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射频技术:绽放在移动与无线之间

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作者:李健时间:2007-10-10来源:电子产品世界收藏

当麦克斯韦发现电磁波之时,他肯定无法想像几个世纪之后的世界已经被各种各样人为的电磁波所笼罩,成为这个世界上最重要的信息交换媒介。你可以远离喧嚣的城市、拥挤的写字楼,只要你能保持与的连接,你就可以一边欣赏美景一边完成绝大部分日常工作。

信号的源头,这一切的美好生活都来自于收发技术的不断演进,而且技术还将继续快速发展下去,毕竟现在只有12%的便携电子产品带有模块,而据估计到2020年超过50%的便携产品将拥有功能,这其中将包括你的手表、你的随身播放器也许还有你的皮鞋!
 
3G催生射频变革

移动通信已经成为了人们日常生活中必不可少的组成部分,而射频无疑是移动通信的生根之本。随着移动通信技术的发展,通话质量和传输速率都提出了全新的要求,而射频技术首当其冲。与2G时代的最高128kbit/s的传输速率相比,3GPP所要求的最低传输速率必须达到384kbit/s,更为重要的是3G的非语音数据传输将异常频繁,亦即3G的技术指标主要是在传输速率上有比较大的改进与增加需要使用不同的调制及编码技术,因此在射频收发器的设计上必须考虑使用一种较具弹性也就是能兼容各种调制的收发器架构。具体而言,2G主要进行语音传输,语音对传输速率的要求比较低。而3G则以数据业务为主,数据对传输速率的要求比较高,所以芯片大信号SNR较高。与2G 相比,3G对射频芯片的线性度和频率综合器的相噪要求都要更高一些。 下一代3G蜂窝电话将不但集成更多更强的功能(Wi-Fi、GPS、蓝牙、数字电视),而且还要满足成本低、尺寸小和电池寿命长的消费要求。因此对于3G来说,射频端芯片技术必须提供更低的功耗、更多的集成功能、更宽的带宽、更小的尺寸,并且可以更好地实现SoC甚至SIP架构。

此外,由于GSM并不会短期内推出历史舞台,因此必将存在一个GSM与3G长期共存的局面,加上目前存在多种3G标准,这也要求未来的射频芯片必须具备支持多种通信标准共存的多模功能。所以,应用于手机中的收发芯片(transceiver)需要支持更多的通信模式,以兼顾多种的移动通信标准并保持从2G到3G的自然过渡。

无线技术激发射频潜能

相比于略显严谨的移动通信技术,无线继承了互联网的开放与自由,不过也对射频技术提出了更严格的要求。目前已经大范围普及的Wi-Fi网络已经不再是催促射频技术发展的重点,虽然人们一再希望Wi-Fi网络的AP能够提供更稳定的信号、更广的发射范围以及更高的传输速率,目前的射频技术已经可以满足最新的802.11n技术的所有指标要求。

根据用户需求的不同,无线技术对射频的要求千差万别。比如RFID技术对射频的要求不仅是要低成本、更要满足一定范围内大量发射点的精确识别;蓝牙技术则尽可能的要求在提高传输速度的同时解决信号干扰问题,更要尽可能降低已经很低的系统功耗;而UWB技术则是在不断探索着射频收发的传输速度极限,至少2Gbit/s的传输速率无疑对射频技术开发是个不小的挑战;WiMax和无线Mesh网更是要求无线网络的AP可以提供比蜂窝网络基站覆盖范围更广,支持客户更多的服务,而且单个用户的最大传输带宽要求已经提升到60Mbit/s以上;GPS技术则要求射频技术与卫星通信相结合,并且能够准确实现各种恶劣地形环境下的稳定数据收发服务,更重要的是必须尽可能把GPS应用的线路板面积减到最小,功耗及成本也降到最低。最近流行的蓝牙加UWB融合方案则要求射频部分在达到480Mbit/s以上的传输速率的同时,保持像蓝牙技术那样的低功耗,这无疑需要对射频电路的工作实行更智能的开关控制,准确判断电路工作时间进行供电切换。虽然射频技术只需要满足每个无线技术的特定要求即可,但这无疑将极大扩展射频技术的研究范围,让射频技术变得更加灵活与多样。

移动与无线的融合带来新挑战

如果说五年以前移动与无线技术还是势如水火的仇敌,那么如今无线与移动技术走得越来越近,甚至已经开始了融合的探索。苹果推出的Iphone已经可以支持Wi-Fi,最近,美国正计划将WiMax申请作为第四种3G移动通信国际标准,这无疑是无线技术与移动技术走向融合的重要信号。蜂窝和无线宽带网络的汇聚目前正处于开发和测试阶段,其中,OFDM 无线射频(RF)信号技术是关键。我们预期在踏入下一个十年之初,便会看到全球蜂窝/无线宽带汇聚型网络得到大众市场所采纳。由于我们日常生活各方面对互联网的依赖正不断增强,人们将要求全面无地域限制的移动宽带互联网接入和语音服务。

当然,目前移动和无线技术的融合还是经常以两个射频模块形式出现,在市场需求和技术发展的推动下,迟早两种技术将集成到一个射频电路中得以实现,这无疑对射频电路在多种工作频率、多种收发模式和多种信号自动选择等方面提出更多的要求,电路的复杂度将大大增加,而这也是射频电路研究者们一个重要的历史任务。

深入探讨射频技术发展

射频技术的总体发展首先要满足市场对其提出的主要要求,即在提升性能基础上实现系统的模块化、集成化,并在提高集成度的同时降低射频电路的尺寸与低功耗。在此基础上,还必须基于数字电路的发展,提高射频电路在多标准、多模式环境下的应用能力,也就是通常所说的“软件无线电技术”。

随着宽带无线系统的不断推出,系统对于信道利用率的要求越来越高,这对信道编码技术及空中接口技术提出了新的挑战。对于射频部分来说,则提出了更高的线性度和更低的带内、带外噪声指标要求。射频芯片的挑战还包括更高的接收灵敏度和更低的噪声系数,优异的性能是对产品的最基本要求。

实现高性能的重要手段就是提高射频电路的复杂程度,而射频电路一般包括收发器、功放和开关三个部分。现在的射频电路从根本上来说是以模拟电路为主的混合信号电路。虽然数字化是现在射频电路芯片的一个趋势,但射频技术很难离开高性能模拟技术的支持,因此射频电路复杂程度的提高对射频芯片体积的减小提出很多挑战。射频端必须着重在降低功耗、加速不同工艺的整合及降低成本上努力。这可由两个方向来实现,一个是采用全新的SIP架构,也就是将不同工艺的芯片集成在一个封装模块上,如前端的功放及天线收/发开关(swtichplexer),或将功放及收发器放在同一个基板上(Laminate)做成模块。



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