為僅寫入,或是可支援讀/寫能力。RFFE匯流排零組件以平行方式連接SCLK和SDATA線路。主設備中永遠存在著針對SCLK和SDATA的線路驅動器;而僅從設備支援回讀功能,它需要一個SDATA專用的線路驅動器。每一個實體從設備都必須有一個SCLK輸入接腳、一個SDATA輸入或雙向接腳,以及一個VIO接腳,以確保設備間的訊號相容。圖2為RFFE系統中的元件排放。VIO可從外部提供,如圖所示,或是也能由主設備供應。


圖2:RFFE的高階描述。

主設備驅動RFFE時脈訊號。SCLK的最大工作頻率為26MHz,儘管在RFFE規範中最低速率可能降至32kHz。在閒置或未活動週期,SCLK不切換並保持為邏輯零。

為了有效地建構介面,RFFE規範了一些措施。RFFE從設備針對介面建構的低閘數是透過從設備上的可選指令序列而實現,能為設計師提供可使用最小序列組選項以滿足前端元件要求。此外,回讀是一個具有緩衝區強弱(buffer strength)的功能選項。因此,藉由允許在正常介面時脈速率的一半發生回讀傳輸,面積和電流消耗都可大幅減少。

RFFE支援多達15個訊號匯流排上的邏輯從設備。一個主設備可控制多於一個的RFFE匯流排,因此射頻前端從設備的限制實際上是無限的。用戶可以選擇採用多個RFFE匯流排,即使每一個的從設備都可能少於15個。這樣做可能是出於性能或其他方面的考量,如減少干擾或是提供實體隔離等。

RFFE的協議消息稱之為指令序列,它包括三個部分:序列啟動條件(SSC);指令訊框之後為數據訊框;以及匯流排歸位週期(bus park cycle),它用於關閉指令序列。

RFFE定義了多種指令序列以便在匯流排上完成從設備的讀寫存取,其主要區別是可用尋址空間的數量,以及可在一個訊號指令序列中被轉換的有效載荷數據。其在單一訊號指令序列中支援的有效載荷大小範圍為7位元~16位元組。記憶體可由1位元組到64k位元組等不同指令範圍定址,而一個從設備則可能具有從0位元組到64k位元組的任何記憶體範圍。圖3為RFFE中不同指令類型的記憶體範圍。


圖3:RFFE從地址空間。


圖 4:暫存器寫入指令序列。

圖4顯示了一個‘暫存器寫入’指令序列,可用於將8位元數據寫入A4-A0的暫存器。對一個特定指令序列響應的從設備由一個從位址確認,它位於指令序列的SA3-SA0。RFFE中的數據欄位被假設為位元組的倍數,因此數據訊框包含了8位元數據以及一個附加的檢查位元。地址訊框的長度也是9位元,包含8位元地址資訊和一個檢查位元。RFFE指令訊框則永遠包含12個位元和一個檢查位元。須注意,每一個指令序列中的訊框都搭載了一個檢查位元和奇同位元在該訊框上做計算。根據指令序列的類型,消息中的位址和數據訊框數量也有所不同。

SCLK和SDATA是CMOS類型的訊號,即單端、地面參考、軌對軌、電壓模式訊號。這兩種訊號的電氣參考是依照I/O參考電壓VIO而定。SCLK和SDATA終端使用相同的訊號位準。RFFE元件必須支援1.2V或1.8V,但它們也支援這兩種電壓位準。

為了將RFFE的射頻EMI干擾降至最低,所有訊號都必須遵從該規範定義的訊號壓擺率範圍。在關鍵時刻RFFE主設備也可以藉由延緩SCLK並降低VIO來關閉從設備介面以中止所有的RFFE傳輸。RFFE元件的EMI耐受性則可透過對所有設備輸入規範最低磁滯來最小化。

RFFE從設備支援多種操作模式,包括啟動、主動狀態、關機,以及可選的低功耗模式。啟動模式定義了一套用來在任何RFFE元件成為主動狀態前對其進行初始化的具體動作集。主動狀態是RFFE系統的正常操作模式。低功耗模式則允許從設備在該模式的持續時間內使用定義的特定裝置暫存器。

群組觸發功能在RFEE中是一個重要特色,它允許一個或多個設備滿足精確的時序要求,特別是在使用普通消息時若具有匯流排壅塞風險之際。觸發器提供了可協助解決瞬間頻寬限制的工具,還可同時在多個目的地實現精確定時。

RFFE規範是手機業者、前端元件供應商、RFIC供應商共同努力的成果,參與的公司包括安捷倫科技、博通、富士通、英飛凌科技、LG電子、LnK、摩托羅拉、美國國家半導體、諾基亞、松下、Peregrine半導體、高通、RIM、瑞薩、RFMD、羅德史瓦茲、Skyworks、ST-Ericsson、新思科技,德州儀器和WiSpry公司。

2010年7月,RFFE規範第一版v1.00獲得通過,同一時間RFEE工作小組也發佈了v1.00版的RFFE應用文件。預計可用的RFFE相容設備在不久的將來將會出現在市場上。

MIPI RFFE的工作小組已快要完成RFFE的協議實現一致性聲明(PICS),其目的是協助開發者的設備符合RFFE規範要求。在此同時,工作小組也已展開進程識別和確定未來的擴展 RFFE。這些可能包括更好地支持高度複雜的RF前端拓撲如MIMO和雙射頻解決方案,並提供匯流排上的從設備啟動序列,如中斷。

作者:Victor Wilkerson

WiSpry公司

Gernot Hueber

英飛凌科技





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