原创 演进中的WEDGE无线电接口

随着视频、多媒体、游戏和宽带广域移动性的需求及用户人数持续成长，通过下一代移动电话网络提供更大语音容量和高速数据服务已成不可避免之势。与此同时，现有3G无线电的集成与设计挑战则让人想起第一代超外差GSM设计。WCDMA是需要更多设计考虑的频分双工(FDD)扩频系统，这与较为成熟的2.5G时分复用(TDMA)设计有很大的不同。电路板上新增加的双工器、低噪声放大器(LNA)和多颗表面声波滤波器(SAW)等元器件就反映出这项转变。收发器参考振荡器和基带接口也开始改变，结果使得手机的物料清单(BOM)、体积以及设计和制造的简单性都受到冲击。设计人员应能分辨WCDMA与EDGE结合所得的WEDGE系统与先前产品之间的差异，并且了解相关元器件和演进中的无线电接口，这对他们开发相关产品有很大帮助。

GSM TDMA无线电诞生在一个无线频谱较为充裕的年代，因此相关标准主要在于改善耗电量及射频隔离能力，以便元器件和手机的设计更容易。然而在此以后，频谱逐渐成为一种稀有资源，于是能以功耗为代价换取更大传输容量的FDD WCDMA系统开始展露其优势。WCDMA还可作为一种升级途径，帮助GSM/GPRS/EDGE技术提高应用服务的数据速率和降低成本。WCDMA系统利用正交码而非频率或时间来区分用户。基本上，它会将无线电信号乘上扩频信号(准噪声编码序列)，这些扩频信号的码片速率(3.84Mcps)会高于信息的数据速率(12.2kbps)。所得到的5MHz宽带信号看似随机，但若接收方知道正确编码就能反转整个处理程序，并在不增加噪声强度的情形下取出原始信号。对于手机设计人员和元器件供应商来说，要如图1所示把TDMA无线电与FDD系统集成至相同电路板上都是一项艰巨的挑战。

发射路径

为了提供全双工操作能力，FDD手机可以同时接收和发射信号。功率放大器后面的双工器可将很小的接收信号和很大的发射信号隔开。在多模式系统中增加双工器带来新的设计考虑，这是因为双工器必须将接收频带和发射频带的插入损耗尽量减小，同时在接收端口提供良好的发射噪声隔离能力。就以一个具备50dB典型隔离能力的双工器为例，如果最大输出功率等于24dBm(WCDMA功率类别III)，功率放大器的输出功率就必须略高一些，以便弥补典型双工器的1.5dB发射插入损耗，结果可能造成-24.5dBm的发射信号直接泄漏到接收机的输入端。这个发射泄漏信号实际上会变成调制阻隔信号(modulated blocker)。

除此之外，发射泄漏信号迫使WCDMA功率放大器的前面必须使用SAW滤波器。有些设计会利用SAW滤波器来衰减接收频带的发射噪声、高端信号谐波和功率放大器所放大的频带外噪声。SAW滤波器还能让收发器放宽噪声要求，只不过收发器必须提供更高的输出功率来克服SAW滤波器的插入损耗。换言之，设计人员必须在功率和元器件用料之间做出取舍。许多收发器用来放宽WCDMA和EDGE发射要求的另一种技术是提供平衡或差动输出，以及使用SAW、非平衡(balun)或输出网络将信号转换为功率放大器所需的单端输入。平衡输出不仅能通过共模抑制特性减少噪声，它在特定噪声水平下的耗电量也低于非平衡或单端输出架构。平衡输出还能让设计更容易达到功率放大器的峰对峰电压要求，只是这必须以更多的元器件用料和电路板面积为代价。

图1：WEDGE无线电的概念图。

不同的标准可能使用不同的调制技术，因此WCDMA和GSM/EDGE目前仍需使用各自的功率放大器。GSM/EDGE可将同一个4频带功率放大器用于所有频带，WCDMA功率放大器通常则只能支持9个WCDMA频带中的1或2个频带。WCDMA功率放大器厂商目前最关注功耗，这并不足为奇。比较令人意外的是，功率放大器也能根据它们对于高速下行分组接入(HSDPA)的支持加以区别。这是因为HSDPA是一种下行链路数据速率的增强技术，需要客户端接收机将确认以及控制信道信息传回给基站，这使得功率放大器必须具备更良好的线性特性。

就在厂商专注于噪声、线性和功耗的同时，各种不同的模块整合计划也在积极进行，以便解决元器件数目不断增加的问题。内含GSM功率放大器和天线开关模块(ASM)的GSM发射机模块正逐渐获得接受，现在更要将GSM/EDGE功率放大器和WCDMA多模式开关整合进来。WCDMA发射机模块则会结合特定频带的WCDMA功率放大器和双工器，某些产品还可能包含发射机的SAW滤波器。未来推出的模块会把不同频带的发射机模块整合在一起，同时扩大包含GSM/EDGE功率放大器。

接收路径

天线接收的信号会由天线开关模块切换到GSM/EDGE接收路径或WCDMA的双工器。天线开关模块可以选择所要的输出或输入射频信号，并且整合谐波过滤、信号切换和双工器等功能。除了持续改善插入损耗、隔离能力和体积外，天线开关模块技术也在转变，以支持越来越多的频带。厂商为解决多组输入和输出的问题，现正努力将单刀三掷(SP3T)和单刀四掷(SP4T)开关整合在一起，同时开发高达SP9T的开关组件，这对GaAs pHEMT开关的应用有很大帮助。天线开关模块多半利用PIN二极管技术支持GSM/EDGE，但日益增多的频带却使它们逐渐需要采用开关网络，只不过这会造成插入损耗增加和隔离能力下降。此外，随着电话的控制电压持续下降，PIN二极管已无法维持原有的性能。GaAs pHEMT开关的驱动电流需求较低，有助于将通用输出(GPO)整合到收发器。

种类繁多的元器件和前端电路架构使得前端模块(FEM)日益受到欢迎。这些模块因为体积更小和设计简单，所以具有极大的吸引力。当然，设计人员仍需在性能和价格之间做出取舍，只不过这些差距正在缩小。WEDGE前端模块把天线开关模块和GSM/EDGE SAW整合在一起，由SAW滤波器负责GSM/EDGE的频带选择。这些滤波器除了提供非常陡峭的滤波衰减特性以便消除不必要的噪声和频带外阻隔信号之外，它们的插入损耗也必须很小才能让系统拥有最高的灵敏度，因为灵敏度是手机很重要的产品差异化特性。设计人员接着还必须利用电容和电感等分立元器件让SAW滤波器与收发器的GSM/EDGE输入端阻抗匹配，以便SAW能将最大的功率或电压输出到收发器的低噪声放大器输入端。有些厂商也会将这些元器件整合到前端模块，还有些前端模块甚至会包含天线开关模块和双工器。

目前每个WCDMA频带都会使用一个分立式双工器。从陶瓷双工器升级到以SAW为基础的双工器对于收发器的设计很有帮助。以SAW为基础的双工器不仅体积更小，还能提供平衡输出给接收器，使得收发器能利用共模抑制特性来减少噪声。以SAW为基础的双工器还能在不增加成本的情况下维持或降低插入损耗以及提供更强大的隔离能力，因此对于设计人员极有吸引力。

如前所述，FDD操作和双工器的有限隔离能力会造成发射泄漏信号而影响接收系统。接收机面对强大调制信号时的性能很重要，因为基带可能出现时变性直流偏移和偶数阶失真而导致系统灵敏度下降。二阶截取点(IP2)代表接收机的二阶线性特性。WCDMA规格虽然针对频带外要求定义多种不同的阻隔信号，但它对于二阶截取点的要求却隐含在发射泄漏信号的规格中。接收机若出现多个不同频率的信号，就可能在同样频率位置产生互调信号而对目标信号造成干扰，这类互调信号是由放大器和混频器等某些接收机方块的非线性特性造成的。谐波和互调信号的阶数越高，其功率就越低，因此代表三阶线性特性的接收机三阶截取点(IP3)就成为一项重要参数。同样，此处仍是发射泄漏信号使得接收机必须达到一定程度的线性特性要求。这是因为在距离接收频带某个带宽的位置若出现调制阻隔信号，而且在该带宽两倍的位置又出现发射机泄漏信号，则接收频率就会像在互调测试一样出现三阶互调信号。

这些系统设计挑战会影响每个WCDMA频带的中间级SAW滤波器以及分立式低噪声放大器的成本和体积。芯片外置的低噪声放大器可以满足前端电路严格的线性特性要求。良好的线性有助于收发器维持增益和将噪声基准减至最小，这是因为线性不良会使得增益下降和谐波增加，这将导致噪声基准升高并对灵敏度造成重大的影响。芯片外置的低噪声放大器不仅提供10至15dB的增益，还能通过工艺技术让功耗低于芯片内置的实现方式。低噪声放大器后面则是接收机中间级SAW滤波器，这个滤波器不是为了选择频带，而是用来衰减发射噪声以及互调产生的2阶和3阶谐波。省下低噪声放大器和中间级SAW滤波器的元器件用料与复杂性是收发器整合的重点，只不过这方面的技术难度很高。手机设计人员应仔细评估不同解决方案的优缺点，因为有些解决方案只是改变这些芯片外围前端元器件的功能分割方式，有些则会采用衰减能力更强的远程双工器技术来免除中间级SAW滤波器。设计人员尤其要注意的是，就算双工器能省下SAW滤波器，它的价格也可能超过所节省的元器件成本。

基带接口

多数GSM/EDGE手机会以模拟同相位(I)和正交相位(Q)格式在基带和收发器之间传送语音和数据。业界也正在实施数字串行接口，例如DigRF工作小组已为2.5G系统定义一套能够免除基带模拟功能的接口。DigRF接口的目标是提供一套开放源代码的行业标准接口，同时以更理想的方式来分割收发器和基带的射频/模拟和数字电路。这套标准定义了逻辑、电气和时序接口，但留下协议和编程方式未定义以保持弹性。然而这样的弹性也可能变成含义不清，进而影响它在实际应用的兼容性。内置数字低中频接收机的收发器最适合采用DigRF接口，因为接收信号在发送给基带单元之前早已转换成数字形式。其它架构可能需要困难的模数转换器电路和杂散信号控制功能。

自从2.5G DigRF接口在2004年成为正式标准后，DigRF工作小组成员已增加到30多家公司，他们目前正在制定一套3G接口。这套接口虽受到WCDMA的FDD操作以及数据速率和接脚数目的影响而无法兼容于2.5G DigRF，但单模EDGE系统仍能使用这套3G接口。相比2.5G DigRF接口，3G DigRF还重新定义射频和基带系统架构的分割方式，这包括根上升余弦滤波(raised root cosine filtering)以及调制模块的位置。3G DigRF现正接受审查，但就算它最终获得通过，也需要一段时间才能得到市场接受。在这个过渡时期，弹性将变得极为重要，因为WEDGE接收机可能需要支持WCDMA和GSM/EDGE等两种独立的模拟I/Q接口，或是支持WCDMA的模拟I/Q和GSM/EDGE的2.5G DigRF两种不同类型的接口。

参考振荡器接口

在参考振荡器接口上，收发器会与外部石英晶体频率源同步并提供一组系统频率给基带单元。手机必须补偿石英晶体切割造成的静态电压偏移以及温度漂移和元器件老化导致的动态电压偏移。多年来，GSM手机都是由压控型温度补偿石英振荡器(VC-TCXO)模块提供这一功能。许多批量生产的GSM手机甚至开始采用内置数控石英振荡器(DCXO)的收发器，这使它们仅需一颗成本更低的石英晶体。内置DCXO功能的收发器会使用基站传来并经过基带单元处理的同步信息以及模拟和数字电路来补偿频率误差。

WCDMA参考振荡器功能目前仅支持VC-TCXO模块，这比GSM DCXO后退了一步。新产品刚上市时自然以减少风险为先，但降低成本的要求会促使厂商开始发展创新的EDGE DCXO产品。GSM/EDGE系统目前是以13MHz或26MHz作为标准的参考频率，多模系统的频率迄今却尚未定案。3G系统的参考频率包括15.36MHz、38.4MHz和较受欢迎的19.2MHz及26MHz。频率速率应为WCDMA码片速率和信道栅(channel raster)(200kHz)的整数倍，19.2MHz由于是这两者的最小公倍数而获得广泛使用。WEDGE系统则大都采用26MHz，因为它能保障原有的GSM/EDGE合成器与软件投资。多模系统未来唯一不便之处是从19.2MHz产生GSM/EDGE符码率频率(或其整数倍)或是从26MHz反过来产生WCDMA码片率频率(或其整数倍)。

本文小结

3G为手机设计带来重大转变。元器件数目、物料清单和系统互动都大幅成长，这对WEDGE电路板造成复杂的影响，厂商必须付出极大精力才能确保产品的设计与制造变得更容易。手机制造商只要跟上无线通信技术的演进步伐和成功克服这些挑战，就能集中全力实现量产目标，并且继续选择最好的元器件以便开发出最独特的产品和创造出最大的市场竞争力。