通用移動通信系統(UMTS)在第三代(3G)移動通信系統發展中，被認為是可能取代既有全球移動通信系統(GSM)的新興技術之一，UMTS已成為具備涵蓋歐洲、亞洲、北美及日本等地不同頻段的全球標準。

為充分利用這項科技，以達到全球漫游、更多功能、提供更快的信息傳輸率，UMTS移動電話的設計人員日漸需要多頻段的支持，同時也積極尋求更精巧平價的組件，這對所有通信半導體供貨商而言是莫大的挑戰。

UMTS系統在各國各地區所使用的頻段不盡相同，為使手機使用范圍更加廣泛，因此新一代RF收發器應運而生。采用CMOS制程、涵蓋多頻段的RF系統單芯片，除可使手機設計更為彈性外，還可讓工程師易于在原有的架構上，設計全新的UMTS手機。

為迎接這項挑戰，芯片設計人員在設計新一代無線射頻(RF)收發器時，以體積小、低功耗、支持多頻段這三項功能為主要考慮，要解決這些問題，須將多頻功能整合在單一芯片上，包括一個可適性接收基帶濾波器，完全整合的非整數鎖相回路(包括傳送與接收)，以及復合式、靈活的程控操作接口，此外，芯片的制程也必須符合手機極小巧精密的需求。

理想的解決方案是單芯片、低功耗的互補式金屬氧化物半導體(CMOS)射頻收發器，可以支持目前寬帶分碼多重接取(WCDMA)、UMTS全球無線電頻分雙工(UTRA FDD)系統指定的所有UMTS頻段，UMTS話機只要插入這種芯片，便可在歐洲、亞洲、北美及日本使用，確保這些手機可無阻地使用于最廣泛區域，并使服務無遠弗屆。

UMTS涵蓋不同頻段

UMTS的目標是成為全球標準，其涵蓋多個不同頻段，因此難以預測接下來的幾年，到底哪個支持的頻段才是市場所需，表1顯示不同的UMTS頻段及廣為使用的區域，目前手機設計人員最常要求的UMTS頻段組合是頻段一、二和五，可允許國際漫游，然而，為順應市場需求、移動通信業者與終端用戶的期待及偏好，這些組合可能隨之改變。

若半導體供貨商能掌握高度易變的因素，包括長期需求、多頻支持、提供最佳設計彈性等關鍵，即可成功打入市場。而可支持目前國際電信聯盟(ITU)指定的大部分UMTS頻段，同時能解決北美1,900MHz范圍的頻段，已被ITU分配給2G移動網絡及衛星通信使用的特殊狀況之單芯片多頻收發器，有助于縮減設計時間及資源，允許話機制造商推出全球通用的單一設備。

以英飛凌(Infineon)的SMARTi 3G單芯片為例，可以單芯片收發器IC支持目前規定的所有UMTS頻段，提供多達三個頻段的靈活運用，這款收發器的設計包括Zero-中頻(IF)接收(RX)路徑、直接轉換傳送(TX)路徑及非整數頻率合成器，還包含可在混合式濾波器模式下啟動的級間陷波濾波器(Notch Filter)，以適用于北美頻段配置，同時允許由軟件激活額外的陷波濾波器，以符合UMTS對頻段二及三的特定需求。

接收器一般采非常線形的設計，可程控增益控制(RX PGC)也非常線性，因此在手機生產過程中，只需極少數的校準點，此可直接反映為客戶節省的時間及成本，圖1說明接收器的兩大特色，并顯示在不同輸入功率下，在UMTS頻段一運作的復合誤差矢量振幅(EVM)及信噪比(SNR)。

圖1　UMTS頻段時，接收器功能曲線圖。

傳輸路徑包括一個三級巴特沃斯(Butterworth)型基帶主動濾波器、直接升壓器、VGA平臺及高功率輸出驅動平臺。適量加偏壓于VGA平臺以保證在全輸出功率幅度下，達到最小的電流消耗，每一個直接轉換傳輸路徑均包含一個完全差動的可程控輸入緩沖器，以處理不同基帶輸入信號。附加的三級Butterworth型基帶濾波器會移除無用的信號內容，如基帶數字模擬轉換器(DAC)夾帶的遠程噪聲或雜散發射(Spurious Emission)，同時避免需要的信號失真。

總體而言，TX呈現明顯的線性，形成較佳的噪聲指數及輸出功率，圖2比較業者指定偏移量(頻段一，TX1,950MHz)中的FDD信號功率(線1)，與第三代合作伙伴計劃(3GPP)規定的頻譜屏蔽(線2)，此圖顯示收發器性能具備因應整個系統的廣度，可滿足3GPP的要求。

圖2　傳輸頻譜屏蔽與3GPP規格比較

RX與TX均使用完全整合的非整數鎖相回路合成器，擁有芯片回路濾波器與參考電阻，盡可能減少外部零組件需求。為涵蓋所有營運的頻段，并且提供額外的頻段廣度，因此使用具廣泛調幅的差動VCO，UMTS頻段五及六的操作，可由VCO無線射頻(RF)輸出的兩個分頻器啟動，由內部演算系統選擇適當的VCO頻段，每次PLL啟動或設定新的頻率后，便隨之啟動，同時，進一步校準使PLL的所有偏差減到最小，如回路濾波器轉角頻率傳播的問題。

芯片所有功能皆由一個靈活的程控接口所控制，兼容于多種標準、采用三線總線，并具有回溯兼容及完整讀/寫功能。標準的模擬接口，更提供移動電話制造商及平臺供貨商另一個優勢，即兼容于多種3G基帶信號處理器，因此容許從不同廠商挑選搭配不同的產品，達到最佳零件組合。

利用基本前端控制實現三頻設計

為確保能夠支持所有的UMTS頻段及多種不同的頻段組合，設計人員可能希望同時設定低、中、高三種頻段，IC使用的頻段，可利用三線串連總線，依適當的六頻選擇/前端控制輸出引線，分別設定RX與TX的頻段，圖3是典型的三頻應用舉例說明。

圖3　典型的三頻應用舉例

典型的三頻UMTS方案所需的電路板尺寸，可小到370平方毫米，而且只需要七十四個組件，比其他只能支持單頻的解決方案減少50%。由于多頻及多模式操作，前端復雜性也逐漸提高，因此須有效控制外部組件，如功率放大器及電閘等，要滿足這項需求，可采用高度彈性、軟件程控的前端控制，依據事件而切換六個指定的接收頻段與傳輸頻段輸出引線。

基本的前端控制功能能為每個頻段提供三組任意的輸出程控配置，有了此項功能，即可選擇前端組件的信號路徑。前端控制功能還可進一步自定義接收頻段輸出引線的切換延遲，而傳輸頻段輸出也可個別程序化，在傳輸路徑關閉時降低輸出，路徑開啟時再回到默認選擇。

HSDPA芯片產品陸續推出

由UMTS提供的新服務，如高質量視信串流、快速下載音樂內容及互動游戲等，都使所需的傳輸速率大幅提高。3GPP WCDMA標準第五版使用高速下鏈封包存取(HSDPA)技術，數據傳輸速率可高達14.4Mbit/s，此進化也表示UMTS網絡升級為HSDPA，該技術目前已在歐洲各地部署，傳輸速率在1.8M～3.6Mbit/s之間。隨著科技進步，手機的地位日益重要，計算機數據卡也將率先成為支持HSDPA的應用。雖然網絡仍處發展階段，但支持HSDPA的RF與基帶手機組件，都已陸續問世。

HSDPA需要新的下行共享頻道、高速下行共享頻道(HS-DSCH)、新的變頻技術，以及快速有效的傳輸連結，也須以更復雜的硬件執行，如在無線電話的傳輸方面，采用HSDPA會影響相鄰通道泄漏比(ACLR)效能及最大輸出功率，這些問題在設計過程中都須謹慎考慮。而使用高階變頻以提高傳輸速率，代表整體效能也會提升，尤其會影響接收器線性；在接收方面，由于提高傳輸速率會增加SNR的需求，因此誤差矢量幅度(EVM)直接受HSDPA影響，表2所示為依變頻技術而定義的不同HSDPA類別、使用的編碼及支持的傳輸速率。此外，最大傳輸速率(參考不同的HSDPA類別)取決于變頻技術、編碼率及編碼數。

CMOS為UMTS接收器主流制程技術

雖然多頻功能及HSDPA支持是接收器必然的趨勢，所有無線電話業者也已普遍采用，在制程上，新興的CMOS技術也逐漸成為接收器設計應用的新選擇，取代硅鍺(SiGe)及兩極CMOS (BiCMOS)制程，且幾乎所有的接收器業者，目前的設計都采用CMOS。

CMOS比起傳統的BiCMOS與SiGe制程技術，具有價格上的優勢，所需的屏蔽及制造步驟都較少，CMOS技術的特色包含更快的晶體管、且可達到非常小巧的設計，加上增強整合的可能性，因此新一代RF設計日漸改用CMOS技術。另外，采用CMOS技術得以執行更高比率的數字邏輯，因此更能夠彈性整合各種補償技術，如直流偏移及濾波校準。CMOS制程也能夠縮短鎖定時間，并快速設定非整數鎖相回路頻率；在一些特定功能上，如隨機存取內存(RAM)信息回讀，使特殊的RAM在待機狀態時保持默認程序設定，IC重新啟動時仍可適用，上述都是CMOS制程才可能達到的功能。

由于半導體制造商在許多其他產品上都采用CMOS，因此同一類的技術制程及生產線都可用于手機的各種數字、RF及混合信號組件，以進一步縮小體積，提高整合程度。

隨著多頻手機的需求量大增，能支持不同頻段、高性能、低價位的RF接收器需求也持續成長，而真正多頻單芯片的接收器可讓RF平臺的多功能移動電話設計更有彈性。由于許多要素都能重新利用，因此采用此類接收器的系統能輕易應用于未來移動設備的各種頻段組合，所需的軟件及硬件也能減到最低，并完全符合HSDPA對更高傳輸速率的要求，也讓系統設計人員更容易在相同的架構上，設計新一代的UMTS手機，同時節省預算及設計時間。

作者：Irina Prjadeha/Rainer Koller，英飛凌、DICE GmbH & Co. KG