提高射频电路集成度应对多模手机设计挑战

为满足下一代蜂窝电话设计对更多特性、多模式及工作频率的需求，工程师们必须寻找提高射频前端集成度的途径。通过采用CMOS工艺的最新集成方案，他们找到了应对这一挑战的答案。

消费者对更小、更便宜手机和手持式设备中实现更多功能以及高速无线数据业务与多重无线电技术(多模式)需求，正推动移动电话市场的增长。在2.5G网络(GPRS及CDMA 1xRTT)与3G网络(UMTS/W-CDMA及cdma2000)的进展使高速无线数据业务成为可能的同时，通过采用适当的硅工艺以及集成射频收发器等关键构建模块则可减少手机及手持式设备的尺寸及成本。

图1：多模式平台中常见独立无线子系统。

手机制造商整合多种技术来向特定市场提供他们认为销售最佳的解决方案。例如，支持GSM、GPRS、EDGE及W-CDMA的手机使用户能用一种设备来接入多个高速网络，这也是多模式技术最基本的应用模式。而GPS、蓝牙及无WLAN则是蜂窝电话及手持式设备中可能使用的其他常见无线功能。

今天的大多数多模式平台在同一平台上构建有多个独立无线子系统，如图1所示。例如，支持GSM、W-CDMA、蓝牙及GPS的多模式手机可能以GSM/W-CDMA基带、应用处理器、电源管理IC、存储器IC、GSM射频收发器、构成W-CDMA收发器的分立元件、单芯片蓝牙系统、双芯片GPS子系统以及多模式射频前端与无源器件等来构造，以支持各种无线功能。

在这种手机例子中，单芯片蓝牙及双芯片GPS芯片组与应用处理器相连，而其各自的驱动程序则被嵌入至控制整个平台工作的操作系统中。此外，由于它们为独立的“单机”系统，故蓝牙与GPS子系统可在由手机建立的网络通话中并行工作。

尽管多种无线功能的“系统级”集成对于某些应用来说很有意义，但这并不能获得一种针对最低成本或最小外形尺寸手机进行优化的解决方案。多模式功能的最终集成是在射频前端、基带及收发器等元件级上进行。

集成射频前端系统

基于GSM标准并工作于时分双工基础上的蜂窝电话，使其射频前端系统仅需以开关来实现。最简单的GSM手机以单频段模式工作，且仅需要一个单刀双掷开关、一个接收器滤波器与匹配网络及一个功放。不过，当今市场对更多功能手机的需求对GSM手机提出了能支持多达4个频段的要求。因此，四频段GSM手机可能含有多达4个发射通道及4个接收通道。

发射通道至少需要有两个功放：一个用于GSM850与GSM900频段、另一个用于DCS-1800及PCS-1900频段。若再加上接收通道所需的滤波器及无源器件，则一共有6个通道，从而增加了设计复杂性及器件数量。

在将诸如802.11b WLAN等第二个无线系统添加到同一平台上以构成多模设备时，既能提供更多功能又不增加设计复杂性或器件成本的挑战是多方面的。由于GSM及802.11b工作于不同频段，故其前端器件不能共用，因此两种模式都要求在PCB板上拥有一组自己的功率放大器(PA)、开关网络、接收器匹配电路及滤波器。对于这些前端功能的实现，其最佳方法是采用预集成模块与封装。

以包含功率放大器及功率控制逻辑功能的多芯片模块为形式的PA模块，已经用于多频段手机及多模式802.11a/g WLAN应用中。同样，包含开关网络及接收滤波器的射频前端模块也已经可获得。将来，只要市场需要也可能会有整合了蜂窝与WLAN的射频前端子系统。

基带分割

今天的许多蜂窝基带芯片均为高度集成的CMOS系统级芯片(SoC)，且要么是一块芯片同时具有数字与模拟功能，要么是模拟与数字基带各一块芯片。在这两种方案之间进行选择受到多种因素的影响，包括未来的集成方案。

双芯片方案是最有竞争力的集成方式，因为模拟基带功能与构成数字基带的“纯”数字电路相互隔离。采用这种方式，数字基带可遵照摩尔定律缩小到越来越小的CMOS几何尺寸，而这是模拟电路难以实现的。

此分割方案的另一项优势是，可在其中一块SoC中集成其他数字CMOS平台器件(如应用处理器、图像处理器及存储器等)。随着数字射频接口的出现，如目前DigRF标准组织所定义的接口等，模拟电路可能完全在基带中消失。这种方法提倡在无线电与蜂窝基带之间定义一个标准高速数字串行接口。

WLAN供应商在其JEDEC61组织定义标准串行接口时也在进行类似的努力。一旦数字串行接口标准化，蜂窝基带功能即能更经济高效地与补充数字功能或其他模式的无线基带电路进行集成。

用CMOS实现射频收发器集成

尽管通过封装或模块技术以及将基带功能与平台上其他数字功能进行集成可整合射频前端系统，但开发一种高度集成的多频段/多模式收发器仍是一项极具挑战的工作。射频设计所取得的最新进展使得有可能用CMOS工艺来制造单芯片多频段GSM/