射頻技術：綻放在移動與無線之間

當麥克斯韋發(fā)現(xiàn)電磁波之時，他肯定無法想象幾個世紀之后的世界已經(jīng)被各種各樣人為的電磁波所籠罩，成為這個世界上最重要的信息交換媒介。你可以遠離喧囂的城市、擁擠的寫字樓，只要你能保持與網(wǎng)絡的連接，你就可以一邊欣賞美景一邊完成絕大部分日常工作。

射頻是無線信號的源頭，這一切的美好生活都來自于射頻收發(fā)技術的不斷演進，而且射頻技術還將繼續(xù)快速發(fā)展下去，畢竟現(xiàn)在只有12%的便攜電子產(chǎn)品帶有射頻模塊，而據(jù)估計到2030年超過50%的便攜產(chǎn)品將擁有射頻功能，這其中將包括你的手表也許還有你的皮鞋！

3G催生射頻變革

移動通信已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉ�活中必不可少的組成部分，而射頻無疑是移動通信的生根之本。隨著移動通信技術的發(fā)展，網(wǎng)絡通話質(zhì)量和傳輸速率都提出了全新的要求，而射頻技術首當其沖。與2G時代的最高128kbit/s的傳輸速率相比，3GPP所要求的最低傳輸速率必須達到384kbit/s，更為重要的是 3G的非語音數(shù)據(jù)傳輸將異常頻繁，亦即3G的技術指標主要是在傳輸速率上有比較大的改進與增加需要使用不同的調(diào)制及編碼技術，因此在射頻收發(fā)器的設計上必須考慮使用一種較具彈性也就是能兼容各種調(diào)制的收發(fā)器架構(gòu)。具體而言，2G主要進行語音傳輸，語音對傳輸速率的要求比較低。而3G則以數(shù)據(jù)業(yè)務為主，數(shù)據(jù)對傳輸速率的要求比較高，所以芯片大信號SNR較高。與2G 相比，3G對射頻芯片的線性度和頻率綜合器的相噪要求都要更高一些。下一代3G蜂窩電話將不但集成更多更強的功能 (Wi-Fi、GPS、藍牙、數(shù)字電視)，而且還可滿足成本低、尺寸小和電池壽命長的消費要求。因此對于3G來說，射頻端芯片技術必須提供更低的功耗、更多的功能、更寬的帶寬、更小的尺寸，并且可以更好地實現(xiàn)SoC甚至SIP架構(gòu)。

此外，由于GSM并不會短期內(nèi)推出歷史舞臺，因此必將存在一個GSM與3G長期共存的局面，加上目前存在多種3G標準，這也要求未來的射頻芯片必須具備支持多種通信標準共存的多模功能。所以，應用于手機中的無線收發(fā)芯片(transceiver)需要支持更多的無線通信模式，以兼顧多種的移動通信標準并保持從2G到3G的自然過渡。

無線技術激發(fā)射頻潛能

相比于略顯嚴謹?shù)囊苿油ㄐ偶夹g，無線網(wǎng)絡繼承了互聯(lián)網(wǎng)的開放與自由，自然也對射頻技術提出了更嚴格的要求。目前已經(jīng)大范圍普及的Wi-Fi網(wǎng)絡已經(jīng)不再是催促射頻技術發(fā)展的重點，雖然人們一再希望Wi-Fi網(wǎng)絡的AP能夠提供更穩(wěn)定的信號、更廣的發(fā)射范圍以及更高的傳輸速率，目前的射頻技術已經(jīng)可以滿足最新的802.11n技術的所有指標要求。

根據(jù)用戶需求的不同，無線技術對射頻的要求千差萬別。比如RFID技術對射頻的要求不僅是要低成本、更要滿足一定范圍內(nèi)大量發(fā)射點的精確識別；藍牙技術則盡可能的要求在提高傳輸速度的同時解決信號干擾問題，更要盡可能降低已經(jīng)很低的系統(tǒng)功耗；而UWB技術則是在不斷探索著射頻收發(fā)的傳輸速度極限，至少 2Gbit/s的傳輸速率無疑對射頻技術開發(fā)是個不小的挑戰(zhàn)；WiMax和無線Mesh網(wǎng)更是要求無線網(wǎng)絡的AP可以提供比蜂窩網(wǎng)絡基站覆蓋范圍更廣，支持客戶更多的服務，而且單個用戶的最大傳輸帶寬要求已經(jīng)提升到60Mbit/s以上；GPS技術則要求射頻技術與衛(wèi)星通信相結(jié)合，并且能夠準確實現(xiàn)各種惡劣地形環(huán)境下的穩(wěn)定數(shù)據(jù)收發(fā)服務，更重要的是必須盡可能把GPS應用的線路板面積減到最小，功耗及成本也降到最低。最近流行的藍牙加UWB融合方案則要求在達到480Mbit/s以上的傳輸速率的同時，保持像藍牙技術那樣的低功耗，這無疑需要對射頻電路的工作實行更智能的開關控制。

雖然射頻技術只需要滿足每個無線技術的特定要求即可，但這無疑將極大擴展射頻技術的研究范圍，讓射頻技術變得更加靈活與多樣。

移動與無線的融合帶來新挑戰(zhàn)

如果說五年以前移動與無線技術還是勢如水火的仇敵，那么如今無線與移動技術走得越來越近，甚至已經(jīng)開始了融合的探索。蘋果推出的Iphone已經(jīng)可以支持 Wi-Fi，最近，美國正計劃將WiMax申請作為第四種3G移動通信國際標準，這無疑是無線技術與移動技術走向融合的重要信號。蜂窩和無線寬帶網(wǎng)絡的匯聚目前正處于開發(fā)和測試階段，其中，OFDM 無線射頻 (RF) 信號技術是關鍵。我們預期在踏入下一個十年之初，便會看到全球蜂窩／無線寬帶匯聚型網(wǎng)絡得到大眾市場所采納。由于我們?nèi)粘Ｉ�活各方面對互�?lián)網(wǎng)的依賴正不斷增強，人們將要求全面無地域限制的移動寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入和語音服務。

當然，目前移動和無線技術的融合還是經(jīng)常以兩個射頻模塊形式出現(xiàn)，在市場需求和技術發(fā)展的推動下，遲早兩種技術將集成到一個射頻電路中得以實現(xiàn)，這無疑對射頻電路在多種工作頻率、多種收發(fā)模式和多種信號自動選擇等方面提出更多的要求，電路的復雜度將大大增加，而這也是射頻電路研究者們一個重要的歷史任務。

深入探討射頻技術發(fā)展

射頻技術的發(fā)展首先要滿足市場對其提出的主要要求，即實現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化、集成化，并在提高集成度的同時降低射頻電路的尺寸并降低功耗。在此基礎上，還必須基于數(shù)字電路的發(fā)展，提高射頻電路在多標準、多模式環(huán)境下的應用能力，也就是通常所說的“軟件無線電技術”。

從技術角度而言，射頻技術首先還是要從性能上取得提升以滿足各種技術的需要。隨著寬帶無線系統(tǒng)的不斷推出，系統(tǒng)對于信道利用率的要求越來越高，這對信道編碼技術及空中接口技術提出了新的挑戰(zhàn)。對于射頻部分來說，則提出了更高的線性度和更低的帶內(nèi)、帶外噪聲指標要求。射頻芯片的挑戰(zhàn)還包括更高的接收靈敏度和更低的噪聲系數(shù)，優(yōu)異的性能是對產(chǎn)品的最基本要求。

實現(xiàn)高性能的重要手段就是提高射頻電路的復雜程度，而射頻電路一般包括收發(fā)器、功放和開關三個部分�，F(xiàn)在的射頻電路從根本上來說是以模擬電路為主的混合信號電路。雖然數(shù)字化是現(xiàn)在射頻電路芯片的一個趨勢，但射頻技術很難離開高性能模擬技術的支持，因此射頻電路復雜程度的提高對射頻芯片體積的減小提出很多挑戰(zhàn)。射頻端必須著重在降低功耗、加速不同工藝的整合及降低成本上努力。這可由兩個方向來實現(xiàn)，一個是采用全新的SIP架構(gòu)，也就是將不同工藝的芯片集成在一個封裝模塊上，如前端的功放及天線收/發(fā)開關(swtichplexer)，或?qū)⒐Ψ偶笆瞻l(fā)器放在同一個基板上(Laminate)做成模塊。另外一項就是將功率放大器的制作工藝進步到CMOS，以便與收發(fā)器的芯片相整合，在降低功放的功耗上則應設計高效率的功放操作，在飽和條件下與前述的極化調(diào)制相對應。

目前，CMOS是適合于射頻IC的主流工藝，它的集成度很高，可以對所有無源器件進行集成，能夠降低終端廠家的產(chǎn)品成本和設計難度。隨著無線通信產(chǎn)品向消費電子領域轉(zhuǎn)化，對產(chǎn)品成本的要求也越來越高，CMOS將以其成本方面的優(yōu)勢替代BiCMOS或SiGe工藝成為RF芯片的主流工藝。此外重要起來的因素是易于實現(xiàn)在數(shù)字域?qū)ι漕l信號進行處理。這對于提升芯片性能及開發(fā)多模芯片具有重要的意義。針對許多模擬電路難于縮小到足夠的尺寸，可以利用各種各樣的數(shù)字校準、數(shù)字環(huán)路來代替原來不理想的部分。另外，數(shù)字電路本身就是CMOS工藝的強項，這會加快射頻芯片數(shù)字化的進程。目前，已經(jīng)可以利用CMOS工藝將 TxR和PA集成在一起，從而實現(xiàn)射頻芯片的全CMOS工藝制造。

電路復雜度的提升和尺寸的縮小意味著射頻芯片將具有更高的集成度。射頻芯片集成度的提高，射頻電路其他器件數(shù)量的減少，意味著更低的BOM(物料清單)價格和產(chǎn)品成本、更高的產(chǎn)品穩(wěn)定性和良品率。而對于射頻芯片設計公司來說，集成度包括芯片電路的集成和芯片功能集成兩個方面。目前為響應市場上對低成本移動設備的需求，各大手機芯片廠商將越來越多的功能集成在單射頻芯片中，單芯片手機方案已經(jīng)完全成熟。

射頻芯片的最新進展

目前的射頻芯片根據(jù)不同的應用有不同的性能特點。基站用射頻芯片在相同的集成化要求下具有更高的技術指標、更高的精度和可靠性要求，無論是發(fā)射功率還是信道容量都具有明顯的優(yōu)勢。

手機上的射頻芯片技術是所有射頻芯片中尺寸做得最小的，高通公司8月1日推出了45納米CMOS半導體制造技術的芯片設計，該技術能夠使芯片實現(xiàn)更快的速度、更低的功耗以及更高的集成度，同時還能夠在每個晶片上提供更多管芯，從而降低管芯成本。

SiGe半導體開發(fā)的高性能、靈活性及低功耗的WiMAX 無線寬帶射頻 (RF) 收發(fā)器支持明年推出的為無線寬帶接入而制定的802.16d標準，這一芯片組是專門設計來應對將WiMAX無線寬帶集成到移動消費電子產(chǎn)品中時的功效挑戰(zhàn)。

關于TD-SCDMA的一點題外話

TD-SCDMA可以說是國內(nèi)目前最受關注的射頻應用技術，而TD-SCDMA手機招投標將在今年下半年展開。大唐、展迅、凱明、T3G等是國內(nèi)主要從事 TD-SCDMA手機解決方案開發(fā)的廠商。目前，由大堂移動和ADI聯(lián)合開發(fā)的手機參考設計已經(jīng)通過了幾個商用實驗網(wǎng)的測試。我們的老朋友ADI射頻和無線系統(tǒng)業(yè)務部業(yè)務開發(fā)總監(jiān)Doug Grant介紹：“我們新的手機芯片包括一些增加的功能，例如高效電源管理和集成的照相機處理器。此外，我們還提供新型CMOS射頻收發(fā)器，例如可用于W -CDMA和TD-SCDMA的AD6551 Othello-3"芯片以及用于WiMAX/WiBRO的AD9352和AD9353。其中，AD6551采用了經(jīng)過優(yōu)化的發(fā)射器和接收器電路的設計組合，無需接收和發(fā)射SAW濾波器，并且可與ADI公司的 SoftFone酒櫓苯恿印D9352和AD9353包含用于基帶同相（I）和正交（Q）通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），并提供ADI/Q"串行接口用來和各種數(shù)字基帶處理器直接連接。”

此外，T3G與NXP聯(lián)合推出了實現(xiàn)TD-SCDMA與GSM/GPRS/EDGE多模式間語音和數(shù)據(jù)自動切換的參考設計。在這個參考設計中，由T3G根據(jù)NXP3G手機設計修改了射頻端部分電路和協(xié)議棧內(nèi)容，從而實現(xiàn)了兩種不同制式的移動通信標準間的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務的無縫自動切換。

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