多模多頻帶3G手機的RF前端設計

手機市場激烈的競爭推動制造商去尋找新的降低成本、印制電路板(PCB)面積和功率損耗的設計方法。同時，第三代(3G)網絡的首次展示已打開各種新型多媒體和以實驗為依據的應用之門，從無線網絡接入和移動視頻到文本發(fā)送處理和移動電視。

隨著這些新型應用需求的上升和市場變得日益全球化，手機生產商陷入了困境。他們怎樣才能在不違背市場嚴格的成本、覆蓋區(qū)和功率制約的情況下維持不斷增長的用來支持全球平臺和需提供這些新的增收服務的多路寬頻帶技術的頻帶數量？最新的3GPP標準支持的頻率數量已經從3個增加到了10個并且被設置可繼續(xù)擴展。目前的頻譜和相關帶寬如圖1所示。

毫無疑問的是：為了在當今市場取得成功，手機設計師需要設計具備多頻帶、多模能力的手機。現有的2G GSM/GPRS網絡的用戶持續(xù)增長，且具有當今最大的網絡覆蓋率。EDGE技術通過在GSM系統中引入二級調制格式提高了數據傳輸率, 基于這種技術的手機的出貨速度增長迅速。

與此同時，網絡運營商正在繼續(xù)鋪開3G寬帶CDMA(WCDMA)網絡?；谕ㄓ靡苿油ㄐ畔到y(UMTS)的網絡拓撲架構，這種新技術正迅速成為引領全球移動寬帶的解決方案。行業(yè)分析家預示WCDMA和EDGE將在未來幾年代表手機市場的兩個發(fā)展最迅速的部分。而且，為了滿足基于IP的服務需要，全世界正增加的UMTS運營商正在部署高速下行鏈路數據分組接入(HSDPA)網絡。高速上行鏈路數據分組接入(HSUPA)也將在不久后開始部署。圖2給出了每個手機標準和相關上下行鏈路數據傳輸率。

與此同時，網絡運營商和服務提供商相信現在正是朝3GPP長期演變(LTE)方向，主動加快WCDMA發(fā)展速度的時候。LTE正在成為下一代無線寬帶網絡的主導技術。它使得下行和上行鏈路數據傳輸率分別為100Mbps和50Mbps，并通過采用多輸入多輸出(MIMO)智能天線技術的正交頻分復用(OFDM)傳輸機制來改善網絡覆蓋和效率。

LTE將為4G技術奠定基礎，它要求網絡運營商支持另一個調制方案。為利用這些新型網絡技術，網絡運營商必須克服兩個巨大的障礙：更高昂的成本和更大的功率損耗。WCDMA手機的BOM成本為EDGE手機的兩倍，接近GSM/GPRS手機成本的三倍。與此同時，GSM手機的通話時間是WCDMA手機的兩倍，而通話時間是消費者對手機使用體驗的一個關鍵因素。

這些區(qū)別主要是由于WCDMA前端架構更復雜。WCDMA是一種擴頻技術，它采用5MHz的傳輸寬帶。因為WCDMA采用全雙工通信，所以接收和發(fā)送功能可以同時進行，但這要求前端電路能衰減發(fā)送器的寬帶噪聲，以避免接收器靈敏度降低。通常，這可以通過在發(fā)送和接收通道上采用雙工器和額外的帶通濾波器來實現。此外，設計工程師一般都采用外部LNA。與GSM/GPRS和EDGE手機相比，額外的元件數量和面積增加了WCDMA手機的成本。

功率效率也是一個挑戰(zhàn)。在無線設備中，輸出功率放大級通常消耗大部分的電池能量。與GSM手機的功率放大器(PA)工作在飽和模式不同，WCDMA系統中PA工作于線性模式。此外，復雜的四相移位鍵控(QPSK)調制技術也要求PA級具有高線性度以免降低信號的質量或干擾相鄰信道。因此，WCDMA手機設計工程師經常要在確保WCDMA性能所需的高線性度與更長電池壽命要求所需的高功率效率之間進行權衡。

前端電路復制

傳統上，為在同一設備中支持多種空中接口標準，手機設計工程師已在采用帶有單獨無線電收發(fā)器的堆疊的無線電架構。通常，支持多個空中接口對手機的元件數量有較大影響，因為它要求采用多個聲表面波濾波器(SAW)、振蕩器、濾波器和專用的混頻器。顯然，對在成本和功率敏感的手機行業(yè)中的設計工程師來說，如此多數量的元件是一個不小的挑戰(zhàn)。此外，功能復制與最小化產品PCB面積的要求直接沖突。一個典型的7頻帶WEDGE手機的射頻電路架構如圖3所示，實現這種前端功能目前需要4個PA、10個SAW濾波器、3個雙工機和1個單刀九擲開關。

很明顯，為全球市場設計手機的工程師需要一種新的前端架構，這種架構可以減少現有的堆疊式射頻前端電路的固有冗余。單個普通的發(fā)送通道可以最大化地復用芯片上的電路、減少系統BOM成本、節(jié)省PCB面積并簡化手機的前端設計。此外，由于線性PA消耗了大部分的手機電池能量，采用非線性PA的單個發(fā)送通道可顯著減少功率損耗并延長手機電池壽命。