下一代多功能/多媒体手机的差异化设计

手机正在成为集通信、娱乐、定位导航等多种功能于一体的终端设备，为随时随地实现通信、通过网络下载音频和视频内容、接收电视节目，手机将集成越来越多的RF技术，例如支持GSM、GPRS、EDGE、HSDPA、CDMA2000、WCMDA、TD-SCDMA等移动通信空中接口标准中的两个或者多个标准的双模/多模手机，可分别实现VoIP、定位导航、自动费用支付、电视节目接收的Wi-Fi手机、GPS手机、RFID手机、电视手机。即使是以前强调基本通话功能的低成本手机，现在也增加了音乐和拍照功能，并将支持GPRS乃至EDGE技术。

这些采用多种RF技术的手机在给消费者提供“无线”便利的同时，也使手机的系统设计变得愈加复杂。设计工程师不仅要在轻薄短小的手机里放置更多的天线、RF开关、功率放大器(PA)、滤波器，还要处理更加严峻的功耗问题，并要面临如何解决多模手机的切换和射频隔离、如何提高手机GPS功能的接收灵敏度、如何以最佳方式实现低成本手机等问题。本文将重点关注双模/多模手机、GPS手机、Wi-Fi手机、RFID手机以及低成本手机的技术发展趋势和设计挑战，讨论下一代手机对操作系统以及用户界面的新要求，并与大家分享的领先半导体厂商和软件供应商的最新解决方案。

无缝切换和射频隔离是WCDMA/EDGE双模手机的设计关键

对于哪种形式的双模或者多模手机将主导市场的问题，针对不同地域有不同的答案，但业界普遍认为WCDMA/EDGE有望在未来几年成为主流。“目前最流行的双模方式是GSM/GPRS和WCDMA，但WCDMA结合EDGE的方式未来有很大市场，预计80%的双模手机将采用这种组合方式。”LSI公司的移动业务部高级市场经理Roman Polz表示。

ADI SoftFone-LCR+基带芯片组包括了数字和模拟基带处理功能，以及针对TD-SCDMA/GPRS双模手机的音频和功率控制。

图1：LSI公司的Roman Polz。

安华高(Avago)科技有限公司无线半导体事业部高级市场总监Philip Gadd也持同样观点：“GPRS/EDGE和WCDMA双模将成为主流，当GSM运营商迈向3G时，这些手机已经得到广泛使用。”

美国模拟器件公司(ADI)射频和无线部门的业务总监Doug Grant则认为除了WCDMA/EDGE多模外，未来也会存在一些其他的多模方式，比如在中国可能出现TD-SCDMA/EDGE的多模手机，也有些CDMA运营商会引入CDMA+EDGE的双模手机。

图2：安华高科技的Philip Gadd。

既然是多模手机，实现不同模式之间的无缝切换就成为最基本的要求。目前大多数双模手机都采用两套通信系统，用户通过手动切换选择使用哪个网络，这种手动切换的优势技术实现起来比较容易，成本低、用户可以自由选择，特别适合两个网络都覆盖良好的地方。自动切换是指手机将根据信号的强弱在待机和通话状态下自动切换至信号强的网络，可以实现两个网络之间的无缝切换和漫游，但这种方法对手机和网络的要求都比较高，目前较少采用。不过，ADI通过在SoftFone-LCR+芯片组中支持多模协议，已经可以实现TD-SCDMA和GPRS之间的自动切换，且不需要任何单独的基带处理器。大唐和T3G公司已经推出了多模手机，能实现T网和G网的无缝切换。

“实际上，不同模式之间的切换是一个软件问题。各种标准都定义了相当清楚的切换过程，只是要求从芯片制造者到软件提供者都要执行这个协议。当然，在测试环境和实际网络中都去对参考手机设计进行测试，以确保具有鲁棒性的协同工作能力也是十分必要。”Doug Grant表示。

除了网络间切换问题外，双模/多模手机设计还面临其它方面的设计难题。正如锐迪科微电子的副总裁张亮指出的，由于GSM、CDMA和3G各自使用不同的频率资源，多模手机需要2个或3个RF电路以对应不同的频带，但是射频电路的集成难度较高，这就要解决如何降低射频电路间干扰、优化共用模块设计、简化外围器件、降低功耗等问题。因此，设计工程师必须从架构选择、天线设计，以及RF开关、RF功率放大器(PA)、收发器、基带芯片等器件的选择及布局布线等方面入手来解决这些问题。

对基带芯片而言，必须确保架构足够灵活，能支持最新的连接技术和具有足够强大的处理功能，并避免电池耗电过大。Roman Polz还特别指出：“基带部分必须支持与不同RF技术的连接，从而允许手机制造商能够自行选择合适的射频供应商。”

天线的设计和位置对避免不同模式之间的RF干扰非常重要。支持不同的频段手机大都需要单独的天线，即使有几个天线可以共享，仍需要采用多个滤波器，以防止一些频段的信号发射对另一些频带上高度灵敏的信号接收前端造成干扰。

图3：ADI公司Doug Grant。

RF开关的实现难点在于线性、隔离和损耗三者之间的权衡。此外，构建T/R开关(强调快速开关和谐波)和构建频带选择开关(强调线性，某些情况下隔离度也很关键)两者之间存在差异，最具挑战性的一种开关要同时支持多频带、多模EDGE/WCDMA手机。“为解决双模/多模手机给RF开关带来的难题，要求将智能电路设计和先进制造工艺巧妙地结合起来。”Skyworks公司的大中华区高级销售总监Vincent Wang表示。该公司在集成到其Helios和Intera方案的RF开关中，采用了一种高线性、低插入损耗的伪形态高电子迁移率晶体管(pHEMT)射频开关工艺，使开关能以很低的插入损耗切换射频信号。

多模工作方式对PA提出了新的要求，因为不同模式对PA的功率和线性度有不同要求。目前用于EDGE的PA要求高功率、准线性，用于WCDMA PA则要求低功率和高线性度。如果使用线性PA，则在高功率、非线性模式下将损失不少效率。如果尝试调节极化PA，则因环路带宽不同，使设计非常困难。Avago使用一种被称为CoolPAM的架构来优化PA的效率，该架构能使PA根据所需输出功率调节传输路径，保持极好的线性及很高的效率。

由于目前PA的价格相对便宜，如果要使手机保持小型化，并且电池寿命长，使用独立优化的PA似乎是最佳方案。但如果使用多个PA，成本和尺寸是必须要考虑的问题，因此最佳的途径是采用高度集成、高效率的解决方案支持所有关键的空中接口和频段。Skyworks倾向于将PA和RF开关集成到单个、紧凑的前端模块(FEM)中，并与一个多频带收发器组合，构成一个完整的解决方案。该SKY74210收发器采用一种创新的软件配置架构，能有效实现Tx EGPRS和WCDMA模式共享。

在滤波方面，首先需要考虑手机是采用时分双工(TDD使用T/R开关)还是频分双工(FDD需要一个双工器)。如果使用多种FDD频带，则每一个频带都需要一个双工器，这样前端走线和降低损耗都比较困难。Doug Grant认为：“在物理层面还是电子层面上保持无线隔离度都是十分重要，滤波器可以起到作用，但更好的方法是采用低输出噪声的无线接收装置，同时保持用于不同业务的天线尽可能远。”例如，AD6551 Othello-3 CMOS收发器在发射机架构上采用了最新的低噪声架构，可节省声表面滤波器，而运用一个高动态范围的接收器前端可省略了接收通路上的射频声表面滤波器。