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简化多模多频带3G手机的RF前端设计
作者：不详
来源：网络
日期：2011-05-18 10:28:02
摘要：在当今高度竞争的手机市场上，传统的堆叠无线电架构对多模多频带手机来说不再可行。它们的功能重复设计、更高的BOM成本和更大的PCB面积都将降低市场竞争力。为满足顾客要求，设计师需要一种新的、更有效的多模多频手机的前端设计方法。
手机市场激烈的竞争推动制造商去寻找新的降低成本、印制电路板(PCB)面积和功率损耗的设计方法。同时，第三代(3G)网络的首次展示已打开各种新型多媒体和以实验为依据的应用之门，从无线网络接入和移动视频到文本发送处理和移动电视。
随着这些新型应用需求的上升和市场变得日益全球化，手机生产商陷入了困境。他们怎样才能在不违背市场严格的成本、覆盖区和功率制约的情况下维持不断增长的用来支持全球平台和需提供这些新的增收服务的多路宽频带技术的频带数量？最新的3GPP标准支持的频率数量已经从3个增加到了10个并且被设置可继续扩展。
毫无疑问的是：为了在当今市场取得成功，手机设计师需要设计具备多频带、多模能力的手机。现有的2G GSM/GPRS网络的用户持续增长，且具有当今最大的网络覆盖率。EDGE技术通过在GSM系统中引入二级调制格式提高了数据传输率, 基于这种技术的手机的出货速度增长迅速。
与此同时，网络运营商正在继续铺开3G宽带CDMA(WCDMA)网络。基于通用移动通信系统(UMTS)的网络拓扑架构，这种新技术正迅速成为引领全球移动宽带的解决方案。行业分析家预示WCDMA和EDGE将在未来几年代表手机市场的两个发展最迅速的部分。而且，为了满足基于IP的服务需要，全世界正增加的UMTS运营商正在部署高速下行链路数据分组接入(HSDPA)网络。高速上行链路数据分组接入(HSUPA)也将在不久后开始部署。图2给出了每个手机标准和相关上下行链路数据传输率。
与此同时，网络运营商和服务提供商相信现在正是朝3GPP长期演变(LTE)方向，主动加快WCDMA发展速度的时候。LTE正在成为下一代无线宽带网络的主导技术。它使得下行和上行链路数据传输率分别为100Mbps和50Mbps，并通过采用多输入多输出(MIMO)智能天线技术的正交频分复用(OFDM)传输机制来改善网络覆盖和效率。
LTE将为4G技术奠定基础，它要求网络运营商支持另一个调制方案。为利用这些新型网络技术，网络运营商必须克服两个巨大的障碍：更高昂的成本和更大的功率损耗。WCDMA手机的BOM成本为EDGE手机的两倍，接近GSM/GPRS手机成本的三倍。与此同时，GSM手机的通话时间是WCDMA手机的两倍，而通话时间是消费者对手机使用体验的一个关键因素。
这些区别主要是由于WCDMA前端架构更复杂。WCDMA是一种扩频技术，它采用5MHz的传输宽带。因为WCDMA采用全双工通信，所以接收和发送功能可以同时进行，但这要求前端电路能衰减发送器的宽带噪声，以避免接收器灵敏度降低。通常，这可以通过在发送和接收通道上采用双工器和额外的带通滤波器来实现。此外，设计工程师一般都采用外部LNA。与GSM/GPRS和EDGE手机相比，额外的元件数量和面积增加了WCDMA手机的成本。
功率效率也是一个挑战。在无线设备中，输出功率放大级通常消耗大部分的电池能量。与GSM手机的功率放大器(PA)工作在饱和模式不同，WCDMA系统中PA工作于线性模式。此外，复杂的四相移位键控(QPSK)调制技术也要求PA级具有高线性度以免降低信号的质量或干扰相邻信道。因此，WCDMA手机设计工程师经常要在确保WCDMA性能所需的高线性度与更长电池寿命要求所需的高功率效率之间进行权衡。
前端电路复制
传统上，为在同一设备中支持多种空中接口标准，手机设计工程师已在采用带有单独无线电收发器的堆叠的无线电架构。通常，支持多个空中接口对手机的元件数量有较大影响，因为它要求采用多个声表面波滤波器(SAW)、振荡器、滤波器和专用的混频器。显然，对在成本和功率敏感的手机行业中的设计工程师来说，如此多数量的元件是一个不小的挑战。此外，功能复制与最小化产品PCB面积的要求直接冲突。实现这种前端功能目前需要4个PA、10个SAW滤波器、3个双工机和1个单刀九掷开关。
很明显，为全球市场设计手机的工程师需要一种新的前端架构，这种架构可以减少现有的堆叠式射频前端电路的固有冗余。单个普通的发送通道可以最大化地复用芯片上的电路、减少系统BOM成本、节省PCB面积并简化手机的前端设计。此外，由于线性PA消耗了大部分的手机电池能量，采用非线性PA的单个发送通道可显著减少功率损耗并延长手机电池寿命。
扩展极性调制
实现这种前端设计的一个方法是在WCDMA和其他高带宽无线技术中采用极性调制。极性调制广泛用于GSM和EDGE系统中，它通过允许PA的输入信号为固定包络或不包含幅度不同的分量信号，来消除功率效率和放大器线性度之间的固有冲突。
在极性调制机构中，通常以直接上变频发送到收发器的I和Q矩形基带信号被转换为具有幅度和相位组成的极性格式。这就允许设计师有区别且更有效的应用两种调制元件。相位信号被供给被用做相位/频率调制器的相锁回路(PLL)。然后PLL-VCO的输出信号被供给工作在接近饱和/削波状态的VGA或PA。因为PLL产生的相位调制信号幅度仍然不变，所以可以通过采用更高效非线性类的E或F放大器被放大。通过发射机极大减少了功率损耗，并且最终延长了电池寿命。
GSM系统采用具有高斯最小移位键控的固定包络调制。由于复杂信号轨迹位于单位圆上，因此调制可以通过其相位组成得到完全描述。EDGE系统采用不同方式编码3π/8的8相移位键控(PSK) 调制使GSM数据传输率提高了3倍。AM被加到信号上以便传送信号与GSM占用相同的270 kHz带宽。这些相似性简化了GSM极性收发器到EDGE的扩展。
WCDMA提出了一套完全不同的挑战。这个技术包括多路数据信道，并且采用扩展频谱混合PSK(HPSK)调制来达到更高的数据传输率。多路信道的使用产生了一套叠加的由不同扩展因数引起的不同增益的四相PSK(QPSK)模式。一种根升余弦滤波器限制标志拖尾，并且传送信号的带宽约束为3.84MHz。
这些区别之处对发射机的设计有不同要求。GSM和EDGE系统要求出色的相位线性、低相位噪声和高效率。WCDMA系统在相当大的带宽和幅度范围内都需求高精确性。
极性架构已在GSM/EDGE解决方案得到验证，它能提供最低的噪声性能，从而无需采用SAW滤波器。这个方法能被运用在WCDMA方案中以消除发送SAW滤波器，且不需要线性架构所要求的额外电流损耗。因为极性架构支持所有的调制格式，它同样能支持真正的多模PA。这种架构大大减少下一代解决方案的总体尺寸和复杂度。
新的前端电路架构
为简化多模手机的前端电路设计且降低手机的成本和PCB面积，Sequoia Communications公司已开发了一种创新、利用极性调制技术为所有模式提供单发送通道的架构。该公司的FullSpectra架构为单芯片多模RF收发器的设计提供了基础。第二代SEQ7400支持7个频带，同时支持3频带WCDMA/HSDPA、4频带EDGE、GPRS和GSM，可适用全世界的大多数主要网络。为了减少元件数量和成本，收发器集成了所有的LNA和WCDMA级间滤波器。设备在紧凑的RF引脚中提供标准模拟接口和SCI或DigRF 2.5G控制接口。
另外，通过在同一手机中支持4频带EDGE和3频带WCDMA接口，这种新的方法给设计团队为不同地理区域和市场开发平台体统了很大灵活性。这种新架构能提高工厂生产量和进一步改进手机制造成本，并最终通过降低发送和备用电流的要求，允许设计师在下一代手机设计中延长电池寿命。
本文小结
在当今高度竞争的手机市场上，传统的堆叠无线电架构对多模多频带手机来说不再可行。它们的功能重复设计、更高的BOM成本和更大的PCB面积都将降低市场竞争力。为满足顾客要求，设计师需要一种新的、更有效的多模多频手机的前端设计方法。
极性调制为开发最有前途的发送架构提供了机会。极性调制允许单个通道被用在所有的调制方案中，从而提供面积最小的硅实现方法。它易于支持下一代多模式PA。该解决方案固有的低噪声性能提供了一种高效率的电池能量使用方法，省去了WCDMA发送SAW滤波器。此外，这种超过其他架构的效率优点将随着行业向更高阶位调制机制(如HSUPA和LTE)的转移而增加。
随着这些新型应用需求的上升和市场变得日益全球化，手机生产商陷入了困境。他们怎样才能在不违背市场严格的成本、覆盖区和功率制约的情况下维持不断增长的用来支持全球平台和需提供这些新的增收服务的多路宽频带技术的频带数量？最新的3GPP标准支持的频率数量已经从3个增加到了10个并且被设置可继续扩展。
毫无疑问的是：为了在当今市场取得成功，手机设计师需要设计具备多频带、多模能力的手机。现有的2G GSM/GPRS网络的用户持续增长，且具有当今最大的网络覆盖率。EDGE技术通过在GSM系统中引入二级调制格式提高了数据传输率, 基于这种技术的手机的出货速度增长迅速。
与此同时，网络运营商正在继续铺开3G宽带CDMA(WCDMA)网络。基于通用移动通信系统(UMTS)的网络拓扑架构，这种新技术正迅速成为引领全球移动宽带的解决方案。行业分析家预示WCDMA和EDGE将在未来几年代表手机市场的两个发展最迅速的部分。而且，为了满足基于IP的服务需要，全世界正增加的UMTS运营商正在部署高速下行链路数据分组接入(HSDPA)网络。高速上行链路数据分组接入(HSUPA)也将在不久后开始部署。图2给出了每个手机标准和相关上下行链路数据传输率。
与此同时，网络运营商和服务提供商相信现在正是朝3GPP长期演变(LTE)方向，主动加快WCDMA发展速度的时候。LTE正在成为下一代无线宽带网络的主导技术。它使得下行和上行链路数据传输率分别为100Mbps和50Mbps，并通过采用多输入多输出(MIMO)智能天线技术的正交频分复用(OFDM)传输机制来改善网络覆盖和效率。
LTE将为4G技术奠定基础，它要求网络运营商支持另一个调制方案。为利用这些新型网络技术，网络运营商必须克服两个巨大的障碍：更高昂的成本和更大的功率损耗。WCDMA手机的BOM成本为EDGE手机的两倍，接近GSM/GPRS手机成本的三倍。与此同时，GSM手机的通话时间是WCDMA手机的两倍，而通话时间是消费者对手机使用体验的一个关键因素。
这些区别主要是由于WCDMA前端架构更复杂。WCDMA是一种扩频技术，它采用5MHz的传输宽带。因为WCDMA采用全双工通信，所以接收和发送功能可以同时进行，但这要求前端电路能衰减发送器的宽带噪声，以避免接收器灵敏度降低。通常，这可以通过在发送和接收通道上采用双工器和额外的带通滤波器来实现。此外，设计工程师一般都采用外部LNA。与GSM/GPRS和EDGE手机相比，额外的元件数量和面积增加了WCDMA手机的成本。
功率效率也是一个挑战。在无线设备中，输出功率放大级通常消耗大部分的电池能量。与GSM手机的功率放大器(PA)工作在饱和模式不同，WCDMA系统中PA工作于线性模式。此外，复杂的四相移位键控(QPSK)调制技术也要求PA级具有高线性度以免降低信号的质量或干扰相邻信道。因此，WCDMA手机设计工程师经常要在确保WCDMA性能所需的高线性度与更长电池寿命要求所需的高功率效率之间进行权衡。
前端电路复制
传统上，为在同一设备中支持多种空中接口标准，手机设计工程师已在采用带有单独无线电收发器的堆叠的无线电架构。通常，支持多个空中接口对手机的元件数量有较大影响，因为它要求采用多个声表面波滤波器(SAW)、振荡器、滤波器和专用的混频器。显然，对在成本和功率敏感的手机行业中的设计工程师来说，如此多数量的元件是一个不小的挑战。此外，功能复制与最小化产品PCB面积的要求直接冲突。实现这种前端功能目前需要4个PA、10个SAW滤波器、3个双工机和1个单刀九掷开关。
很明显，为全球市场设计手机的工程师需要一种新的前端架构，这种架构可以减少现有的堆叠式射频前端电路的固有冗余。单个普通的发送通道可以最大化地复用芯片上的电路、减少系统BOM成本、节省PCB面积并简化手机的前端设计。此外，由于线性PA消耗了大部分的手机电池能量，采用非线性PA的单个发送通道可显著减少功率损耗并延长手机电池寿命。
扩展极性调制
实现这种前端设计的一个方法是在WCDMA和其他高带宽无线技术中采用极性调制。极性调制广泛用于GSM和EDGE系统中，它通过允许PA的输入信号为固定包络或不包含幅度不同的分量信号，来消除功率效率和放大器线性度之间的固有冲突。
在极性调制机构中，通常以直接上变频发送到收发器的I和Q矩形基带信号被转换为具有幅度和相位组成的极性格式。这就允许设计师有区别且更有效的应用两种调制元件。相位信号被供给被用做相位/频率调制器的相锁回路(PLL)。然后PLL-VCO的输出信号被供给工作在接近饱和/削波状态的VGA或PA。因为PLL产生的相位调制信号幅度仍然不变，所以可以通过采用更高效非线性类的E或F放大器被放大。通过发射机极大减少了功率损耗，并且最终延长了电池寿命。
GSM系统采用具有高斯最小移位键控的固定包络调制。由于复杂信号轨迹位于单位圆上，因此调制可以通过其相位组成得到完全描述。EDGE系统采用不同方式编码3π/8的8相移位键控(PSK) 调制使GSM数据传输率提高了3倍。AM被加到信号上以便传送信号与GSM占用相同的270 kHz带宽。这些相似性简化了GSM极性收发器到EDGE的扩展。
WCDMA提出了一套完全不同的挑战。这个技术包括多路数据信道，并且采用扩展频谱混合PSK(HPSK)调制来达到更高的数据传输率。多路信道的使用产生了一套叠加的由不同扩展因数引起的不同增益的四相PSK(QPSK)模式。一种根升余弦滤波器限制标志拖尾，并且传送信号的带宽约束为3.84MHz。
这些区别之处对发射机的设计有不同要求。GSM和EDGE系统要求出色的相位线性、低相位噪声和高效率。WCDMA系统在相当大的带宽和幅度范围内都需求高精确性。
极性架构已在GSM/EDGE解决方案得到验证，它能提供最低的噪声性能，从而无需采用SAW滤波器。这个方法能被运用在WCDMA方案中以消除发送SAW滤波器，且不需要线性架构所要求的额外电流损耗。因为极性架构支持所有的调制格式，它同样能支持真正的多模PA。这种架构大大减少下一代解决方案的总体尺寸和复杂度。
新的前端电路架构
为简化多模手机的前端电路设计且降低手机的成本和PCB面积，Sequoia Communications公司已开发了一种创新、利用极性调制技术为所有模式提供单发送通道的架构。该公司的FullSpectra架构为单芯片多模RF收发器的设计提供了基础。第二代SEQ7400支持7个频带，同时支持3频带WCDMA/HSDPA、4频带EDGE、GPRS和GSM，可适用全世界的大多数主要网络。为了减少元件数量和成本，收发器集成了所有的LNA和WCDMA级间滤波器。设备在紧凑的RF引脚中提供标准模拟接口和SCI或DigRF 2.5G控制接口。
另外，通过在同一手机中支持4频带EDGE和3频带WCDMA接口，这种新的方法给设计团队为不同地理区域和市场开发平台体统了很大灵活性。这种新架构能提高工厂生产量和进一步改进手机制造成本，并最终通过降低发送和备用电流的要求，允许设计师在下一代手机设计中延长电池寿命。
本文小结
在当今高度竞争的手机市场上，传统的堆叠无线电架构对多模多频带手机来说不再可行。它们的功能重复设计、更高的BOM成本和更大的PCB面积都将降低市场竞争力。为满足顾客要求，设计师需要一种新的、更有效的多模多频手机的前端设计方法。
极性调制为开发最有前途的发送架构提供了机会。极性调制允许单个通道被用在所有的调制方案中，从而提供面积最小的硅实现方法。它易于支持下一代多模式PA。该解决方案固有的低噪声性能提供了一种高效率的电池能量使用方法，省去了WCDMA发送SAW滤波器。此外，这种超过其他架构的效率优点将随着行业向更高阶位调制机制(如HSUPA和LTE)的转移而增加。
