無線網路觸角延伸　射頻技術更上層樓

從早期的GSM射頻單晶片問世以後，歷經10年的發展，今日的射頻晶片不但可以提供多頻功能，同時提供GSM與EDGE訊號的收發，也因製程的進步而在效能、耗電、尺寸上有所進展，尤其就元件的整合上，更是業者們重視的議題。  

整合型SoC扶搖直上  

圖1　清雲科技大學資工系教授吳匡時表示，SoC由於具有整合、低功耗與小尺寸的優勢，因此包括意法半導體、德州儀器與劍橋無線半導體等業者都紛紛投入。

面對射頻技術的推陳出新，射頻晶片勢必朝提供多項傳輸技術的標的前進，目前手機射頻電路上的晶片種類主要可分為功率放大器(PA)、鎖相迴路(PLL)及射頻收發器元件(RF Transceiver)等。就手機射頻晶片而言，其射頻收發器元件為目前射頻電路中最主要的元件，而鎖相迴路目前大多已整合於射頻收發器元件中；至於功率放大器由於製程特殊，因此不易整合於其他元件中。就手機朝輕薄短小的發展模式前進同時，其晶片也須朝節省功耗、價格低廉、多功能與智慧型的等特性發展。  

清雲科技大學資工系教授吳匡時(圖1)指出，目前用於手機的收發器元件以BiCMOS、RF CMOS及SiGe BiCMOS等三種製程為主，由於BiCMOS的製程對手機射頻元件的發展模式弊多於利，因此已逐漸轉往具有低耗電、低成本及尺寸優勢的SiGe製程，或具整合度高的RF CMOS製程邁進。  

目前無線區域網路(WLAN)的收發器以RF CMOS製程為主，主要因為手機射頻晶片朝高整合趨勢邁進，在必須整合包含藍牙(Bluetooth)、調頻(FM)與WLAN等無線傳輸技術之前提下，具高整合度的RF CMOS製程成為首選，且目前已有多家業者相繼將射頻收發器元件與後端基頻(BB)與媒體存取控制器(MAC)部分整合於單一晶片中。相關射頻晶片出貨量如圖2。

資料來源：意法半導體 圖2　2005～2011年各式射頻晶片出貨量

從射頻晶片的發展過程中可以發現，整合多項無線傳輸技術之射頻晶片將成為手機未來必備元件，而目前整合型射頻晶片又可分為系統單晶片(SoC)與系統級封裝(SiP)，其中晶片大廠如意法半導體(ST-Microeletronics)、德州儀器(TI)與劍橋無線半導體(CSR)等都認同SoC為整合型射頻晶片之大勢所趨，SoC的優勢除了能將射頻與基頻整合外，還能有效降低耗電與節省空間，應用在手機及任何可攜式產品中都是最佳方案。  

雖然許多晶片廠紛紛表態SoC將是未來射頻晶片發展之主流，不過仍有許多晶片業者採用同樣具整合功能的SiP晶片，主要因為SiP的模組化特性能使晶片整合時進行更多的功能調整，此外SiP的製程時間比SoC短，對手機市場汰舊換新快速而言有加分效果，因此就射頻晶片的發展趨勢而言，不論SoC或SiP目前仍各有發展性，短時間內很難分出高下。  

而多種無線傳輸技術欲整合於可攜式裝置，如何能保持低成本、小尺寸與低功耗成為重要挑戰；由於許多無線技術共存於一個裝置中其干擾的問題也將影響系統的性能，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，因此射頻晶片在整合過程中將面臨的問題，也是相關業者發展整合型晶片時須注意的重點。  

不過從射頻晶片應用於終端產品的角度出發，吳匡時認為，未來SoC仍將是射頻晶片的主流技術，主要因為當手機朝輕薄短小的目標前進時，SoC才具有整合多項傳輸技術、節省空間與功耗，及降低成本之各項優勢；雖然SoC為未來射頻晶片之趨勢，但仍存在困難度高的驗證過程、不同技術的整合門檻、研發時間漫長及產品上市的壓力等問題須克服，是射頻晶片往SoC發展時須考量的重要因素。  

手機應用再造新猷  

圖3　恩智浦亞太區行銷總監黃茂原認為，除了射頻整合單晶片大行其道之外，能否與其他基頻處理器相容也是與行動裝置結合的重點之一。

雖然步向SoC具有多項考驗，然仍是諸多業者側重的目標。以恩智浦(NXP)為例，該公司的射頻收發器元件已出貨逾五億組，並在GSM與GPRS領域獲得25%市占率。恩智浦亞太區行銷總監黃茂原(圖3)指出，能否研發出易用與易作(easy-to-manufacture)的產品，是客戶採用的關鍵因素。  

黃茂原表示，要達到上述目標，其中的兩項重點分別包括高效能、高整合度。以該公司的射頻收發器產品為例，除了可支援自家公司的基頻晶片產品，同時亦支援亞德諾(ADI)、Agere、德州儀器與博通(Broadcom)等公司，他強調，也因為可與業界產品整合，產品出貨才能輕易突破億組大關。  

此外，為了針對不同市場，恩智浦也將產品分為超低價(ULC)與入門(Entry-level)兩種，不過，黃茂原預測，隨著未來3G、4G的技術持續演變，射頻收發器的效能也將持續提升。他舉近期談論頗多的種種無線技術為例，由於傳輸距離與速率有所不同(圖4)，因此相關產品的特性亦有差異，特別是在諸多技術都以手機等行動裝置為載體，也更加提升元件的效能、功耗與尺寸要求。

資料來源：WiSOA、ABI、Maravedis、UMTS Forums、西門子、英特爾、三星、諾基亞 圖4　各式無線通訊技術之傳輸速率

也因此，射頻元件衍生出的挑戰包括：未來已很難見到僅供單一傳輸技術與單一射頻收發器的行動裝置載體；因應地區不同的元件特性也將產生重大差異，如行動電視(Mobile TV)、WCDMA等標準歧異帶來的影響；針對語音與無線寬頻網路連結的普及度，都將影響射頻元件的走向。  

而無線傳輸技術從藍牙、FM、WiFi、GPS甚至到行動電視與WiMAX，許多晶片商都針對上述各項技術發展出成熟技術，並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可能出現，因此相關業者無不卯足全力發展整合多項無線傳輸技術的射頻晶片，希望能搶先一步在市場上立足。  

新型量測設備有助射頻演進  

由於射頻晶片不斷演進，訊號的監控與波型成像技術也須與時俱進，才能協助上下游業者推出最適當的產品。  

圖5　太克科技產品經理楊宗文表示，射頻訊號與日俱進，量測技術也必須跟上才能滿足客戶需求。

太克科技(Tektronix)產品經理楊宗文(圖5)指出，傳統的射頻頻譜量測方式，多半由掃頻頻譜分析儀(SA)負責，雖可完成能量與頻率的分析，然而仍在訊號穩定的前提之下，因此並非一體適用。從圖6與圖7可知，傳統掃頻頻譜分析儀適用於捕捉連續訊號，對非連續訊號一籌莫展。尤在GSM或是WLAN中，可能出現中斷或是不完整的訊號，就可能造成失誤。  

楊宗文透露，今日的即時頻譜分析儀(RTSA)同時加入了時間、頻率與調變的面向，依此進行變革，讓傳統的頻譜分析儀得以加入時間軸，更加精準的掌控各式訊號(圖8)。  

從功能來看，即時頻譜分析儀與向量訊號分析儀的主要差異在於，傳統向量訊號分析儀無法針對即時訊號進行處理，獲得的訊號與實際情況有出入，常會因此造成疏失。楊宗文認為，若是無法透過夠長的記憶體以記錄全數訊號，或是高效能的數位訊號處理器(DSP)進行高速處理，所得到的訊號就會有落差，也就可能牽動最終量測的結果，甚或造成終端產品或是裝置的無法上市。

資料來源：太克科技 圖6　傳統頻譜分析儀在連續訊號上運作頗有成效，可為設計人員帶來不少幫助。

資料來源：太克科技 圖7　由於非連續性訊號變化大，導致傳統頻譜分析儀英雄無用武之地。

資料來源：太克科技 圖8　即時頻譜分析儀之架構

楊宗文強調，即時頻譜分析儀得以同時進行多域分析，一舉囊括頻譜分析儀的頻譜分析、示波器的時間軸分析，以及向量訊號分析儀的任意時間軸訊號解調。  

至於在應用上，即時頻譜分析儀可進行電子元件效能檢查、放大器設計與效能檢查、頻譜監控、捕捉干擾訊號、數位通訊訊號分析、通訊系統維運、基頻、射頻同步訊號分析除錯與雷達應用等。  

楊宗文認為，隨著射頻技術日新月異，相關量測技術也必須跟上腳步，發展出更快更準確的測試驗證產品，才能滿足客戶的需求。