UMTS是3G所衍生的新興技術，也是專為取代現行GSM系統所設計。UMTS具有多個頻帶，並涵蓋歐、亞、北美與日本等不同通訊頻帶規格。為了充分發揮UMTS的技術優勢，手機工程設計師力主採用多頻設計，以支援國際漫遊、納入更多功能及速度更高的資料傳輸速率；也要求更小、價格更低的零組件，成為一項高難度的技術挑戰。
因UMTS持續當紅，晶片設計工程師開始在設計第三代射頻(RF)收發器晶片上朝小型化、低功率及支援多頻帶三個方向進行。要成功打造這個解決方案，必須將多頻帶功能模組內建在單一晶片內，包括可適性接收基頻濾波器、訊號接收與傳輸雙用的高整合型分頻鎖相環(Fractional-NPLL)、多重可彈性編程前端控制器等。除此之外，晶片製程也應採用能符合最嚴格手機電路規格標準的占板面積(Footprint)。
一般來說，理想的解決方案是打造出一個低耗電的互補金屬氧化半導體射頻(CMOS RF)接收器晶片，並且能夠支援目前寬頻分工多重接取系統(WCDMA)的UMTS地面無線電接取分頻雙工技術(UTRA FDD)中，所有指定的UMTS通訊頻段。內建此一晶片的UMTS手機能廣泛用於歐洲、亞洲、北美與日本地區，確保用戶在全球使用最普遍的大哥大系統規格地區都能暢通無阻。
逐漸成為全球通行標準的UMTS
雖說UMTS的建置是為了打造一個全球通行的標準，但儘管內建多個頻段，在未來數年內，卻很難準確預測哪個市場會採用哪個實體頻帶，UMTS支援頻帶分布如表1。到目前為止，手機工程設計師要求最多的頻帶組合是Band I、II與V，足以涵蓋大部分區域，達成全球漫遊目地。但是頻帶組合仍會依未來市場需求與電信業者和終端用戶的期待和偏好而出現變動。
| 表1 不同的UMTS頻率波段 |
| 頻帶 |
Tx頻帶[MHz] |
Rx頻帶[MHz] |
地區 |
| Band I |
1,920～1,980 |
2,110～2,170 |
歐洲/亞洲/日本 |
| Band II |
1,850～1,910 |
1,930～1,990 |
北美地區 |
| Band III |
1,710～1,785 |
1,805～1,880 |
日本 |
| Band IV |
1,710～1,755 |
2,110～2,155 |
北美地區 |
| Band V |
824～849 |
869～894 |
北美地區 |
| Band VI |
830～855 |
875～900 |
日本 |
| Band VIII |
880～915 |
925～960 |
北美地區 |
| Band IX |
1,750～1,785 |
1,845～1,880 |
日本 |
基於長期規格化多頻支援尚存在極大的不確定性，能否提供最大的設計彈性，成為半導體供應廠商能否成功打下市場的主要因素。若能打造出單一多頻接收器晶片，能夠支援絕大多數國際電信聯盟(ITU)指定的通訊頻帶，以及能因應北美地區獨特的電信市場狀況，如1,900MHz頻帶已由ITU撥給2G行動網路系統與衛星通訊系統使用，即可協助手機製造業者縮短設計時間與減少資源消耗，並且達成單一手機裝置通用於全球各地的夢想。
多頻段單晶片接收器漸當紅
近期不少廠商都投入心力在多頻段單晶片接收器的研發上，而直接轉換接收器也逐漸成為業界討論的目標。
直接轉換接收器可提供每個頻帶一個全差動訊號路徑，而訊號接收鏈中的濾波功能是由一組經校準的主動式基頻濾波器來擔綱，再輔以一組額外的二階可編程2.7MHz陷波濾波器(Notch Filter)，允許所有的直流偏移電壓都由內部電路給予補償。
總體來說，此接收器提供一個高度線性的設計，並具有極佳的靈敏度，滿足最重要的參數設計之一。此外如可編程增益控制(RX PGC)也是高度線性設計，在手機生產週期中只須設立極少的校準點，在實際面上即代表節省製程時間和降低設備擁有成本。圖1說明UMTS Band I接收器輸入功率各項數值中兩個主要的接收器特性﹕複合誤差向量幅度(EVM)和訊號雜訊比(SNR)。
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| 圖1 UMTS band I頻帶接收器效能特性，輸入功率的複合誤差向量幅度與訊號雜訊比 |
傳輸器路徑包含一個三階巴特渥斯型(Butterworth)主動式基頻濾波器、直接式向上轉換器、可變增益放大器級(VGA)與高功率輸出驅動級。可變增益放大器級的自適應偏置可確保在所有輸出功率範圍內的最低電流消耗量。每個直接轉換傳輸路徑也都內建一個全訊號差動可編程輸入緩衝器，以處理不同的基頻輸入訊號。額外增設的三階巴特渥斯型基頻濾波器可移除不必要的訊號內容，例如不相干雜訊或基頻數位類比轉換器(DAC)的旁生發射(Spurious Emissions)，但不會造成所需訊號的失真。
整體說來，TX頻帶以其高度線性特色著稱，所以擁有極佳的雜訊指數特性與卓越的輸出功率值。Band I，TX 1950MHz載波偏移下FDD訊號(線A)與第三代行動通訊組織(3GPP)指定頻譜遮罩的輸出功率比較如圖2。
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| 圖2 傳輸器頻譜遮罩與3GPP規格的比較 |
若RX與TX都採用晶片內建迴路濾波器與參考電組的全面整合型分頻合成器(Fractional-N Synthesizer)，將可減少外部元件至最大限度。另外為了涵蓋所有使用頻帶與提高頻率極限以容納製程公差，所以採用具高調變範圍的差動型振盪器(VCO)。若要使用UMTS的Band V與VI頻帶，只要啟動振盪器射頻輸出端額外增設二分頻器即可。正確的振盪器基頻採用內部演算法取得，演算機制在每次啟動PLL或設定新頻率時皆會觸發。此外，進一步的校準更可降低PLL內所有可能的誤差，例如迴路濾波器轉角頻率擴散(Corner Frequency)等。
所有的IC功能皆透過一個採三線匯流排(3-wire Bus)概念設計的高彈性、多標準相容之可編程介面來控制，可同時提供向下相容性與全面訊號讀寫存取功能。而建置一個標準的類比介面，能與多種3G基頻處理器相互操作，無疑地對手機製造業者與平台服務提供商來說又是另一項利多，因為如此一來即可為不同供應商與產品進行選擇和配對，找出最佳的元件組合。
三頻設計考量因素眾多
為了確保支援UMTS所有頻帶與手機製造商想要的頻帶組合，可設計成同時設定低、中、高三個實體頻帶。IC電路的工作頻帶可透過三線匯流排使用六頻選擇/前端控制輸出接腳的適當組合，分別對RX與TX作出設定。一般標準三頻應用的設計範例如圖3。
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| 圖3 標準三頻應用範例 |
部分三頻UMTS解決方案的電路板尺寸規格可以小至370mm
2，而且只需七十四個零件，面積尺寸較其他只支援單頻的解決方案足足小了一半。
由於多頻與多模操作造成前端線路愈來愈複雜，因此必須嚴格控管外部元件，例如功率放大器與開關線路。這個難題可採高度彈性的軟體編程前端控制來解決，利用狀態觸發狀態開關六個專用的RXBAND與TXBAND輸出接腳來處理操作需求。
基本的前端控制功能能提供每個頻帶三組輸出狀態的任意編程設定，並透過這項功能來選擇前端元件的訊號路徑。而前端控制功能擴充可客製化RXBAND輸出接腳交換延遲時間，TXBAND的訊號輸出可額外透過編程，使其在TX路徑關閉時進入慢速輸出狀態，在開啟時返回至先前的設定。
而其中的高速下鏈封包存取(HSDPA)功能，更是UMTS提供的新服務項目。根據3GPP W-CDMA標準第五版定義，HSDPA的資料傳輸速率為14.4Mbit/s。而HSDPA規格的UMTS系統網路已遍見於歐洲，速度達7.2Mbit/s的HSDPA Category 8則在2007年底漸成主流規格。初期首先支援HSDPA的是PC數據卡(PC Data Card)，後來這項技術也逐漸移植至手機。儘管尚在開發階段，但支援射頻與基頻零組件的各式3G射頻接收器晶片，皆已紛紛問世。
HSPDA需要新的下行鏈路共用通道、高速下行共用通道(HS-DSCH)、新型調變技術與鏈路調適，才能達到高速與選頻效率傳輸，但這些新型態技術會造成硬體建置愈趨複雜。舉例來說，在傳輸器TX端，新增HSDPA功能會影響到鄰近通道訊號洩漏比(ACLR)效能與最高輸出功率等，這些議題都必須在設計階段納入審慎考量。達成更高資料傳輸率必須更高階的調變效率，意味著更大的效能來因應，這對接收器的線性效能常會造成影響。然而在RX端，EVM則會被HSDPA直接影響，因為訊號傳輸率的增加相對也需要更高的SNR。而最大傳輸速率是由調變技術與編碼率(TFRC)及編碼數所決定的。HSDPA規格見表2。
| 表2 HSDPA規格表 |
| 規格 |
編碼數 |
傳輸時間間隔數 |
TB大小 |
軟性解碼位元數 |
調變法 |
資料傳輸率 |
| 10 |
15 |
1 |
28,776 |
172,800 |
QPSK/16QAM |
14.4 Mbit/s |
| 9 |
15 |
1 |
20,432 |
172,800 |
QPSK/16QAM |
10.2 Mbit/s |
| 8 |
10 |
1 |
14,600 |
134,400 |
QPSK/16QAM |
7.2 Mbit/s |
| 7 |
10 |
1 |
14,600 |
115,200 |
QPSK/16QAM |
7.2 Mbit/s |
| 6 |
5 |
1 |
7,300 |
67,200 |
QPSK/16QAM |
3.6 Mbit/s |
| 5 |
5 |
1 |
7,300 |
57,600 |
QPSK/16QAM |
3.6 Mbit/s |
| 4 |
5 |
2 |
7,300 |
38,400 |
QPSK/16QAM |
1.8 Mbit/s |
| 3 |
5 |
2 |
7,300 |
28,800 |
QPSK/16QAM |
1.8 Mbit/s |
| 2 |
5 |
3 |
7,300 |
28,800 |
QPSK/16QAM |
1.2 Mbit/s |
| 1 |
5 |
3 |
7,300 |
1,920 |
QPSK/16QAM |
1.2 Mbit/s |
| 11 |
5 |
2 |
3,650 |
14,400 |
QPSK only |
0.9 Mbit/s |
| 12 |
5 |
1 |
3,650 |
|
QPSK only |
1.8 Mbit/s |
隨著市場對於多頻手機的需求與日俱增，也帶動對支援不同頻帶的高效能、具價格優勢的射頻傳輸器的需求。具真實多重頻帶的單晶片傳輸器，能提供手機設計工程人員最大的設計彈性，可從一個射頻平台開發出多種手機解決方案。基於高度可重覆使用優勢，採用此類傳輸器晶片的系統可滿足未來行動應用中多種頻帶組合的需求。而HSDPA，更賦予系統設計者在相同架構下輕易升級至下一代的UMTS手機，進一步節省開發成本與縮短設計時間。
(本文作者Irina Prjadeha任職於英飛凌科技、Rainer Koller任職於DICE)