3G中的CMOS基RF集成
发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:423
硅技术和集成关键元件单元(如rf 收发器)能降低产品尺寸和成本。
蜂窝标准(如gsm)的严格性能要求,以前限制了rf收发器集成,迫使采用替代技术(如sige bicmos或双极)。现在,gsm/gprs cmos收发器普及率增加,使选择cmos rf技术增加了成熟性。
尽管cmos rf收发器设计提供有力的、使人信服的优点,但设计工程师在开发手持wcdma、edge、gprs/gsm标准高集成度多模收发器时,必须克服结构和电路设计问题。投入时间和精力采用cmos开发多模应用的rf收发器是值得的,市场的回答也是肯定的。
多模发展趋势
为使全球经营者容纳不同的蜂窝架构,手机制造商把多种无线蜂窝技术 (多模)结合在一个器件中,为特殊市场提供最好的买点方案。例如,市场上支持edge的手机数增加,具有向后与gsm/gprs服务兼容。同样,未来3g手机除edge/gprs/gsm技术外,将支持wcdma。全球漫游需要5个频段:gsm-850mhz,e-gsm-900mhz,dcs-1800mhz,pcs-1900mhz和umts-2100mhz。手机设计师必须考虑所有这些要求,并满足用户对低成本和形状因数产品的要求。
硅集成和模块集成促进多模功能。大多数的多模平台组合独立的无线子系统,例如,支持gsm/gprs和wcdma的多模电话可具有一个带gsm/gprs收发器wcdma收发器,以及rf前端和无源元件单元,以便支持两个模式和频段(见图1)。这种方法最实用,因为gsm/gprs和wcdma信道位率是基于不同基准时钟频率(分别为13mhz/26mhz和19.2mhz)。一般的gsm/gprs发送器结构(如opll)不能直接加到wcdma。在该实例中,降低多模设计元件数和成本,需要较高的集成度和创新的rf技术。
图1 采用分离3g和2g无线技术的典型3g多模/多频段 rf设计
图2 单片4频段gsm/gprs cmos收发器框图
多rf前端系统集成方案
4频段gsm/gprs系统的rf前端设计方案示于图2,用一个高集成度单片cmos收发器。天线开关模块连接到发送和接收通路,对每个gsm频段用接收器saw滤波器和相关的匹配电路。发送通路至少需要两个pa:一个pa用于gsm-850mhz和e-gsm-900mhz频段,第2个pa用于1.8ghz dcs和1.9ghz频段。
很多可用的集成rf前端模块可降低元件数并简化设计。它们包括带动率放大器和功率控制逻辑功能(pa模块)的模块和带pa及开关功能发送模块 。在接收端,由saw滤波器单元和带多路开关和接收滤波器的rf前端模块组成。
与图2中的gsm/gprs系统相比,图1 3g多模系统的更复杂前端设计支持2.5g和3g rf信号传输。增加多路转换器是必须的,因为wcdma是基于频分双工,发送器和接收器是同时开关转换。然而,像gsm/gprs那样,经济定标将带来前端元件集成。
当今蜂窝基站结构分成两种:基带功能分成分离模拟和数字基带芯片或单片高集成cmos soc器件(包含实现模式和数字功能)。因为,每种方法具有截然不同的优点,所以在两种分配方法之间进行选择,取决于为大多数经济平台方案选择未来集成路线等因素。
尽管单片方法节省pcb真正的面积,但用分离的模拟和数字基带芯片,对于集成是最可取的道路,因为它使模拟基带功能与实现数字基带的“纯”数字电路隔离。两片方案也能使数字基带定标更小的cmos几何尺寸,同时集成其cmos平台元件(如应用处理器,图像处理器,存储器)
基带结构的一种趋势是简单地去掉模拟基带芯片,于是使数字基带功能集成最佳,同时简化无线到基带芯片接口设计。此方法在无线和数字基带之间,采用一个高速数字接口。可以规定此接口为串行或并行。串行接口降低了器件引脚数,但增加了高速缓冲器芯片上的晶体管数。并行接口增加引脚数和封装尺寸,但在硅中可更有效地实现。
现在,digrf standards body 为2.5g规定了标准高速串行接口规范(见图3)。当支持数字接口时,无线设计将增加复杂性。它不仅仅必须执行模拟到数字和数字到模拟的转换,而且必须有接口逻辑来处理基带的数字通信。用cmos工艺技术比其他工艺更容易、更经济地实现这些功能。
图3 无线和数字基带之间的2g digrf接口
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硅技术和集成关键元件单元(如rf 收发器)能降低产品尺寸和成本。
蜂窝标准(如gsm)的严格性能要求,以前限制了rf收发器集成,迫使采用替代技术(如sige bicmos或双极)。现在,gsm/gprs cmos收发器普及率增加,使选择cmos rf技术增加了成熟性。
尽管cmos rf收发器设计提供有力的、使人信服的优点,但设计工程师在开发手持wcdma、edge、gprs/gsm标准高集成度多模收发器时,必须克服结构和电路设计问题。投入时间和精力采用cmos开发多模应用的rf收发器是值得的,市场的回答也是肯定的。
多模发展趋势
为使全球经营者容纳不同的蜂窝架构,手机制造商把多种无线蜂窝技术 (多模)结合在一个器件中,为特殊市场提供最好的买点方案。例如,市场上支持edge的手机数增加,具有向后与gsm/gprs服务兼容。同样,未来3g手机除edge/gprs/gsm技术外,将支持wcdma。全球漫游需要5个频段:gsm-850mhz,e-gsm-900mhz,dcs-1800mhz,pcs-1900mhz和umts-2100mhz。手机设计师必须考虑所有这些要求,并满足用户对低成本和形状因数产品的要求。
硅集成和模块集成促进多模功能。大多数的多模平台组合独立的无线子系统,例如,支持gsm/gprs和wcdma的多模电话可具有一个带gsm/gprs收发器wcdma收发器,以及rf前端和无源元件单元,以便支持两个模式和频段(见图1)。这种方法最实用,因为gsm/gprs和wcdma信道位率是基于不同基准时钟频率(分别为13mhz/26mhz和19.2mhz)。一般的gsm/gprs发送器结构(如opll)不能直接加到wcdma。在该实例中,降低多模设计元件数和成本,需要较高的集成度和创新的rf技术。
图1 采用分离3g和2g无线技术的典型3g多模/多频段 rf设计
图2 单片4频段gsm/gprs cmos收发器框图
多rf前端系统集成方案
4频段gsm/gprs系统的rf前端设计方案示于图2,用一个高集成度单片cmos收发器。天线开关模块连接到发送和接收通路,对每个gsm频段用接收器saw滤波器和相关的匹配电路。发送通路至少需要两个pa:一个pa用于gsm-850mhz和e-gsm-900mhz频段,第2个pa用于1.8ghz dcs和1.9ghz频段。
很多可用的集成rf前端模块可降低元件数并简化设计。它们包括带动率放大器和功率控制逻辑功能(pa模块)的模块和带pa及开关功能发送模块 。在接收端,由saw滤波器单元和带多路开关和接收滤波器的rf前端模块组成。
与图2中的gsm/gprs系统相比,图1 3g多模系统的更复杂前端设计支持2.5g和3g rf信号传输。增加多路转换器是必须的,因为wcdma是基于频分双工,发送器和接收器是同时开关转换。然而,像gsm/gprs那样,经济定标将带来前端元件集成。
当今蜂窝基站结构分成两种:基带功能分成分离模拟和数字基带芯片或单片高集成cmos soc器件(包含实现模式和数字功能)。因为,每种方法具有截然不同的优点,所以在两种分配方法之间进行选择,取决于为大多数经济平台方案选择未来集成路线等因素。
尽管单片方法节省pcb真正的面积,但用分离的模拟和数字基带芯片,对于集成是最可取的道路,因为它使模拟基带功能与实现数字基带的“纯”数字电路隔离。两片方案也能使数字基带定标更小的cmos几何尺寸,同时集成其cmos平台元件(如应用处理器,图像处理器,存储器)
基带结构的一种趋势是简单地去掉模拟基带芯片,于是使数字基带功能集成最佳,同时简化无线到基带芯片接口设计。此方法在无线和数字基带之间,采用一个高速数字接口。可以规定此接口为串行或并行。串行接口降低了器件引脚数,但增加了高速缓冲器芯片上的晶体管数。并行接口增加引脚数和封装尺寸,但在硅中可更有效地实现。
现在,digrf standards body 为2.5g规定了标准高速串行接口规范(见图3)。当支持数字接口时,无线设计将增加复杂性。它不仅仅必须执行模拟到数字和数字到模拟的转换,而且必须有接口逻辑来处理基带的数字通信。用cmos工艺技术比其他工艺更容易、更经济地实现这些功能。
图3 无线和数字基带之间的2g digrf接口
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