簡化LTE的復雜性：第一個可重構的射頻前端

LTE器件市場正在迅速增長，而且，它對射頻前端(RFFE)性能的要求是前所未有的。ABI研究公司預測，在2014年，LTE訂購量將達到3.752億，在2015年，將增加60 %，上升到的5.889億。該公司的研究簡報“明天的互聯(lián)世界：2014和2015年預測中也指出，LTE和其他連接器件功能的增強，將推動“全球一年的 4G移動網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量在2014年增加一倍以上，達到12.4艾字節(jié)。越來越多的頻段加上載波聚合的實施，支持數(shù)據(jù)量增長的需求，但是，與先前各代的移動無線比較，這極大地增大了射頻前端的復雜程度。保守地說，即將出現(xiàn)的射頻前端系統(tǒng)中，射頻前端的可能狀態(tài)的數(shù)量(參見圖1)將增加5000倍以上。頻段、不同的調(diào)制方案、功率放大器模式、天線調(diào)諧狀態(tài)和下行鏈路載波的數(shù)量越來越多，把這些相乘起來，便得到射頻前端復雜程度增大5000倍的結果。由于射頻前端如此復雜，現(xiàn)在，產(chǎn)業(yè)界需要真正的可重構射頻前端。

圖1 在未來的幾年中，射頻前端將迅速地變得更加復雜。此圖說明，把頻段、調(diào)制方案、功率放大器模式、天線調(diào)諧狀態(tài)和下行鏈路載波聚合的數(shù)量乘起來，便得到射頻前端的復雜程度增大5000倍。

困難重重：一個全球通的用SKU

射頻前端包含收發(fā)器輸出和天線之間的所有元件。傳統(tǒng)上，它一直是由眾多不同廠商，在迥然不同的技術混合使用的基礎上，獨立設計的一組產(chǎn)品。移動數(shù)據(jù)的需求推動著頻段的大量增加，以及LTE和載波聚合這些先進的技術，在此之前，這是可以接受的解決方案。今天，市場的要求更多，但是，OEM廠商受到現(xiàn)有射頻前端技術的限制，不能提供一個可以在全球所有地區(qū)使用的參考設計──只需要一個全球通用的SKU的設計。

我們來看看蘋果公司最近推出的iPhone 5S，它里面有5個SKU ，以適應不同區(qū)域的需要。我們的研究表明，這些器件之間唯一明顯的區(qū)別是射頻前端包含的東西。在最近，我們與行業(yè)中領先的分析公司一起討論。我們的討論證實了這些研究結果。參加討論的領先公司是Gartner公司， IHS iSuppli公司和Strategy Analytics公司。假如有一項技術可以供蘋果公司使用，推出一種iPhone，它用一個SKU就能滿足全球的需要，試想一下，在設計、驗證、制造以及供應商管理和存貨管理等方面，能省下多少成本。

使用現(xiàn)有的CMOS射頻開關和天線調(diào)諧器加上GaAs功率放大器(PA )的混合型射頻前端，不可能提高芯片的集成程度?，F(xiàn)在，射頻前端的復雜程度呈指數(shù)般地上升，集成是關鍵。一些公司試圖通過開發(fā)復雜的多芯片模塊，逐漸地作出改進，來解決這個問題，但是在技術上受到了限制。只有真正的可重構射頻前端能夠做到一個，全球通用，而且，只有整個系統(tǒng)使用CMOS技術，才有可能實現(xiàn)可重構的射頻前端 。

CMOS的優(yōu)點

二十五年來，Peregrine半導體和它的創(chuàng)辦人一直在射頻SOI領域領先，并且有一個愿景，這就是在CMOS的基礎上，做出一個集成射頻前端。CMOS設計的好處包括，有很多CMOS工廠，工藝控制十分嚴格，能夠把各種功能集成在一塊硅片上，其中包括調(diào)諧功能和控制功能。

Peregrine半導體公司的UltraCMOS ® 10技術平臺在2013年10月問世，它使用130納米的RF- SOI技術，把射頻應用的性能提高了一倍──它的* Coff是有競爭力的解決方案的一半(見圖2 )。

圖2 Peregrine半導體的UltraCMOS®10技術平臺──新一代射頻開關，調(diào)諧器和功率放大器的基礎 ──顯著地提高了用Ron* Coff性能指數(shù)()表示的性能。

Peregrine半導體的UltraCMOS®Global 1系統(tǒng)

UltraCMOS10平臺在性能和設計兩方面都有很大提高，Peregrine半導體公司充份發(fā)揮它的長處，做出來第一個可重構的射頻前端系統(tǒng)，它能夠做到一個SKU，全球通用。這個射頻前端稱作UltraCMOS Global 1，它可以擴展，通過低損耗的開關和調(diào)諧之間的高度隔離，可以很容易做到支持數(shù)量更多的頻段，從而解決互操作問題，并以數(shù)字控制的方式，適應所有的模式和頻段，最重要的是，功率放大器的性能和GaAs功放相當。

Peregrine半導體的UltraCMOS®Global 1系統(tǒng)(見圖3)包含：

• 3路、多模式、多頻段功率放大器

• 功放后面的開關

• 天線開關

• 天線調(diào)諧器

• 支持包絡跟蹤

• 通用的射頻前端 MIPI接口

圖3Peregrine半導體的UltraCMOS®Global 1是第一個可重構射頻前端系統(tǒng)。

行業(yè)中第一個達到GaAs功放性能的CMOS功放

在以前，沒有一家廠商能夠提供性能和GaAs功率放大器相當?shù)腃MOS功率放大器，這樣，在LTE領域，CMOS功放不會有競爭。在這個領域，在性能方面的任何下降，都是不可以接受的。UltraCMOS®Global 1系統(tǒng)把Peregrine的成熟的、最好的射頻開關和調(diào)諧器與第一個CMOS功率放大器緊密無間地整合在一起，達到GaAs功率放大器的性能。性能達到這個水平的功放，不需要增強包絡跟蹤，也不需增大數(shù)字預失真，在比較CMOS功放和GaAs功放的性能時，往往用這種方法。

圖4 Peregrine半導體公司的UltraCMOS®Global 1功放是行業(yè)中第一個達到GaAs功放性能并超過現(xiàn)有CMOS功放性能十個百分點的功放，這表示效率提高了百分之33。

圖4說明，窄頻帶功放的PAE(功率增加效率)性能指標的比較，這里使用WCDMA(語音)波形，相鄰信道泄漏比(ACLR)為-38 dBc。在這些條件下，UltraCMOS Global 1功放的性能已接近PAE為50%。這與領先的GaAs功放產(chǎn)品水平相當，超過現(xiàn)有CMOS功放十個百分點，這表示效率提高了百分之33。

圖 5 Peregrine半導體的UltraCMOS ®Global 1 功放能夠與GaAs功放的性能媲美，并且做到GaAs功放做不到的事：支持全球通用的單片SKU LTE器件。

圖5說明，Peregrine的功放作為UltraCMOS ®Global 1系統(tǒng)的一部分，它的性能并不局限于有競爭力的WCDMA的性能，而且保持與GaAs相當?shù)?、用于LTE波形的PAE。在LTE標準中，按照指定給用戶的信道帶寬對資源塊(RB)進行不同的分配。 5MHz的信道相當于25個RB，20MHz信道相當于100個RB。而且，這個數(shù)據(jù)是在沒有使用數(shù)字預失真技術或包絡跟蹤的情況下得到的。

用第三方包絡跟蹤來提高性能

UltraCMOS Global 1功放沒有使用包絡跟蹤就達到了有競爭力的GaAs功放的性能水平，同時，UltraCMOS Global 1本身支持包絡跟蹤( ET)，并且已經(jīng)設計成為支持目前市場上所有主要的解決方案。在功率飽和( PSAT )時的PAE說明了使用ET調(diào)制器可以達到甚么樣的PAE，不過，ET帶來的效率增強，與具體的頻段有關。由于使用了包絡跟蹤器，UltraCMOS Global 1的PAE提高了20個百分點。

可重構

在CMOS平臺上實現(xiàn)整個射頻前端的一個最大好處是，它的高度可重構性賦予射頻工程師的靈活性。有不同程度的可重構性──從簡單的偏置控制到整個射頻調(diào)諧。Peregrine半導體充分發(fā)揮它在射頻天線調(diào)諧產(chǎn)品方面的技術專長，把可重構的能力設計到UltraCMOS Global 1射頻前端之中 。利用可重構系統(tǒng)，可以在所有頻率上保持性能是一致的。在窄帶解決方案中，這很少成為主要的問題，但是，對于寬帶系統(tǒng)，會隨著頻率而明顯地下降，由于工藝上的誤差，以及電壓和溫度變化，會進一步加劇。

圖6 通過可調(diào)諧的匹配網(wǎng)絡，Peregrine半導體的UltraCMOS® Global 1功放能夠?qū)π阅苓M行優(yōu)化，針對頻帶進行調(diào)諧，可以進一步抑制其他頻段，對于減輕一些難以互操作的情況，是有幫助的。

在圖6中的曲線是UltraCMOS Global 1 功放被調(diào)諧到了三個不同的調(diào)諧狀態(tài)。這意味著調(diào)諧狀態(tài)是根據(jù)操作頻率進行選擇的，以便達到最佳性能。例如，在790MHz選擇調(diào)諧狀態(tài)1，但是，在860MHZ，可以使用調(diào)諧狀態(tài)2 。由于往往需要用一個功放盡可能高效率地支持多個頻段，這點變得越來越重要。圖中有一個典型的GaAs寬帶功率放大器的性能特性，作為比較頻率特性下降的基準。

在每個集成射頻前端元件中，UltraCMOS Global 1提供了多種重構方案：

• 射頻調(diào)諧：功放可以根據(jù)運作頻率、調(diào)制方式或者使用的功率電平進行優(yōu)化。通過調(diào)諧，UltraCMOS Global 1的每條信道可以在頻段的基礎上進行優(yōu)化，在整個頻率范圍內(nèi)，充份減少PAE和線性度的變化(圖6 ) 。

• 針對頻帶對界面進行優(yōu)化：在許多單頻帶功放和雙工器( PAD)模塊中，對功率放大器和雙工器之間的阻抗進行了優(yōu)化，以便優(yōu)化PAE 。對于一個固定的多頻帶放大器，這是不可能的，因為它需要支持多個雙工器。用一個可調(diào)諧功率放大器，能夠?qū)γ恳活l帶，對這個界面的阻抗進行優(yōu)化，這將提高整個射頻前端系統(tǒng)的性能。

• 對每個頻帶、每個模式進行偏置：按照工作頻帶和模式，如何對功率放大器進行偏置，有很大差別。在CMOS工藝中，可以通過靈活的偏壓來控制。

• 容差的校正：在 UltraCMOS Global 1的可重構系統(tǒng)中，由于在最終測試階段進行的處理，射頻工程師可以消除制造公差。消除射頻前端的大部分變化之后，可以顯著提高系統(tǒng)的性能，這樣，可以把系統(tǒng)設計成為更加嚴格地接近規(guī)范的要求。

• 只用CMOS實現(xiàn)：要把射頻調(diào)諧和偏置的靈活性做到這個水平，需要相當數(shù)量的控制位和密集的互連。UltraCMOS Global 1包含射頻前端的MIPI 控制界面，100多條控制線，模擬驅(qū)動器和其他支持電路。參考電壓都來自同一個偏置電壓產(chǎn)生器，確保對工藝、電壓和溫度進行全面跟蹤。對于多芯片解決方案，要達到這個程度的控制，是不可能的，因此，對于GaAs，要把功能做到這個水平，是不可能的。

Peregrine半導體已經(jīng)為市場提供了二十多億個開關和調(diào)諧器，現(xiàn)在推出行業(yè)中唯一的CMOS功率放大器，挑戰(zhàn)GaAs功放的性能。UltraCMOS Global 1功放加入Peregrine業(yè)界中性能最好的射頻天線開關和調(diào)諧器行列，成為完成可重構射頻前端所需要的最后一個元件 。有了這樣的可重構射頻前端，可以實現(xiàn)一個SKU，全球通用。UltraCMOS Global 1功放的性能將在2014年移動世界大會上演示，平臺的整合將在2014年完成，并在2015年逐步投入大批量生產(chǎn)。

結論

Peregrine半導體的UltraCMOS Global 1是為了解決LTE設備領域的一個最大挑戰(zhàn)而設計的── 一個SKU，全球通用。它是第一個完全可重構的射頻前端，因為它是在先進的CMOS平臺上設計的，并且凝聚了Peregrine半導體的二十五年的射頻技術專長。在推出業(yè)界第一個CMOS功率放大器，達到GaAs功率放大器的性能水平之后，在今天完成這個射頻前端系統(tǒng)， 而CMOS平臺提供的可重構和性能，使得一個SKU、全球通用成為可能。

RF設計工程師將最受惠于UltraCMOS Global 1 ，因為它可以大量地減少所需要的設計和驗證時間。眾所周知，在移動無線行業(yè)，縮短開發(fā)周期是一個重大好處。UltraCMOS Global 1除了射頻設計工程師可以利用的優(yōu)點，它的好處會滲透到無線生態(tài)系統(tǒng)：

• 平臺提供商能夠開發(fā)一個參考平臺，降低參考設計的開發(fā)成本，縮短驗證時間。

• OEM廠商能夠設計一個全球通用的SKU ，降低研發(fā)成本，加快產(chǎn)品上市時間，簡化供應鏈并改善存貨管理。

• 消費者可以享受更長的電池壽命，更好的接收效果，更快的數(shù)據(jù)傳輸速率和更廣泛的漫游范圍。

UltraCMOS Global 1系統(tǒng)提供了更大的靈活性、更多的選擇，以便滿足下一波對全球移動設備創(chuàng)新的需求。