多模多頻帶3G手機(jī)的RF前端設(shè)計(jì)

手機(jī)市場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)推動(dòng)制造商去尋找新的降低成本、印制電路板(PCB)面積和功率損耗的設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，第三代(3G)網(wǎng)絡(luò)的首次展示已打開各種新型多媒體和以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)的應(yīng)用之門，從無線網(wǎng)絡(luò)接入和移動(dòng)視頻到文本發(fā)送處理和移動(dòng)電視。

隨著這些新型應(yīng)用需求的上升和市場(chǎng)變得日益全球化，手機(jī)生產(chǎn)商陷入了困境。他們?cè)鯓硬拍茉诓贿`背市場(chǎng)嚴(yán)格的成本、覆蓋區(qū)和功率制約的情況下維持不斷增長(zhǎng)的用來支持全球平臺(tái)和需提供這些新的增收服務(wù)的多路寬頻帶技術(shù)的頻帶數(shù)量？最新的3GPP標(biāo)準(zhǔn)支持的頻率數(shù)量已經(jīng)從3個(gè)增加到了10個(gè)并且被設(shè)置可繼續(xù)擴(kuò)展。目前的頻譜和相關(guān)帶寬如圖1所示。

毫無疑問的是：為了在當(dāng)今市場(chǎng)取得成功，手機(jī)設(shè)計(jì)師需要設(shè)計(jì)具備多頻帶、多模能力的手機(jī)?，F(xiàn)有的2G GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的用戶持續(xù)增長(zhǎng)，且具有當(dāng)今最大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率。EDGE技術(shù)通過在GSM系統(tǒng)中引入二級(jí)調(diào)制格式提高了數(shù)據(jù)傳輸率, 基于這種技術(shù)的手機(jī)的出貨速度增長(zhǎng)迅速。

與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商正在繼續(xù)鋪開3G寬帶CDMA(WCDMA)網(wǎng)絡(luò)?；谕ㄓ靡苿?dòng)通信系統(tǒng)(UMTS)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，這種新技術(shù)正迅速成為引領(lǐng)全球移動(dòng)寬帶的解決方案。行業(yè)分析家預(yù)示W(wǎng)CDMA和EDGE將在未來幾年代表手機(jī)市場(chǎng)的兩個(gè)發(fā)展最迅速的部分。而且，為了滿足基于IP的服務(wù)需要，全世界正增加的UMTS運(yùn)營商正在部署高速下行鏈路數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)網(wǎng)絡(luò)。高速上行鏈路數(shù)據(jù)分組接入(HSUPA)也將在不久后開始部署。圖2給出了每個(gè)手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)上下行鏈路數(shù)據(jù)傳輸率。

與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和服務(wù)提供商相信現(xiàn)在正是朝3GPP長(zhǎng)期演變(LTE)方向，主動(dòng)加快WCDMA發(fā)展速度的時(shí)候。LTE正在成為下一代無線寬帶網(wǎng)絡(luò)的主導(dǎo)技術(shù)。它使得下行和上行鏈路數(shù)據(jù)傳輸率分別為100Mbps和50Mbps，并通過采用多輸入多輸出(MIMO)智能天線技術(shù)的正交頻分復(fù)用(OFDM)傳輸機(jī)制來改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋和效率。

LTE將為4G技術(shù)奠定基礎(chǔ)，它要求網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商支持另一個(gè)調(diào)制方案。為利用這些新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商必須克服兩個(gè)巨大的障礙：更高昂的成本和更大的功率損耗。WCDMA手機(jī)的BOM成本為EDGE手機(jī)的兩倍，接近GSM/GPRS手機(jī)成本的三倍。與此同時(shí)，GSM手機(jī)的通話時(shí)間是WCDMA手機(jī)的兩倍，而通話時(shí)間是消費(fèi)者對(duì)手機(jī)使用體驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵因素。

這些區(qū)別主要是由于WCDMA前端架構(gòu)更復(fù)雜。WCDMA是一種擴(kuò)頻技術(shù)，它采用5MHz的傳輸寬帶。因?yàn)閃CDMA采用全雙工通信，所以接收和發(fā)送功能可以同時(shí)進(jìn)行，但這要求前端電路能衰減發(fā)送器的寬帶噪聲，以避免接收器靈敏度降低。通常，這可以通過在發(fā)送和接收通道上采用雙工器和額外的帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)。此外，設(shè)計(jì)工程師一般都采用外部LNA。與GSM/GPRS和EDGE手機(jī)相比，額外的元件數(shù)量和面積增加了WCDMA手機(jī)的成本。

功率效率也是一個(gè)挑戰(zhàn)。在無線設(shè)備中，輸出功率放大級(jí)通常消耗大部分的電池能量。與GSM手機(jī)的功率放大器(PA)工作在飽和模式不同，WCDMA系統(tǒng)中PA工作于線性模式。此外，復(fù)雜的四相移位鍵控(QPSK)調(diào)制技術(shù)也要求PA級(jí)具有高線性度以免降低信號(hào)的質(zhì)量或干擾相鄰信道。因此，WCDMA手機(jī)設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常要在確保WCDMA性能所需的高線性度與更長(zhǎng)電池壽命要求所需的高功率效率之間進(jìn)行權(quán)衡。

前端電路復(fù)制

傳統(tǒng)上，為在同一設(shè)備中支持多種空中接口標(biāo)準(zhǔn)，手機(jī)設(shè)計(jì)工程師已在采用帶有單獨(dú)無線電收發(fā)器的堆疊的無線電架構(gòu)。通常，支持多個(gè)空中接口對(duì)手機(jī)的元件數(shù)量有較大影響，因?yàn)樗蟛捎枚鄠€(gè)聲表面波濾波器(SAW)、振蕩器、濾波器和專用的混頻器。顯然，對(duì)在成本和功率敏感的手機(jī)行業(yè)中的設(shè)計(jì)工程師來說，如此多數(shù)量的元件是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。此外，功能復(fù)制與最小化產(chǎn)品PCB面積的要求直接沖突。一個(gè)典型的7頻帶WEDGE手機(jī)的射頻電路架構(gòu)如圖3所示，實(shí)現(xiàn)這種前端功能目前需要4個(gè)PA、10個(gè)SAW濾波器、3個(gè)雙工機(jī)和1個(gè)單刀九擲開關(guān)。

很明顯，為全球市場(chǎng)設(shè)計(jì)手機(jī)的工程師需要一種新的前端架構(gòu)，這種架構(gòu)可以減少現(xiàn)有的堆疊式射頻前端電路的固有冗余。單個(gè)普通的發(fā)送通道可以最大化地復(fù)用芯片上的電路、減少系統(tǒng)BOM成本、節(jié)省PCB面積并簡(jiǎn)化手機(jī)的前端設(shè)計(jì)。此外，由于線性PA消耗了大部分的手機(jī)電池能量，采用非線性PA的單個(gè)發(fā)送通道可顯著減少功率損耗并延長(zhǎng)手機(jī)電池壽命。