多功能傳輸應用魅力無窮　射頻整合兵分多路

從手機朝向整合多種傳輸功能，到可攜式媒體播放器(PMP)與可攜式導航設備(PND)在市面上所掀起的旋風檢視，具備整合多種傳輸標準的可攜式設備已逐漸獲得消費者青睞，這也讓多重標準射頻(Multiple Standard RF)技術因此浮上檯面。根據資料顯示，預計到2010年無線傳輸技術的整合型晶片整合藍牙(Bluetooth)、調頻(FM)與無線區域網路(WLAN)等無線傳輸技術的射頻晶片出貨量，將到達一億五千萬左右，且2011年更將攀升至二億五千萬左右；而整合藍牙與FM的射頻晶片，在2007年就已出現高達一億五千萬的出貨量，且預計到2011年將出現超過四億以上的出貨量(圖1)，由此可知，目前市面上的可攜式裝置中，整合型射頻晶片的應用正逐漸蔓延。

資料來源：意法半導體 圖1 　2005年～2011年之無線傳輸相關射頻晶片出貨量

目前各晶片大廠都主推系統單晶片(SoC)作為射頻整合的重點策略，主要因為SoC的應用除了能整合射頻與基頻之外，還能有效減少耗電與空間，對於應用在手機及任何可攜式產品都是最佳方案；雖然SoC為當前主流趨勢，不過同樣具有整合功能的系統級封裝(SiP)，仍是許多晶片商愛好的整合晶片模式，主要因為SiP的模組化功能，有很大的彈性空間能進行功能調整。不論從SoC或SiP的整合型射頻晶片角度出發都可以發現，主要趨勢都以整合藍牙與FM兩項傳輸標準為主，而整合藍牙、FM與WiFi三項傳輸標準的射頻晶片則被視為下一階段的開發重點。  

目前整合型射頻晶片的應用領域，主要都式針對可攜式產品而設計，但可攜式產品何其多，各晶片廠所看好的應用領域與市場布局也不盡相同，其中，意法半導體(STMicroeletronics)、德州儀器(TI)與劍橋無線半導體(CSR)，都朝手機應用的高整合射頻晶片進行發展；而SiGe半導體與朗弗科技(RFIC)以前端模組、功率放大器(Power Amplifier)等可攜式內部射頻相關元件為發展方向；福威科技(Future Waves)則針對行動電視市場，發展多標準射頻技術之整合晶片。  

傳輸技術整合百家爭鳴  

圖2　意法半導體大中華區無線產品事業部產品事業部經理張紹能認為，採用CMOS製程的SoC射頻晶片將是未來發展趨勢。

目前意法半導體所推出的射頻晶片，都已將藍牙、FM的射頻技術加以整合，意法半導體大中華區無線產品事業部產品事業部經理張紹能(圖2)表示，目前出貨的整合型射頻晶片仍以SiP為主，不過在2007年底就能提供65奈米CMOS製程的SoC晶片；由於意法半導體為第一家推出整合FM與藍牙SiP方案的廠商，並於2006年時率先供貨給索尼愛立信(Sony Ericsson)應用於手機中，因此即將推出的SoC直接移植了當初SiP的相關經驗，在多種傳輸標準上已具備相當成熟的技術，目前已著手發展整合WiFi與GPS的SoC，預計到2008年就能提供整合WiFi的射頻晶片。  

以意法半導體將推出的SoC方案來看，已發展出支援FM的發射與接收功能，可將手機中的MP3音樂發射到車用音響進行播放，過去FM都只具備接收機(Rx)的功能，而新一代的射頻技術已整合支援發射機(Tx)功能，手機只須透過發射機就能將內部音樂發射到汽車音響等具FM接收的音響設備進行播放。在2008年推出整合FM、WiFi與藍牙SoC的下一步即將發展整合GPS技術的SoC，未來對於行動電視的整合也躍躍欲試。  

不同於意法半導體先以SiP的射頻整合晶片進行市場鋪陳，德州儀器則是直接發展一系列的SoC整合型射頻晶片。德州儀器亞洲區無線通訊產品產品行銷工程師黃凱指出，德州儀器所有推出的射頻整合晶片都以SoC模式出發，主要在於SoC具備低成本、低耗電與節省空間的優勢，目前推出的方案中都已將藍牙、FM與WLAN等傳輸技術整合，此外，德州儀器除了是市面上第一家推出整合WiFi技術的射頻晶片商，且在WiFi技術具有非常成熟的整合技術，日前推出的射頻晶片除了已整合藍牙與FM之外，並內含支援IEEE 802.11n標準草案的元件，提供最佳的訊號覆蓋率和收訊能力。而德州儀器所發展的SoC也將FM發射與接收功能整合至SoC方案中，消費者不須透過任何線路，一樣能將手機內的MP3音樂發射到任何具FM接收的裝置收聽。  

圖3　CSR台灣分公司系統應用經理楊俊仁表示，CSR的高整合型晶片結合先進功能與效能，為客戶提供更高的加值效益。

而在藍牙晶片領域深耕多年並居領導地位的CSR，目前也發展一系列的高整合型射頻晶片，CSR台灣分公司系統應用經理楊俊仁(圖3)表示，目前CSR已發展出整合包括藍牙、WiFi和FM等無線技術的射頻晶片，且近期將推出整合超寬頻(Ultra Wide Band, UWB)技術及採用相同射頻的超低功率(Ultra Low Power)藍牙晶片，同時也計畫將以軟體為基礎的GPS系統整合於藍牙晶片中。  

就上述整合型射頻晶片的發展趨勢可以發現，其目標族群多以手機及可攜式裝置為主，而射頻技術的整合趨勢，也廣泛滲透到WLAN前端模組、功率放大器、行動電視與GPS接收器等具備前端(Front-end)控制與接收功能的設備中，因應多重標準的射頻整合的風潮，各種不同的整合技術紛紛出籠，除了能應用於前端控制與接收功能為前提的可攜式裝置中，未來全部整合於手機中的機會也相當高。  

圖4　SiGe半導體策略總監Stefan Fulga強調，充分利用無線技術融合才是發展多標準射頻晶片之最佳模式。

以提供WLAN前端模組、功率放大器、GPS接收器及WiMAX解決方案為主的SiGe半導體，其目前在射頻整合的發展標準包含了以WiMAX及GPS為主的整合技術。SiGe半導體策略總監Stefan Fulga(圖4)表示，在WiMAX方面目前已開發針對漫遊應用的雙頻前端模組解決方案，其架構為在WiMAX模組中增加WiFi、藍牙及FM Radio的支援；此外，目前也積極在無線模組中整合GPS和GSM兩項技術，實現定位(Location Based)服務，而未來將持續發展附有GPS功能的WiMAX或WiFi前端模組。  

而提供射頻功率放大器的晶片商朗弗科技，目前也針對使用者較常使用的藍牙與WiFi功能，推出整合型SiP射頻晶片。朗弗科技行銷業務處協理劉錫濱(圖5)表示，由於功率放大器的主要功能為確保一定範圍內能有良好的收訊品質，因此避免無線傳輸相互整合時的干擾為功率放大器的考量重點。採用SiP技術的最大優點就是能將干擾降到最低，且SiP在設計時具備很高的彈性，能夠控制成本與晶片價格，且功率放大器須配合不同基頻設計模式，因此不適合發展SoC；除了目前已整合的藍牙與WiFi晶片外，未來也將推出整合WiFi與WiMAX的射頻晶片。  

行動電視標準也向整合看齊  

圖5　朗弗科技行銷業務處協理劉錫濱表示，採用SiP封裝模式的射頻晶片具高彈性，有利整合於手機基頻。

由於開發射頻晶片的成本、時間和風險遠比開發數位晶片來的更高，因此決定採用何種射頻晶片開發技術與平台搭配，成為公司在規畫產品時的首要考量。在眾多廠商朝整合藍牙、FM、WiFi、GPS等無線傳輸技術邁進的同時，支援行動電視收視功能的可攜式產品也將成為未來趨勢之一，看好行動電視市場發展的福威科技，即致力將不同標準的行動電視射頻技術加以整合。福威科技產品行銷經理蕭幸全表示，行動電視的射頻晶片主要分為超外差式(Superheterodyne)、低中頻(Low IF)、及零中頻(Zero-IF)三種架構，目前福威採用零中頻的架構作為多重行動電視標準接收晶片之發展。  

蕭幸全指出，在超外差式技術下，必須外加支援行動電視中的射頻鏡像抑制(Image Rejection)追蹤過濾器(Tracking Filter)及中頻頻道選擇過濾器(IF Channel Select Filter)，除了中頻轉換時須額外增加許多步驟，且增加了晶片功耗。而低中頻為一項較新的技術，此技術雖然能將射頻的鏡像抑制追蹤過濾器及中頻頻道選擇過濾器整合於晶片內，降低晶片功耗，但依各國行動電視標準不一的情況來看，低中頻技術必須使用不同的中頻(IF)，以支援不同數位電視標準，仍不算是一個高整合型的晶片發展模式。而零中頻架構除可降低用料成本及功耗問題外，其晶片體積也因為零件高度整合而縮小。而在零中頻架構下，訊號可直接轉換並傳遞給後端解調器，因此能將功耗降至最低；此外，使用零中頻可簡化鏡像抑制及頻道選擇過濾器，且不須外加追蹤過濾器(Tracking Filter)和中頻SAW過濾器(IF SAW Filter)，加上零中頻架構可直接提供零中頻訊號而不須透過中頻轉換，因此零中頻成為支援多重數位電視標準的高整合行動電視射頻晶片。  

通訊標準整合有待市場成熟  

從藍牙、FM、WiFi、GPS甚至到行動電視與WiMAX，上述各種傳輸技術都已被許多晶片商發展出成熟技術，可將其中二到三項技術整合於一個射頻晶片中，且在SoC被廣泛採用下，未來整合四項以上無線傳輸技術的射頻晶片也將隨後出現，可見各家廠商都看好具備多項無線傳輸技術的高整合射頻晶片誕生。而隨著射頻晶片朝整合多項無線傳輸技術的趨勢可以發現，最主要就是因應手機使用大量的多媒體及無線上網服務所需，因此可預見未來3G、3.5G將成為手機市場的主流；但3G市場何時成為主流仍要看市場的普及程度，就目前的行動通訊仍以GSM為主的情形看來，因此出現了發展整合GSM、EDGE兩種行動通訊技術的雙模射頻晶片商。  

圖6　瑞薩第二營業技術行銷部副理吳凱民表示，由於3G市場封尚未成氣候，欲整合於其他行動通訊技術仍有待商榷。

從2004年就推出整合GSM、EDGE雙模射頻晶片的瑞薩(Renesas)，主要針對手機市場發展雙模射頻晶片，瑞薩第二營業技術行銷部副理吳凱民(圖6)表示，由於目前3G市場仍處於動盪階段，因此許多政策皆不明確，加上3G的整體使用率一直沒有明顯上升，現在進行3G整合GSM等通訊技術並非最佳時機。瑞薩由於長期致力於整合GSM、EDGE雙模射頻晶片發展，因此在晶片的技術表現上已具備高穩定度並能有效縮短產線時間，目前在台灣地區與90%的中、低階手機廠商合作關係密切，而瑞薩在以單晶片模式發展的前提下，未來也將推出整合GSM、EDGE於基頻的SoC方案。  

成本/尺寸/功耗突破整合瓶頸  

隨著多種無線傳輸技術整合於可攜式裝置，如何能保持成本低、體積小與低功耗成為重要挑戰；此外，由於許多無線技術須共存於一個裝置中，因此干擾的問題將影響系統的性能，尤其在整合型射頻晶片的設計模式中，SoC的干擾問題遠高於SiP；面對射頻晶片整合過程的問題，各廠也自有解決之道。  

楊俊仁指出，針對發展整合型射頻晶片之現況來看，尺寸與成本是晶片系統在研發及生產時兩個最重要的關鍵。首先是總成本將取決於產品的整合度，因為高整合性可減少外部元件數量及降低物料清單成本，因此CSR的矽晶設計從第一代藍牙晶片推出時，就以高度整合構想出發。而晶片尺寸則決定於設計架構與製程，在第一代的藍牙晶片開發時，CSR即採用一種獨特的專屬方法學，能有效縮減晶元尺寸並提供穩定性高的晶片，透過專屬製程能將許多的電感元件(Inductive Components)數量降至最低，進一步縮小晶片尺寸。  

而從一開始就埋首發展SoC整合型射頻晶片的德州儀器，主要基於SoC具有效減少產品尺寸與成本的優勢；不過針對無線傳輸技術發生的功耗與接收問題，德州儀器則提出DRP技術予以加強。黃凱指出，當手機在重要模式下操作時，透過DRP技術能有效降低產品約兩成耗電量，可改善使用無線傳輸時耗電快速的問題，而DRP強大的1.5階級功能，不須外接功率放大器就能實現高傳送功率，除了提供更高的接收靈敏度與射頻效能，並同時克服了整合型射頻晶片常發生的頻率干擾問題。  

同樣在射頻領域為高度整合專家的意法半導體，則提出B-BPF的技術，以增加射頻功率、降低頻率干擾為前提。張紹能強調，就手機朝小尺寸發展的情形看來，當整合多項無線傳輸技術時，如何避免多項傳輸功能在同一時間進行對傳，才是多重標準射頻技術最需要克服的瓶頸，而B-BPF技術除了能避免多種無線傳輸功能在同時間對傳的問題外，還能有效抑制藍牙易發生的跳頻問題，當手機偵測無線傳輸時會自動放大接收功率，並提供最穩定的訊號品質。此外，針對整合型射頻晶片朝SoC的發展狀況，張紹能雖看好整合型射頻晶片朝SoC的發展潛力，但對於從單晶片緊接發展SoC射頻整合晶片則持保留態度。  

張紹能認為，發展SoC射頻晶片的技術門檻高，且直接從單晶片發展成SoC時，在製程中將產生一些須克服的問題，這將拉長晶片的製程時間，進而影響投注成本與產品上市時間，基於此點，意法半導體並未直接發展SoC射頻晶片，而是先採用SiP發展整合型射頻晶片，透過SiP的整合過程中找出相關問題，再祭出解決技術，最後將相關經驗直接導入SoC之發展。因此，意法半導體雖然較晚進入發展SoC射頻整合晶片之市場，但由於延續了SiP的相關經驗，因此目前在射頻整合技術上已蓄勢待發，可望於未來1～2年內發展出整合於基頻的高整合度SoC射頻晶片。  

無獨有偶，劉錫濱也認為若直接發展SoC射頻整合晶片，其在成本、技術與製造週期上要克服的問題遠大於SiP的整合技術，主要因為SoC的封裝設計容易使各項無線傳輸相互干擾，造成訊號品質不穩定，而SiP的系統級封裝程序能有效減低干擾，使功率收發保持最佳狀態；另外SoC的製造週期往往大於半年甚至一年左右的時間，相較於SiP的製造週期僅兩個月左右，除縮短產品上市時間其投入成本也因此減少許多。  

而針對多標準射頻整合晶片的尺寸問題，SiGe半導體則提出透過控制多模系統的開發，以利用不同功能之間共享資源，減少晶片尺寸並降低功耗。Fulga指出，在一個多模的WiFi、WiMAX前端模組中，SiGe能使兩個功率放大器或天線共享一個配置空間與控制模組，達到縮小晶片尺寸之目標。在供電裝置中，降低功耗意味能延長工作時間，因此高效率的功率放大器設計將能有效減低功耗，而透過前端模組功能的動態開關設定即可執行。舉例而言，在具備WiMAX功率放大器、GPS接收器兩者的前端模組中，當WiMAX功率放大器欲進行訊號傳輸時，其動態開關將會確保GPS接收器是完全關閉並受到保護，同理可證當GPS接收器進行訊號傳輸時，其WiMAX功率放大器將會關閉，這就是動態開關設定執行；這與意法半導體為避免多種無線傳輸功能同時對傳問題而發展的B-BPF技術，有異曲同工之妙。  

此外，檢視行動電視的多標準射頻整合，也同樣出現成本、功耗與尺寸之問題，以福威科技採用的FENIX系統來看，除能有效減少設計接收機時的外部元件，加上採用零中頻的輸出因支援了多標準及多頻段，進一步簡化了商品設計。蕭幸全指出，在行動電視不同的接收器設計上，FENIX將提供專有的數位時脈給ADC、Audio DAC及解調器的DSP，因此所有頻率皆可直接從射頻電晶體接收，不需額外的解調器電晶體(Baseband Crystal)，這是提供客戶縮小產品尺寸的最佳方案。此外，福威在FENIX也應用特殊節電技術Power-Cycling，其原理為當行動電視進行訊號傳輸時，並非所有的子頻道都須要被解碼，因此電路將自動調整不須被解碼的子頻道轉為待機狀態，除了不影響節目的接收品質，且可減低功耗，簡言之，透過FENIX將可以有效減少行動電視的尺寸、成本與功耗。  

射頻整合應用蔚為風潮  

從各晶片廠都積極提升整合型射頻晶片的效能，與克服多標準射頻技術在整合時可能面臨的尺寸、功耗與成本問題，可以嗅出整合型射頻晶片絕對將成為未來發展的重點產品。張紹能表示，從手機趨勢來看射頻晶片發展，擁有最多功能與最小體積的手機才能滿足消費者需求，因此整合型SoC絕對是未來射頻晶片的重點發展目標，由於SoC的CMOS製程能降低SiP耗電快速的問題，還具備小尺寸優勢，更有利於手機朝輕薄小發展，這也促成意法半導體決定從SiP轉向SoC發展。  

確定SoC將是未來射頻晶片的發展趨勢，整合多項無線傳輸技術的射頻晶片要能發揮最大效益，就是在產品上展現功能性，Fulga表示，除了手機外，整合型射頻晶片還可廣泛應用於PND及PMP中；就PND而言，使用者只須擁有具備WiMAX或WiFi技術，就能透過無線網路獲得即時的地圖資料更新，且使用者還可將自己的位置資訊發送至中央伺服器參與地圖更新，並透過無線網路得知最新的交通資訊以避開擁塞的路況。  

此外，使用WiMAX技術的寬頻無線連接能力，可以讓使用者能隨時上傳或下載數位相機及PMP內的高畫質圖片；以具備WiMAX與GPS的雙模數位相機為例，使用者能夠儲存照片拍攝位置的資訊，然後透過WiMAX分享這些照片；而具備WiMAX和WiFi功能的PMP，可讓使用者不須連接到電腦就能夠下載音樂和視頻影片；同樣的，將WiMAX和GPS功能應用於可攜式遊戲機中，玩家將能夠利用位置資訊和無線網路連線，體驗更真實情境的娛樂資訊。  

而在行動電視的射頻技術整合方面，蕭幸全也表示，從2006年的世足賽到2008年的北京奧運，可以發現行動電視已成為一個龐大的商機，不過基於全球的行動電視標準並不統一，且不同的地區採用的行動電視標準也不同，唯有發展整合多重標準的射頻晶片才能放眼全球市場，以達到最佳的投資報酬率。而福威科技發展的行動電視多重標準整合技術，也可望於未來應用到整合藍牙、FM、GPS、WiFi等各項無線傳輸技術的SoC高整合射頻晶片上。