DigRF/SDR領軍　3G手機射頻技術別苗頭

全球3G手機市場日益增溫，讓手機晶片業者無不加緊投資相關產品技術的研發，包括基頻處理器、射頻收發器(RF Transceiver)、電源管理晶片(PMIC)、應用處理器、通訊協定堆疊(Protocol Stack)等，均是手機晶片商立足3G市場的必備條件。其中，射頻技術更是未來發展高整合、低成本3G晶片，甚至多頻多模(Multiband/Multimode)解決方案時，不可或缺的關鍵技術。  

根據市場研究機構的數據指出，2008年開始，全球GSM手機出貨量將逐漸下滑，反觀3G手機則節節攀升，並將在2011年達到全球手機整體出貨量的一半以上(圖1)，顯見3G手機時代已然到來。

資料來源：Strategy Analytics(07/2007)、ABI Research(Q1/2007)、WCIS(04/2007)，高通整理(12/2007) 圖1　2001～2011年全球GSM及CDMA/WCDMA手機出貨量預估

為了在3G市場搶占一席之地，手機晶片業者除透過整併方式壯大產品線與客戶基礎外，更不斷研發創新技術，以因應未來不斷變化的技術標準，特別是射頻技術方面，更是決勝3G市場的重要利器。  

以英飛凌為例，該公司日前即發表全球首款支援3GPP長期演進計畫(LTE)的高整合射頻收發器SMARTi LTE，鞏固其在射頻市場的地位。  

英飛凌表示，SMARTi LTE係以RF CMOS製程製造，晶片尺寸為5毫米×5毫米，並採用WFSGA-81封裝。不僅為LTE應用提供良好的誤差向量振幅(EVM)與低功耗性能，且涵蓋LTE所分配的頻段I至頻段X的所有頻段，還可提供高達5MHz、10MHz和20MHz可交換基頻濾波(Switchable Baseband Filtering)功能，可在手機製造商進行LTE網路場測(Field Trial)時，提供高速的上行和下行鏈結。據了解，該款晶片樣品已提供給特定客戶使用，預計將於2010年時大量供貨。  

除持續朝向下一代3G技術發展外，有助提高3G晶片整合度並降低成本的DigRF標準介面與數位射頻處理器(Digital RF Processor, DRP)，以及可支援多頻多模的軟體定義無線電(Software Defined Radio, SDR)等創新技術，亦是手機晶片商布局重點。  

DigRF有助晶片整合　推動3G手機大眾化  

受惠於RF CMOS製程技術的提升，現今2G/2.5G/2.75G手機晶片解決方案均為整合基頻、射頻、電源管理晶片或多媒體處理功能的單晶片解決方案；反觀3G的UMTS或HSDPA市場，礙於技術複雜度較高，多半仍為分散式晶片方案(圖2)。因此，為改善3G晶片方案的成本結構，提高產品整合度，DigRF標準介面技術已逐漸受矚目。

資料來源：英飛凌 圖2　英飛凌HSDPA平台解決方案，包含基頻、射頻、電源管理三顆晶片。

DigRF係由DigRF工作小組所制訂的介面標準，主要規範手機基頻處理器與射頻晶片間的資料傳輸介面。傳統上，此一介面功能是透過類比I/Q介面來達成，因此必須額外使用一顆類比基頻，而DigRF介面則是透過標準的數位式串列介面(Digital Serial Interface)讓數位基頻與射頻晶片直接溝通，以節省元件數目和功能，從而提升整合度並降低成本。  

由於在3G系統中，接收訊號種類相當多樣，而每個接收鏈就需要一個類比I/Q介面，因此DigRF介面對3G晶片的發展而言別具意義。iSuppli資深無線通訊分析師Francis Sideco表示，在HSPA和EDGE等應用中，只須使用一個DigRF介面就可支援多個接收鏈，可大幅縮減介面數量至原有的三分之一(圖3)。

資料來源：飛思卡爾 圖3　基頻與射頻晶片間使用DigRF介面的情形

目前包括英飛凌、博通與飛思卡爾(Freescale)均已將DigRF介面導入其手機晶片產品中，其中，英飛凌所推出的SMARTi UE更已獲得手機大廠摩托羅拉(Motorola)採用。該款元件使用0.13微米的RF CMOS製程，整合WCDMA與GSM/EDGE射頻電路、類比基頻電路，以及類比數位轉換器(ADC)和數位類比轉換器(DAC)，並支援DigRF 3.09版標準，可透過數位訊號方式與基頻晶片溝通。  

英飛凌射頻引擎業務處總經理Stefan Wolff指出，SMARTi UE能獲得摩托羅拉青睞的主要原因在於尺寸、性能與功耗效率的表現，可有效縮減下一代3G晶片的尺寸與電路板占用空間。  

此外，飛思卡爾也利用DigRF標準進一步精簡3G解決方案，該公司所推出的多頻帶射頻子系統RFX300-30是其第一款內建開放標準數位介面的3G元件，可讓手機製造商靈活運用來自不同供應商的元件組合，不必擔心無法運作。此外，該方案還將已通過測試的飛思卡爾EDGE與UMTS方案整合在單一封裝中，以精簡電路板尺寸並降低成本(圖3)。飛思卡爾射頻產品事業部門總經理Klaus Buehring表示，藉由這款3G子系統方案的提供，將可協助客戶達成高整合、低成本及多頻多模的功能需求；此外，RFX300-30也將該公司獨創的第一層程式(Layer-one Programming)功能大幅簡化，有助加快3G產品開發速度。  

有別於DigRF開放式的技術標準，德州儀器(TI)則是透過自行研發的DRP專利技術，來強化晶片整合度。德州儀器亞洲區無線終端事業部市場總監宋國璋強調，DRP是該公司發展手機單晶片解決方案的核心技術，其最大優勢在於提高手機晶片整合度，甚至達成單晶片的終極理想。除此之外，射頻電路數位化也讓手機的射頻子系統能夠享受到製程技術精進所帶來的低功耗與低成本優勢。  

目前德州儀器已將DRP技術應用於LoCosto與eCosto超低價手機單晶片方案，以及藍牙、行動電視、輔助型全球衛星定位系統(A-GPS)等解決方案。宋國璋表示，未來德州儀器還將推出以DRP技術為基礎的單晶片3G解決方案。該公司預計至2007年底，基於DRP技術的晶片出貨量可望突破兩億顆。  

顯而易見的，由於DigRF介面為開放標準且有助減少元件數量和功耗，因而成為手機晶片業者成本微縮的最佳武器，同時也讓3G手機得以邁向大眾市場，加快普及速度。  

不過，也有部分市場人士指出，系統單晶片(SoC)依舊是手機晶片業者終極的發展目標，因此DigRF介面恐怕只是現階段過渡型技術，最終仍須仰賴更先進的RF CMOS製程來達成如2G方案一樣的高度整合。博通與高通(Qualcomm)的發展即為最好證明。  

2007年8月，博通採用65奈米製程推出一款內建DigRF介面的EDGE射頻收發器BCM2085，透過整合壓控振盪器(VCO)、合成器(Synthesizer)與迴路濾波器(Loop Filter)，縮減電路板面積與外部元件。然而，同年10月，該公司隨即發表一款採用65奈米CMOS製程、低功耗的高速封包接取(HSPA)處理器BCM21551，整合HSUPA 3G基頻、多頻射頻收發器、藍牙晶片、FM無線電接收/發射器，以及多媒體處理器，成為業界首款3G手機單晶片(圖4)。

資料來源：博通 圖4　博通採用65奈米CMOS製程製造的高整合3G手機單晶片方案

不旋踵，3G晶片龍頭高通也於2007年11月一口氣推出三款採用台積電45奈米CMOS製程的3G單晶片解決方案(表1)，整合最新基頻、多頻射頻收發器、應用處理器、藍牙、FM無線電與GPS，瞄準大眾化智慧型手機市場，為其所推廣的「3G for All」計畫樹立新的里程碑。

表1　高通採45奈米CMOS製程的3G手機單晶片方案特色
產品型號＼規格	支援系統	主要功能特色
QSC7230	支援UMTS Release 7(HSPA+)與Cat. 9 UMTS系統，可提供下載10.2Mbit/s及上傳5.76Mbit/s的資料傳輸率。	1. ARM11應用處理器，最高可達600MHz運算速度。 2.支援5百萬畫素照相功能、VGA顯示解析度及TV-out功能。 3.支援第三方合作夥伴作業系統，如Windows Mobile與Linux。 4.採用45奈米CMOS製程。 5.支援2D與3D硬體加速繪圖功能。 6.整合GPS、FM、藍牙，減少外部元件使用。 7.支援全球手機通訊頻段。
QSC7830	CDMA2000 1xEV-DO Rev. B，可提供下載14.7Mbit/s與上傳5.4Mbit/s的資料傳輸率。
QSC7630	同時支援HSPA+與CDMA2000 1xEV-DO Rev. B雙模

資料來源：高通

高通營運長暨CDMA技術部門總裁Sanjay K. Jha表示，此系列方案是基於高通先前雙核心(Dual-core)晶片組的成功基礎，可協助客戶快速開發出低成本並具獨特功能的下一代智慧型手機，從而推動整體智慧型手機市場的成長。  

高通近期已開始投產(Tape-out)此款最佳化低功耗的45奈米晶片，並採用先進的浸潤式微影(Immersion Lithography)和Low-k金屬間介電質材料，不僅整合度高、效能極具競爭力，更可大幅降低成本及漏電流(Leakage Current)，預計於2008年第四季開始提供晶片樣品。據了解，該公司也已投入40奈米製程的研發，將為未來3G手機晶片的效能、成本與效率帶來更多好處。  

除持續提高整合度、降低晶片成本外，3G手機晶片的另一個重要發展趨勢，則是朝向多頻多模目標邁進，尤其在後3G時代，各種無線通訊技術百家爭鳴，如何在確保技術投資風險之餘，兼顧消費者對多頻多模的需求，即成為相關業者努力的目標。因此，具有可重配置彈性的SDR技術遂逐漸受到市場重視。  

軟體定義無線電　迎接多頻多模時代來臨  

事實上，SDR技術已在業界發展10多年，已往多半用於軍用通訊系統，近幾年來隨著固網與行動網路匯聚(FMC)潮流興起，部分市場先驅業者已開始將此一技術導入無線基地台的商用設計中。  

SDR技術的主要原理是利用軟體來定義實現無線電的各項功能，包括前端接收、中頻處理與訊號的基頻處理等，其核心精神是希望在靠近天線的位置，利用高取樣率類比數位轉換器(ADC)儘早將無線的類比訊號轉換成數位訊號，以便利用軟體來定義和實現無線電的功能，並交由基頻來進行處理(圖5)。

資料來源：CSDR 圖5　傳統硬體無線電與軟體定義無線電設計架構的差異

而SDR最大優點則是讓相關設計業者可在不增加龐大成本的情形下，持續滿足各種無線技術標準的演進。研究機構預估，隨著LTE、超行動寬頻(Ultra Mobile Broadband, UMB)與全球微波存取互通介面(WiMAX)等新興技術的崛起，2010年將是SDR技術發展的重要轉捩點，主要原因在於主流標準仍未底定前，業者可藉SDR軟體配置與升級彈性來因應市場變化。  

以手機晶片業者為例，包括德州儀器、恩智浦(NXP)、英飛凌與意法半導體(STMicroelectronics)均已投入SDR技術研發。其中，德州儀器與恩智浦雖未正式加入SDR論壇組織，但已陸續發表相關成果，如德州儀器推出一套小型SDR開發平台，協助業者設計波形並開發和測試單協定或多協定無線電，應用範圍包括軍事、公共安全、商用、專業行動無線電(PMR)和地面行動無線電(LMR)通訊系統，以及無線射頻辨識(RFID)讀取器等。  

德州儀器表示，此一平台係與賽靈思(Xilinx)、Lyrtech、Green Hills、Objective Interface Systems與加拿大通訊研究中心(Communications Research Centre Canada)等業者共同開發，除包含從天線到基頻的完整訊號鏈硬體外，其軟體電路板支援套件還能在單一整合開發平台上支援所有的軟體開發工具。此外，由於該平台還能搭配以模型為基礎的Simulink設計工具，設計者可選用C/HDL或MATLAB Simulink迅速測試概念並驗證設計，以便將架構的成本與功耗最佳化。  

另一方面，恩智浦日前也發表一項創新的SDR技術--可編程向量式處理器(Vector Processor)，可用於解決行動通訊的整合性、靈活性及標準問題。恩智浦半導體技術長Rene Penning de Vries表示，行動通訊市場正處於從3G演進至4G的發展歷程，各種無線通訊頻道的組合日新月異，這些射頻接收模組的持續累積將使系統晶片無法負荷，不僅模組尺寸難以容納，整合後的功耗也會降低電池使用壽命，而晶片容量的增加亦將對成本造成衝擊。  

為滿足終端用戶希望盡可能保持聯繫暢通的需求，因此單一手機必須支援包括GSM、EDGE、UMTS、HSDPA、藍牙、WiMAX、超寬頻(UWB)、FM、無線區域網路(WiFi)、近距離無線通訊(NFC)等多種標準，不僅要容納更廣的頻率與更多的標準，還須具備可支援寬頻應用的多重輸入多重輸出(MIMO)天線。這種整合意味著每支手機中的射頻元件數與天線數均不斷增加，因而帶來體積、功耗和共存方面難題。  

為解決這些問題，恩智浦根據數據速率劃分出三類射頻電路，例如低端射頻電路包括一顆處理NFC、藍牙、ZigBee、Wibree和UWB的聯合射頻晶片；中級射頻電路(Middle-tier)是一個用於蜂巢通訊的可重配置射頻通道；而對高速數據速率則採用可重配置的射頻通道，處理WiFi、WiMAX和LTE等高寬頻應用。而此一方案的核心關鍵是讓高度並聯的嵌入式向量處理器(EVP)成為可編程的數據機提供運算資源，讓系統更瑧完善。  

雖然產業界已可體認SDR技術的優點，但SDR仍舊面臨靈敏度、功耗、安全性、認知無線電(Cognitive Radio)等諸多挑戰。而手機晶片業者若想在多頻多模潮流中脫穎而出，SDR將是不可忽視重要技術。