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無線連接方式之技術趨勢剖析

  簡介

  由於無線網路規格的日新月異,因此在一個移動設備上能同時適應各種不同的規格,以達到減少晶片面積、減少I/O數量及降低成本等技術問題正被大量廣泛的研究中。然而,為能適應多種無線網路規格,傳統的做法乃是將兩塊不同的系統放到同一個晶片上,如此一來並未達到資源共享的目的,反而徒增晶片面積及提高其製造成本。而目前被大量研究的系統整合方式是藉由不同傳輸規格的元件共享,以最少的資源來達到最大的利用率。以今年ISSCC 2010為例,日本、美國、比利時以及韓國等國家之研發團隊都在此方面提出了能同時支援不同傳輸規格、不同傳輸頻寬的收發機,並提出了降低晶片成本和提高功率放大器的技術;以下將進一步介紹發表之相關技術論著之技術特點及其內涵。 

技術特點

25.1 - A Maximally-Digital Radio Receiver Front-End

Author: Opteynde, Frank
Author Affiliation: Audax Technologies
Author Country: Belgium

  為增加接收機在各種規格上轉移之彈性,本篇論著提出了一種接收機架構,如下圖一所示。圖一(a)是一般的zero-IF的架構,由於它的類比濾波器包含了很多電容,因此會占據晶片大部分的面積,而且訊號偏移和自我干擾的效應也會被放大,因此需要另外的補償電路;而圖一(b)正好解決了(a)的問題。然而,由於ADC乃直接接在LNA之後,因此,ADC的動態區間將會使這個系統轉移到其他傳輸規格上,而變得不夠有彈性;引此,本篇所提的(c)正好解決以上兩個問題,讓ADC接在downcoversion mixer之後,使它不用顧慮到各種規格不同的動態區間,以增加接收機的彈性。

圖一、Receiver Architecture

25.2 - A 65nm CMOS 2.4GHz 31.5dBm Power Amplifier with a Distributed LC Power-Combining Network and Improved Linearization for WLAN Applications 

Author: Afsahi, AliBehzad, AryaLarson, Lawrence E.
Author Affiliation: University of CaliforniaBroadcom
Author Country: United States

  為了適應各種無線傳輸規範的SOC系統以及越來越多種的無線傳輸應用,[25.2] 此篇論著利用了65nm CMOS實現了一個高線性度的功率放大器,其消耗電壓在3.3V;而為了達到高線性區間,本篇應用了以下2種線性技術: gm-linearization technique 以及 digital pre-distortion technique;其實驗之效能結果如下表一所示,[25.2]在小訊號增益上可以達到32dB優於ISSCC09所提出的28dB,而儘管最大的PAE值沒有如ISSCC09所提到的33%,但是在達到-25dB or -28dB EVM的情況下,他的PAE值可以達到16% or 14% output power可以到25.5dBm or 24.5dBm,都是優於ISSCC09所提出的數據。

表一、效能比較表 

25.3 - A MultiStandard, Multiband SoC with Integrated BT, FM, WLAN Radios and Integrated Power Amplifier 

  以[25.3] 為例,依圖二所示乃提出將 802.11a/b/g WLAN、單一資料流11n WLAN、藍芽(BT)傳輸及FM系統整合到同一顆65nm CMOS的晶片上。其藉由一些常用元件的共享,如震盪器、放大器及電力管理元件等,來達到最大的資源使用率。例如,在 2.4GHz 接收器的路徑上,一個Shared LNA (SLNA)被使用去接收WLANBT的訊號,而這個SLNA也會驅動WLAN LNA2以及BT LNA。而為使各種傳輸規格不會交互影響,此篇設計出了1種各種規格共存的界面;同時,為能減少寄生效應,亦使用 image reject LO mixers的架構來實現。

圖二、WLAN Radio Block Diagram. 

25.4 - A Fully Integrated 21 Dual-Band Direct-Conversion Transceiver with Dual-Mode Fractional Divider and Noise-Shaping TIA for Mobile WiMAX SoC in 65nm CMOS 

  為能同時整合Wimax的傳送端和接收端到同一顆晶片上以達到降低成本的目的,[25.4]乃提出使用65nm CMOS完整的整合出1個支援雙頻帶2Rx×1Tx的晶片,其整個接收器之架構圖如下圖三所示,乃包含了2個直接降頻的接收端和1個直接降頻的傳送端,並利用了1VCO以及除頻器來達到涵蓋2.3-2.7GHz 3.3-3.8GHz的頻帶;而為了減少晶片面積,在接收端I路徑和Q路徑共用一個ADC,而在傳送端,1quadrature modulators也被共用。本篇論著亦提出1個減低雜訊影響的放大器,如下圖四所示,可有效減少4dB的雜訊干擾,同時亦不會降低輸出的增益。

圖三、接收機的架構圖


圖四、noise-shaping trans-impedance 放大器 

25.5 - A 5mm2 40nm LP CMOS 0.1-to-3GHz Multistandard Transceiver 

  [25.5]則提出1個可適應眾多傳輸規格的軟體無線電技術(Software Defined RadioSDR),其架構如下圖五所示;其乃利用軟體無線電技術,使其可支援DVB-H (0.6GHz FC/8MHz BW)LTE (2GHz FC/20MHz BW)WiMAX (3GHz FC/20MHz BW)的輸入功率。

圖五、收發機的架構圖 

25.6 - A 65nm CMOS Low-Power Small-Size Multistandard, Multiband Mobile Broadcasting Receiver SoC 

25.7 - A Multistandard Multiband Mobile TV RF SoC in 65nm CMOS  

  而[25.6]所提出之主要技術乃利用65nm CMOS來整合多傳輸標準之行動電視系統,如下圖六所示,其涵蓋了VHF Band II (64 to 108MHz)VHF band III (168 to 245MHz) UHF (470 to 806MHz)  L-band (1450 to 1492MHz),並同時可支援4種廣播系統的標準( FM, T-DMB, DAB  ISDB-T 1seg.) 。然為能減低所需之晶片面積及降低耗能需求,這個接收機只使用了1個數位處理核心,並移除了很多基頻的類比處理而改用高效能的ADC和數位濾波器來達成。同時,為了支援以上多種系統之運作,[25.7]亦提出1個利用65nm CMOS整合多種標準多種頻寬的TV RF,如下圖七所示。其中不同的LNAs分別支援不同的頻帶,174-to-248MHz (VHF)470-to-862MHz (UHF)以及1400-to-1700MHz (LBAND)

圖六、Block diagram of multistandard multiband mobile broadcasting receiver SoC.


圖七、Block diagram of the multistandard multiband mobile TV RF SoC.

小結

  以上七篇論著皆提出如何支援多種傳輸規格,並同時減低其晶片面積、能量消耗及提高功率放大器的線性區間和增加對抗雜訊的能力;雖各篇論著之實現方式皆不相同,有的是直接實做成晶片、有的是利用SDR來開發環境、有的是針對RF的部分,而其中有部分是針對功率放大器來設計,然其最終之目的都是為了能夠支援多種的系統規格、降低晶片成本及提高整體收發機的效能;目前國內的產品偏向支援各種規格的數位電視,像是DVB-T/HT-DMBDAB…等,例如亞迅科技所推出的數位電視調變卡,頻率可在47MHz862MHz之間任意調整。然就WLAN而言,目前國內對於各種WLAN規格的支援並無整合系統之實現,像是IEEE 802.11a/b/g/nLTEWiMAX等都是單獨之系統晶片,現階段並沒有像[25.3]所提出之可支援多種WLAN規格的系統架構,因此,如何能夠支援越多種傳輸規格、多種傳輸頻帶和多種應用,並進一步減少晶片面積和消耗功率是目前國內所需努力的方向。

 

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