多頻移動手機的無線性能最佳化方法

2004年10月A版

移動電話正演變成為一種面向數據的設備，彩色屏幕、數字相機和板上內存等功能也逐漸成為主流，用來支持各種面向數據的應用，包括多媒體消息、移動游戲、上網、收發郵件和移動商務。為推動此發展趨勢，移動電話業者開始為現有的GSM網絡增加高速E-GPRS (EDGE) 以及WCDMA (UMTS) 數據功能，并向后兼容于既有的服務。這種做法使得移動電話必須支持所有GSM/GPRS/EDGE/WCDMA標準，然而支持多種標準將為手機帶來許多設計挑戰，特別是手機無線電的設計。
多標準帶來無線電設計挑戰
多標準會帶來各種不同規范，讓手機無線電設計人員必須面對苛刻，有時甚至相互沖突的性能要求。GSM/GPRS和GSM/EDGE標準采用時分雙工 (TDD) 技術，因此手機無線電必須透過天線開關模塊在發射和接收模式之間切換，讓多位用戶在不同的時間內共享相同頻道。另一方面，WCDMA則以頻分雙工(FDD)技術為基礎，發射機和接收機通過雙工器同時切換，讓多位用戶在同樣的時間內共享相同頻道，再利用正交代碼鑒別彼此的傳送內容。EDGE和WCDMA都采用線性調制方式，這種調制機制必須采用線性發射架構，GSM/GPRS則采用非線性的GMSK調制技術。為了滿足線性要求，WCDMA的信道間隔必須達到5 MHz，EDGE則只要200 kHz頻寬。GSM/GPRS/EDGE的信道位速率是以13 MHz基準時鐘[t1]為基礎，WCDMA的芯片速率則以19.2 MHz的基準時鐘為基礎 (參考表1)。

無線電性能最佳化
三個重要趨勢極有可能讓多模手機無線電擁有最佳性能：前端模塊、高集成度收發器以及能在射頻收發器和基帶處理器需求之間取得平衡的系統最佳化技術。

前端模塊
前端模塊現有兩種集成趨勢：把開關／雙工器和SAW濾波器集成在一個封裝內，或是將功率放大器和開關集成在一起。如果要集成開關、雙工器和SAW濾波器，主要挑戰在于將插入損耗減至最少，同時保持良好的阻隔器抑制特性，進而改善接收靈敏度，同時保持線性工作。雙工器對于WCDMA尤其重要，因為它必須在接收頻帶內提供良好的發射信號隔離。如果將功率放大器和開關集成在一起，設計人員就能優化調整功率放大器的開關的諧波濾波器，進而讓發射機的諧波抑制能力獲得改善。在這種集成方式中，接收機的所有SAW濾波器可以集成為一個濾波器網站。

圖1  前端模塊的集成趨勢

圖2  集成在單芯片GSM/GPRS收發器的重要元件

圖3  利用數字低中頻接收機架構防止直流偏移電壓

高集成度收發器
今日的單芯片收發器是集成度很高的組件，它集成了所有的壓控振蕩器 (VCO)、頻率合成器以及接收機和發射機電路。集成多數或全部的壓控振蕩器正逐漸成為一項標準特色，然而回路濾波器的集成通常卻很困難，因為約1MHz的截止頻率可能需要很大的片上電容。如果采用外部實現方式，回路濾波器通常也需要高精度的薄膜電容，它們可能造成用料成本大增。調諧元件的集成也很困難，因為它們的損耗必須很低，才能將壓控振蕩器的相位噪聲減至最小。集成回路濾波器和調諧元件可以屏蔽本地振蕩器，使其不受外部干擾源的影響，進而改善接收線度和發射機的相位誤差。
DCXO變容器的集成通常也很困難，因為它需要精確度極高的線性調諧能力，才能在基帶處理器的控制下支持自動頻率控制回路。DCXO的集成讓多模系統更容易根據GSM/GPRS/EDGE的13MHz基準信號以及WCDMA的19.2MHz基準信號來提供系統時鐘。Silicon Labs公司的Aero I+收發器就是高集成度收發器的絕佳范例，它是業界體積最小的GSM/GPRS多頻手機收發器。Aero I+是完全采用CMOS技術的收發器，所集成的功能包括DCXO、鎖相回路、壓控振蕩器、壓控振蕩器調諧元件以及回路濾波器。
數字基帶接口，例如以DigRF標準為基礎的接口，可望讓基帶處理器不再需要任何模擬功能，例如模擬數字轉換器。等到基帶單元沒有任何模擬功能以后，剩下的數字功能就可以采用最新世代的制程技術。

系統最佳化以消除直流偏移電壓
隨著數據速率不斷增加，射頻收發器和基帶處理器的系統最佳化就成為提高性能的最重要方法，例如直流偏移電壓在手機無線電中就有許多可能來源，包括電路固有的直流偏移、本地振蕩器或是基準時鐘諧波的自混波、以及阻隔器所導致的二階非線性現象。有些偏移電壓源很容易在校準程序中檢測，并加以抵消，它們對于性能的影響也微不足道。但由阻隔器產生的直流偏移電壓就很難檢測，并可能造成接收靈敏度或自動增益控制回路性能大幅下降。EDGE和WCDMA所采用的阻隔器都是振幅調制，這使得軟件校準變得非常困難。
防止直流偏移電壓進入基帶處理器的較可靠方法是采用圖3的接收機架構，它將不要的直流偏移電壓混頻變換到中頻，再由濾波器將其消除；由于不再需要直接變換接收機常見的基帶直流偏移電壓修正算法，因此接收靈敏度將獲得改善。從產品手機的測量可以發現，接收靈敏度可能提高0.5dB或者更多，對于阻隔性能的影響則可忽略不計。Silicon Labs公司的Aero I+收發器采用了這種低中頻接收機架構。
面向數據的手機正處于快速成長階段，高速率的新型數據服務為移動電話的各層面帶來極富挑戰性的性能需求，特別是手機無線電的設計。為了讓多模手機擁有最高性能，無線電前端模塊和收發器的集成度不斷提高，收發器和基帶之間的功能劃分也要很謹慎。這些方法最終會帶來極高集成度的多模無線電，一旦此集成付諸實現，可以在現有單模環境下提供最佳射頻性能的無線電設計自然會成為多模設計的最佳選擇。