可携式行动设备，例如移动电话、PDA与笔记本电脑等通常都需要多模且多频的无线链接能力，因此也带来了RF电路整合度的更高需求。空间、成本与耗电的限制，使得要为每一个不同通讯模式提供独立的无线收发器组件已经越来越不可行。

这篇文章将讨论一个可能的系统架构，其中RF收发电路链的部分可以由不同的信道共享，同时也将讨论在RF与基频功能以及不同形式通讯频道，例如，移动电话、RF联机与宽带网络之间采用不同分割方式，并考虑到包括RF电路复杂度与传输方式等因素的相对优缺点，也将特别强调在RF与调制解调器功能间建立标准化数字接口以便取得系统功能分割最佳弹性的重要性。文章并讨论将RF与基频功能整合成单芯片解决方案下RF CMOS技术所带来的影响，以及可以利用软件切换来处理不同调制解调器要求先进向量处理器的发展，并进行有关可能形成满足所有模式与所有频带应用的单一RF结构之可软件组态与可软件定义等RF电路概念的讨论。

目前最新的GSM移动电话已经进入四频时代，可以让用户随时跨越五大洲，以使用800MHz、900MHz、1800MHz与1900MHz等GSM频带。在此之外，许多设备同时还整合了无线耳机用的蓝芽（Bluetooth）无线技术以及SIM卡同步功能。而随着趋势的发展，预计也会很快地加入Wi-Fi联机能力来使用VoIP功能，并接收数字地面广播电视节目、数字音频传输以及GPS卫星定位信息，之后还可能会陆续增加的有无线USB的超宽带（Ultra Wide Band；UWB）以及透过移动电话连接因特网的Wi-Max。事实上，不只是移动电话会具备多频且多模的联机能力，产品聚合化的趋势发展结果代表着在PDA、笔记本电脑以及游戏机上也会出现不同的功能组合，因此大部分常见的行动设备都可能需要接收总带宽将近6GHz的无线传输信号，请见(图一)。

《图一 未来的行动设备可能需要能够接收总带宽约6GHz的无线传输信号》

目前在每个通讯频道使用独立RF与基频电路收发器的方式在整体通讯频道数较少时还能适当运作，随着90奈米CMOS、新被动组件整合技术与RF系统级封装（System-in-Package；SiP）技术的发展，带来了更高的整合度，除了降低这些收发器产品的尺寸与耗电外，更能够将二或三个收发器整合到一个轻便的可携式设备上。

不过由于无线通信频道数目的增加，这样的做法再也无法适用，因为不仅所需模块的总尺寸处理上已经相当困难，而且整体的耗电也将威胁到电池的使用时间。另一方面，使用越来越多的硅芯片也会对产品的成本造成影响。此外，由于需要越来越多可能会相互干扰的天线，也更难确保不同的RF频道能够共存。

功能分割才是关键

一个减低天线问题的方法是让在相同频带运作的通讯频道共享同一个天线。这个做法相当合乎逻辑，例如让都在2.4GHz频带运作的蓝芽与IEEE-802.11b/g Wi-Fi收发器共享天线，由于两者都是用来提供VoIP服务，其中Wi-Fi拿来连接局域网络，蓝芽则应用在无线耳机上，因此以移动电话的应用而言，这两个接口基本上可以很自然地整合。

虽然额外的通讯频道持续成为独立型产品设计的附加功能，但像上面这类理所当然的组合就可能会推动整合的发展，要让加入这些附加功能的软硬件影响降到最低也代表了它们将持续被整合到主机上，并尽可能是在主机基频处理的最后一级，请见(图二)。因此许多调制解调器（modem）将继续与相对的RF接收器紧密结合，不管是整合到一颗单芯片的RF CMOS解决方案或是以RF SIP的方式提供。

《图二 虽然目前许多的通讯频道还是属于附加功能，但设计工程师会将它们整合在基频处理的最后一级。》

但是当聚合化趋势越来越流行，同时这些通讯频道成为标准功能后，如何将RF与调制解调器功能适当地分割就变得越来越模糊。不管是采用专门的硬件或数字信号处理器，目前许多基频调制解调器是在数字领域运作，并在调制解调器与RF收发器之间搭配必要的ADC与DAC组件，因此要将功能转移到主机的基频芯片，或者是将调制解调器功能整合到一个独立的联机调制解调器引擎上就变得相当合乎逻辑。

这样做不仅可以缩减使用的芯片数目，同时也能够让调制解调器与基频处理功能快速地由一个CMOS制程转换到另一个，因此可以缩小硅芯片面积并降低成本，如(图三)。同时这也能够让RF收发器以任何可以提供适当效能的技术来加以实现。对2G、2.5G与3G移动电话收发器来说，虽然目前2G部分已经开始转换使用RF CMOS制程，但短期内BiCMOS制程还会是主流，目前较低效能的无线收发器采用RF COMS的比率也有越来越高的趋势。

《图三 将基频与调制解调器功能整合到数字芯片上可以快速地升级到新一代制程。》

另一种做法是将调制解调器以及相对的RF收发器整合到一个大型CMOS芯片上，并使用目前CMOS制程的RF能力来处理RF部分功能。虽然这样的做法拥有成为系统单芯片（System-on-Chip；Soc）的可能优势，但还是有几个主要的缺点。虽然RF CMOS技术的进步代表了RF收发器可以被整合到CMOS上，最少对复杂度较低的无线链接，例如蓝芽与IEEE-802.11b来说是如此，但使用多频且多模解决方案还是一个高风险的做法，业界在将单一蓝芽收发器整合到单一硅芯片上已经耗费了多年的时间，而同时要将多个收发器以只有几微米的距离整合到相同芯片上更会带来全新的问题，特别是当这些收发器中的几个必须要同时运作。此外，要将这种结合RF与数字功能的CMOS设计升级到下一世代CMOS制程的困难度要比纯粹数字设计要高上许多，RF CMOS并没有拥有和CMOS逻辑电路一样的高弹性，同时在升级后的效能也无法预估，因此极有可能需要进行大幅度的重新设计。

所以短期来说，RF加上基频的SoC解决方案会是主流，适合只有几个额外通讯频道连接到行动基频主机上的情况，但随着时间的进展，SoC将会面临无法支持所需系统整合度要求的问题。

将调制解调器接口标准化

如果使用以上所描述，在RF与调制解调器/基频功能采用不同芯片的第一种做法的话，那么接下来就需要在它们之间制定一个更加清楚且更标准化的数字式接口来缩减调制解调器引擎上的脚位数。

这样的接口设计将能够让一个软件可控制的调制解调器服务多个不同的RF收发器，特别是在这些不同收发器都使用类似的调变方式时。同样地，天线共享会决定RF收发器端的系统分割，而调变方式则控制调制解调器端的系统分割。窄频调制解调器，例如蓝芽与GSM/GPRS上的应用通常采用实际硬件接线的方式，而较复杂的调制解调器，例如OFDM/CDMA应用所需通常都以向量式数字信号处理器的方式实现，如果能在RF收发器与调制解调器之间订有标准化的接口，将可以让调制解调器分割的效用发挥到极限。

不再把RF收发器、调制解调器与应用引擎整合到相同芯片，而是以RF CMOS制程要追上基本CMOS制程发展速度的方面来看，比较合理的做法是将RF与RF、调制解调器与调制解调器以及应用处理器与应用处理器整合。行动产业处理器接口（Mobile Industry Processor interface；MIPI）联盟已经着手进行行动应用处理器标准软硬件数字接口规格的制定，目前需要的是一系列类似已经推行到移动电话上的DigRF与DigRF3G的标准RF到调制解调器接口规格，并且需要接受更广泛的无线通信标准，而包括802.11g/n、TV-on-Mobile（DVB-H）与WiBro/Wimax等标准也将能够从这样的一个高速串行数字式RF到调制解调器接口获益。

可重新组态的RF电路

由这个分割方式所提供的弹性与软件可程序功能也将带来另一个目标，也就是可重新组态RF电路概念的演化途径，被视为最有可能在未来行动设备尺寸、耗电与成本限制条件下满足无所不在无线通信目标最有潜力的方法之一，可重新组态的RF电路能让相同的收发器与调制解调器电路链透过软件控制重新组态，并在不同频带与不同调变方式间切换。

实现可重新组态RF电路的最大挑战是要用可切换或可调整的滤波器来取代固定频率滤波器，以维持行动设备所需的整合度，这将牵涉到新RF微机电系统（Micro Electro-Mechanical System；MEMS）组件的发展，同时也需要收发器电路链能够比目前更加数字化，不仅要提供给调制解调器数字化接口，而且还要能够让收发器的效能可以随时针对不同调变方式的要求进行优化调整。RF CMOS在这个部分可能会扮演相当关键的角色，搭配将ADC与DAC推近天线位置的新收发器架构。对发送信道来说，这同时也代表了必须进行Class E（交换模式）、Class G（轨切换）或Class S（电源调变）RF功率放大器的发展以提供更具电源效率的宽带带解决方案。

可重新组态RF电路的好处是不再需要针对每个通讯标准或模式组合提供专用的解决方案，让设计工程师可以透过加入相同的模块升级。在实际应用上，这样的解决方案不太可能会存在，但却有可能只用几个不同的解决方案组合就能涵盖相当宽广范围的通讯频道，如(图四)。

《图四 可重新组态RF电路可以透过采用几种解决方案的组合让系统升级》

无所不在的无线通信环境

无线通信承诺带来一个随时随地、随心所欲的联机环境，目前的问题在于依旧受到通讯频道的限制，甚至当已经知道需要什么，并且也知道要到哪里取得时，还是得先透过适当的通讯频道，不管是宽带因特网联机、GPRS或EDGE行动通讯网络、局域网络或是标准电话线才能使用，同时还得经常需要动手进行联机的程序，例如拨号或登入等等。

面对未来，消费者需要的是一个不需知道通讯透过哪个频道进行的串流系统，但没有一个单一通讯频道，甚至是未来可能出现的4G，能够让用户不论在家中走动、到郊区活动或者是以高速汽车旅行时均能维持连续且高质量的服务。为了能够提供平顺的信息流通，不同的通讯频道间必须要相互合作，平顺地处理由行动通讯切换到局域网络，然后再到卫星网络之间的变化，让用户甚至无法察觉背后的处理方式。具备相当高硬件重复利用性的可重新组态RF电路是实现这个愿景的动力之一，因为要将许多的RF电路整合在一起，而且其中大部分无法被连续或同时使用时就不经济。

可重新组态RF电路同时也开启了频谱使用的新可能。在实际情况下，0到10GHz之间的频谱使用率通常低于10％，这也就代表了有许多带宽并未被使用，无线消费性电子产品的问题则是被制定标准的组织强迫使用相当窄的频带，而其他的频谱却分配给包括电视广播或军事应用等服务使用，这样的限制虽然目前还未影响到无线产业的发展，但当无所不在的无线通信环境越来越普及时就可能会出现问题。

这也就是为什么FCC已经提出提案，要开放授权频带给公众使用。提案的系统规划依优先次序使用这些频带，例如紧急服务通讯的传递以及授权使用的优先权就高于不需授权的公众应用，透过这样的方式，频谱就能够随时依据当地的需求使用，同时也可确保使用相同频带的系统能够共存。动态频谱分配的推动通常被称为感知式无线电路（cognitive radio），原因是这类的无线电路必须要能够侦测某个特定频带是否正被使用，并依照优先级来协调使用权，因此它们必须要能够在几个不同的频带下运作，并且能够灵活地改变载波频率与调变方式。要达成这样的目标，整个传送与接收电路链就必须要可以重新组态，这就需要有关多频天线、可切换滤波器、高度数字化收发器、先进向量处理器与MAC软件等各领域的全新发展。

开发能够针对各种多样化传输标准执行软件编译码、调制解调器与频道滤波功能的高弹性数字式向量处理器，以及具有端对端可重新组态能力的RF电路架构，其最终目标是开发出一个不仅能够在不同标准间切换，同时还可以在多重标准下同时运作的收发器/基频架构，而这正是推动未来感知式无线电实现的动力。

（作者为飞利浦半导体射频部门副总裁）

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