摘要：針對(duì)LTE引入后多模多頻段選擇對(duì)終端產(chǎn)品體積、成本、性能等方面所帶來(lái)的挑戰(zhàn)進(jìn)行了深入分析和研究，并給出了現(xiàn)階段解決上述挑戰(zhàn)的射頻芯片和射頻前端參考設(shè)計(jì)架構(gòu)。
1 引言
LTE作為3G后續(xù)演進(jìn)技術(shù)以其高數(shù)據(jù)速率、低時(shí)延、靈活的帶寬配置等獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被業(yè)界公認(rèn)為是下一代移動(dòng)通信的演進(jìn)方向。據(jù)全球移動(dòng)設(shè)備供應(yīng)商協(xié)會(huì)(Global Mobile Suppliers Association，GSA)發(fā)布的關(guān)于LTE演進(jìn)的最新報(bào)告顯示，截至2011年5月，全球已有80個(gè)國(guó)家和地區(qū)的208家運(yùn)營(yíng)商正在對(duì)LTE進(jìn)行投資，其中已有20個(gè)商用網(wǎng)絡(luò)交付使用，到2012年底預(yù)計(jì)至少將有81個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供LTE商用服務(wù)。但是，LTE畢竟是一種新興技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)部署是個(gè)逐步推進(jìn)的過(guò)程，這意味著在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)全球運(yùn)營(yíng)商都將面臨LTE網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有多網(wǎng)并存這一共性問(wèn)題。因此，為滿足LTE引入后業(yè)務(wù)的連續(xù)性以及國(guó)際漫游需求，多模多頻段終端將是市場(chǎng)過(guò)渡階段一種必然選擇。
本文結(jié)合LTE引入后的多模多頻段需求，深入分析了多模多頻段終端在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)上所面臨的性能、體積、成本等一系列挑戰(zhàn)，力求通過(guò)解決射頻實(shí)現(xiàn)方面的技術(shù)難點(diǎn)來(lái)提升多模多頻段終端產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
2 多模多頻段需求分析
對(duì)于運(yùn)營(yíng)商而言，LTE引入后不但要求其終端在原有多模的基礎(chǔ)上增加支持LTE模式及相應(yīng)的工作頻段，還要增加可以確保用戶實(shí)現(xiàn)國(guó)際漫游的工作頻段。不同于2G/3G時(shí)代，目前全球分配的LTE頻譜眾多且相對(duì)離散，為更好地支持國(guó)際漫游，終端需要支持較多的頻段。以中國(guó)移動(dòng)為例，TD-LTE引入后，為滿足自身的運(yùn)營(yíng)需求，終端至少需要支持TD-LTE，TD-SCDMA，GSM三種模式和八個(gè)頻段來(lái)確保業(yè)務(wù)的連續(xù)性，具體參見(jiàn)表1。為提升用戶的國(guó)際漫游體驗(yàn)，終端還要支持FDD LTE模式，結(jié)合全球FDD LTE部署現(xiàn)狀，目前NGMN建議終端至少需支持Band1/7/17(或13)3個(gè)頻段才能實(shí)現(xiàn)通過(guò)FDD LTE漫游到日本、歐洲、美國(guó)的部分地區(qū)，而且隨著FDD LTE在全球部署規(guī)模的逐步擴(kuò)大，終端還要增加新的FDD LTE頻段才能實(shí)現(xiàn)全球漫游。考慮到WCDMA的全球部署范圍廣、成熟度高且漫游能力強(qiáng)，為提升終端的國(guó)際漫游能力，還將鼓勵(lì)終端支持WCDMA模式及相應(yīng)的工作頻段。表1給出了全球各制式主流部署頻段。
表1 各制式主流部署頻段
3 多模多頻段終端實(shí)現(xiàn)所面臨的挑戰(zhàn)
無(wú)線通信模塊由芯片平臺(tái)、射頻前端和天線3大部分構(gòu)成。圖1為終端無(wú)線通信模塊的通用架構(gòu)圖。其中，芯片平臺(tái)包括基帶芯片、射頻芯片以及電源管理芯片等，射頻前端包括SAW(Surface Acoustic Wave，聲表面波)濾波器、雙工器(Duplexer)、低通濾波器(Low Pass Filter，LPF)、功放(Power Amplifier)、開(kāi)關(guān)(Switch)等器件。基帶芯片負(fù)責(zé)物理層算法及高層協(xié)議的處理，涉及多模互操作實(shí)現(xiàn)；射頻芯片負(fù)責(zé)射頻信號(hào)和基帶信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換；SAW濾波器負(fù)責(zé)TDD系統(tǒng)接收通道的射頻信號(hào)濾波，雙工器負(fù)責(zé)FDD系統(tǒng)的雙工切換以及接收/發(fā)送通道的射頻信號(hào)濾波；功放負(fù)責(zé)發(fā)射通道的射頻信號(hào)放大；開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)接收通道和發(fā)射通道之間的相互轉(zhuǎn)換；天線負(fù)責(zé)射頻信號(hào)和電磁信號(hào)之間的互相轉(zhuǎn)換。
圖1 終端無(wú)線通信模塊通用架構(gòu)圖
終端支持多模多頻段與基帶芯片、射頻芯片、射頻前端、天線均有關(guān)。多模互操作實(shí)現(xiàn)主要影響基帶芯片，同時(shí)模式的增加對(duì)射頻芯片和功放也會(huì)產(chǎn)生影響；多頻段實(shí)現(xiàn)主要依賴(lài)于射頻芯片、射頻前端和天線。下面就多模多頻段對(duì)終端產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)各部分產(chǎn)生的影響進(jìn)行詳細(xì)闡述。
3.1 基帶芯片
終端支持多模關(guān)鍵在于基帶芯片。通常，模式增加對(duì)基帶芯片成本略有提升，但是頻段增加對(duì)基帶芯片的面積和成本幾乎無(wú)影響，僅需要進(jìn)行軟件升級(jí)。
由于TD-LTE和FDD LTE在標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議層面存在約10%的差異(差異來(lái)自雙工方式，主要在物理層)，TD-LTE和FDD LTE共基帶芯片沒(méi)有技術(shù)門(mén)檻和難度。目前，所有LTE芯片廠家都已經(jīng)或?qū)⒅С諸D-LTE與FDD LTE共基帶芯片，只不過(guò)不同廠家的市場(chǎng)定位不同，同時(shí)針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的芯片實(shí)現(xiàn)架構(gòu)存在差異，所以實(shí)現(xiàn)TD-LTE和FDD LTE雙模融合的過(guò)程和進(jìn)度有所區(qū)別。
目前，基帶芯片廠商支持多模的主要挑戰(zhàn)在于對(duì)TD-SCDMA模式的支持。與TD-SCDMA芯片產(chǎn)業(yè)支持力度相比，TD-LTE芯片產(chǎn)業(yè)鏈更加壯大，包括傳統(tǒng)的TD-SCDMA芯片廠商、傳統(tǒng)的FDD LTE芯片廠商、傳統(tǒng)的WiMAX廠商以及國(guó)內(nèi)新興的芯片廠商。但是，具備TD-SCDMA研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的廠商在整個(gè)TD-LTE芯片產(chǎn)業(yè)鏈中占比有限。考慮到基帶芯片的成本對(duì)終端整個(gè)無(wú)線通信模塊成本影響最大，為提升中國(guó)移動(dòng)TD-LTE/TD-SCDMA/GSM多模終端產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，后續(xù)應(yīng)加快整合TD-LTE和TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)資源，推動(dòng)更多的TD-LTE芯片廠家盡快推出含TD-SCDMA多模基帶芯片產(chǎn)品，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，降低基帶芯片成本。
3.2 射頻芯片
新的模式和頻段的引入對(duì)射頻芯片均會(huì)產(chǎn)生影響。眾所周知，射頻芯片架構(gòu)包括接收通道和發(fā)射通道兩大部分。對(duì)于現(xiàn)有的GSM和TD-SCDMA模式而言，終端增加支持一個(gè)頻段，則其射頻芯片相應(yīng)地增加一條接收通道，但是否需要新增一條發(fā)射通道則視新增頻段與原有頻段間隔關(guān)系而定。對(duì)于具有接收分集的移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，其射頻接收通道的數(shù)量是射頻發(fā)射通道數(shù)量的兩倍。這意味著終端支持的LTE頻段數(shù)量越多，則其射頻芯片接收通道數(shù)量將會(huì)顯著增加。例如，若新增M個(gè)GSM或TD-SCDMA模式的頻段，則射頻芯片接收通道數(shù)量會(huì)增加M條；若新增M個(gè)TD-LTE或FDD LTE模式的頻段，則射頻芯片接收通道數(shù)量會(huì)增加2M條。LTE頻譜相對(duì)于2G/3G較為零散，為通過(guò)FDD LTE實(shí)現(xiàn)國(guó)際漫游，終端需支持較多的頻段，這將導(dǎo)致射頻芯片面臨成本和體積增加的挑戰(zhàn)。
為減小芯片面積、降低芯片成本，可以在射頻芯片的一個(gè)接收通道支持相鄰的多個(gè)頻段和多種模式。當(dāng)終端需要支持這一個(gè)接收通道包含的多個(gè)頻段時(shí)，需要在射頻前端增加開(kāi)關(guān)器件來(lái)適配多個(gè)頻段對(duì)應(yīng)的接收SAW濾波器或雙工器，這將導(dǎo)致射頻前端的體積和成本提升，同時(shí)開(kāi)關(guān)的引入還會(huì)降低接收通道的射頻性能。因此，如何平衡射頻芯片和射頻前端在體積、成本上的矛盾，將關(guān)系到整個(gè)終端的體積和成本。
此外，單射頻芯片支持TD-LTE和FDD LTE不存在技術(shù)門(mén)檻，眾多廠家已有相應(yīng)產(chǎn)品問(wèn)世。與基帶芯片略有不同的是，在多模射頻芯片增加對(duì)TD-SCDMA的支持難度相對(duì)較低。
3.3 射頻前端
對(duì)于TDD系統(tǒng)而言，射頻前端主要由功放，SAW濾波器，低通濾波器和開(kāi)關(guān)等器件構(gòu)成；而對(duì)于FDD系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，射頻前端主要由功放、雙工器和開(kāi)關(guān)等器件構(gòu)成。多頻段數(shù)量的增加將直接影響射頻前端濾波器件、功放以及開(kāi)關(guān)的數(shù)量增加，從而影響終端的集成度、體積和成本。
(1)射頻濾波器件
為了抑制外界干擾信號(hào)對(duì)終端接收信號(hào)靈敏度的影響，同時(shí)抑制發(fā)射通路射頻信號(hào)的帶外干擾，通常需要在TDD系統(tǒng)射頻前端的接收通道和發(fā)射通道上分別配置SAW濾波器和低通濾波器，而對(duì)于FDD系統(tǒng)，則需要配置雙工器來(lái)解決射頻前端接收通道和發(fā)射通道的濾波問(wèn)題。由于濾波器件數(shù)量是隨著頻段數(shù)量增加而線性遞增的，且LTE系統(tǒng)采用的又是接收分集，所以在LTE上增加支持新的頻段會(huì)比在TD-SCDMA(或GSM)上增加支持相同數(shù)量的頻段對(duì)終端濾波器件數(shù)量影響更為明顯。如表2所示，現(xiàn)有的TD-SCDMA/GSM終端支持6個(gè)頻段需要12個(gè)射頻前端濾波器件，而TD-LTE/TD-SCDMA/GSM終端支持8個(gè)頻段則需要18個(gè)射頻前端濾波器件，較前者多支持2個(gè)頻段卻多增加了6個(gè)濾波器件。同時(shí)，TD-LTE/FDD LTE/TD-SCDMA/GSM終端若支持11個(gè)頻段則需要24個(gè)射頻前端濾波器件。如此數(shù)量眾多的濾波器件通常都是分立器件，再加上外圍的匹配電路，無(wú)疑將嚴(yán)重影響整個(gè)終端設(shè)計(jì)的集成度，進(jìn)而導(dǎo)致終端在成本、體積、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力等方面面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
表2 多模多頻段選擇對(duì)濾波器件數(shù)量的影響
(2)功放
與濾波器件不同，功放不但和多頻段有關(guān)，而且還受多模的影響。針對(duì)相同頻段的不同模式，其功放架構(gòu)也不盡相同；若頻段和模式需求明確，可以在同一個(gè)功放的相同頻段上支持多種模式。多頻段的引入會(huì)導(dǎo)致功放器件數(shù)量的增加，受限于帶寬和效率等指標(biāo)，單個(gè)功放無(wú)法支持從700MHz到2.6GHz，這意味著終端支持多模多頻段必須采用多個(gè)功放，由此會(huì)影響終端的成本、體積和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
(3)開(kāi)關(guān)
開(kāi)關(guān)的復(fù)雜度與射頻前端發(fā)射通道和接收通道的數(shù)量密切相關(guān)。對(duì)于具有接收分集的移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，通常需要配置兩套開(kāi)關(guān)器件，其中一套用于控制主接收通道和發(fā)射通道的相互轉(zhuǎn)換，另一套用于控制分集接收通道的相互轉(zhuǎn)換。這意味著引入多個(gè)LTE頻段后不但會(huì)增加開(kāi)關(guān)的數(shù)量，還會(huì)增加每個(gè)開(kāi)關(guān)的復(fù)雜度，終端將面臨接收性能下降，PCB占板面積提升，成本增加的挑戰(zhàn)。
綜上所述，在基帶芯片支持多模的前提下，引入TD-LTE后多模多頻段終端產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)面臨的挑戰(zhàn)主要來(lái)自射頻芯片和射頻前端。
4 多模多頻段終端實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方案建議
為了提高多模多頻段終端產(chǎn)品的接收性能、降低PCB占板面積和成本，建議采用基于獨(dú)立接收通道的射頻芯片架構(gòu)結(jié)合射頻前端模塊化方案來(lái)優(yōu)化多模多頻段終端產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。圖2是結(jié)合表1全球各制式主流部署頻段需求給出了多模多頻段終端產(chǎn)品優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方案架構(gòu)圖。
圖2 多模多頻段終端產(chǎn)品優(yōu)化實(shí)現(xiàn)方案架構(gòu)圖
4.1 優(yōu)化的射頻芯片實(shí)現(xiàn)方案
由圖2可以看出，為了確保射頻接收性能，建議針對(duì)明確的多模多頻段需求采用獨(dú)立接收通道支持各個(gè)頻段，避免在外圍電路增加開(kāi)關(guān)來(lái)匹配前端濾波器所引起的性能損耗。在射頻芯片架構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需重點(diǎn)解決好如下問(wèn)題：
(1)多種模式共頻段的實(shí)現(xiàn)
建議采用一條接收通道支持多模，從而可以減小射頻芯片的面積和成本。例如，若要求終端在WCDMA和FDD LTE上均支持Band1，則可以通過(guò)在覆蓋Band1頻段范圍的接收通道上配置不同的信道選擇濾波器參數(shù)等指標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙模的支持。
(2)射頻芯片架構(gòu)的靈活性
建議從全球市場(chǎng)的角度整合LTE頻譜分配以及運(yùn)營(yíng)商部署情況，在滿足必選頻段基于獨(dú)立接收通道實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大每條射頻接收通道覆蓋的頻率范圍，使得單個(gè)射頻接收通道可以提供多種頻段選擇，以便快速適應(yīng)多樣化的市場(chǎng)需求，避免因反復(fù)流片而引起的成本增加和供貨不及時(shí)。
4.2 優(yōu)化的射頻前端實(shí)現(xiàn)方案
多頻段引入后，如果射頻前端仍然采用分立器件方案進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，那么勢(shì)必會(huì)造成終端產(chǎn)品的體積和成本增加。為此，建議采用模塊化方案來(lái)優(yōu)化射頻前端實(shí)現(xiàn)。通常模塊化方案的集成度越高，則PCB占板面積就會(huì)越小，但是成本方面的增減還與該類(lèi)射頻前端模塊的市場(chǎng)需求量有關(guān)。因此，廠商可以根據(jù)自己的終端產(chǎn)品研發(fā)策略來(lái)定制不同集成度的射頻前端模塊。圖2給出的是集成度較高的一種模塊化實(shí)現(xiàn)方案，考慮到采用3個(gè)寬頻功放就可以覆蓋多頻段的需求，所以此處未對(duì)分立的功放器件進(jìn)行模塊化，但終端廠商可視自身需求而定。考慮到頻段數(shù)量對(duì)濾波器件和開(kāi)關(guān)影響較大，所以將這些器件按照分集接收通道和主收/發(fā)通道集成為兩個(gè)射頻前端模塊，將顯著減小終端產(chǎn)品所面臨的體積挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，隨著市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，產(chǎn)品成本也會(huì)顯著下降。
5 結(jié)束語(yǔ)
全球LTE頻譜離散，為滿足國(guó)際漫游需求，未來(lái)多模終端需支持更多的頻段，這將導(dǎo)致射頻前端器件堆積。本文結(jié)合產(chǎn)業(yè)實(shí)際能力，建議針對(duì)明確的多模多頻段需求采用“基于獨(dú)立接收通道的射頻芯片架構(gòu)結(jié)合射頻前端模塊化方案”來(lái)優(yōu)化終端產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所面臨的性能、體積和成本等問(wèn)題。
