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多模多频LTE终端射频芯片与射频前端架构参考

2013-08-01 10:41

1 引言

 

LTE作为3G后续演进技术以其高数据速率、低时延、灵活的带宽配置等独特技术优势,被业界公认为是下一代移动通信的演进方向。据全球移动设备供应商协会(Global Mobile Suppliers Association,GSA)发布的关于LTE演进的最新报告显示,截至2011年5月,全球已有80个国家和地区的208家运营商正在对LTE进行投资,其中已有20个商用网络交付使用,到2012年底预计至少将有81个网络提供LTE商用服务。但是,LTE毕竟是一种新兴技术,其网络部署是个逐步推进的过程,这意味着在未来相当长的一段时期内全球运营商都将面临LTE网络与现有多网并存这一共性问题。因此,为满足LTE引入后业务的连续性以及国际漫游需求,多模多频段终端将是市场过渡阶段一种必然选择。

 

本文结合LTE引入后的多模多频段需求,深入分析了多模多频段终端在产品实现上所面临的性能、体积、成本等一系列挑战,力求通过解决射频实现方面的技术难点来提升多模多频段终端产品的市场竞争力。

 

2 多模多频段需求分析

 

对于运营商而言,LTE引入后不但要求其终端在原有多模的基础上增加支持LTE模式及相应的工作频段,还要增加可以确保用户实现国际漫游的工作频段。不同于2G/3G时代,目前全球分配的LTE频谱众多且相对离散,为更好地支持国际漫游,终端需要支持较多的频段。以中国移动为例,TD-LTE引入后,为满足自身的运营需求,终端至少需要支持TD-LTE,TD-SCDMA,GSM三种模式和八个频段来确保业务的连续性,具体参见表1。为提升用户的国际漫游体验,终端还要支持FDD LTE模式,结合全球FDD LTE部署现状,目前NGMN建议终端至少需支持Band1/7/17(或13)3个频段才能实现通过FDD LTE漫游到日本、欧洲、美国的部分地区,而且随着FDD LTE在全球部署规模的逐步扩大,终端还要增加新的FDD LTE频段才能实现全球漫游。考虑到WCDMA的全球部署范围广、成熟度高且漫游能力强,为提升终端的国际漫游能力,还将鼓励终端支持WCDMA模式及相应的工作频段。表1给出了全球各制式主流部署频段。

表2 多模多频段选择对滤波器件数量的影响

 

3 多模多频段终端实现所面临的挑战

 

无线通信模块由芯片平台、射频前端和天线3大部分构成。图1为终端无线通信模块的通用架构图。其中,芯片平台包括基带芯片、射频芯片以及电源管理芯片等,射频前端包括SAW(Surface Acoustic Wave,声表面波)滤波器、双工器(Duplexer)、低通滤波器(Low Pass Filter,LPF)、功放(Power Amplifier)、开关(Switch)等器件。基带芯片负责物理层算法及高层协议的处理,涉及多模互操作实现;射频芯片负责射频信号和基带信号之间的相互转换;SAW滤波器负责TDD系统接收通道的射频信号滤波,双工器负责FDD系统的双工切换以及接收/发送通道的射频信号滤波;功放负责发射通道的射频信号放大;开关负责接收通道和发射通道之间的相互转换;天线负责射频信号和电磁信号之间的互相转换。

图1 终端无线通信模块通用架构图

 

终端支持多模多频段与基带芯片、射频芯片、射频前端、天线均有关。多模互操作实现主要影响基带芯片,同时模式的增加对射频芯片和功放也会产生影响;多频段实现主要依赖于射频芯片、射频前端和天线。下面就多模多频段对终端产品实现各部分产生的影响进行详细阐述。

 

3.1 基带芯片

终端支持多模关键在于基带芯片。通常,模式增加对基带芯片成本略有提升,但是频段增加对基带芯片的面积和成本几乎无影响,仅需要进行软件升级。

 

由于TD-LTE和FDD LTE在标准协议层面存在约10%的差异(差异来自双工方式,主要在物理层),TD-LTE和FDD LTE共基带芯片没有技术门槛和难度。目前,所有LTE芯片厂家都已经或将支持TD-LTE与FDD LTE共基带芯片,只不过不同厂家的市场定位不同,同时针对标准协议的芯片实现架构存在差异,所以实现TD-LTE和FDD LTE双模融合的过程和进度有所区别。

 

目前,基带芯片厂商支持多模的主要挑战在于对TD-SCDMA模式的支持。与TD-SCDMA芯片产业支持力度相比,TD-LTE芯片产业链更加壮大,包括传统的TD-SCDMA芯片厂商、传统的FDD LTE芯片厂商、传统的WiMAX厂商以及国内新兴的芯片厂商。但是,具备TD-SCDMA研发经验的厂商在整个TD-LTE芯片产业链中占比有限。考虑到基带芯片的成本对终端整个无线通信模块成本影响最大,为提升中国移动TD-LTE/TD-SCDMA/GSM多模终端产品的市场竞争力,后续应加快整合TD-LTE和TD-SCDMA产业的优势资源,推动更多的TD-LTE芯片厂家尽快推出含TD-SCDMA多模基带芯片产品,扩大产业规模,降低基带芯片成本。

 

3.2 射频芯片

新的模式和频段的引入对射频芯片均会产生影响。众所周知,射频芯片架构包括接收通道和发射通道两大部分。对于现有的GSM和TD-SCDMA模式而言,终端增加支持一个频段,则其射频芯片相应地增加一条接收通道,但是否需要新增一条发射通道则视新增频段与原有频段间隔关系而定。对于具有接收分集的移动通信系统而言,其射频接收通道的数量是射频发射通道数量的两倍。这意味着终端支持的LTE频段数量越多,则其射频芯片接收通道数量将会显著增加。例如,若新增M个GSM或TD-SCDMA模式的频段,则射频芯片接收通道数量会增加M条;若新增M个TD-LTE或FDD LTE模式的频段,则射频芯片接收通道数量会增加2M条。LTE频谱相对于2G/3G较为零散,为通过FDD LTE实现国际漫游,终端需支持较多的频段,这将导致射频芯片面临成本和体积增加的挑战。

 

为减小芯片面积、降低芯片成本,可以在射频芯片的一个接收通道支持相邻的多个频段和多种模式。当终端需要支持这一个接收通道包含的多个频段时,需要在射频前端增加开关器件来适配多个频段对应的接收SAW滤波器或双工器,这将导致射频前端的体积和成本提升,同时开关的引入还会降低接收通道的射频性能。因此,如何平衡射频芯片和射频前端在体积、成本上的矛盾,将关系到整个终端的体积和成本。

 

此外,单射频芯片支持TD-LTE和FDD LTE不存在技术门槛,众多厂家已有相应产品问世。与基带芯片略有不同的是,在多模射频芯片增加对TD-SCDMA的支持难度相对较低。

 

3.3 射频前端

对于TDD系统而言,射频前端主要由功放,SAW滤波器,低通滤波器和开关等器件构成;而对于FDD系统来说,射频前端主要由功放、双工器和开关等器件构成。多频段数量的增加将直接影响射频前端滤波器件、功放以及开关的数量增加,从而影响终端的集成度、体积和成本。

 

    (1)射频滤波器件

为了抑制外界干扰信号对终端接收信号灵敏度的影响,同时抑制发射通路射频信号的带外干扰,通常需要在TDD系统射频前端的接收通道和发射通道上分别配置SAW滤波器和低通滤波器,而对于FDD系统,则需要配置双工器来解决射频前端接收通道和发射通道的滤波问题。由于滤波器件数量是随着频段数量增加而线性递增的,且LTE系统采用的又是接收分集,所以在LTE上增加支持新的频段会比在TD-SCDMA(或GSM)上增加支持相同数量的频段对终端滤波器件数量影响更为明显。如表2所示,现有的TD-SCDMA/GSM终端支持6个频段需要12个射频前端滤波器件,而TD-LTE/TD-SCDMA/GSM终端支持8个频段则需要18个射频前端滤波器件,较前者多支持2个频段却多增加了6个滤波器件。同时,TD-LTE/FDD LTE/TD-SCDMA/GSM终端若支持11个频段则需要24个射频前端滤波器件。如此数量众多的滤波器件通常都是分立器件,再加上外围的匹配电路,无疑将严重影响整个终端设计的集成度,进而导致终端在成本、体积、市场竞争力等方面面临严峻挑战。

表2 多模多频段选择对滤波器件数量的影响

    (2)功放

与滤波器件不同,功放不但和多频段有关,而且还受多模的影响。针对相同频段的不同模式,其功放架构也不尽相同;若频段和模式需求明确,可以在同一个功放的相同频段上支持多种模式。多频段的引入会导致功放器件数量的增加,受限于带宽和效率等指标,单个功放无法支持从700MHz到2.6GHz,这意味着终端支持多模多频段必须采用多个功放,由此会影响终端的成本、体积和市场竞争力。

 

    (3)开关

开关的复杂度与射频前端发射通道和接收通道的数量密切相关。对于具有接收分集的移动通信系统而言,通常需要配置两套开关器件,其中一套用于控制主接收通道和发射通道的相互转换,另一套用于控制分集接收通道的相互转换。这意味着引入多个LTE频段后不但会增加开关的数量,还会增加每个开关的复杂度,终端将面临接收性能下降,PCB占板面积提升,成本增加的挑战。

综上所述,在基带芯片支持多模的前提下,引入TD-LTE后多模多频段终端产品实现面临的挑战主要来自射频芯片和射频前端。

 

4 多模多频段终端实现优化方案建议

 

为了提高多模多频段终端产品的接收性能、降低PCB占板面积和成本,建议采用基于独立接收通道的射频芯片架构结合射频前端模块化方案来优化多模多频段终端产品实现。图2是结合表1全球各制式主流部署频段需求给出了多模多频段终端产品优化实现方案架构图。

图2 多模多频段终端产品优化实现方案架构图

4.1 优化的射频芯片实现方案

 

由图2可以看出,为了确保射频接收性能,建议针对明确的多模多频段需求采用独立接收通道支持各个频段,避免在外围电路增加开关来匹配前端滤波器所引起的性能损耗。在射频芯片架构设计过程中,还需重点解决好如下问题:

 

    (1)多种模式共频段的实现

建议采用一条接收通道支持多模,从而可以减小射频芯片的面积和成本。例如,若要求终端在WCDMA和FDD LTE上均支持Band1,则可以通过在覆盖Band1频段范围的接收通道上配置不同的信道选择滤波器参数等指标来实现对双模的支持。

 

    (2)射频芯片架构的灵活性

建议从全球市场的角度整合LTE频谱分配以及运营商部署情况,在满足必选频段基于独立接收通道实现的基础上,扩大每条射频接收通道覆盖的频率范围,使得单个射频接收通道可以提供多种频段选择,以便快速适应多样化的市场需求,避免因反复流片而引起的成本增加和供货不及时。

 

4.2 优化的射频前端实现方案

 

多频段引入后,如果射频前端仍然采用分立器件方案进行产品实现,那么势必会造成终端产品的体积和成本增加。为此,建议采用模块化方案来优化射频前端实现。通常模块化方案的集成度越高,则PCB占板面积就会越小,但是成本方面的增减还与该类射频前端模块的市场需求量有关。因此,厂商可以根据自己的终端产品研发策略来定制不同集成度的射频前端模块。图2给出的是集成度较高的一种模块化实现方案,考虑到采用3个宽频功放就可以覆盖多频段的需求,所以此处未对分立的功放器件进行模块化,但终端厂商可视自身需求而定。考虑到频段数量对滤波器件和开关影响较大,所以将这些器件按照分集接收通道和主收/发通道集成为两个射频前端模块,将显著减小终端产品所面临的体积挑战。与此同时,随着市场规模的不断扩大,产品成本也会显著下降。

 

5 结束语

 

全球LTE频谱离散,为满足国际漫游需求,未来多模终端需支持更多的频段,这将导致射频前端器件堆积。本文结合产业实际能力,建议针对明确的多模多频段需求采用“基于独立接收通道的射频芯片架构结合射频前端模块化方案”来优化终端产品在实现过程中所面临的性能、体积和成本等问题。