第三代手机射频架构

大多数电信企业为获得3G许可证投入了巨额资金，现在他们还需要进行基础设施投资，以为这一企盼已久的技术提供支持。总的成本将会达数十亿英磅，因此电信商面临很大的压力，需要尽快偿还债务并快速获得赢利，达到这一目标的最快速的方法还是尽快启动3G的消费市场。
对于价格竞争激烈的多媒体功能等服务，赢得消费者和商业客户青睐并迅速收回投资的关键是提供价格合理的手机。包括发射器和接收器在内的手机内部电路在手机成本中占了相当大的部分。为降低3G手机射频解决方案的总体成本，必须满足三个主要目标：即降低芯片成本、减少外部器件需求，同时尽可能将必须采用的外部器件集成到类似系统芯片(SoC)的一个解决方案中。

涉及的标准范围
宽带码分多址访问(W-CDMA)将会成为3G的主要标准。然而在欧洲，手机还需要能够支持现有的GSM 900 和GSM 1800标准。在美国市场上也有类似的情况，在数年内高端手机仍需要支持GSM 900 和GSM 1800标准。
对于需要支持GSM增强数据速率改进(EDGE)标准的射频设计人员来说，问题更为复杂。EDGE将会用于郊区或乡村地区，以保证那里的居民也可以享受到3G所提供的高数据速率服务，而不仅仅是将3G限制在W-CDMA所覆盖的主要城市地区。EDGE将补充W-CDMA并向更广泛的人群提供高达384 kbps的数据传输速率。2G-3G的演进过程见图1。

集成
在手机设计中始终存在进一步减小PCB电路板空间的要求。不过由于近年来技术方面的进步，从某些方面来说，为消费者提供更为小巧轻便的手机变得更为容易。例如，功耗更低的电路意味着可采用更小的电池达到同样的通话和待机时间。
3G的出现对于进一步缩小PCB尺寸带来新的压力。因为这需要在不比现有的2G型号手机大的3G手机设计中集成更大的多媒体显示屏以及包括照相机在内的其它特性。
要求降低手机总体成本的压力也很大。从电路的角度来看，降低成本的最佳方式是利用更小几何尺寸和低成本的工艺将尽可能多的元件集成到SoC解决方案中。集成外部元件还可带来额外的好处，包括提高可靠性、降低生产和组装成本以及更小的EMC屏蔽问题。
虽然在单个芯片中集成多个元件是可能的，但为了实现双工，在W-CDMA的发射和接收通道间需要隔离，这对于GSM来说是不可行的。所以3G解决方案在现阶段还必须采用两块芯片。Zarlink半导体公司设计的发射和接收芯片都采用了微引线框(MLF)表面贴装封装，只需要占用宝贵的PCB电路板上的少量空间。发射芯片有40个引脚，尺寸为6mm x 6mm，而接收芯片有56个引脚，尺寸为8mm x 8mm。在制造过程中采用了SiGe BiCMOS技术以获得几何尺寸更小、成本更低和功耗更低的器件。所采用的结构可以省掉昂贵的外部元件，如SAW滤波器。同时还内置了VCO(包括振荡回路)、PLL、LNA和HPA预驱动电路。

接收器结构
超外差是无线电传输中传统的也是成熟的接收通道结构。然而，由于这一架构需要大量成本高且占用大量PCB空间的外部元件，因此这一解决方案不适合于3G应用。
直接变换是一种可以大大降低所需要的外部滤波器数量的可选架构。然而，直接变频(零中频)结构也有缺点，为了补偿基带直流偏置，控制电路变得非常复杂。对于需要同时支持EDGE和W-CDMA的3G射频单元来说，这种补偿变得更加困难。这是因为控制电路必须在幅度调制信号基础上进行直流偏置校正。
这些问题导致需要一种可在成本和功能方面有效满足3G应用要求的支持EDGE的新的3G手机结构。近零中频(NZIF)技术在超外差和直接变频技术间提供了一种折衷。原则上，它看起来就象超外差结构，但区别在于它采用的中频在一个略高于直流的信道上。通过将中频转移到如此低的频率，就有可能将整个滤波功能集成在一块芯片上。这意味着就不必再需要工作在数百MHz频率的外部中频SAW滤波器和直流偏置控制电路。对于W-CDMA，直流偏置并没有太大的问题，可以在不对灵敏度造成太大影响的情况下滤除直流分量。唯一需要的外部滤波器是在LNA之前的射频滤波器。

图1  2G向3G的演进过程


发射器结构
在发射通道上，"上变频"结构提供了最简单的解决方案，然而，由于需要中频和昂贵的外部滤波器，因此存在很大的成本问题。极性环(Polar loop)、偏置PLL(Offset PLL)和直接调制都是用于3G发射器的可选结构。
偏置PLL结构近些年广泛用于GSM。该方法去除了信号的所有幅度调制(AM)分量，可提供一个非常干净的频谱。不幸的是，这一结构对于具有AM内容的信号(如EDGE)并不适合。
极性环技术与偏置PLL类似，但允许在RF信号上加入AM分量。但对于W-CDMA来说，应用这一技术也有问题，因为要达到相位和幅度间的同步极为困难，在某些情况下则是不可能的。
粗看起来最后一种技术——直接调制似乎也不合用。因为所需要的本地振荡器(LO)的频率需要与发射信号一样，这会导致非常大的输出信号从而导致VCO振荡器频率牵引问题。然而，通过将LO频率加倍然后再分频，LO将不再与发射信号工作在同一频率，从而避免了频率牵引问题。这一结构同时适合于W-CDMA和EDGE。由于不需要任何外部器件，该结构成本也较低。
目前采用的工艺(如SiGe BiCMOS)可以实现极干净的低噪声VCO。对于W-CDMA ，VCO将工作在4GHz以上，在这一频率，有可能将VCO的所有有源元件都集成在内，包括偏置电路以及所有振荡回路。这意味着整个VCO可集成在芯片上，然后再分频到所需要的频带。

结语
最新的制造工艺和结构技术可以满足3G手机的关键技术要求：SiGe BiCMOS工艺使得发射器和接收器都可以保持较低的功耗，同时使物理尺寸尽可能小。新的系统结构设计方法使设计人员可通过省掉外部元件或将其集成到芯片中来降低成本。未来，除了进一步解决所面临的挑战以外，还需要寻找在完全集成的单芯片上同时集成发射器和接收器的方法。■