手持设备设计的发展趋势

随着移动终端系统功能的持续增加，全球范围内的无线标准／接入技术不断面世，手持设备设计人员正面对着全新的需求。与手机设计中体积、功能不断下降的需求相比，他们现在面对的更大挑战是，用户希望在终端系统内纳入更多无线标准，从而达到永远适用，以及具有高成本效益和高连接性的目标。

图1 极化发射器结构图

图2 2009年的便携式终端RF方案
无线射频发展趋势
预计到 2009 年，GSM、EDGE、CDMA 及 WCDMA 标准将都可实现广域 的无线连接性，从而在全球范围内提供语音和数据服务。同时，移动WiMAX 也将基本成熟。只须使用VoIP和WLAN，便可以提供较低成本的室内连接解决方案。其它可提供本地连接性的无线系统还将包括蓝牙和极具发展潜力的超宽带(UWB) 以及 RFID 等。另一方面，预计数字电视和数字音频广播等广播服务将大受欢迎。此外，采用全球定位系统 (GPS) 和伽利略卫星 (Galileo) 导航的定位服务(LBS)，也将会整合至终端设备中。
设计人员的挑战在于必须加入这些不同等级的连接性及通信能力，同时却不能增加手机的尺寸和电池功率。

业界面对的挑战
移动终端系统的设计人员面对的挑战可分为三大类：软件、数字信号处理 (DSP) 和RF前端部件。其中软件是控制无线通信设备的协议栈，每一种通信协议都必须与其它协议无缝运作。同时随着 CMOS 工艺几何尺寸的不断缩小，DSP每mW功率的处理能力和处理器的数目都将会增加。这就要求DSP芯片必须不断创新，才能迎合这种发展趋势，并成功应对在信号处理范畴内集成更多无线功能的挑战。以上三方面的挑战每一项都不容忽视，但本文将重点探讨RF前端方案设计中所面对的挑战。

传统的RF前端方案
现今的RF前端方案都经过了一段长时间的演变，并引入了新的工艺、设计技术和集成技术。在该领域中，总的发展是趋向更简单的无线设计：含更少的滤波器，并更大程度地依赖数字电路。不过，现有的技术也存在着一些问题，从而导致这些设计难以应用于未来的手机中。
80年代的RF设计中多采用典型的时分多址 (TDMA) 无线架构。这一种设计很大程度上依赖模拟电路及大量滤波器。其后，业界在有源RF、IF和混合信号电路的集成度上不断取得进展 。但是接收路径的RF 和IF 滤波器部分的集成度却一直没有显著的提高。直到直接转换架构面世这种情况才得以改善。
在直接转换接收器(DCR)或甚低IF架构中，RF 信号会被直接下变频为基带信号或甚低IF信号，并在集成滤波器里执行高选择性的滤波处理。这种方式无须采用IF 带通滤波器 ，也无须用其中一个 RF滤波器来抑制图像噪声。
直接转换架构的开发取决于创新的仿真工具、片上低噪声振荡器，以及高速硅工艺技术。除了上述的优势之外，直接转换的基带滤波器的带宽还能够改变，故可采用相同的RF电路来接收不同带宽的RF信号，从而实现多模式运作。在实际设计中，便可通过对基带带通滤波器和锁相环电路 (PLL)进行编程，来处理GSM、CDMA 或 WCDMA信号。不过，直接转换尚有一个问题不能解决，那就是在该设计方案中，需要一个RF滤波器来保护低噪声放大器(LNA)，以免外部的强干扰信号造成过载。
除了转向全新接收架构外，业界还不断的增加DSP 每mW功率处理的效率及减小ADC功耗。在此情况下，以前工作于模拟无线电路中的高选择性滤波器已开始迈向数字处理领域，并且成为了持续的趋势。
同时，在发送路径方面也取得了显著的进步。业界现已开发出两大发送方式：直接调制和极化调制。直接调制是直接转换的逆过程，其中IQ(同相正交)的发送信号会被实时的上变频到最终发射频率。这种方式的缺点是只能处理振幅不变的信号，因此只适合 于GSM 标准，但对CDMA、EDGE、WCDMA、Wi-Fi 以及 WiMAX 则不适用。为此，业界开发出了极化调制方法。
在极化调制器中，相位调制 (PM) 在 PLL 内执行，而幅度调制 (AM) 则在PM的载波上执行。其缺点是 AM 生成电路会引起 PM 噪声，因此有些解决方案需要采用一个反馈回路。另外，AM和PM路径的时序需要准确匹配，以防此产生过多发送噪声。
图1为一个极化发送器的结构框图。图中的PM信号由 PLL 及压控振荡器 (VCO) 产生；而 AM 则被馈送至功率放大器，该放大器经过特别设计，可在所有或大部分电平级别下以高效的饱和模式工作。虽然要实现这种设计很困难，尤其是对如 CDMA等高动态范围系统，但由于存在诸多的的优点，业界仍非常看好该技术。另外一个问题是在 功率放大器上加入 AM 控制有可能会导致 AM 和 PM 出现错误，不过这种情况可借助DSP电路来解决。　　　
可以预见未来的RF电路必然更大程度地依赖DSP技术。目前，德州仪器 (T I) 的做法是以DCR的混频器作为采样电路，从而有效地数字化了RF。同时在发送路径上，采用了离散的数字调谐 VCO，而非传统的、连续可变的模拟控制。

未来前端方案的挑战
尽管集成度增加，但未来 RF 前端方案仍然含有大量电路 (见图2)。未来的终端系统将支持一系列无线空中接口标准，包括GSM、TD-SCDMA、WCDMA、Wi-Fi、蓝牙、GPS、FM音频、数字音频和数字电视等。随着全球导航卫星系统 (GNSS) 无线音频广播、移动电视和无线音频广播纷纷整合进手机中，调谐器IC的 功能将成为前端方案的重要一环。
要支持多个空中接口，未来的终端系统必须具有一条集成的多频带天线，以及一条独立的GNSS (GPS和Galileo) 天线，以确保当蜂窝发送器被激活时，GPS天线和Galileo天线仍然能正常工作。在这个设计中所显示的空间分离，将提供比例恰到好处的所需隔离。
为了把RF功能连接至用来为蜂窝系统信号链中进行数字处理的大型CMOS 集成电路中， 未来的RF方案必须包括一个全数字的接口。这并非新的要求，例如 已开发出的DigRF就是用来为蜂窝系统提供一个全数字的接口；而其它接口标准也正在开发之中，用以支持其它应用。但未来，业界需要通过一个数字接口，来满足所有标准。

迎接挑战
按照2009年的发展蓝图，除了功率放大器、滤波器、开关之外，所有无线电路都将被集成至一个或少量IC 中。为推动技术发展以提供实现该RF前端电路所需的条件，可以使用最新的半导体工艺，在单芯片上制造高集成度的CMOS、RF CMOS、硅锗 (SiGe)、砷化镓 (GaAs) 以及SAW滤波器，并将这块芯片放置在多层陶瓷基底上。这种工艺虽然可以实现，但是在处理晶圆过程中的工序极多。不单成本过高，而且良率也不可预测。所以，未来的可行方法应该是更少的工序、更低的集成度。
例如，设计人员可以用最少的成本，针对每项功能使用不同的工艺进行优化。对于RF前端电路而言，功率放大器应使用SiGe工艺；RF 开关应使用GaAs工艺；在需要时还应使用陶瓷滤波器；收发器IC可采用CMOS或RF CMOS工艺。这些芯片都需要放置在基底上。为了将成本减至最低，设计人员可以采用引线框和多芯片的模块方式。由于这些技术都很成熟，而且成本效益很高，所以将是未来RF前端系统设计的首选。
功率放大器
要支持未来的手机功能，无线IC 部分必须含有大量数字电路，以对功率放大器进行线性化处理，并对接收数字通道进行必要的滤波。在这种情况下，必须采用几何尺寸更小的CMOS工艺（如 <130nm），以获得合理的数字电路功耗。
对于功率放大器而言，目前最理想的工艺是SiGe BiCMOS，因为该工艺具有优异的 RF性能，并且可以集成功率检测器、偏置和功率控制电路，以及任何用于优化性能的模拟电路。如果不把这些电路进行集成设计，便会增加材料的数量和成本。如果能够成功在CMOS上制造 功率放大器，就可以和其它有源无线电路集成，从而降低整体设计成本。不过，直到目前为止，采用CMOS的功率放大器还无法证实能否满足市场及技术的长远要求。因此，未来基于CMOS工艺的 功率放大器将会采用创新的设计或较高崩溃 (breakdown) 的MOS器件，而不是利用目前的双氧化工艺。
总之，未来的目标是把所需的 功率放大器数量减至最少，并把剩余的功率放大器的尺寸和功耗尽量降低。要达到这个目标的方法之一，是在一个放大器中组合UMTS、高频带GSM、PCS 以及未来的SC-TDMA。这可通过采用匹配电路为双频段的固定非切换网络来实现。不过，对于用作仿真匹配网络及功率放大器的RF和控制电路的设计工具来说，这种方法极具挑战性，而且也难以达到硅IC 所需的Q值。
缩小尺寸与降低功耗紧密相关，在功率放大器 上达到这两个目标的方法很多，例如提高 功率放大器 的能效便可延长电池寿命。目前移动终端功率放大器 中较普及或正在考虑的技术包括：
* 尽可能使放大器工作在Class B，同时仍然保持充分的线性度；
* 发送低功率时将功率放大器的输出阻抗切换成更高数值；
* 在功率放大器中使用DC—DC转换器，使其工作于较低的电压，从而降低发送功率；
* 无论是有源或无源网络，在不需要增益时关断放大器级，以降低功耗。
这些技术都是可行的，问题只是对于尺寸和成本来讲哪一种方法更为理想。无论是哪一种方法，都必须使用数字电路中的信号处理技术，以便纠正功率放大器 的非线性，从而获取最优的效率。
RF 滤波器和转换器
现有的滤波器和转换器解决方案虽然在满足四频段 GSM 或 CDMA 手机方面可以接受，但是对于支持GSM+WCDMA 的 UMTS 手机来说则尺寸过大。具有潜力的优化方案包括可调节或转换不同频段的单一滤波器；集成了BAW的SOI开关； MEMS开关等。
现有的可调节滤波器虽然看似理想，但却必须降低前置滤波器的线性度。这种情况最终可能会改善，方法之一就是借助 MEMS开关。此时需要高激励电压，以防止大量的突发RF 信号切换滤波器。为此，可以采用CMOS 工艺来增加这种高电压能力。
最理想的做法是在SOI 上实现RF转换，并将SOI与无源组件整合在一起。这种技术已在开发之中。此外还可在 SOI 上加入 BAW 滤波器或 MEMS开关，以进一步提高集成度。对这种应用来说，SOI虽然是一种损耗非常低的基底，但由于它是一种良好的隔热体，所以热量很难从芯片中散出，从而可能导致集成 功率放大器出现问题。
天线
尽管天线已经有一定程度的集成，但其效率仍然是未来关注的重点，而且对尺寸和占板面积也有很高的要求。对天线来讲，要想不降低性能，频带越宽、天线的尺寸便必须越大。目前五频段手机 (所有四种GSM 频段+WCDMA) 的天线，其体积约为5cc左右，而系统内其它组件如四频段 GSM功率放大器和 RF转换模块，以及无线 IC全小于 0.1cc。
因此天线设计需要进一步创新。克服随频率升高而加大终端系统体积的方法之一是把RF 前端整合至天线所占用的空间。同时，通过增加 RF 和天线组件的集成度还可减低RF 路径甚至匹配电路的损耗。这种方法从根本上改善了电池的寿命，而无需改变功率放大器的设计。
不过，市场可能还需要一段时间才会接受这么高的集成度。只有由领先的手机制造商带头，说服工程师和产品经理接受这一方法，克服设计中的挑战，使天线／RF 的整合既可满足性能要求又在生产上可行，这种方法才可望成功。

模块集成
采用模块化设计的发展前景非常理想，事实上很多制造商已开始了前端模块 (FEM)的研发，这些模块可能成为支持未来复杂手机的主要组件。以 SiGe 半导体公司的 WLAN FEM 为例，它整合了一个 功率放大器、发送／接收转换器和一个集成在SiGe功率放大器芯片上的滤波器、一个砷化镓 RF转换芯片，以及一个集成的无源器件。这些组件均被整合在引线框基底上，显著节省了电路板空间。

结语
要开发出满足未来需求的无线移动终端设备，业界必须克服在尺寸和功耗要求方面的挑战。缩小RF 前端电路的尺寸是一个长远而繁琐的工艺，虽然改良GaAs 及BAW/SAW 滤波器也可能满足这一要求，但更可行的方法是通过采用MEMS 及SOI 来减少滤波器和开关的数量。
功率放大器是最需要创新的前端电路，在 CMOS 上实现具有多频段能力的功率放大器是一个长远目标。在还没有达成这个目标以前，最佳的方法是采用SiGe功率放大器来满足系统需求。把这些电子组件与天线整合在单一模块上，有助缩小无线 部分的占板面积及降低风险，不过这种方式仍有待实地验证，并争取市场接受。
可以预见，随着创新的技术和集成方式有效的结合，业界一定会克服来自未来手持设备尺寸、成本、功能和功耗方面的挑战。