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移動設備多重標準射頻前端設計需求介紹【詳解】

  用“整合”一詞來描述時下將複合式多媒體與連結功能整合至可攜式消費性電子產品(CE)的過程,實為再貼切不過。移動電話正是功能整合日益蓬勃的好例子:在十幾年前,第一款手機只配有FM無線電接收器,而現在的移動電話不但備有高品質數字成像、本地及個人區域網路絡、衛星導航,甚至還有廣播電視收訊。

  移動電話有著日益強大的連結及功能,其發展的動力不外乎下三個關鍵要素:第一,移動通信業者有著維護用戶資料庫和增加平均每戶貢獻度(ARPU)的需求,而方法之一就是提供新式的非通信服務及特色;第二,手機業者持續地力求提供產品多樣性,以吸引通信業者以及消費者;第三,熟知高科技的消費者對於多元化媒體功能與方便可攜式裝置間無遠弗屆的結合,有著日益增加的需求。

  這樣的科技整合不僅限在手機上;事實上,任何含有液晶顯示器螢幕及多媒體處理能力的可攜式裝置,皆被消費性電子產品製造商當作多重無線電平台的目標。它們包括了筆記型電腦、可攜式多媒體播放器(PMP)、掌上型游戲機,甚至是可攜式導航裝置(PND)。

  由於以無線電為基礎的科技日新月異,而消費者對於消費性電子產品的需求也不斷增長,晶片供貨商和系統整合商現在面臨了在可攜式裝置中提供整合功能的挑戰。這些無線電科技可依功能分類為:

  ● 通信:全球移動通信系統(GSM)、CDMA2000、全球移動通信系統(UMTS)、長期演進技術(LTE)等

  ● 廣播:GPS,模擬&數字無線電、移動數字電視(MDTV)、數字地面廣播電視(DTT)等

  ● 連結:無線區域網路絡(WLAN)、藍芽、超寬帶(UWB)、近端交易技術(NFC)、全球微波存取互通接口等

  整合這些無線電技術的挑戰獨具意義,尤其是任何經整合的裝置,由於本身的特性使然,會將每個無線電應用程式所需之最具技術性的效能需求,聚集在單一平台上。系統設計師也必須謹記,在選擇記憶體解決方案時,或許得用全國或地方性的標準(如操作頻率、鄰近信道狀況、傳輸功率位準等)來部署“全球性”的標準(如DVB-T數字電視)。 提供這項漸增的功能時,不會有任何妥協。這些新的整合平台也需堅守消費性電子產品低成本、低功率及小尺寸的真言,而這實際上也僅能由多重標準、多功能的前端解決方案來實現。需注意的關鍵點就於,任何多標準前端,都必須盡可能提供具競爭性的解決方案,甚至是部署在單一或雙重標準的應用程式中,或是為晶片供貨商和系統整合者提供規模經濟時亦然。

  在本文中,射頻接收器或收發器功能皆會稱為“前端”。當然,在一完整的系統中,必須有一數據機(可能會與前端整合為晶片系統,或稱SoC)、較高階的數字處理、多媒體編碼以及A/V輸出裝置,像是螢幕和擴音器。

  功能性分隔

  雖然單一消費性電子產品裝置可能不會具備所有上述的通信:廣播和連結無線電技術。但舉例來說,時下的移動電話已經整合了那三種功能性分類中,每一個分類的其中一個無線電技術,而同時製造商也不斷力求整合更多的功能。漸漸地,筆記型電腦、可攜式多媒體播放器和其它可攜式消費性電子產品裝置也正跟上這股整合的潮流。

  既然可以實際裝載於單一裝置平台上的獨立整合電路(ICs)數量有著尺寸的限制與成本上的考慮,整合電路目前的解決方案可夠整合上述三個功能性分類其中之一的無線電功能。這可能會被稱為“水平式”功能性整合,而其概念則如圖1所示。值得注意的是,雖然今日已可將藍芽獨立整合電路和無線區域網路絡及FM無線電信號整合,廣播應用程式也可以整合至消費性電子產品裝置中,但已整合FM無線電信號的移動數字電視(MDTV)/ 數字地面廣播電視(DTT電視)的接收器整合電路會是較佳的使用案例。

  整合使用功能類似的無線電,而非跨功能的整合,有著基本的考慮。首先應注意,在具通信能力的消費性電子產品中,裝置整合器會發展以相同通信基頻平台為基礎的產品世代,以取得與大量投注於新通信基頻軟體開發之努力間的平衡;若次於通信功能的新無線電功能慣常地被並至通信基頻中,則所需的軟體開發可能會使新無線電技術的部署產生一個“潛在因子”。因此,多重無線電硅晶整合通常不會超出通信範圍。第二,消費性電子產品裝置製造商通常會發展具有不同功能及特色的產品系列,以應付不同的消費者、地域及市場需求;因此多重無線電、多重功能同時成本也可能因此更高的裝置,便無法滿足所有市場或消費者的需求。第三,聚集或不聚集特定的無線電技術,有著技術上的考慮。這些原因可能包括了一些基本原則,像是:相似調變技術的使用(例如多個數字電視和無線電技術使用正交分頻多任務技術(OFDM)調變);天線限制(例如因為頻寬限制或需同時操作,因而無法共享天線);幹擾的共存問題(例如若將一敏感的全球定位系統接收器整合至一通信收發器,該接收器可能會失去功能)。

  多重標準射頻前端的挑戰

  多重標準射頻前端可能是獨立的整合電路,或是一個較大、且整合了射頻及數據機之晶片系統(SoC)解決方案的一部份。在這兩種情況中,射頻電路系統的關鍵設計需求基本上相同,也就是:

  ● 必須支援一大規模的操作頻帶,以及大範圍的通道頻寬

  ● 必須支援高度輸入信號動態範圍(低噪聲、高線性度)

  ● 必須與其它射頻功能共存,並不受“真實世界”的妨礙影響

  ● 必須能相符天線限制,即尺寸、天線共享、天線隔離等

  ● 必須是低電量,以達電池之最長壽命

  ● 必須能使用低系統成本

  ● 必須提供小規模的解決方案

  當然,在任何前端射頻的系統整合中,這些都是最典型的考慮因素,但當多重無線電因不同的聚集需求而共同指定位置時,這些挑戰會更為艱難。

  多重標準前端之范例

  在一包含FM、數字音頻廣播(DAB)和DVB-T數字電視(針對歐洲市場)的可攜式裝置中,“僅僅”提供廣播電視及無線電信號的多重標準前端設計,就已是一項挑戰。接收器的合成器必須在88MHz(FM)到超過800MHz(DVB-T數字電視) 的頻率中涵蓋10HMz的範圍, 最低支援至個位數千赫(FM)的頻距,提供低整合相位噪聲。以支援正交調幅(QAM)64(DVB-T數字電視), 也需搭配低單邊帶雜音,以緩和影像中出現小的影像區塊之現象。除了這些合成器的挑戰之外,接收器的射頻輸入級必須支援一廣泛的動態範圍(低噪聲、高線性度),使其能接收通常含有幹擾的信號準位之收信,範圍低至-105dBm(FM),高至0dBm(數位音頻廣播),而基頻區段則需支援通道頻寬,自200KHz(FM)∼8MHz(DVB-T數字電視)。

  要滿足這些不同的前端效能需求,其一方法就是設計多重射頻電路,接合至多重相對應的基頻電路。然而,如果在特定的消費性電子產品裝置中只能支援一或二項應用程式標準,這樣的方法將會造成元件尺寸過大,而失去商業上的競爭性。要解決此問題,較好的方式為使用一可重複設定的接收器結構。

  圖4的區塊圖顯示Mirics Semiconductor MSi002涵蓋從長波至L波帶間所有頻率的多重標準廣播射頻前端。這項裝置配具有多重輸入擴音器,其已為一特定操作帶設定好最佳化,不過接著會將其所有輸出聚集至一普遍可程式設計的降頻轉換以及基頻結構。這項方法會使特定的使用案例相互排除,例如消費者不會想要在同一時間聽無線電和看電視。

  這項可再設定的結構,確保了每一輸入級提供正確的音信效能、信號處理及消耗功率組合。同時,基頻效益及濾波器的可再配置性,結合了分數式頻率合成器的彈性,確保可以接受所有相關通道,並以充分的模擬處理將其呈現在解調器上。而可重複設定的基頻方法在廣播收信上效果顯著,但在其它如無線區域網路絡和藍芽等的功能性使用案例上可能無法多加利用,因其可能需要無線電的同時操作(例如無線影像分流及無線藍芽音效)。

  要確保有絕佳的“真實世界”使用者經驗,在具有不需要之幹擾的環境下,高效能正是關鍵。在這個廣播接收器范例的情況下,典型的通道中幹擾源包括了高功率FM信號,其二次諧波可能會落在想要的數字音頻廣播(DAB)信號上,或數字音頻廣播(DAB)信號的諧波落在想要的DVB-T數字電視頻道上。另外,震動器和所需的信號的諧波混頻結果也有可能於落於頻帶內。造成封鎖想要信號的其它幹擾情形包括強烈的鄰近通道,或是因相位噪聲不足而產生的寬帶幹擾信號相互混雜。謹慎選擇降頻轉換結構(外差相對於零差)、使用抗諧波混合及過濾晶片,可以協助減緩這些問題。

  在接收廣播信號的情況下,雙重、三重甚或四重科技可以用來減少必須整合至一消費性電子產品裝置中的實際天線數量。然而,有限的寬帶天線頻率響應和顯著的多重插入損失,通常會將天線共享限制於雙重配置之上。

  系統效能並非由射頻前端單獨指定,並且在射頻前端與數字解調器之間,信號處理的光學分隔其中還有著功率與尺寸的妥協。模擬過濾為此處的最佳范例:如果一射頻前端提供了過多的模擬信道選擇,則元件尺寸會受到負面性的影響。相反地,如果提供不夠充分的模擬選擇,解調器至數字轉換器的模擬將會面臨不合理的動態範圍需求。如此謹慎考慮的系統交換可以提供顯著的技術及商業效益。

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