全球通用行动电信系统（UMTS）是第三代行动通讯系统中所预见的技术之一。第三代行动通讯系统，是现有的泛欧数字式移动电话系统（GSM）的后继者。UMTS有着不同的特定频率波段，而完全的适用于欧亚、北美与日本，所以已经成为了一项真正的全球标准。UMTS移动电话的设计业者需要多频来支持全球漫游、更多的功能及更快的数据传输率、以及更小与价廉的零组件。

对于这种挑战的一项解决方案，则是一种单芯片互补式金氧半导体射频收发器（single-chip CMOS RF transceiver），俾能支持在宽带分码多任务存取（WCDMA）式通用陆上无线电接取分频多任务（UTRA FDD）计划内目前所指定的所有UMTS频率波段。包含这种芯片的UMTS电话将能够在欧洲、亚洲、北美与日本使用，方便的联系到当前全世界大多数移动电话服务广布的地区。

本文将讨论把多频能力整合到单芯片的设计方法，而且将提出一种先进的制程，让一种覆盖面积（footprint）符合移动电话尺寸外型（form factor）的设计需要。设计上的问题包括开发一种适应式的基频接收滤波器（Rx baseband filter）、收发都能使用完全整合的分数N型锁相回路 （Fractional-N PLL）、以及多重、能够弹性编程的前端控制（front-end control）。

UMTS：具有不同频率的全球标准

UMTS频率在欧洲、亚洲与日本是专门分派给3G，而且不与其它服务冲突。这种情形在北美略有不同，因为在北美，国际电信联盟（ITU）所分配的UMTS频谱已经用于2G（1900MHz范围）与卫星通讯了。虽然在释放这种频谱方面有所努力，但是在近期内UMTS在北美还是不得不与现有的2G服务共享频谱，这也成了射频设计业者额外的挑战，而使用一具在混合滤波器模式（hybrid filter mode）所启动的陷波级间滤波器（notch interstage filter）的架构就可解决该挑战。一具额外的陷波滤波器（notch filter）能够经由软件编程而启动，俾能达成特定UMTS 对于Band II 与III的要求。

由于不同的波段指定出来了，所以要预测未来几年中市场上需要哪种实质的波段支持是一项真实、难以克服的挑战。最受欢迎的波段组合是要求要有 UMTS Band I、II、与V，俾能在全世界漫游。Band I（UMTS 2100）用于欧洲、韩国、日本与中国大陆，Band II（UMTS 1900）与Band V（UMTS 850）用于北美与拉丁美洲。 Band IV（UMTS 1700/2100）与Band II的结合似乎特别适合北美，而Band VI（UMTS 800）与IX（包含在Band III之内）则用于处理多重波段的日本市场。在这种不确定性之下，成功的关键因素则是在于多重波段支持的设计提供了弹性。

系统概要

为了达成真正的多重波段操作，架构设计包含了三个零中频（zero-IF）接收途径（Rx path）、三个直接转换（direct-conversion）发射途径（Tx path）、与两个分数N型（fractional-N）合成器。IC所有的功能都是由以三线总线（3-wire-bus）概念为基础，具弹性、且与多重标准兼容的编程接口所控制，从而提供向下兼容（backwards-compatibility）以及全部的读/写存取。

这种直接转换接收器把完全的差动讯号途径（differential signal path）提供给每个波段。在接收链里的讯号过滤是由校准过、主动的基频滤波器，辅以额外的二阶软件编程（2nd order programmable）陷波滤波器在2.7MHz所达成的。所有的直流电压偏移（DC offsets）都由内部电路系统来补偿。

接收器一般都提供非常线性的设计以及杰出的敏感度─这是重要的参数之一。接收端的增益控制器是具有高度的线性，所以在生产中所需要的校准点很少，而把这种优点直接转变成时间的节省与成本上的利益。(图一)描述这种接收器的两个特性：在UMTS Band I操作时，输入功率的不同数值的向量量度误差（EVM）与讯号噪声比（SNR）：

《》

传送途径包括一具三阶（3rd-order）、巴特沃斯（Butterworth）型主动式基频滤波器、三具直接升频转换器（direct-upconverter）、每个途径的增益控制范围（gain control range）>85dB的可调式增益放大器（VGA stage）、以及高功率（高达7dBm）输出驱动级（output driver stage）。VGA stage中的偏压调整（adaptive biasing）保证在全面输出功率范围中最低的电流消耗。每一具直接转换传送器途径都包含一具全差动（fully-differential）、可以编程的输入缓冲器来处理不同的基频输入讯号。这具额外的三阶巴特沃斯型基频滤波器移除不想要的讯号内容，例如是遥远的噪声或是基频数字模拟转换器（DAC）的混附波（spurious emission），但却不会使原始的讯号失真。

整体而言，发射路径是高度的线性，所以有杰出的噪声指数（Noise Figure）特性与输出功率值。(图二)呈现出第三代行动通讯伙伴合作计划分频多任务（3GPP FDD）载波（Band I，Tx 1950MHz）讯号（蓝线）的功率偏移，与3GPP所指定的频谱波罩（spectral mask）的比较（红线）。这个图中，可以观察到多频段架构对于整个系统提供足够的余裕来达到3GPP的要求。

《图二 多频段架构收发器频谱波罩（spectrum mask）与3GPP规格的比较》

Rx与Tx都使用完全整合的分数N型（Fractional-N）合成器，以及芯片内置回路滤波器（on-chip loop filter）与参考电阻器（reference resistors），俾能把外在零组件的数量尽量减少。为了要涵盖所有的操作波段以及为制程公差（process tolerances）提供额外的频率容限（frequency margin），使用了具有宽阔调谐范围的差动压控振荡器（differential VCO）。在UMTS波段V与VI中的操作，是藉由启动在VCO RF输出中一具额外的除二分频器（by-2-divider）。这种适当的VCO波段是一种内部的比对算法（alignment algorithm）所选择的；这种内部的比对算法每当锁相回路（PLL）启用或是一个新频率设定的时候就会启动。同时，进一步的校准把PLL里所有的偏差（aberration）都减低到最少，例如回路滤波器角落频率扩散（frequency spread）。这种Rx合成器除了在有限的频率波段之中提供快速的频率切换以及设定之外，其特色是基地台初始搜寻加速（Initial Cell Search Speedup）。这样就能把与基地台建立链接所需的时间减到最少。

三波段设计的考虑

多频段收发器支持所有的UMTS波段，在目前可以设置为三种实体波段：低、中、高。

这种IC的操作波段能够藉由三线总线（3-wire-bus）分别的为Rx与Tx设定，使用适当的组合达到六个波段的选择与前端模块控制。(图三)所提供的是一个典型三波段应用的例子：

《图三 多频段收发器架构中典型三波段应用的例子》

使用多频段收发器的三波段UMTS解决方案的典型PCB尺寸外型（form factor）可以小达370 mm2，而且只有74个零组件，包括所有的匹配（matching）、低噪声放大器（LNA）、乃至于功率放大器模块。

多重波段与多重模式操作导致了前端复杂度的增加，所以对于外部的组件诸如功率放大器（PA）、天线切换开关（switch）等必需要有效率的控制。因此，多频段收发器落实了一种有高度弹性、能够软件编程的前端控制，藉由对于称之为Rx band1至3与Tx band1至3的六个专属的输出接脚进行事件启动（event-triggered）的状态切换（state switching），来处理这些需求。为了未来的解决方案，还有三组额外的通用输出（General Purpose Outputs）能够由编程来切换。

这种基本的前端控制特性，是把三套任意编程（arbitrarily programmed）的输出状态提供给各个波段。有了这种特性，就能够选择在前端组件中的讯号途径了。这种前端控制特性，可藉由Rx band输出接脚的自定义切换延迟（switching delay）而延伸。当Tx 途径关闭后再开启之前回到所选择的设定时，Tx band输出则可以另行的编程来到「低」输出准位状态去。

当今市面上典型的低噪声放大器（LNA）模块的特性是有一个增益阶，俾能提供较佳的功率动态涵盖范围（power dynamics coverage）。由于LNA在低与高增益模式（gain mode）之间的切换是取决于所使用的RX增益策略，所以Rx band2与 Rx band3脚位能够独立的编程而输出与当前Rx增益设定对应的一个讯号。

HSDPA能力

UMTS所提供的新服务，例如高质量视讯串流、快速的下载音乐内容与互动游戏，都是数据传输率大幅增加的驱动力。3GPP W-CDMA第五版（release 5）藉由高速下行封包接取（HSDPA），其所界定的数据传输率高达14.4Mbps（理论值的上限）。UMTS网络目前正以HSDPA来升级，而预期速度达7.2Mbps 的HSDPA第八范畴（category 8）在不久后就会成为主流。在手机变得越来越重要之际，这种 PC数据卡被视为是支持HSDPA的首种应用。

HSDPA需要新的共享下行频道「高速下行共享频道」（HS-DSCH）、新的调变（modulation）技术与链接适应（link adaptation），俾能进行快速与有频谱效率的传输。这些都使硬件的执行变得更为复杂。例如，在收发器的Tx端加上HSDPA会影响到邻近频道泄漏功率比（ACLR）的表现与最大输出功率，所以这种问题在设计过程中需要仔细的考虑。用于达成较高的数据传输率的较高阶调变（higher order modulation），则需要强调接收器线性。在Rx端，向量量度误差（EVM）则是直接受到影响，因为增加的数据传输率也增加了讯号噪声比（SNR）的要求。当基地台在传输只用正交相位键移（QPSK）调变的合成讯号之际，EVM的表现不应该高于17.5％。当基地台在传输包括较高阶的调变合成讯号之际，EVM的表现不应该高于12.5％。

(表一)所列出的是由调节技术所界定的不同HSDPA范畴、所使用的码数与获得支持的数据传输率 [1] 。