目前非常熱門的藍芽(Bluetooth)技術，是一種工作於2.4GHz的短距離射頻無線傳輸系統。藍芽系統在硬體上包含射頻、基頻(Baseband)、微控制器(MCU)及記憶體(Memory)等部分，而在射頻及Baseband的部分目前還沒有公開的IP，因此藍芽系統的開發廠商必需自行設計研發，本文將針對射頻的部分做說明。
藍芽系統在規劃之初即以低成本、低功率消耗等設計概念為主要考量重點，因此在射頻次系統的規格上放得較寬鬆，所以可以用低成本的CMOS製程製作出其所需的射頻收發器(RF Transceiver)線路，並可進一步與Baseband數位線路結合成為單晶片(Single Chip IC)。本文就是要介紹工研院以0.25μm CMOS製程設計的2.4GHz Bluetooth RF Transceiver IC。
RF規格
藍芽(Bluetooth)的重要RF規格如下：
- 1.使用頻段：全球都可以使用之2.4GHz頻段。
- 2.分時多工：TDD/TDMA架構，能適應不同的傳輸需求。
- 3.跳頻頻率：載波頻率每秒更換1600次。
- 4.傳輸頻寬：資料速率1Mbps,Channel Bandwidth 1MHz。
- 5.調變方式：GFSK,BT=0.5, Modulation Index=0.28~0.35。
- 6.傳輸功率：1mw(typical), 100mw(optional)。
- 7.接收器靈敏度：-70dBm @ 0.1% BER。
Bluetooth系統要求的靈敏度較低(因為是短距離使用，比較一下，DECT靈敏度要求為-83dBm, GSM 靈敏度要求為-102dBm)，預留較大的Noise Margin，因此能承受較高的Substrate Noise(方便與Baseband整合)，及使用電流較低、特性中等的射頻低雜訊放大器(Low Noise Amplifier；LNA)。系統並容忍較高的壓控振盪器(Voltage Controlled Oscillator；VCO)的相位雜訊(Phase Noise)，因此可將VCO整合進IC中，同時收發間頻道轉換時間達220μs，單一頻率合成器即可符合需求。上述種種，是Bluetooth RF Transceiver較容易以CMOS整合的原因。
2.4GHz CMOS RF Transceiver IC
工研院在設計這顆RF Transceiver IC時的基本想法如下：
- 1.減少外接元件，特別是價格高的濾波器，一則降低成本，並可降低系統的體積。
- 2.功率消耗要小，以適合可攜式設備使用，因此並不以最佳的特性為目標(當然特性上還是留有足夠的Margin)。
(圖一)是本顆RF Transceiver IC 的方塊圖，它包含了射頻低雜訊放大器、混波器對(Quadrature Mixer Pair；用來產生有90度相位差之中頻訊號對，以供後續信號處理)，鏡像訊號抑制(Image Suppression)及頻道選擇(Channel Selection)濾波器、GFSK解調器、頻率合成器、壓控振盪器(VCO)、倍頻器及輸出放大器等部份組成。前三者構成低中頻接收器(Low IF Receiver)，使用這種線路架構，鏡像訊號抑制及頻道選擇都由線路架構及IC化的主動濾波器完作，因此不需外接濾波器與超外差接線器架構比較，省去了二個濾波器。
為了頻道選擇，主動濾波器為7階的帶通濾波器。GFSK解調器為移相乘法器的架構，但移相部分在IC內含，省去外接之90度移相器。發射部份，以直接調變VCO的方式將Data載在載波上。倍頻器避免輸出放大器對壓控振盪器的干擾，輸出放大器提供1mW輸出，若需100mW輸出則需另加一顆100mW的射頻功率放大器。
本IC採用台積電0.25μm CMOS製程，(圖二)是其佈局圖。IC的右半邊是射頻線路，左邊為濾波器及解調器。射頻線路上使用電感以降低電流消耗。壓控振盪器部份，Tank線路的電感及變容器(Varactor)均為On-Chip元件，相位雜訊為-92dBc(@100KHz Offset)。在設計上，接收器靈敏度可達-80dBm，接收及發射狀態電流小於30mA，工作電壓為2.7~3.3V。本IC目前正在製作，七月份有第一階段結果，年底完成開發。
未來發展
本IC的設計雖然是針對著Bluetooth，但對於以CMOS開發其他特性要求較高的系統也做過相當程度的評估。預期在略高的功率消耗、更佳的製程，CMOS可以製造行動電話用的RF IC，這也是我們可以努力的方向。(作者目前任職工研院系統晶片技術中心組長)
