迎接移动通信新纪元

伴随着中国移动大规模招标采购TD-SCDMA设备的开始，移动通信又一个春天的序幕在2007年伊始徐徐拉开了。借势行业春风，《电子设计应用》杂志社主办的“第四届移动通信IC设计应用高级技术研讨会”于3月21日在上海成功举办。此次研讨会不仅邀请了全球通信业的著名厂商，例如ARM、NXP和Avago，也包括中国本土的优秀公司，如鼎芯通讯、上海贝岭。此外，北京邮电大学的周正教授、东南大学蒋良成教授在会上也做了精彩报告。
会议针对手机终端的IC设计做了深入探讨，从处理器、射频组件、电源管理方案到各种连接端口和外设，同时对现在热门的移动通信和无线应用方案也作了详细探讨，为广大与会者提供了了解当前移动通信解决方案和技术走向的平台和机会。

ARM让你梦想成真
如果说个人电脑需要的是一颗奔腾的芯，毫无疑问，移动通信终端需要的则是一个强健与稳定兼具的芯。ARM通过其广泛授权的IP提供了这类微处理器，依靠其高性能与低功耗成就了其在移动终端处理器IP的霸主地位。
3C融合的趋势决定了移动通信终端必须满足不断提高的数据处理要求。游戏手机、音乐手机、智能手机、PDA等新产品层出不穷，但到底未来手机应该具备哪些基本功能， ARM中国技术营销经理费浙平提出了UMPC(超级便携移动电脑)的概念。除了通信功能外，手机应具备基本的商务功能，不仅能管理个人信息事务，而且能够处理WORD、EXCEL、PPT和ACROBAT等电子文档，它还应具备流畅的网络浏览功能，支持多种格式的音乐播放、照片编辑、视频观赏等多媒体功能，提供3D界面支持更加真实的游戏体验，具备导航功能。这也许正是我们以前寄予手机的梦想吧。
ARM最新推出的处理器Cortex-A8让我们的梦想变成了现实。TI 65nm的OMAP3架构中采用了Cortex-A8超标量处理器，其主频高达1G，与X86的Pentium3同样主频相比，功耗减少了26W。2007年2月举办的3G峰会上，TI副总裁Alain Mutricy表示：“这将是一个里程碑，我们已经可以预见未来无线技术会给我们带来什么可能发生的事情”。
ARM通过发展不同系列的产品来满足不同应用领域的需求，每个系列都有其独特的性能。2006年ARM11已经在高端手机应用中迅速成长，比如，市场上热门的Nokia N95、iPhone等。 SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计，它采用先进的TrustZone技术。ARM AudioDE用来帮助手机延长播放时间，ARM Mali 则是世界上最小的低功耗GPU。
为了适应更快的上市时间和更短的产品更新周期，手机生产商要求不断更新产品系列。如果以前研发过程中的软件模块可以运用到新的产品中，则可以大大加速新品的研发进程。ARM通过不断强化其开发平台来保证模块的可重复利用和新品功能模块扩展，使用户在市场竞争中保持领先。
费浙平表示，到目前为止，移动设备中已经累计有50亿个ARM芯片出货，2007年度将会有30亿个出货，其中60%使用在移动通信领域。同时，随着新概念手机的应用，中国本土公司也将获得更多的市场机会。

鼎芯成就TD射频中国芯
与3G的另外两个标准WCDMA和CDMA2000相比，TD-SCDMA是最晚提出的标准，不仅具有高速的数据传输能力，而且具有自己独特的优势。由于采用了智能天线、联合检测、上行同步等多种创新技术，TD-SCDMA拥有最高的频谱利用率，只需要1.6M带宽的频谱资源就可通信，系统容量也获得了提升，不对称的传输格式则有利于互联网浏览。另外，TD还是我国自主提出的标准，避免了大量的专利支付费用，有利于整个通信产业链的发展。

 图1 鼎芯公司的典型移动终端解决方案

射频和基带是手机的两大模块，如果说基带处理器是手机的大脑，射频芯片则是手机的顺风耳、千里眼。由于射频模块设计中需要射频电路、模拟电路和数字电路等方面有深厚的研发功底和技术能力，射频模块也是我国TD产业化的最后一个难点。

 图2 CL4020内部结构图

在3G中，由于大量的数据传输要求，对射频部分的设计提出了更高要求的SNR，即射频芯片的线性度和频率综合器的信噪比都要更高一些 。但也有各自的特点，WCDMA是FDD系统，需要同时收发，要求抗干扰能力高；TD-SCDMA属于TDD系统，在频率综合器方面的要求相对更高一些，需要快速切换，快速锁定时间。鼎新在射频芯片的设计过程中，基于CMOS工艺的数字电路设计已经高度成熟，大量采用了数字检测、数字校准、数字环路等多种数字信号控制技术，对关键的射频和模拟部分重点优化设计，最终攻克了TD产业链上最后一个难点。
针对TD的首对射频芯片组分别为射频收发器CL4020和模拟基带CL4520，其移动终端解决方案如图1所示。CL4020内部集成了双频(1880MHz~1920MHz；2010MHz~2025MHz)收发器、低通滤波器和∑-Δ小数分频锁相环，采用先进的零中频架构和CMOS工艺，其发射通道EVM小于4%(TD 标准要求17%)，锁相环相位积分噪声(1kHz~640kHz)达到0.85度，整个接收通道的噪声系数小于4dB。内部包括I/Q正交调制器、混频器、可变增益放大器、射频本振VCO、射频锁相环、中频本振产生电路、射频功率检波器，零中频接收芯片等不同功能模块(见图2)。 该射频芯片组支持所有国内基带厂商接口，并获得了“国际固态电子电路大会”(ISSCC)肯定。

研讨会上鼎芯通讯公司的技术副总裁李振彪博士还对WCDMA和CDMA2000射频芯片的收发器和LNA设计作了深入讲解。据悉，鼎芯已有多款支持WCDMA和CDMA2000以及GSM等多模式的射频芯片投产，而TD射频芯片也已完成产业化。

贝岭科技电源管理攻略
移动终端一方面不断采用更高性能的处理器，需要更强大的电源支持，另一方面小型化的趋势又不断压缩了电池的空间，而消费领域还在不断渴求更长的工作时间，这样人们就对手机的电源管理方案提出了更高要求。
在手机产品中经常用到的电源管理芯片有：LDO、DC/DC转换器、电荷泵、PMU(电源管理集成单元)和电池充电管理以及锂电池保护芯片。上海贝岭股份有限公司技术支持经理颜重光重点就前三类产品的内部结构、使用场合、设计技巧等方面做了详细介绍。

 图3  认知无线电系统框图

LDO通过对MOSFET电流的控制结合外围电路实现电压转换。LDO线性低压差稳压器是最简单的线性稳压器，它只能把输入电压降为更低的电压，转换效率很低，近似等于输出电压与输入电压的比值，主要使用在输出电压和输入电压差较小的场合。当采用1.5V主电源并需要降压至1.2V，为DSP内核供电时，标准的LDO线性低压差稳压器已无能为力，非常低压差稳压器VLDO提供了理想的解决方案，它的输入电压范围接近1V，其压差低于300mV，输出纹波可低于1mVP-P，与降压型开关稳压器配合使用，作为后稳压器可容易地实现低压差和低纹波电源转换。
LDO的应用象三端稳压一样简单方便，一般在输入、输出端各加一个滤波电容器即可。 布线设计要点是考虑如何降低PCB板上的噪音和纹波。颜重光指出，走线是一个技巧加经验的工艺性细活，也是设计产品成功的关键之一，重点是掌握好电流回流的节点选择。
DC/DC转换器通过使用低导通开关和磁存储单元实现电压变换，与线性稳压器相比，它的效率很高，适用于升降压场合。但是由于电感的频率外泄干扰较难避免，应用时对其EMI辐射影响需要仔细衡量。使用时选择开关频率越高，外接的电感器和电容器的尺寸和容量越小。要得到一个运行稳定和低噪音的高频开关稳压器，需要小心安排PCB板的布局结构，同时所有器件必需靠近DC/DC转换器。
电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。电荷泵是无需电感的，但需要外部电容器工作于较高的频率，因此可使用小型陶瓷电容(1mF)，使空间占用最小，使用成本低。电荷泵仅用外部电容即可提供±2倍的输出电压。其损耗主要来自电容器的ESR(等效串联电阻)和内部开关晶体管的RDS(ON)。由于不使用电感，因此其辐射EMI可以忽略。设计时输入端噪声可用一个小型电容滤除，可通过后端片上线性调整器实现输出电压调节，同时要慎重选择电容器的容量和材质，不同的容量和材质对电压的纹波有显著影响。
　　　                     
安华高的RF及光电解决方案
手机除了通话外，还要包括背光、铃声、摄像头、红外或蓝牙通信等功能。安华高(Avago)在射频和光电器件领域积累了丰富的设计经验，研讨会上，安华高为新一代手机设计提供了一系列RF及光电解决方案。
滤波器是射频电路的重要组成部分，安华高开发了基于新技术的FBAR滤波器。与传统的陶瓷滤波器相比，FBAR滤波器的尺寸大大缩小，符合目前便携式通信产品的需求。与SAW技术相比，FBAR技术又具有插入损耗小、静电指标好、在温度变化情况下频率漂移非常小的优点，目前已经发展到第三代产品。
功率放大器(PA)和屏幕显示器是手机耗电量最大的两个模块，所以，PA的功率放大效率(PAE)至关重要，安华高针对中低端手机开发了CooIPAM技术，通过采用阻抗变换技术自动实现该功能，可以大大提高PAE。
射频模块正在向小型化的方向发展，一方面安华高通过将双工开关、接收端LNA、PA、接收滤波器和发送滤波器等更多的模块整合到前端模块中，另一方面，针对当前多模手机的应用，将更多的滤波器集成到前端模块中，这样不仅减少了前端模块的使用，也可以减少天线数量。安华高中国区策略业务经理魏雪松表示：“由于CDMA和GPS的差异性，一般的设计中需要采用1个内置天线和1个外置天线，尺寸和复杂度较高。采用我们设计的器件时，只需1个内置天线就可完成所有功能。”另外，通过集成不同的滤波器，安华高可以满足不同用户设计出集成不同频段多模手机的要求。
在光电领域，安华高为手机用户提供红外传输解决方案，其速度可达到4Mbps，软件上也进行了简化。它具有支持手机摄像的CMOS传感器，此外，还有环境光亮度传感器，可以根据周围的光线来调整LCD的背光亮度，延长电池使用时间；同时，针对摄像功能还推出了配合拍摄的闪光灯产品，帮助拍摄取得更好的效果。

UWB——无处不在的网络
频谱是宝贵的资源，随着无线技术的快速发展及无线业务的极大丰富，剩余的频谱资源更显得弥足珍贵。频谱管理上，当前主要通过权威机构 划分不同的频段来为不同的业务专用， 这种方法的缺点是频谱利用率低。伴随着新技术的不断出现，共享频谱思想的提出得到了越来越广泛的认同。认知无线电(CR)和UWB就是基于这种频谱共享思想的新技术。来自北京邮电大学的周正教授为我们描述了一种未来的通信网络解决方案。其核心网采用基于计算机技术的IP网络，利用了固定网络的丰富带宽资源，终端则融合了移动通信、卫星通信和医疗通信三大部分，各部分均采用了各种无线通信技术，以达到 最大的频谱资源利用率。周教授对认知无线电和UWB两种技术做了重点阐述。

  图4   基于多径能量窗接收机框图


UWB无线电技术是直接利用脉宽为纳秒或亚纳秒脉冲做信息载体传输的技术。它的频带极宽，甚至可以达到几GHz，具有高速率、低成本、低功耗、抗干扰能力强的优点。UWB技术主要定位于无线个域网(WPAN)的应用， 与同处802.15标准系列的蓝牙、ZigBee相比，它的传输距离较短，传输速度却极高，可应用于高清无线视频传输。但是由于UWB的超宽带特性，它必然会对共享频段内的其它窄带系统产生干扰，并且自身也将受到其它系统在某频段的强干扰。目前，所有针对这个问题的解决方案都是针对UWB系统本身进行优化设计，如寻找一种更优的UWB信号波形，采用能起到抑制干扰作用的相关技术等，但实现起来却是相当困难。
认知无线电技术定义为基于与操作环境的交互、能动态改变发射机参数的无线电，其具有环境感知和传输参数自我修改的功能。它能够在宽频带上可靠地感知频谱环境，探测合法的授权用户(主用户)的出现，能自适应地占用即时可用的本地频谱，同时在整个通信过程中不给主用户带来有害干扰。主要应用于无线区域网(WRAN)的构建中。其系统框图如图3所示，包括感知、SDR(软件定义无线电)、学习、分析、决策、调节和决策等模块，其中SDR是影响其发展应用的关键模块，但其物理实现却非常困难。
从频谱图可以看出，如果我们将二者结合起来，则正好相互之间可以取长补短，UWB技术采用认知无线电技术可以提高频谱利用的灵活性，避开环境中已存无线电的频带，进而有效抑制窄带干扰，与其它系统更好共存。而认知无线电技术的感知、SDR等模块则可以充分利用UWB的成熟技术来实现。同时还可提升UWB系统的整个性能。例如，UWB在10m范围内有很高的传输速率，受发射功率限制，10m以外传输速率则大大下降。在结合认知无线电技术后，UWB可根据所感知的频谱信息动态地改变传输信道或调整发射功率，增加传输距离，并且不会对其它系统造成有害干扰。从而有效延展了WPAN的使用范围，使我们随时随地处于网络环境中。
由于其廉价和可靠的特性，UWB技术可以方便地构建一个无线传感器网络(WSN)，尤其在医疗领域，由于其极小的发射功率，可以将装有UWB通信功能的传感器安装在人体的各个部位，这些传感器再通过一个体外的通信装置传输到移动通信网络中，从而构成一个应用于远程医疗检测的无线人体域网络(WBAN)。
　　
基于多径能量窗的接收机设计
东南大学移动通信国家重点实验室是国内最早从事移动通信研究开发的单位之一，近年来对CDMA关键技术方面进行了深入系统的研究，在CDMA接收机的设计方面取得了优秀成果。不同于传统对单径信道逐个处理的方法，它提出并采用了多径能量窗设计思想，使手机在恶劣的通信环境下仍能达到优异的性能，还能够为手机提供极为稳定的高速数据业务。
CDMA移动通信接收核心技术包括：同步技术、信道估计技术、Rake多径接收与合并技术、信道纠错码解码技术和干扰消除技术。针对这些核心技术，实验室蒋良成教授分别就基于多径能量窗的定时同步技术、基于多径能量窗的定时跟踪技术、基于多径能量窗的信道估计算法、基于多径能量窗的频率同步跟踪方法、基于多径量窗的CDMA综合接收方法与装置，以及联合抗多址干扰与码间干扰技术等专利作了详细讲解。采用这些技术专利构建的接收机芯片结构图如图4所示，其中包含搜索器、信道估计、Rake接收、信道解码、发射机、RF和CPU接口等主要模块。
2004年1月研制成功的Noah 2000-1x手机基带芯片采用了该接收机设计技术，并已于中芯国际批量生产。其结构图如图5所示，内含嵌入式CPU、DSP、CDMA核、近十种外围接口等，避开了国际公司的专利限制，对恶劣传输环境具有明显改善作用。 在手机和网卡设备中已获得广泛采用。

恩智浦关注中国EDGE演进
力推终端系统解决方案
并非只有3G是现在移动通信演进的唯一方式，基于TDMA技术的EDGE标准也是现在的热门方案之一，它是GSM/GPRS网络的升级。 EDGE中由于采用了8-PSK的调制方式，容量相比GSM提高了3倍。与GPRS相比， EDGE具有更快的上网速率和无线数据传输速率，其理论最高数据传输速率为473.6Kbps， 能向移动客户提供支持包括视频流媒体、浏览网络和处理带附件的电子邮件等“准3G”的移动数据服务，还可以带来视频点播、在线游戏等更丰富的移动娱乐享受。
与3G 相比，EDGE的主要优势在于易于实现的网络升级，可以利用现有的GSM频段和网络设备，只需对网络软件及硬件做一些较小的改动，大体集中在基站的射频部分和基站收发器与控制器的接口部分。建网周期也比3G大大缩减，运营商需要的投资很少，而且收回成本的时间也非常短。良好的兼容性可以保证EDGE在非3G覆盖区提供类3G服务，在3G覆盖区，则可以作为它的良好补充。

  图5  Noah 2000-1x芯片内部结构图

目前EDGE技术已经非常成熟，网络系统和终端产品在全球很多地区都获得采用。研讨会上，NXP(恩智浦半导体)公司客户支持总监张鹏岗预测，未来几年，EDGE全球移动通信市场份额将获得高速增长。当前，中国已有运营商开始部署EDGE网络，恩智浦公司在EDGE终端领域积累了丰富的设计经验，能够提供全部器件和系统级解决方案。
目前，恩智浦已经有Nexperia 6100、Nexperia 5210、Nexperia 6120等多个解决方案支持EDGE网络，其中Nexperia 5210移动系统解决方案是EDGE平台的第二代产品，支持4个频带，同时集成了蓝牙和WLAN功能，从而允许用户在EDGE、GPRS、WLAN三网间平滑切换，寻找最优网络支持，满足客户随时随地无线上网的需求。恩智浦公司将其EDGE产品定位在中高端领域，通过Nexperia 移动研发套件，为工程师迅速开发新的移动终端提供强力支持。