射頻技術(shù)：綻放在移動(dòng)與無線之間

當(dāng)麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電磁波之時(shí)，他肯定無法想象幾個(gè)世紀(jì)之后的世界已經(jīng)被各種各樣人為的電磁波所籠罩，成為這個(gè)世界上最重要的信息交換媒介。你可以遠(yuǎn)離喧囂的城市、擁擠的寫字樓，只要你能保持與網(wǎng)絡(luò)的連接，你就可以一邊欣賞美景一邊完成絕大部分日常工作。

射頻是無線信號的源頭，這一切的美好生活都來自于射頻收發(fā)技術(shù)的不斷演進(jìn)，而且射頻技術(shù)還將繼續(xù)快速發(fā)展下去，畢竟現(xiàn)在只有12%的便攜電子產(chǎn)品帶有射頻模塊，而據(jù)估計(jì)到2030年超過50%的便攜產(chǎn)品將擁有射頻功能，這其中將包括你的手表也許還有你的皮鞋！

3G催生射頻變革

移動(dòng)通信已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉ�活中必不可少的組成部分，而射頻無疑是移動(dòng)通信的生根之本。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通話質(zhì)量和傳輸速率都提出了全新的要求，而射頻技術(shù)首當(dāng)其沖。與2G時(shí)代的最高128kbit/s的傳輸速率相比，3GPP所要求的最低傳輸速率必須達(dá)到384kbit/s，更為重要的是 3G的非語音數(shù)據(jù)傳輸將異常頻繁，亦即3G的技術(shù)指標(biāo)主要是在傳輸速率上有比較大的改進(jìn)與增加需要使用不同的調(diào)制及編碼技術(shù)，因此在射頻收發(fā)器的設(shè)計(jì)上必須考慮使用一種較具彈性也就是能兼容各種調(diào)制的收發(fā)器架構(gòu)。具體而言，2G主要進(jìn)行語音傳輸，語音對傳輸速率的要求比較低。而3G則以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為主，數(shù)據(jù)對傳輸速率的要求比較高，所以芯片大信號SNR較高。與2G 相比，3G對射頻芯片的線性度和頻率綜合器的相噪要求都要更高一些。下一代3G蜂窩電話將不但集成更多更強(qiáng)的功能 (Wi-Fi、GPS、藍(lán)牙、數(shù)字電視)，而且還可滿足成本低、尺寸小和電池壽命長的消費(fèi)要求。因此對于3G來說，射頻端芯片技術(shù)必須提供更低的功耗、更多的功能、更寬的帶寬、更小的尺寸，并且可以更好地實(shí)現(xiàn)SoC甚至SIP架構(gòu)。

此外，由于GSM并不會(huì)短期內(nèi)推出歷史舞臺(tái)，因此必將存在一個(gè)GSM與3G長期共存的局面，加上目前存在多種3G標(biāo)準(zhǔn)，這也要求未來的射頻芯片必須具備支持多種通信標(biāo)準(zhǔn)共存的多模功能。所以，應(yīng)用于手機(jī)中的無線收發(fā)芯片(transceiver)需要支持更多的無線通信模式，以兼顧多種的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)并保持從2G到3G的自然過渡。

無線技術(shù)激發(fā)射頻潛能

相比于略顯嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊苿?dòng)通信技術(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)繼承了互聯(lián)網(wǎng)的開放與自由，自然也對射頻技術(shù)提出了更嚴(yán)格的要求。目前已經(jīng)大范圍普及的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不再是催促射頻技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)，雖然人們一再希望Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的AP能夠提供更穩(wěn)定的信號、更廣的發(fā)射范圍以及更高的傳輸速率，目前的射頻技術(shù)已經(jīng)可以滿足最新的802.11n技術(shù)的所有指標(biāo)要求。

根據(jù)用戶需求的不同，無線技術(shù)對射頻的要求千差萬別。比如RFID技術(shù)對射頻的要求不僅是要低成本、更要滿足一定范圍內(nèi)大量發(fā)射點(diǎn)的精確識(shí)別；藍(lán)牙技術(shù)則盡可能的要求在提高傳輸速度的同時(shí)解決信號干擾問題，更要盡可能降低已經(jīng)很低的系統(tǒng)功耗；而UWB技術(shù)則是在不斷探索著射頻收發(fā)的傳輸速度極限，至少 2Gbit/s的傳輸速率無疑對射頻技術(shù)開發(fā)是個(gè)不小的挑戰(zhàn)；WiMax和無線Mesh網(wǎng)更是要求無線網(wǎng)絡(luò)的AP可以提供比蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站覆蓋范圍更廣，支持客戶更多的服務(wù)，而且單個(gè)用戶的最大傳輸帶寬要求已經(jīng)提升到60Mbit/s以上；GPS技術(shù)則要求射頻技術(shù)與衛(wèi)星通信相結(jié)合，并且能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)各種惡劣地形環(huán)境下的穩(wěn)定數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)，更重要的是必須盡可能把GPS應(yīng)用的線路板面積減到最小，功耗及成本也降到最低。最近流行的藍(lán)牙加UWB融合方案則要求在達(dá)到480Mbit/s以上的傳輸速率的同時(shí)，保持像藍(lán)牙技術(shù)那樣的低功耗，這無疑需要對射頻電路的工作實(shí)行更智能的開關(guān)控制。

雖然射頻技術(shù)只需要滿足每個(gè)無線技術(shù)的特定要求即可，但這無疑將極大擴(kuò)展射頻技術(shù)的研究范圍，讓射頻技術(shù)變得更加靈活與多樣。

移動(dòng)與無線的融合帶來新挑戰(zhàn)

如果說五年以前移動(dòng)與無線技術(shù)還是勢如水火的仇敵，那么如今無線與移動(dòng)技術(shù)走得越來越近，甚至已經(jīng)開始了融合的探索。蘋果推出的Iphone已經(jīng)可以支持 Wi-Fi，最近，美國正計(jì)劃將WiMax申請作為第四種3G移動(dòng)通信國際標(biāo)準(zhǔn)，這無疑是無線技術(shù)與移動(dòng)技術(shù)走向融合的重要信號。蜂窩和無線寬帶網(wǎng)絡(luò)的匯聚目前正處于開發(fā)和測試階段，其中，OFDM 無線射頻 (RF) 信號技術(shù)是關(guān)鍵。我們預(yù)期在踏入下一個(gè)十年之初，便會(huì)看到全球蜂窩／無線寬帶匯聚型網(wǎng)絡(luò)得到大眾市場所采納。由于我們?nèi)粘Ｉ�活各方面對互�?lián)網(wǎng)的依賴正不斷增強(qiáng)，人們將要求全面無地域限制的移動(dòng)寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入和語音服務(wù)。

當(dāng)然，目前移動(dòng)和無線技術(shù)的融合還是經(jīng)常以兩個(gè)射頻模塊形式出現(xiàn)，在市場需求和技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，遲早兩種技術(shù)將集成到一個(gè)射頻電路中得以實(shí)現(xiàn)，這無疑對射頻電路在多種工作頻率、多種收發(fā)模式和多種信號自動(dòng)選擇等方面提出更多的要求，電路的復(fù)雜度將大大增加，而這也是射頻電路研究者們一個(gè)重要的歷史任務(wù)。

深入探討射頻技術(shù)發(fā)展

射頻技術(shù)的發(fā)展首先要滿足市場對其提出的主要要求，即實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化、集成化，并在提高集成度的同時(shí)降低射頻電路的尺寸并降低功耗。在此基礎(chǔ)上，還必須基于數(shù)字電路的發(fā)展，提高射頻電路在多標(biāo)準(zhǔn)、多模式環(huán)境下的應(yīng)用能力，也就是通常所說的“軟件無線電技術(shù)”。

從技術(shù)角度而言，射頻技術(shù)首先還是要從性能上取得提升以滿足各種技術(shù)的需要。隨著寬帶無線系統(tǒng)的不斷推出，系統(tǒng)對于信道利用率的要求越來越高，這對信道編碼技術(shù)及空中接口技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。對于射頻部分來說，則提出了更高的線性度和更低的帶內(nèi)、帶外噪聲指標(biāo)要求。射頻芯片的挑戰(zhàn)還包括更高的接收靈敏度和更低的噪聲系數(shù)，優(yōu)異的性能是對產(chǎn)品的最基本要求。

實(shí)現(xiàn)高性能的重要手段就是提高射頻電路的復(fù)雜程度，而射頻電路一般包括收發(fā)器、功放和開關(guān)三個(gè)部分。現(xiàn)在的射頻電路從根本上來說是以模擬電路為主的混合信號電路。雖然數(shù)字化是現(xiàn)在射頻電路芯片的一個(gè)趨勢，但射頻技術(shù)很難離開高性能模擬技術(shù)的支持，因此射頻電路復(fù)雜程度的提高對射頻芯片體積的減小提出很多挑戰(zhàn)。射頻端必須著重在降低功耗、加速不同工藝的整合及降低成本上努力。這可由兩個(gè)方向來實(shí)現(xiàn)，一個(gè)是采用全新的SIP架構(gòu)，也就是將不同工藝的芯片集成在一個(gè)封裝模塊上，如前端的功放及天線收/發(fā)開關(guān)(swtichplexer)，或?qū)⒐Ψ偶笆瞻l(fā)器放在同一個(gè)基板上(Laminate)做成模塊。另外一項(xiàng)就是將功率放大器的制作工藝進(jìn)步到CMOS，以便與收發(fā)器的芯片相整合，在降低功放的功耗上則應(yīng)設(shè)計(jì)高效率的功放操作，在飽和條件下與前述的極化調(diào)制相對應(yīng)。

目前，CMOS是適合于射頻IC的主流工藝，它的集成度很高，可以對所有無源器件進(jìn)行集成，能夠降低終端廠家的產(chǎn)品成本和設(shè)計(jì)難度。隨著無線通信產(chǎn)品向消費(fèi)電子領(lǐng)域轉(zhuǎn)化，對產(chǎn)品成本的要求也越來越高，CMOS將以其成本方面的優(yōu)勢替代BiCMOS或SiGe工藝成為RF芯片的主流工藝。此外重要起來的因素是易于實(shí)現(xiàn)在數(shù)字域?qū)ι漕l信號進(jìn)行處理。這對于提升芯片性能及開發(fā)多模芯片具有重要的意義。針對許多模擬電路難于縮小到足夠的尺寸，可以利用各種各樣的數(shù)字校準(zhǔn)、數(shù)字環(huán)路來代替原來不理想的部分。另外，數(shù)字電路本身就是CMOS工藝的強(qiáng)項(xiàng)，這會(huì)加快射頻芯片數(shù)字化的進(jìn)程。目前，已經(jīng)可以利用CMOS工藝將 TxR和PA集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)射頻芯片的全CMOS工藝制造。

電路復(fù)雜度的提升和尺寸的縮小意味著射頻芯片將具有更高的集成度。射頻芯片集成度的提高，射頻電路其他器件數(shù)量的減少，意味著更低的BOM(物料清單)價(jià)格和產(chǎn)品成本、更高的產(chǎn)品穩(wěn)定性和良品率。而對于射頻芯片設(shè)計(jì)公司來說，集成度包括芯片電路的集成和芯片功能集成兩個(gè)方面。目前為響應(yīng)市場上對低成本移動(dòng)設(shè)備的需求，各大手機(jī)芯片廠商將越來越多的功能集成在單射頻芯片中，單芯片手機(jī)方案已經(jīng)完全成熟。

射頻芯片的最新進(jìn)展

目前的射頻芯片根據(jù)不同的應(yīng)用有不同的性能特點(diǎn)�；�站用射頻芯片在相同的集成化要求下具有更高的技術(shù)指標(biāo)、更高的精度和可靠性要求，無論是發(fā)射功率還是信道容量都具有明顯的優(yōu)勢。

手機(jī)上的射頻芯片技術(shù)是所有射頻芯片中尺寸做得最小的，高通公司8月1日推出了45納米CMOS半導(dǎo)體制造技術(shù)的芯片設(shè)計(jì)，該技術(shù)能夠使芯片實(shí)現(xiàn)更快的速度、更低的功耗以及更高的集成度，同時(shí)還能夠在每個(gè)晶片上提供更多管芯，從而降低管芯成本。

SiGe半導(dǎo)體開發(fā)的高性能、靈活性及低功耗的WiMAX 無線寬帶射頻 (RF) 收發(fā)器支持明年推出的為無線寬帶接入而制定的802.16d標(biāo)準(zhǔn)，這一芯片組是專門設(shè)計(jì)來應(yīng)對將WiMAX無線寬帶集成到移動(dòng)消費(fèi)電子產(chǎn)品中時(shí)的功效挑戰(zhàn)。

關(guān)于TD-SCDMA的一點(diǎn)題外話

TD-SCDMA可以說是國內(nèi)目前最受關(guān)注的射頻應(yīng)用技術(shù)，而TD-SCDMA手機(jī)招投標(biāo)將在今年下半年展開。大唐、展迅、凱明、T3G等是國內(nèi)主要從事 TD-SCDMA手機(jī)解決方案開發(fā)的廠商。目前，由大堂移動(dòng)和ADI聯(lián)合開發(fā)的手機(jī)參考設(shè)計(jì)已經(jīng)通過了幾個(gè)商用實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的測試。我們的老朋友ADI射頻和無線系統(tǒng)業(yè)務(wù)部業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Doug Grant介紹：“我們新的手機(jī)芯片包括一些增加的功能，例如高效電源管理和集成的照相機(jī)處理器。此外，我們還提供新型CMOS射頻收發(fā)器，例如可用于W -CDMA和TD-SCDMA的AD6551 Othello-3"芯片以及用于WiMAX/WiBRO的AD9352和AD9353。其中，AD6551采用了經(jīng)過優(yōu)化的發(fā)射器和接收器電路的設(shè)計(jì)組合，無需接收和發(fā)射SAW濾波器，并且可與ADI公司的 SoftFone酒櫓苯恿印D9352和AD9353包含用于基帶同相（I）和正交（Q）通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），并提供ADI/Q"串行接口用來和各種數(shù)字基帶處理器直接連接。”

此外，T3G與NXP聯(lián)合推出了實(shí)現(xiàn)TD-SCDMA與GSM/GPRS/EDGE多模式間語音和數(shù)據(jù)自動(dòng)切換的參考設(shè)計(jì)。在這個(gè)參考設(shè)計(jì)中，由T3G根據(jù)NXP3G手機(jī)設(shè)計(jì)修改了射頻端部分電路和協(xié)議棧內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)了兩種不同制式的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)間的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的無縫自動(dòng)切換。

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