多频移动手机的无线性能最佳化方法

移动电话正演变成为一种面向数据的设备，彩色屏幕、数字相机和板上内存等功能也逐渐成为主流，用来支持各种面向数据的应用，包括多媒体消息、移动游戏、上网、收发邮件和移动商务。为推动此发展趋势，移动电话业者开始为现有的GSM网络增加高速E-GPRS (EDGE) 以及WCDMA (UMTS) 数据功能，并向后兼容于既有的服务。这种做法使得移动电话必须支持所有GSM/GPRS/EDGE/WCDMA标准，然而支持多种标准将为手机带来许多设计挑战，特别是手机无线电的设计。
多标准带来无线电设计挑战
多标准会带来各种不同规范，让手机无线电设计人员必须面对苛刻，有时甚至相互冲突的性能要求。GSM/GPRS和GSM/EDGE标准采用时分双工 (TDD) 技术，因此手机无线电必须透过天线开关模块在发射和接收模式之间切换，让多位用户在不同的时间内共享相同频道。另一方面，WCDMA则以频分双工(FDD)技术为基础，发射机和接收机通过双工器同时切换，让多位用户在同样的时间内共享相同频道，再利用正交代码鉴别彼此的传送内容。EDGE和WCDMA都采用线性调制方式，这种调制机制必须采用线性发射架构，GSM/GPRS则采用非线性的GMSK调制技术。为了满足线性要求，WCDMA的信道间隔必须达到5 MHz，EDGE则只要200 kHz频宽。GSM/GPRS/EDGE的信道位速率是以13 MHz基准时钟[t1]为基础，WCDMA的芯片速率则以19.2 MHz的基准时钟为基础 (参考表1)。

无线电性能最佳化
三个重要趋势极有可能让多模手机无线电拥有最佳性能：前端模块、高集成度收发器以及能在射频收发器和基带处理器需求之间取得平衡的系统最佳化技术。

前端模块
前端模块现有两种集成趋势：把开关／双工器和SAW滤波器集成在一个封装内，或是将功率放大器和开关集成在一起。如果要集成开关、双工器和SAW滤波器，主要挑战在于将插入损耗减至最少，同时保持良好的阻隔器抑制特性，进而改善接收灵敏度，同时保持线性工作。双工器对于WCDMA尤其重要，因为它必须在接收频带内提供良好的发射信号隔离。如果将功率放大器和开关集成在一起，设计人员就能优化调整功率放大器的开关的谐波滤波器，进而让发射机的谐波抑制能力获得改善。在这种集成方式中，接收机的所有SAW滤波器可以集成为一个滤波器网站。

图1  前端模块的集成趋势

图2  集成在单芯片GSM/GPRS收发器的重要元件

图3  利用数字低中频接收机架构防止直流偏移电压

高集成度收发器
今日的单芯片收发器是集成度很高的组件，它集成了所有的压控振荡器 (VCO)、频率合成器以及接收机和发射机电路。集成多数或全部的压控振荡器正逐渐成为一项标准特色，然而回路滤波器的集成通常却很困难，因为约1MHz的截止频率可能需要很大的片上电容。如果采用外部实现方式，回路滤波器通常也需要高精度的薄膜电容，它们可能造成用料成本大增。调谐元件的集成也很困难，因为它们的损耗必须很低，才能将压控振荡器的相位噪声减至最小。集成回路滤波器和调谐元件可以屏蔽本地振荡器，使其不受外部干扰源的影响，进而改善接收线度和发射机的相位误差。
DCXO变容器的集成通常也很困难，因为它需要精确度极高的线性调谐能力，才能在基带处理器的控制下支持自动频率控制回路。DCXO的集成让多模系统更容易根据GSM/GPRS/EDGE的13MHz基准信号以及WCDMA的19.2MHz基准信号来提供系统时钟。Silicon Labs公司的Aero I+收发器就是高集成度收发器的绝佳范例，它是业界体积最小的GSM/GPRS多频手机收发器。Aero I+是完全采用CMOS技术的收发器，所集成的功能包括DCXO、锁相回路、压控振荡器、压控振荡器调谐元件以及回路滤波器。
数字基带接口，例如以DigRF标准为基础的接口，可望让基带处理器不再需要任何模拟功能，例如模拟数字转换器。等到基带单元没有任何模拟功能以后，剩下的数字功能就可以采用最新世代的制程技术。

系统最佳化以消除直流偏移电压
随着数据速率不断增加，射频收发器和基带处理器的系统最佳化就成为提高性能的最重要方法，例如直流偏移电压在手机无线电中就有许多可能来源，包括电路固有的直流偏移、本地振荡器或是基准时钟谐波的自混波、以及阻隔器所导致的二阶非线性现象。有些偏移电压源很容易在校准程序中检测，并加以抵消，它们对于性能的影响也微不足道。但由阻隔器产生的直流偏移电压就很难检测，并可能造成接收灵敏度或自动增益控制回路性能大幅下降。EDGE和WCDMA所采用的阻隔器都是振幅调制，这使得软件校准变得非常困难。
防止直流偏移电压进入基带处理器的较可靠方法是采用图3的接收机架构，它将不要的直流偏移电压混频变换到中频，再由滤波器将其消除；由于不再需要直接变换接收机常见的基带直流偏移电压修正算法，因此接收灵敏度将获得改善。从产品手机的测量可以发现，接收灵敏度可能提高0.5dB或者更多，对于阻隔性能的影响则可忽略不计。Silicon Labs公司的Aero I+收发器采用了这种低中频接收机架构。
面向数据的手机正处于快速成长阶段，高速率的新型数据服务为移动电话的各层面带来极富挑战性的性能需求，特别是手机无线电的设计。为了让多模手机拥有最高性能，无线电前端模块和收发器的集成度不断提高，收发器和基带之间的功能划分也要很谨慎。这些方法最终会带来极高集成度的多模无线电，一旦此集成付诸实现，可以在现有单模环境下提供最佳射频性能的无线电设计自然会成为多模设计的最佳选择。