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移动设备多重标准射频前端设计需求介绍【详解】

  用“整合”一词来描述时下将复合式多媒体与连结功能整合至可携式消费性电子产品(CE)的过程,实为再贴切不过。移动电话正是功能整合日益蓬勃的好例子:在十几年前,第一款手机只配有FM无线电接收器,而现在的移动电话不但备有高质量数字成像、本地及个人局域网络、卫星导航,甚至还有广播电视收讯。

  移动电话有着日益强大的连结及功能,其发展的动力不外乎下三个关键要素:第一,移动通信业者有着维护用户数据库和增加平均每户贡献度(ARPU)的需求,而方法之一就是提供新式的非通信服务及特色;第二,手机业者持续地力求提供产品多样性,以吸引通信业者以及消费者;第三,熟知高科技的消费者对于多元化媒体功能与方便可携式装置间无远弗届的结合,有着日益增加的需求。

  这样的科技整合不仅限在手机上;事实上,任何含有液晶显示器屏幕及多媒体处理能力的可携式装置,皆被消费性电子产品制造商当作多重无线电平台的目标。它们包括了笔记型计算机、可携式多媒体播放器(PMP)、掌上型游戏机,甚至是可携式导航装置(PND)。

  由于以无线电为基础的科技日新月异,而消费者对于消费性电子产品的需求也不断增长,芯片供货商和系统整合商现在面临了在可携式装置中提供整合功能的挑战。这些无线电科技可依功能分类为:

  ● 通信:全球移动通信系统(GSM)、CDMA2000、全球移动通信系统(UMTS)、长期演进技术(LTE)等

  ● 广播:GPS,模拟&数字无线电、移动数字电视(MDTV)、数字地面广播电视(DTT)等

  ● 连结:无线局域网络(WLAN)、蓝芽、超宽带(UWB)、近端交易技术(NFC)、全球微波存取互通接口等

  整合这些无线电技术的挑战独具意义,尤其是任何经整合的装置,由于本身的特性使然,会将每个无线电应用程序所需之最具技术性的效能需求,聚集在单一平台上。系统设计师也必须谨记,在选择内存解决方案时,或许得用全国或地方性的标准(如操作频率、邻近信道状况、传输功率位准等)来部署“全球性”的标准(如DVB-T数字电视)。 提供这项渐增的功能时,不会有任何妥协。这些新的整合平台也需坚守消费性电子产品低成本、低功率及小尺寸的真言,而这实际上也仅能由多重标准、多功能的前端解决方案来实现。需注意的关键点就于,任何多标准前端,都必须尽可能提供具竞争性的解决方案,甚至是部署在单一或双重标准的应用程序中,或是为芯片供货商和系统整合者提供规模经济时亦然。

  在本文中,射频接收器或收发器功能皆会称为“前端”。当然,在一完整的系统中,必须有一调制解调器(可能会与前端整合为芯片系统,或称SoC)、较高阶的数字处理、多媒体编码以及A/V输出装置,像是屏幕和扬声器。

  功能性分隔

  虽然单一消费性电子产品装置可能不会具备所有上述的通信:广播和连结无线电技术。但举例来说,时下的移动电话已经整合了那三种功能性分类中,每一个分类的其中一个无线电技术,而同时制造商也不断力求整合更多的功能。渐渐地,笔记型计算机、可携式多媒体播放器和其它可携式消费性电子产品装置也正跟上这股整合的潮流。

  既然可以实际装载于单一装置平台上的独立集成电路(ICs)数量有着尺寸的限制与成本上的考虑,集成电路目前的解决方案可够整合上述三个功能性分类其中之一的无线电功能。这可能会被称为“水平式”功能性整合,而其概念则如图1所示。值得注意的是,虽然今日已可将蓝芽独立集成电路和无线局域网络及FM无线电信号整合,广播应用程序也可以整合至消费性电子产品装置中,但已整合FM无线电信号的移动数字电视(MDTV)/ 数字地面广播电视(DTT电视)的接收器集成电路会是较佳的使用案例。

  整合使用功能类似的无线电,而非跨功能的整合,有着基本的考虑。首先应注意,在具通信能力的消费性电子产品中,装置整合器会发展以相同通信基频平台为基础的产品世代,以取得与大量投注于新通信基频软件开发之努力间的平衡;若次于通信功能的新无线电功能惯常地被并至通信基频中,则所需的软件开发可能会使新无线电技术的部署产生一个“潜在因子”。因此,多重无线电硅晶整合通常不会超出通信范围。第二,消费性电子产品装置制造商通常会发展具有不同功能及特色的产品系列,以应付不同的消费者、地域及市场需求;因此多重无线电、多重功能同时成本也可能因此更高的装置,便无法满足所有市场或消费者的需求。第三,聚集或不聚集特定的无线电技术,有着技术上的考虑。这些原因可能包括了一些基本原则,像是:相似调变技术的使用(例如多个数字电视和无线电技术使用正交分频多任务技术(OFDM)调变);天线限制(例如因为频宽限制或需同时操作,因而无法共享天线);干扰的共存问题(例如若将一敏感的全球定位系统接收器整合至一通信收发器,该接收器可能会失去功能)。

  多重标准射频前端的挑战

  多重标准射频前端可能是独立的集成电路,或是一个较大、且整合了射频及调制解调器之芯片系统(SoC)解决方案的一部份。在这两种情况中,射频电路系统的关键设计需求基本上相同,也就是:

  ● 必须支持一大规模的操作频带,以及大范围的通道频宽

  ● 必须支持高度输入信号动态范围(低噪声、高线性度)

  ● 必须与其它射频功能共存,并不受“真实世界”的妨碍影响

  ● 必须能相符天线限制,即尺寸、天线共享、天线隔离等

  ● 必须是低电量,以达电池之最长寿命

  ● 必须能使用低系统成本

  ● 必须提供小规模的解决方案

  当然,在任何前端射频的系统整合中,这些都是最典型的考虑因素,但当多重无线电因不同的聚集需求而共同指定位置时,这些挑战会更为艰难。

  多重标准前端之范例

  在一包含FM、数字音频广播(DAB)和DVB-T数字电视(针对欧洲市场)的可携式装置中,“仅仅”提供广播电视及无线电信号的多重标准前端设计,就已是一项挑战。接收器的合成器必须在88MHz(FM)到超过800MHz(DVB-T数字电视) 的频率中涵盖10HMz的范围, 最低支持至个位数千赫(FM)的频距,提供低整合相位噪声。以支持正交调幅(QAM)64(DVB-T数字电视), 也需搭配低单边带杂音,以缓和影像中出现小的影像区块之现象。除了这些合成器的挑战之外,接收器的射频输入级必须支持一广泛的动态范围(低噪声、高线性度),使其能接收通常含有干扰的信号准位之收信,范围低至-105dBm(FM),高至0dBm(数位音频广播),而基频区段则需支持通道频宽,自200KHz(FM)~8MHz(DVB-T数字电视)。

  要满足这些不同的前端效能需求,其一方法就是设计多重射频电路,接合至多重相对应的基频电路。然而,如果在特定的消费性电子产品装置中只能支持一或二项应用程序标准,这样的方法将会造成组件尺寸过大,而失去商业上的竞争性。要解决此问题,较好的方式为使用一可重复设定的接收器结构。

  图4的区块图显示Mirics Semiconductor MSi002涵盖从长波至L波带间所有频率的多重标准广播射频前端。这项装置配具有多重输入扩音器,其已为一特定操作带设定好最佳化,不过接着会将其所有输出聚集至一普遍可程序设计的降频转换以及基频结构。这项方法会使特定的使用案例相互排除,例如消费者不会想要在同一时间听无线电和看电视。

  这项可再设定的结构,确保了每一输入级提供正确的音信效能、信号处理及消耗功率组合。同时,基频效益及滤波器的可再配置性,结合了分数式频率合成器的弹性,确保可以接受所有相关通道,并以充分的模拟处理将其呈现在解调器上。而可重复设定的基频方法在广播收信上效果显著,但在其它如无线局域网络和蓝芽等的功能性使用案例上可能无法多加利用,因其可能需要无线电的同时操作(例如无线影像分流及无线蓝芽音效)。

  要确保有绝佳的“真实世界”使用者经验,在具有不需要之干扰的环境下,高效能正是关键。在这个广播接收器范例的情况下,典型的通道中干扰源包括了高功率FM信号,其二次谐波可能会落在想要的数字音频广播(DAB)信号上,或数字音频广播(DAB)信号的谐波落在想要的DVB-T数字电视频道上。另外,震动器和所需的信号的谐波混频结果也有可能于落于频带内。造成封锁想要信号的其它干扰情形包括强烈的邻近通道,或是因相位噪声不足而产生的宽带干扰信号相互混杂。谨慎选择降频转换结构(外差相对于零差)、使用抗谐波混合及过滤芯片,可以协助减缓这些问题。

  在接收广播信号的情况下,双重、三重甚或四重科技可以用来减少必须整合至一消费性电子产品装置中的实际天线数量。然而,有限的宽带天线频率响应和显著的多重插入损失,通常会将天线共享限制于双重配置之上。

  系统效能并非由射频前端单独指定,并且在射频前端与数字解调器之间,信号处理的光学分隔其中还有着功率与尺寸的妥协。模拟过滤为此处的最佳范例:如果一射频前端提供了过多的模拟信道选择,则组件尺寸会受到负面性的影响。相反地,如果提供不够充分的模拟选择,解调器至数字转换器的模拟将会面临不合理的动态范围需求。如此谨慎考虑的系统交换可以提供显著的技术及商业效益。

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