利用灵活低功耗SDR架构实现多射频的设计方案

今天，忙碌穿梭的消费者也许觉得随身携带的不过是一台手机，而实际上，他们正带着七个以上射频，用于处理多频段蜂窝工作、Wi-Fi网络、蓝牙连接、辅助GPS（全球定位系统）等等功能。今后，他们还会拥有实现Ad hoc式设备间通信的射频，这样一台设备可以利用有更好覆盖的邻近设备（见附文《Ad hoc共享可能意味着更多射频》）。为了将所有必需的射频功能装在一个便携无线设备中，整个2008年，研究人员都在开发微型多功能模块，并利用灵活的低功耗SDR（软件无线电）架构。

在一个产品中实现多功能射频的传统方式是简单地设计出多个分立的射频，即对于产品准备支持的每种通信标准，都建立一个发射/接收功能。这种方案要占用大量实际资源，Epcos公司用它的微型前端LTCC（低温共烧陶瓷）射频模块解决了这个问题。该公司模块产品开发总监Patric Heide博士说：“我们交付一种经过完整测试的单封装RF系统。在一部手机中，一面有采用CMOS的射频IC，另一面是天线。我们提供一种位于两者之间的全功能前端模块。”为了缩小多射频的实现，Epcos提供多射频模块，如Wi-Fi/WiMax（全球微波接入互操作）模块（图1）。有关模块测试方法的讨论见参考文献1。

Epcos LTCC这类模块可以适应多种半导体元件，如GaAs（砷化镓）功率放大器，但发射/接收信号链中前端模块的CMOS射频芯片包含了很多射频功能，可以用多个CMOS芯片实现多种射频标准。更简洁的方法是采用一只灵活的CMOS芯片去实现多种射频标准。

英特尔副总裁兼首席技术官Justin R Rattner在去年6月加州阿纳海姆召开的设计自动化会议上发表了有关这一主题的演讲（参考文献2）。在一次主题为“数字、可编程多射频的EDA”演讲中，他指出消费者希望“轻便而享有舒适生活”，即，他们希望紧凑的设计中有多种先进功能。为支持这种轻装上阵、畅享生活（Carry Small Live Large）的方式，消费设备必须支持“任意地点/任何时间”的协作，无论采用哪种空中接口（3G蜂窝、Wi-Fi或WiMax），设备都能够互相通信。

Rattner承认，我们生活在一个模拟世界中。他说：“模拟是我们与真实世界互动的方式，但技术更青睐于数字。因此，我们必须在模拟世界与数字世界之间建立桥梁。”对“轻装上阵、畅享生活”的生活方式来说，弥补这一间隙很重要。他还认同模拟电路的数量正在增长：在2006年，超过70%的SoC（系统单芯片）有模拟成分。但不幸的是，传统模拟开发在面对晶体管尺寸变化时举步维艰。困难的原因在于遮罩成本的增加、泄漏和工艺偏差的影响、输出阻抗、增加的闪烁噪声，以及降低的电源电压减少了动态范围。

他的倾向是采用“数字辅助的模拟”，将一个模拟问题转化为一个数字问题，通过数字门来提高模拟性能。该技术利用了信息理论给出的射频计算特性，大大简化了射频架构，使一个射频能够同时作多种用途，例如在3G和Wi-Fi网络之间作无缝切换，并能探测射频环境，看是否存在更高性能的网络。

在Rattner版的数字多射频实现中，传统的模拟接收机信号链（由一个前端模块、一个混频器和一个信道选择滤波器构成）让位于一个简单的数字方案。现在单只芯片就可以实现一个Wi-Fi或3G射频。未来集成式可编程多射频实现方案将能处理所遇到的任何空中接口。据Rattner说，英特尔可能需要一年左右时间，就能提供这种数字射频的商用版，但该公司已用65 nm CMOS建立了一个数字功率放大器，用90 nm CMOS建立了一个分数合成器。

另一个走得很远的组织是IMEC，它在2008年10月14日比利时布鲁塞尔举办的年度研究评审会上展示了一个SDR平台。IMEC无线研究科学主管 Liesbet Van der Perre表示，该组织的SDR原型集成了下一代灵巧移动终端的主要部件。她说，这个原型带有一个RF收发器和可编程基带平台，能够测量实际状态下和不同工作模式下的性能与功耗。

Van der Perre报告说，IMEC的灵巧RF收发器前端SCALDIO（可缩放射频芯片）可工作于所有当前与未来蜂窝式、WLAN（无线局域网）、WPAN（无线个人局域网）、广播与定位的标准，频率范围从174MHz～6GHz。IMEC的可编程基带平台BEAR（自适应射频的基带引擎）支持各种标准，如 802.11n、802.16e和移动电视，并且与发展中的3GPP-LTE（第三代伙伴项目/长期演进通信）标准向前兼容。

以连接为中心的SDR平台可在多种多样的环境下，灵活高效地使用网络与频谱资源。SDR还可作为以频谱为中心、投机性的、认知式射频应用的促成性技术。认知式射频（图2）可以根据与运行环境的互动，自主修改自己的参数，它可以与其它无线系统共存于或同时使用相同频谱资源，而不会产生明显干扰。Van der Perre估计，全认知式射频需要到2025年或2030年以后才会出现，但SDR的实现促成了认知式射频功能的发展，并将在短期内出现。

很多公司都专注于SDR概念，包括Vanu公司，它将该技术用于基站，使之能同时工作在GSM（全球移动系统）通信、CDMA（码分多址）和摩托罗拉的 IDEN（集成数字增强网络）。另一家是BitWave Semiconductor公司，它的工程师开发了一种SDR IC，可以至少工作于16种无线网络接口下，包括GSM、WCDMA（宽带CDMA）、Wi-Fi、WiMax和UMTS（全球移动电信系统）LTE。 BitWave在2007年初发布了器件的首个原型Softransceiver RFIC（射频集成电路）。该款IC现在已接近商用化，工程师正在测试该器件（图3），并确定它们在量产下的特性（参考文献3）。

IMEC在2008年10月份宣布，东芝已获得了适用于SDR的IMEC技术许可。IMEC与松下公司上个月签署了一个涉及半导体、网络、无线与生物医学领域技术的联合研发合约。根据合约条款，研究工作将在位于比利时IMEC的Leuven，以及荷兰埃因霍温Holst Centre的研究部门中进行，部分研究将注重于动态可重配置SDR。

MathWorks公司的技术营销经理John Irza从该公司为芯片与系统供应商提供基带与RF仿真工具的优势谈起。他估计，带宽用户只使用了可用频谱的10%～20%，为认知式射频留下了大量的运作空间。但当频谱的主要用户打算使用认知式射频已占据的频谱时，认知式射频必须足够灵巧地让出来。Irza指出，认知式射频的挑战包括政治与技术两个方面，需要美国联邦通信委员会（FCC）这类监管机构的认可。迄今为止，FCC已支持了认知式射频概念。

至于未来，Irza认为，随着供应商克服了将数字信号处理器功能更接近于天线的挑战，会有一种基带/上行频段器件的集成趋势，它支持蓝牙、Wi-Fi、GPS和LTE通信标准。 IMEC的Van der Perre引用来自研究机构ARCchart的数字，乐观地估计2011年制造商将交付1.57亿部有SDR的手机，或占全部手机的11%。该研究机构的悲观预测是，当年有SDR的手机为7400万部。

Van der Perre未提及2011年以后的SDR或认知式射频数字，但她预测，到大约2030年时，射频的ADC将更加接近于天线，从而获得一个直觉而灵活的全认知式射频。作为通往这个目标的步骤之一，IMEC在2008年11月日本福冈的IEEE 亚洲固体电路会议上展示了一个2.4GHz sigma-delta ADC，它采用90 nm CMOS制造。IMEC在继续研究一种可变能效的频谱探测引擎，可以让认知式射频更进一步。

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