LTE-A掀動技術革命　手機RF/電源管理設計翻新

先進長程演進計畫(LTE-A)網路發展正快步起飛。在LTE網路開台約2年後，歐美、日本及韓國主要電信商已開始轉進部署下世代LTE-A網路，包括北美的AT&T和威瑞森(Verizon)、南韓的SK Telecom與LG U+，以及日本的NTT DOCOMO等，皆已緊鑼密鼓展開LTE-A場域測試或正式啟動基地台營運，掀起新一波系統設計需求和零組件發展契機。

然而，3GPP為實現LTE-A傳輸速率達1Gbit/s的既定目標，已在Release 10標準版本中新增最多可整併五個20MHz頻段的載波聚合(Carrier Aggregation, CA)，以及8×8多重輸入多重輸出(MIMO)天線等新技術規格，同時也積極將LTE-A推向毋須授權的高頻段發展，以增添可利用頻譜空間，在在為手機基頻處理器設計帶來挑戰。

此外，隨著系統支援更多頻段和天線，手機射頻(RF)和電源管理子系統也亟須提升節能效益，因此相關晶片商正如火如荼發展可支援多頻多模、MIMO天線架構的射頻前端模組，以及數位預失真(Digital Pre-Distortion)、封包功率追蹤(Envelope Power Tracking)等新興電源管理技術，以迎合LTE-A產品開發需求。

愛立信(Ericsson)台灣區總經理曾詩淵表示，歐美和日韓電信商正加速推動LTE-A網路，今年可望相繼導入兩個20MHz頻段的載波聚合和4×4 MIMO方案，實現LTE-A Cat. 6、300Mbit/s下行傳輸速率的網路規格。其中，日本NTT DOCOMO和歐洲德國電信(Deutsche Telekom)更搶先投入研發三個頻段的載波聚合技術，可將網路傳輸速率再提升至450Mbit/s，並計畫於2015～2016年正式商用。

圖1　愛立信客戶解決方案部資深協理汪以仁認為，繼LTE-A之後，5G將刺激更多新技術開發需求。

同時，3GPP亦規畫在最新的LTE-A Release 12版本中，新增可混搭分時雙工(TDD)和分頻雙工(FDD)-LTE使用頻段的載波聚合技術，以協助電信商完全發揮零散頻譜資源的利用率。不過，愛立信客戶解決方案部資深協理汪以仁(圖1)指出，基於FDD-LTE頻段的雙頻或三頻載波聚合方案，已明顯加重電信局端設備，以及終端手機基頻處理器、射頻子系統的研發負擔；而TDD與FDD-LTE技術架構仍有一定程度的差異性，加上使用頻段相距甚遠，對晶片商來說，挑戰將更形艱鉅。

汪以仁進一步分析，由於歐美和日韓電信商較早投入布建LTE-A網路，因此現階段載波聚合架構較單純，主要包括Band1加Band5(2.1GHz+850MHz)、Band3加Band5(1.8GHz+850MHz)、Band3加Band7(1.8GHz+2.6GHz)，以及Band3加Band8(1.8GHz+900MHz)等選項；但是，後續其他電信商競相加入發展行列後，因各國頻譜規畫有所差異，將產生更多的載波聚合配置方案，墊高多頻多模LTE-A處理器和系統設計門檻。

LTE-A網路加速發展　處理器廠搶推CA方案

圖2　高通台灣區行銷總監李承洲提到，高通也開始發展LTE-Broadcast和LTE-Direct技術。

隨著LTE-A技術挑戰日益浮現，基頻處理器業者將首當其衝，因此，包括高通(Qualcomm)、邁威爾(Marvell)、聯發科和英特爾(Intel)皆加碼投資研發LTE-A解決方案。其中，高通在2013年底即率先發表可支援三頻載波聚合架構、傳輸速率飆破300Mbit/s的LTE-A基頻處理器，以及LTE-A系統單晶片(SoC)；至於其他晶片商也陸續在全球行動通訊大會(MWC)、台北國際電腦展(Computex)揭櫫新產品雛型，叫陣高通的意味濃厚。

高通台灣區行銷總監李承洲(圖2)表示，該公司最新一代LTE-A晶片可實現六十五種載波聚合頻段配置，幾乎涵蓋所有LTE/LTE-A國際通用頻段的跨頻(Inter-band)和同頻(Intra-band)整合設計，達成業界最廣泛的支援能力。

李承洲更強調，高通也持續向前邁進，針對3GPP Release 12版中可望加入的LTE-Broadcast和LTE-Direct等新技術，皆已提出相應解決方案，有助電信商和行動裝置業者實現高速影音串流和即時影音廣播，並強化手機與周邊物聯網(IoT)裝置的機器對機器(M2M)通訊機制。

緊追高通之後，邁威爾和英特爾也各自在2014年MWC和Computex展出LTE-A Cat. 6方案，而英特爾已規畫在今年第二季導入量產，邁威爾則預定於2015上半年投產；至於聯發科也極力追趕，可望在明年下半年正式推出LTE-A基頻處理器。

邁威爾行動通訊市場行銷部副總裁但漢聲透露，該公司新款LTE-A基頻處理器經實測，已趨近Cat. 7、450Mbit/s效能，相較於先一步進入市場的高通，技術幾乎已達到同樣水準；因此，邁威爾對於進軍LTE/LTE-A極具信心，在全球的市占率可望在幾年內從零衝到10%以上。

顯而易見，為搶占LTE-A市場版圖，主要處理器業者無不加足馬力開發新產品，使競爭情勢日漸升溫。李承洲進一步強調，由於LTE-A的載波聚合和MIMO技術複雜度大增，因此未來晶片商的戰場將不再局限於基頻處理器，將延伸至射頻前端元件及天線設計，進而滿足LTE-A的多頻多模設計需求。

LTE下一戰引爆　射頻前端躍居技術主戰場

李承洲指出，射頻前端的重要性正與日俱增，因此高通也以極具成本效益的互補式金屬氧化物半導體場效電晶體(CMOS)製程，搶在其他晶片商之前跨足功率放大器(PA)、頻率開關(Switch)和天線調諧器(Antenna Tuner)等射頻元件設計領域，以做為未來在LTE-A載波聚合、MIMO市場的重要武器。

據悉，高通已推出RF360系列CMOS射頻前端解決方案，相較於目前主流的砷化鎵(GaAs)射頻元件製程，可提供更高的元件整合度並大幅降低生產成本，而其近期推出的64位元架構、四核心/六核心/八核心SoC，甚至主攻中低價機種的Snapdragon 410、610和615處理器平台皆已支援此一射頻前端，將有助系統廠加速實現平價高規的4G手機。

不讓高通專美於前，英特爾、邁威爾和聯發科也紛紛加速研發射頻技術。以英特爾為例，近期已和Murata合作運用低溫共燒陶瓷(LTCC)封裝，開發一款整合多元射頻前端元件的收發器--SMARTi m4G，不僅可大幅降低周邊零件用量，縮減20%印刷電路板(PCB)面積，還可搭配英特爾X-GOLD 716通訊協定堆疊方案，讓手機製造商因應電信業者各種頻段的認證要求，快速實現產品設計。

邁威爾和聯發科則傾向與Skyworks、RFMD和安華高(Avago)等既有的射頻元件合作夥伴共同開發，並設置專屬的射頻元件與IP研究團隊，以加速克服LTE-A多頻多模射頻子系統的設計難題。

據聯發科和邁威爾內部主管透露，其實兩家公司皆已擁有完整的射頻元件技術和IP陣容，但基於不與合作夥伴爭利，以免樹立更多競爭對手的考量，遂以技術合作方式開發其處理器平台的專屬射頻前端方案。

在射頻前端中，除PA角色至關重要外，低雜訊放大器(LNA)的性能對LTE訊號接收品質亦有極大影響，因而吸引射頻元件商加碼布局。

圖3　英飛凌電源管理計多元電子事業處射頻及保護元件協理Juergen Hartmann強調，LTE、LTE-A手機內建的射頻元件數量將大幅增加。

英飛凌(Infineon)電源管理暨多元電子事業處射頻及保護元件協理Juergen Hartmann(圖3)表示，LTE-A透過載波聚合技術大幅提高資料傳輸率，並朝多頻多模發展以滿足全球漫遊需求，對目前的行動裝置設計而言皆是嚴峻挑戰，伴隨而來的影響包括系統電源損耗和訊號雜訊比(SNR)衰退將因此加劇，且天線與射頻收發器之間的距離也會額外增加線路損耗，降低資料傳輸率；系統廠必須引進更多高效能LNA，才能提升LTE、LTE-A的訊號接收靈敏度。

有鑑於此，英飛凌、Skyworks和RFMD皆於近期擴增4G多頻LNA產品陣容，圈地市場商機。以英飛凌為例，其利用矽鍺碳(SiGe:C)製程，開發出具有低雜訊指數、精確增益和高線性度表現的LTE-A LNA方案，可提高96%的手機資料傳輸效率。

Hartmann更強調，下一代支援LTE-A載波聚合的手機，除了在主要天線端的射頻收發器中內建多頻LNA外，亦可望在次要天線端增加一組LNA，藉以強化射頻子系統的線性度(Linearity)和訊號接收能力，同時減輕相鄰頻段的諧波干擾問題。

此外，RFMD更進一步發展天線調諧解決方案，包括路由開關(Routing Switch)、天線調諧器和天線阻抗匹配機制，將有助簡化LTE-A多頻多模射頻子系統的複雜設計，擴增MIMO天線支援多頻段的能力，並增強訊號收發品質。

除改良射頻前端方案以迎合LTE-A多頻多模設計外，處理器廠、射頻晶片商，乃至於電源管理晶片(PMIC)商亦大舉投入研發封包功率追蹤技術，從而動態調整PA發射功率，縮減系統功耗。

搶推封包功率追蹤方案　晶片商技術競爭加劇

由於封包功率追蹤必須經由PA與PMIC之間緊密的溝通才能實現，因此業界也掀起封包功率追蹤將整進PA或PMIC之間的辯論。

李承洲提到，目前高通的RF360方案已納入封包功率追蹤晶片，並可整合至多頻多模功率放大器(Multi-band Power Amplifier, MMMB PA)中，依傳輸任務的需求及環境干擾因素，即時調整PA功率。今年下半年，內建封包功率追蹤功能的旗鑑級4G智慧型手機即可問世，隨著技術日益成熟，中低價機種亦可望逐漸引入封包功率追蹤PA，以延長裝置續航力。

聯發科內部主管透露，該公司亦已成功開發出封包功率追蹤矽智財(IP)，現正積極與PA廠合作進行測試，預計於今年下半年至明年初投產，屆時將可搭配旗下首款八核心LTE SoC，提供原始設備製造商(OEM)更完整的4G手機公板方案。

無獨有偶，RFMD亦已在新一代MMMB PA中導入封包功率追蹤技術，同時提供更靈活的PA與封包功率追蹤PMIC的分離式設計方案，協助手機廠加速導入該功能。RFMD基頻產品事業群總裁Eric Creviston表示，手機升級4G後，射頻子系統的功耗管理重要性已日益突顯，而RFMD已提供多元架構的封包功率追蹤方案，並能支援FDD和TD-LTE主要頻段，將有助手機開發商改善多頻多模LTE-A系統的耗電量問題。

值得注意的是，PMIC業者亦積極醞釀攻勢，準備搶進封包功率追蹤市場。戴樂格(Dialog)半導體行動系統事業部副總裁兼總經理Udo Kratz表示，封包功率追蹤係由PMIC依據PA使用狀態，調整供電功率，因此也可透過PMIC整合封包功率追蹤IC的形式，再與射頻前端中的PA連結實現此功能。

Kratz透露，目前該公司正加緊腳步開發封包功率追蹤IP，並設立專門技術團隊研究PA功率訊號偵測、類比數位資料轉換，以及時域/頻域控制技術，未來不排除在旗下PMIC中內建封包功率追蹤IP，讓OEM毋須耗費大量時間於修改射頻前端設計，可以更低成本、更快速度達到減低LTE-A系統功耗的效果。

顯而易見，為卡位LTE-A帶動的全新設計商機，相關晶片商無不積極投入研發新一代射頻和電源管理方案，將加速驅動手機射頻和電源子系統技術翻新。