LTE/11ac引领潮流 手机射频前端设计翻新

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物联网(IoT)带动的议题持续在国内外各种正式与非正式的场合发烧，人们对无所不在的智慧产品，或所谓智慧的应用注入更多的想像空间。近年来，在市场规 模饱和的压力下，各行各业随时都抱持着下一代嵌入式智慧(Embedded Intelligence)产品能早日到来的希望。
         
       
        现今，任何物体只要冠上「智慧」，人们便会趋之若鹜。智慧的物体(Smart Object)在物联网的架构上，即指人们可以在任何时间、任何地方使用智慧的产品，并享用智慧的成果。当具性价比的智慧产品改变人们的生活，甚至依赖它 时，市场规模的巨大成长便是可预期的，这也是物联网上、中、下游厂商戮力研发追求成长的基石。  
        物联网的智慧元素，来自于机器对机器 (Machine to Machine, M2M)的自动沟通，以及大量资讯的无线传递和网路运算，由事件的起源直至事件成果的聪明呈现，符合人们对事件解决的期待，同时将人们无效率的干涉降至最 低。上亿台机器间的相互沟通，以及大量资讯的传递与云端的资料运算，都必须仰赖可靠的基础建设，才得以即时、无误地完成介面转换与资讯分配。  
         
        现阶段支援3G/4G长程演进计划(Long Term Evolution, LTE)、无线区域网路(Wi-Fi)/802.11ac等基础建设，并符合无线通讯标准的终端产品，有智慧型手机、穿戴式装置、无线网卡与智慧家庭产品 等，这些产品也将随物联网高速、高频宽、高效益的本质需求，注入技术创新与智慧化功能的挑战与愿景。  
         
       
        拆解支援4G/LTE、Wi- Fi/802.11ac智慧型的无线终端产品，如智慧型手机、射频前端模组(Radio Frequency Frond-end Module, RF FEM)的创新技术，也将是成就所谓智慧的、无界的、高效率的、高性价比的重要关键技术。  
         
       
        达成全球无缝连接　手机支持多模/多频成关键
       
        LTE 与Wi-Fi/802.11ac的标准化规格，使得结合智慧型手机的相关物联网应用，成为消费市场最可预见的曙光。内建4G LTE与802.11ac标准化规格的智慧型手机，其无缝连接(Seamless Connectivity)可支持物联网全域网(Ubiquitous Networks)的基本特征，同时提供宽频影音与即时控制的智慧化个人与家庭相关应用。  
         
        4G LTE的建议频率多达四十四个，依据国情不同，使用频段也各有差异，又为了与过去传统的3G与全球行动通讯系统(GSM)互相通联，达成全球无缝连接，并 游走于各频段，因此具有支持多模(Multimode)、多频(Multiband)的架构，已成为手机射频前端的关键技术。  
         
       
        在各国 频谱资源有限与相对昂贵的使用费率下，以高效能的数位调变技术来达到高传输速度的需求，已是目前LTE与Wi-Fi/802.11ac空中介面(Air Interface)的标准。但这样的技术将会衍生出劣化讯号的峰均功率比(Peak to Average Power Ratio, PAPR)，增加更多的电能消耗，并降低手机的电池使用效率。在绿能环保意识的提升，以及人们对手机使用时间增长的要求下，降低射频前端元件功耗的封包追 踪(Envelop Tracking, ET)技术，也已成为新一代智慧型手机的关键指标。  
         
       
        在LTE行动通讯与Wi-Fi/802.11ac无线网路的引领下，翻新的多模多频射频前端设计，将带动智慧型手机与相关的可穿戴式装置，更贴近物联网的智慧物件与智慧终端产品。
           
       
        多模多频的射频前端需求
       
        支 援无国界漫游的LTE智慧型手机，加以考量功耗与精巧外型，那么多频多模的射频前端设计便是唯一的选项。放眼全球射频前端元件制造商，如 Skyworks、RFMD、Anadigics与立积电子(RichWave)，甚至包含积极跨入整合主晶片与射频前端模组的高通 (Qualcomm)，这些厂商在进行相关产品研发时，皆以支持多模多频的设计为目标。  
         
       
        综观而言，4G/LTE智慧型手机支援五模， 分别为分频多工(Frequency-division Duplex, FDD)-LTE、分时多工(Time-division Duplex, TDD)-LTE、分时同步分码多重存取(TD-SCDMA)、宽频分码多重存取(WCDMA)与GSM，此外，多频(由使用地区与营运商的运转频段决 定)与全球漫游已是各国营运商和消费者的基本需求。  
       
        欧洲电信标准协会(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)在技术文件3GPP TS 36.101中，定义支援4G/LTE四十四个频段范围，其中频段(Band)1?32为分频多工、频段33?44为分时多工，详细的LTE各频段频率分 布可参考表1。  

       
       
       

         
        手机射频前端模组主要包含行动通讯LTE相关之射频元件，如天线开关模组(Antenna Switch Module, ASM)、功率放大器(Power Amplifier, PA)、双工器(Duplixer)、表面声波滤波器(Surface Acoustic Wave Filter, SAW)、薄膜体声波谐振(Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR)滤波器，与无线网路Wi-Fi/802.11ac及全球卫星定位系统(Global Position System, GPS)相关之射频前端元件。显而易见地，射频前端元件中功率放大器的创新设计，直接牵动着手机射频前端的细部架构。  
         
       
        功率放大器由支 援2G行动通讯的固定封包(Constant Envelop)单一模式功能的分离器件，演进至提供支援2.5G行动通讯的50Ω输入输出介面的四频段(Quad-band)(GSM/通用分组无线业 务(GPRS)/GSM增强速率演进(EDGE))功率放大器晶片模组，再由支援3G行动通讯单模的线性功率放大器，进一步演化提供LTE的空中介面、并 向下相容与支援多频段之多模多频功率放大器(Multimode Multiband PA, MMMB PA)。  
        多模多频功率放大器架构
         
        近年来，射频前端模组供应商于手机市场上，已有几种不同功能的多模多频功率放大器，以提供系统晶片商之平台设计参考，或原始设计制造商(ODM)之客制化建 议。基本上，多模多频功率放大器依其支援的通讯模式，可以区分成单模的功率放大器(Single-mode PA)、融合模式的功率放大器(Converged-mode PA)与混合模式的功率放大器(Hybrid-mode PA)，这三种模式的功率放大器在性能、电路板(PCB)面积与价格上都有其不同的考量。
         
       
        支援GSM/GPRS/EDGE四频段(800/900MHz与1800/1900MHz)的功率放大器，与支援3G/4G LTE单模单频段的功率放大器，即是目前市场最常使用的单模式的功率放大器，图1是由单模的功率放大器组成的典型手机射频前端方块图。

       
       
       
        图1　单模功率放大器组成的手机射频前端方块图

         
        该多模多频的射频前端架构，主要由天线开关模组、2G/2.5G四频段功率放大器及五至六个单模3G/4G LTE功率放大器组成，可支援五模十三频(表2)全球漫游功能。这种单模单频的功率放大器，因对特定的频段与负载阻抗(Load-line)有着最佳化的 设计，因此在既定规格的发射功率(Output Power)下，有着最好的功率附加效益(Power Added Efficiency, PAE)。

       
       

         
       
        虽然单模式功率放大器的方案可以提供较好的发射性能，但因其功率放大器的数量随使用频段增加，又不同地区须使用不同数量的功率放大器，再加上印刷电路板面积大、布线复杂且无法一版通用，因此造成手机设计困难度、料件及PCB成本皆提高。
       
       
        融合模式的功率放大器，顾名思义是采用单一功率放大器适用多种通讯模式的设计。由融合模式功率放大器组成的射频前端架构，将进一步减少功率放大器的使用数量。
         
       
        以图2为例，仅使用两个融合模式的功率放大器取代2G/2.5G四频段功率大器，以及五至六个单模3G/4G LTE功率放大器，大幅度减少料件成本与PCB布线的面积。因此，由融合模式的功率放大器所组成的多频多模射频前端架构，其除能有效降低手机成本与PCB 布线复杂度外，共用的PCB设计还可以缩短新款手机的研发时程。

       
       
       
        图2　融合模式功率放大器组成的多模多频射频前端架构

         
        然而，在射频性能上多模多频融合模式的功率放大器仍有设计上无法最佳化的缺点。2G/2.5G的最小移频键控(GMSK)讯号特征是固定封包，4G/LTE 的16正交振幅调变(QAM)的讯号特征非固定封包(Non-constant Envelope)，两者在功率放大器的偏压工作点、负载阻抗与匹配电路的设计上是颇有差异的。举例来说，若将输出GSM 35dBm功率放大器的输出级电晶体大小与相同的匹配电路，工作于LTE 27dBm的输出功率，PAE的不彰是显而易见的。综上所述，多模多频融合模式的功率放大器，在工作于不同模式下有着性能上的差异，无法达到多模工作时功 率附加效益的最佳化设计。
         
       
        另一种混合模式功率放大器(Hybrid-Mode PA)的方案架构可参考图3，虽然稍有增加PCB大小与功率放大器的数量，不过，若能改进融合模式功率放大器耗能的缺点，也将会是另一种考虑合理性价比的设计。

       
       
       
        图3　混合模式功率放大器组成的多模多频射频前端架构

         
        混合模式的多模多频功率放大器，是依其频段与线性度(2G/2.5G或4G LTE)的规格要求，区分成四路功率放大路径，两路的功率放大器提供2G/2.5G的高频段(High Band)与低频段(Low Band)使用，另两路的功率放大器提供3G/4G LTE的高频段与低频段使用。四路的功率放大器可以分别依其工作的频段与线性度的不同，进行功率电晶体尺寸与匹配电路的最佳化设计。
         
       
        混合模式功率放大器的多模多频射频其端架构，就射频性能而言，优于融合模式功率放大器组成的射频前端架构，也可以与单模功率放大器组成的射频前端架构性能相 当。就PCB面积大小而言，却也须要适度增加功率放大器晶片的大小与PCB的面积，不过，随着系统晶片封装微型化技术演进，有限面积增加已是市场上的趋势。
         
       
        多频多模整合需求　PA设计面临挑战
       
        不论融合式的功率放大器或是混合模式的功率放大器，其设计的挑战皆来自于多模多频的整合需求，性能要符合多模多频的要求，其规格也要媲美并取代单模的功率放大器，同时还要达到缩小体积、降低模组价格与提升量产良率的目的。
         
       
        在 维持相同增益、线性度、输出功率与杂讯抑制的条件下，多模多频功率放大器的设计挑战就是功率附加效益的优化设计，换言之，就是降低电流的消耗，增加手机通 话的时间。在符合邻近频道泄漏(Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR)与误差向量大小(Error Vector Magnitude, EVM)的线性度情况下，功率放大器的输出级电晶体尺寸大小与负载阻抗的优化，是以达到最大的输出线性功率与最好的PAE为目标。但是当功率放大器操作在 低功率或PAPR高的数位调变情况下，由于输出功率的输出倒退(Output Back-Off, OBO)，造成PAE的急速下降。
       
        LTE 相对于2G/3G高PAPR的讯号本质(4G/LTE上行的PAPR约6.0?8.0dB)，对功率放大器之设计，有着PAE的效率问题。近代数位调变的 技术将更多的资料压缩在一频道上传送，导致讯号波幅(Waveform)的波峰因数(Crest Factors)或称PAPR增加，也使得电源因应讯号波幅动态调整的封包追踪成为一项重要的节能技术。封包追踪电源供应(ET Power Supply, ETPS)是高速高频宽的动态电源技术(图4)，追踪输入射频讯号的波幅，即时提供功率放大器的电源电压，偏压于接近饱和的工作区，提升功率放大器的 PAE。

       
       
       
        图4　ETPS方块图

         
        ETPS 之工作原理为调变功率放大器之供电端，使其工作电压即时地跟随输入射频讯号之波幅变动，以避免不必要的功耗。ETPS在架构上的组成通常包含线性式电源供 应器(Linear-Mode Power Supply, LPS)、电流感测(Current Sensor, CS)与交换式电源供应器(Switch-Mode Power Supply, SPS)。LPS是追踪输入射频讯号的波幅，提供电源电压与电流。当CS检测出高波幅时，会切换至SPS提供大电压与电流(图5)。ET的设计挑战是具有 二至三倍的讯号波道的频宽能力，精确地追踪射频讯号的波幅，同时不产生失真，在高峰值功率输出与高动态变化的调变讯号下，能够不增加杂讯，并且能维持 80%的电源转换效率。

       
       
       
        图5　ETPS电源电压输出波形

         
        新 一代的智慧型手机配备Wi-Fi/802.11ac，使得网路飙速能力与日俱增，提供串流影音(Video Streaming)与家庭剧院等多媒体的无线应用，带给人们即时的视觉享受与便利。802.11ac的1.3Gbit/s高速传输资料量为 802.11n的三至四倍，而其80MHz/160MHz高频宽与1.8%误差向量大小的高线性度需求，也是设计高效率功率放大器的挑战。记忆效应 (Memory Effect)的抑制、动态输入振幅对输出振幅(AM/AM)与输入振幅对相位差(AMP/PM)的非线性效应、杂讯泄漏与行动通讯的相互干扰、静电、过 载与突波保护等相关设计，也是功率放大器的重要议题。
         
       
        突破射频前端设计桎梏　串联数位控制介面成标准
       
        在2G或3G 传统手机之射频前端模组的控制功能，如通讯模式/频道的选择、射频元件的启动或关闭、类比偏压的调整等，大多使用并联的通用输入输出(GPIO)介面，但 在LTE多模多频的射频前端架构下，随着使用频段与功率放大器的数量增加，数位控制的介面也由并联的GPIO方式转变成串联的数位控制介面。
         
       
        串 联的数位控制介面可以使用固定的输入/输出(I/O)控制脚，对于不同频段/模式，或者是功率放大器数量的组合，有着相同的控制功能。近期业界在手机的射 频或类比系统的I/O介面上，也定义行动产业处理器介面(MIPI)的串联，此一串联介面的协定，减少了I/O控制的数量与复杂度，也使PCB设计的再利 用性提高，因此，逐渐成为手机多模多频射频前端的标准I/O介面。
         
       
        物联网大势将至　创新智慧运用推陈出新
       
        面临物联网世代的到来，各行各业莫不积极投入创新技术的研发，其中，由无线射频识别(RFID)、感测元件、无线感测网路(WSN)、潜入智慧及云端运算至智慧型的创新应用，皆带来极大的想像空间与希望。
         
        物联网创新的智慧应用，在高速4G/LTE行动通讯与无线网路Wi-Fi/802.11ac的基础建设下，意味着大量资料在M2M与无线网路世界里可靠的传递。