射頻技術：綻放在移動與無線之間

當麥克斯韋發現電磁波之時，他肯定無法想像幾個世紀之后的世界已經被各種各樣人為的電磁波所籠罩，成為這個世界上最重要的信息交換媒介。你可以遠離喧囂的城市、擁擠的寫字樓，只要你能保持與網絡的連接，你就可以一邊欣賞美景一邊完成絕大部分日常工作。

射頻是無線信號的源頭，這一切的美好生活都來自于射頻收發技術的不斷演進，而且射頻技術還將繼續快速發展下去，畢竟現在只有12％的便攜電子產品帶有射頻模塊，而據估計到2020年超過50％的便攜產品將擁有射頻功能，這其中將包括你的手表、你的隨身播放器也許還有你的皮鞋!

3G催生射頻變革

移動通信已經成為了人們日常生活中必不可少的組成部分，而射頻無疑是移動通信的生根之本。隨著移動通信技術的發展，網絡通話質量和傳輸速率都提出了全新的要求，而射頻技術首當其沖。與2G時代的最高128kbit／s的傳輸速率相比，3GPP所要求的最低傳輸速率必須達到384kbit／s，更為重要的是3G的非語音數據傳輸將異常頻繁，亦即3G的技術指標主要是在傳輸速率上有比較大的改進與增加需要使用不同的調制及編碼技術，因此在射頻收發器的設計上必須考慮使用一種較具彈性也就是能兼容各種調制的收發器架構。具體而言，2G主要進行語音傳輸，語音對傳輸速率的要求比較低。而3G則以數據業務為主，數據對傳輸速率的要求比較高，所以芯片大信號SNR較高。與2G相比，3G對射頻芯片的線性度和頻率綜合器的相噪要求都要更高一些。下一代3G蜂窩電話將不但集成更多更強的功能(Wi-Fi、GPS、藍牙、數字電視)，而且還要滿足成本低、尺寸小和電池壽命長的消費要求。因此對于3G來說，射頻端芯片技術必須提供更低的功耗、更多的集成功能、更寬的帶寬、更小的尺寸，并且可以更好地實現SoC甚至SIP架構。

此外，由于GSM并不會短期內推出歷史舞臺，因此必將存在一個GSM與3G長期共存的局面，加上目前存在多種3G標準，這也要求未來的射頻芯片必須具備支持多種通信標準共存的多模功能。所以，應用于手機中的無線收發芯片(transceiver)需要支持更多的無線通信模式，以兼顧多種的移動通信標準并保持從2G到3G的自然過渡。

無線技術激發射頻潛能

相比于略顯嚴謹的移動通信技術，無線網絡繼承了互聯網的開放與自由，不過也對射頻技術提出了更嚴格的要求。目前已經大范圍普及的Wi-Fi網絡已經不再是催促射頻技術發展的重點，雖然人們一再希望Wi-Fi網絡的AP能夠提供更穩定的信號、更廣的發射范圍以及更高的傳輸速率，目前的射頻技術已經可以滿足最新的802.11n技術的所有指標要求。

根據用戶需求的不同，無線技術對射頻的要求千差萬別。比如RFID技術對射頻的要求不僅是要低成本、更要滿足一定范圍內大量發射點的精確識別；藍牙技術則盡可能的要求在提高傳輸速度的同時解決信號干擾問題，更要盡可能降低已經很低的系統功耗；而UWB技術則是在不斷探索著射頻收發的傳輸速度極限，至少2Gbit／s的傳輸速率無疑對射頻技術開發是個不小的挑戰；WiMax和無線Mesh網更是要求無線網絡的AP可以提供比蜂窩網絡基站覆蓋范圍更廣，支持客戶更多的服務，而且單個用戶的最大傳輸帶寬要求已經提升到60Mbit／s以上；GPS技術則要求射頻技術與衛星通信相結合，并且能夠準確實現各種惡劣地形環境下的穩定數據收發服務，更重要的是必須盡可能把GPS應用的線路板面積減到最小，功耗及成本也降到最低。最近流行的藍牙加UWB融合方案則要求射頻部分在達到480Mbit／s以上的傳輸速率的同時，保持像藍牙技術那樣的低功耗，這無疑需要對射頻電路的工作實行更智能的開關控制，準確判斷電路工作時間進行供電切換。雖然射頻技術只需要滿足每個無線技術的特定要求即可，但這無疑將極大擴展射頻技術的研究范圍，讓射頻技術變得更加靈活與多樣。

移動與無線的融合帶來新挑戰

如果說五年以前移動與無線技術還是勢如水火的仇敵，那么如今無線與移動技術走得越來越近，甚至已經開始了融合的探索。蘋果推出的Iphone已經可以支持Wi-Fi，最近，美國正計劃將WiMax申請作為第四種3G移動通信國際標準，這無疑是無線技術與移動技術走向融合的

重要信號。蜂窩和無線寬帶網絡的匯聚目前正處于開發和測試階段，其中，OFDM無線射頻(RF)信號技術是關鍵。我們預期在踏入下一個十年之初，便會看到全球蜂窩／無線寬帶匯聚型網絡得到大眾市場所采納。由于我們日常生活各方面對互聯網的依賴正不斷增強，人們將要求全面無地域限制的移動寬帶互聯網接入和語音服務。

當然，目前移動和無線技術的融合還是經常以兩個射頻模塊形式出現，在市場需求和技術發展的推動下，遲早兩種技術將集成到一個射頻電路中得以實現，這無疑對射頻電路在多種工作頻率、多種收發模式和多種信號自動選擇等方面提出更多的要求，電路的復雜度將大大增加，而這也是射頻電路研究者們一個重要的歷史任務。

深入探討射頻技術發展

射頻技術的總體發展首先要滿足市場對其提出的主要要求，即在提升性能基礎上實現系統的模塊化、集成化，并在提高集成度的同時降低射頻電路的尺寸與低功耗。在此基礎上，還必須基于數字電路的發展，提高射頻電路在多標準、多模式環境下的應用能力，也就是通常所說的“軟件無線電技術”。

隨著寬帶無線系統的不斷推出，系統對于信道利用率的要求越來越高，這對信道編碼技術及空中接口技術提出了新的挑戰。對于射頻部分來說，則提出了更高的線性度和更低的帶內、帶外噪聲指標要求。射頻芯片的挑戰還包括更高的接收靈敏度和更低的噪聲系數，優異的性能是對產品的最基本要求。

實現高性能的重要手段就是提高射頻電路的復雜程度，而射頻電路一般包括收發器、功放和開關三個部分。現在的射頻電路從根本上來說是以模擬電路為主的混合信號電路。雖然數字化是現在射頻電路芯片的一個趨勢，但射頻技術很難離開高性能模擬技術的支持，因此射頻電路復雜程度的提高對射頻芯片體積的減小提出很多挑戰。射頻端必須著重在降低功耗、加速不同工藝的整合及降低成本上努力。這可由兩個方向來實現，一個是采用全新的SIP架構，也就是將不同工藝的芯片集成在一個封裝模塊上，如前端的功放及天線收／發開關(swtichplexer)，或將功放及收發器放在同一個基板上(Laminate)做成模塊。另外一項就是將功率放大器的制作工藝進步到CMOS，以便與收發器的芯片相整合，在降低功放的功耗上則應設計高效率的功放操作，在飽和條件下與前述評的極化調制相對應。

目前，CMOS是適合于射頻IC的主流工藝，它的集成度很高，可以對所有無源器件進行集成，能夠降低終端廠家的產品成本和設計難度。隨著無線通信產品向消費電子領域轉化，對產品成本的要求也越來越高，CMOS將以其成本方面的優勢替代BiCMOS或SiGe工藝成為RF芯片的主流工藝。此外重要起來的因素是易于實現在數字域對射頻信號進行處理。這對于提升芯片性能及開發多模芯片具有重要的意義。針對許多模擬電路難于縮小到足夠的尺寸，可以利用各種各樣的數字校準、數字環路來代替原來不理想的部分。另外，數字電路本身就是CMOS工藝的強項，這會加快射頻芯片數字化的進程。目前，已經可以利用CMOS工藝將TXR和PA集成在一起，從而實現射頻芯片的全CMOS工藝制造。

電路復雜度的提升和尺寸的縮小意味著射頻芯片將具有更高的集成度。射頻芯片集成度的提高，射頻電路其他器件數量的減少，意味著更低的BOM(物料清單)價格和產品成本、更高的產品穩定性和良品率。而對于射頻芯片設計公司來說，集成度包括芯片電路的集成和芯片功能集成兩個方面。目前為響應市場上對低成本移動設備的需求，各大手機芯片廠商將越來越多的功能集成在單射頻芯片中，單芯片手機方案已經完全成熟。

射頻芯片的最新進展

目前的射頻芯片根據不同的應用有不同的性能特點?；居蒙漕l芯片在相同的集成化要求下具有更高的技術指標、更高的精度和可靠性要求，無論是發射功率還是信道容量都具有明顯的優勢。

手機上的射頻芯片技術是所有射頻芯片中尺寸做得最小的，高通公司8月1日推出了45納米CMOS半導體制造技術的芯片設計，該技術能夠使芯片實現更快的速度、更低的功耗以及更高的集成度，同時還能夠在每個晶片上提供更多管芯，從而降低管芯成本。

SiGe半導體開發的高性能、靈活性及低功耗的WiMAX無線寬帶射頻(RF)收發器支持明年推出的為無線寬帶接入而制定的802.16d標準，這一芯片組是專門設計來應對將WiMAX-無線寬帶集成到移動消費電子產品中時的功效挑戰。

關于TD-SCDMA的一點題外話

TD-SCDMA可以說是國內目前最受關注的射頻應用技術，而TD-SCDMA手機招投標將在今年下半年展開。大唐、展迅、凱明、T3G等是國內主要從事TD-SCDMA手機解決方案開發的廠商。目前，由大唐移動和ADI聯合開發的手機參考設計已經通過了幾個商用實驗網的測試。ADI射頻和無線系統業務部業務開發總監Doug Grant介紹：“我們新的手機芯片包括一些增加的功能，例如高效電源管理和集成的照相機處理器。此外，我們還提供新型CMOS射頻收發器，例如可用于W－CDMA和TD－SCDMA的AD6551 Othello-3^TM芯片以及用于WiMAX／WiBRO的AD9352和AD9353。其中，AD6551采用了經過優化的發射器和接收器電路的設計組合，無需接收和發射SAW濾波器，并且可與ADI公司的SoftFone基帶芯片組直接連接。AD9352和AD9353包含用于基帶同相(I)和正交(Q)通道的模數轉換器(ADC)，并提供ADI／QTM串行接口用來和各種數字基帶處理器直接連接。”

此外，T3G與NXP聯合推出了實現TD－SCDMA與GSM／GPRS／EDGE多模式間語音和數據自動切換的參考設計。在這個參考設計中，由T3G根據NXP3G手機設計修改了射頻端部分電路和協議棧內容，從而實現了兩種不同制式的移動通信標準問的語音和數據業務的無縫自動切換。