简化LTE的复杂性：第一个可重构的射频前端 - 全文

LTE器件市场正在迅速增长，而且，它对射频前端（RFFE）性能的要求是前所未有的。ABI研究公司预测，在2014年，LTE订购量将达到3.752亿，在2015年，将增加60%，上升到5.889亿。该公司的研究简报“明天的互联世界：2014和2015年预测中也指出，LTE和其他连接器件功能的增强，将推动“全球一年的4G移动网络数据流量在2014年增加一倍以上，达到12.4艾字节。越来越多的频段加上载波聚合的实施，支持数据量增长的需求，但是，与先前各代的移动无线比较，这极大地增大了射频前端的复杂程度。保守地说，即将出现的射频前端系统中，射频前端的可能状态的数量（参见图1）将增加5000倍以上。频段、不同的调制方案、功率放大器模式、天线调谐状态和下行链路载波的数量越来越多，把这些相乘起来，便得到射频前端复杂程度增大5000倍的结果。由于射频前端如此复杂，现在，产业界需要真正的可重构射频前端。

困难重重：一个全球通的用SKU射频前端包含收发器输出和天线之间的所有元件。传统上，它一直是由众多不同厂商，在迥然不同的技术混合使用的基础上，独立设计的一组产品。移动数据的需求推动着频段的大量增加，以及LTE和载波聚合这些先进的技术，在此之前，这是可以接受的解决方案。今天，市场的要求更多，但是，OEM厂商受到现有射频前端技术的限制，不能提供一个可以在全球所有地区使用的参考设计──只需要一个全球通用的SKU的设计。

我们来看看苹果公司最近推出的iPhone 5S，它里面有5个SKU ，以适应不同区域的需要。我们的研究表明，这些器件之间唯一明显的区别是射频前端包含的东西。在最近，我们与行业中领先的分析公司一起讨论。我们的讨论证实了这些研究结果。参加讨论的领先公司是Gartner公司，IHS iSuppli公司和Strategy Analytics公司。假如有一项技术可以供苹果公司使用，推出一种iPhone，它用一个SKU就能满足全球的需要，试想一下，在设计、验证、制造以及供应商管理和存货管理等方面，能省下多少成本。使用现有的CMOS射频开关和天线调谐器加上GaAs功率放大器（PA ）的混合型射频前端，不可能提高芯片的集成程度。现在，射频前端的复杂程度呈指数般地上升，集成是关键。一些公司试图通过开发复杂的多芯片模块，逐渐地作出改进，来解决这个问题，但是在技术上受到了限制。只有真正的可重构射频前端能够做到一个SKU，全球通用，而且，只有整个系统使用CMOS技术，才有可能实现可重构的射频前端。

CMOS的优点

二十五年来，Peregrine半导体和它的创办人一直在射频SOI领域领先，并且有一个愿景，这就是在CMOS的基础上，做出一个集成射频前端。CMOS设计的好处包括，有很多CMOS工厂，工艺控制十分严格，能够把各种功能集成在一块硅片上，其中包括调谐功能和控制功能。Peregrine半导体公司的ltraCMOS ® 10技术平台在2013年10月问世，它使用130纳米的RF-SOI技术，把射频应用的性能提高了一倍──它的Ron* Coff是有竞争力的解决方案的一半（见图2 ）。

Peregrine半导体的UltraCMOS®Global 1系统

UltraCMOS10平台在性能和设计两方面都有很大提高，Peregrine半导体公司充份发挥它的长处，做出来第一个可重构的射频前端系统，它能够做到一个SKU，全球通用。这个射频前端称作UltraCMOS Global 1，它可以扩展，通过低损耗的开关和调谐之间的高度隔离，可以很容易做到支持数量更多的频段，从而解决互操作问题，并以数字控制的方式，适应所有的模式和频段，最重要的是，功率放大器的性能和GaAs功放相当。

Peregrine半导体的UltraCMOS®Global 1系统（见图3）包含：• 3路、多模式、多频段功率放大器• 功放后面的开关• 天线开关• 天线调谐器• 支持包络跟踪• 通用的射频前端MIPI接口

行业中第一个达到GaAs功放性能的CMOS功放

在以前，没有一家厂商能够提供性能和GaAs功率放大器相当的CMOS功率放大器，这样，在LTE领域，CMOS功放不会有竞争。在这个领域，在性能方面的任何下降，都是不可以接受的。UltraCMOS®Global 1系统把Peregrine的成熟的、最好的射频开关和调谐器与第一个CMOS功率放大器紧密无间地整合在一起，达到GaAs功率放大器的性能。性能达到这个水平的功放，不需要增强包络跟踪，也不需增大数字预失真，在比较CMOS功放和GaAs功放的性能时，往往用这种方法。

图4说明，窄频带功放的PAE（功率增加效率）性能指标的比较，这里使用WCDMA（语音）波形，相邻信道泄漏比（ACLR）为-38 dBc。在这些条件下，UltraCMOS Global 1功放的性能已接近PAE为50％。这与领先的GaAs功放产品水平相当，超过现有CMOS功放十个百分点，这表示效率提高了百分之33。

图5说明，Peregrine的功放作为UltraCMOS ® Global 1系统的一部分，它的性能并不局限于有竞争力的WCDMA的性能，而且保持与GaAs相当的、用于LTE波形的PAE。在LTE标准中，按照指定给用户的信道带宽对资源块（RB）进行不同的分配。5MHz的信道相当于25个RB，20MHz信道相当于100个RB。而且，这个数据是在没有使用数字预失真技术或包络跟踪的情况下得到的。

用第三方包络跟踪来提高性能

UltraCMOS Global 1功放没有使用包络跟踪就达到了有竞争力的GaAs功放的性能水平，同时，UltraCMOS Global 1本身支持包络跟踪（ET），并且已经设计成为支持目前市场上所有主要的解决方案。在功率饱和（PSAT ）时的PAE说明了使用ET调制器可以达到甚么样的PAE，不过，ET带来的效率增强，与具体的频段有关。由于使用了包络跟踪器，UltraCMOS Global 1的PAE提高了20个百分点。

可重构

在CMOS平台上实现整个射频前端的一个最大好处是，它的高度可重构性赋予射频工程师的灵活性。有不同程度的可重构性──从简单的偏置控制到整个射频调谐。Peregrine半导体充分发挥它在射频天线调谐产品方面的技术专长，把可重构的能力设计到UltraCMOS Global 1 射频前端之中。利用可重构系统，可以在所有频率上保持性能是一致的。在窄带解决方案中，这很少成为主要的问题，但是，对于宽带系统，会随着频率而明显地下降，由于工艺上的误差，以及电压和温度变化，会进一步加剧。

在图6中的曲线是UltraCMOS Global 1 功放被调谐到了三个不同的调谐状态。这意味着调谐状态是根据操作频率进行选择的，以便达到最佳性能。例如，在790MHz选择调谐状态1，但是，在860MHZ，可以使用调谐状态2 。由于往往需要用一个功放尽可能高效率地支持多个频段，这点变得越来越重要。图中有一个典型的GaAs宽带功率放大器的性能特性，作为比较频率特性下降的基准。

在每个集成射频前端元件中，UltraCMOS Global 1提供了多种重构方案：

• 射频调谐：功放可以根据运作频率、调制方式或者使用的功率电平进行优化。通过调谐，UltraCMOS Global 1的每条信道可以在频段的基础上进行优化，在整个频率范围内，充份减少PAE和线性度的变化（图6 ）。

• 针对频带对界面进行优化：在许多单频带功放和双工器（PAD）模块中，对功率放大器和双工器之间的阻抗进行了优化，以便优化PAE 。对于一个固定的多频带放大器，这是不可能的，因为它需要支持多个双工器。用一个可调谐功率放大器，能够对每一频带，对这个界面的阻抗进行优化，这将提高整个射频前端系统的性能。

• 对每个频带、每个模式进行偏置：按照工作频带和模式，如何对功率放大器进行偏置，有很大差别。在CMOS工艺中，可以通过灵活的偏压来控制。

• 容差的校正：在UltraCMOS Global 1的可重构系统中，由于在最终测试阶段进行的处理，射频工程师可以消除制造公差。消除射频前端的大部分变化之后，可以显着提高系统的性能，这样，可以把系统设计成为更加严格地接近规范的要求。

• 只用CMOS实现：要把射频调谐和偏置的灵活性做到这个水平，需要相当数量的控制位和密集的互连。UltraCMOS Global 1包含射频前端的MIPI 控制界面，100多条控制线，模拟驱动器和其他支持电路。参考电压都来自同一个偏置电压产生器，确保对工艺、电压和温度进行全面跟踪。对于多芯片解决方案，要达到这个程度的控制，是不可能的，因此，对于GaAs，要把功能做到这个水平，是不可能的。Peregrine半导体已经为市场提供了二十多亿个开关和调谐器，现在推出行业中唯一的CMOS功率放大器，挑战GaAs功放的性能。UltraCMOS Global 1功放加入Peregrine业界中性能最好的射频天线开关和调谐器行列，成为完成可重构射频前端所需要的最后一个元件。有了这样的可重构射频前端，可以实现一个SKU，全球通用。UltraCMOS Global 1功放的性能将在2014年移动世界大会上演示，平台的整合将在2014年完成，并在2015年逐步投入大批量生产。

结论

Peregrine半导体的UltraCMOS Global 1是为了解决LTE设备领域的一个最大挑战而设计的── 一个SKU，全球通用。它是第一个完全可重构的射频前端，因为它是在先进的CMOS平台上设计的，并且凝聚了Peregrine半导体的二十五年的射频技术专长。在推出业界第一个CMOS功率放大器，达到GaAs功率放大器的性能水平之后，在今天完成这个射频前端系统，而CMOS平台提供的可重构和性能，使得一个SKU、全球通用成为可能。

RF设计工程师将最受惠于UltraCMOS Global 1 ，因为它可以大量地减少所需要的设计和验证时间。众所周知，在移动无线行业，缩短开发周期是一个重大好处。UltraCMOS Global 1除了射频设计工程师可以利用的优点，它的好处会渗透到无线生态系统：

• 平台提供商能够开发一个参考平台，降低参考设计的开发成本，缩短验证时间。

• OEM厂商能够设计一个全球通用的SKU ，降低研发成本，加快产品上市时间，简化供应链并改善存货管理。

• 消费者可以享受更长的电池寿命，更好的接收效果，更快的数据传输速率和更广泛的漫游范围。UltraCMOS Global 1系统提供了更大的灵活性、更多的选择，以便满足下一波对全球移动设备创新的需要。