简化多模多频带3G手机的RF前端设计

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          手机市场激烈的竞争推动制造商去寻找新的降低成本、印制电路板(PCB)面积和功率损耗的设计方法。同时,第三代(3G)网络的首次展示已打开各种新型多媒体和以实验为依据的应用之门,从无线网络接入和移动视频到文本发送处理和移动电视。 

          随着这些新型应用需求的上升和市场变得日益全球化,手机生产商陷入了困境。他们怎样才能在不违背市场严格的成本、覆盖区和功率制约的情况下维持不断增长的用来支持全球平台和需提供这些新的增收服务的多路宽频带技术的频带数量?最新的3GPP标准支持的频率数量已经从3个增加到了10个并且被设置可继续扩展。目前的频谱和相关带宽如图1所示。


          毫无疑问的是:为了在当今市场取得成功,手机设计师需要设计具备多频带、多模能力的手机。现有的2G GSM/GPRS网络的用户持续增长,且具有当今最大的网络覆盖率。EDGE技术通过在GSM系统中引入二级调制格式提高了数据传输率, 基于这种技术的手机的出货速度增长迅速。 

          与此同时,网络运营商正在继续铺开3G宽带CDMA(WCDMA)网络。基于通用移动通信系统(UMTS)的网络拓扑架构,这种新技术正迅速成为引领全球移动宽带的解决方案。行业分析家预示WCDMA和EDGE将在未来几年代表手机市场的两个发展最迅速的部分。而且,为了满足基于IP的服务需要,全世界正增加的UMTS运营商正在部署高速下行链路数据分组接入(HSDPA)网络。高速上行链路数据分组接入(HSUPA)也将在不久后开始部署。图2给出了每个手机标准和相关上下行链路数据传输率。


          与此同时,网络运营商和服务提供商相信现在正是朝3GPP长期演变(LTE)方向,主动加快WCDMA发展速度的时候。LTE正在成为下一代无线宽带网络的主导技术。它使得下行和上行链路数据传输率分别为100Mbps和50Mbps,并通过采用多输入多输出(MIMO)智能天线技术的正交频分复用(OFDM)传输机制来改善网络覆盖和效率。 

          LTE将为4G技术奠定基础,它要求网络运营商支持另一个调制方案。为利用这些新型网络技术,网络运营商必须克服两个巨大的障碍:更高昂的成本和更大的功率损耗。WCDMA手机的BOM成本为EDGE手机的两倍,接近GSM/GPRS手机成本的三倍。与此同时,GSM手机的通话时间是WCDMA手机的两倍,而通话时间是消费者对手机使用体验的一个关键因素。 

          这些区别主要是由于WCDMA前端架构更复杂。WCDMA是一种扩频技术,它采用5MHz的传输宽带。因为WCDMA采用全双工通信,所以接收和发送功能可以同时进行,但这要求前端电路能衰减发送器的宽带噪声,以避免接收器灵敏度降低。通常,这可以通过在发送和接收通道上采用双工器和额外的带通滤波器来实现。此外,设计工程师一般都采用外部LNA。与GSM/GPRS和EDGE手机相比,额外的元件数量和面积增加了WCDMA手机的成本。 

          功率效率也是一个挑战。在无线设备中,输出功率放大级通常消耗大部分的电池能量。与GSM手机的功率放大器(PA)工作在饱和模式不同,WCDMA系统中PA工作于线性模式。此外,复杂的四相移位键控(QPSK)调制技术也要求PA级具有高线性度以免降低信号的质量或干扰相邻信道。因此,WCDMA手机设计工程师经常要在确保WCDMA性能所需的高线性度与更长电池寿命要求所需的高功率效率之间进行权衡。 

          前端电路复制 

          传统上,为在同一设备中支持多种空中接口标准,手机设计工程师已在采用带有单独无线电收发器的堆叠的无线电架构。通常,支持多个空中接口对手机的元件数量有较大影响,因为它要求采用多个声表面波滤波器(SAW)、振荡器、滤波器和专用的混频器。显然,对在成本和功率敏感的手机行业中的设计工程师来说,如此多数量的元件是一个不小的挑战。此外,功能复制与最小化产品PCB面积的要求直接冲突。一个典型的7频带WEDGE手机的射频电路架构如图3所示,实现这种前端功能目前需要4个PA、10个SAW滤波器、3个双工机和1个单刀九掷开关。

          很明显,为全球市场设计手机的工程师需要一种新的前端架构,这种架构可以减少现有的堆叠式射频前端电路的固有冗余。单个普通的发送通道可以最大化地复用芯片上的电路、减少系统BOM成本、节省PCB面积并简化手机的前端设计。此外,由于线性PA消耗了大部分的手机电池能量,采用非线性PA的单个发送通道可显著减少功率损耗并延长手机电池寿命。

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