為GSM/GPRS應用選擇收發器時,必須將許多參數列入考慮,例如用料清單(BOM)、體積、特色和效能...
為GSM/GPRS應用選擇收發器時,必須將許多參數列入考慮,例如用料清單(BOM)、體積、特色和效能。全系統的最低效能要求以及隱含的收發器效能都可明確定義,但是收發器效能指標卻有很大差異。
在考慮各種技術規格時,系統靈敏度常被引用做為手機的區隔要素和必須注意的優值(figure of merit),其中系統靈敏度對於系統效能的影響極大,因此是最重要的收發器效能規格之一。
靈敏度效能的影響不僅限於接收鏈零件,它還會延伸至其它發展趨勢,例如天線設計。電信業者向來都很重視通話品質,在為基礎設施的設備開支求取平衡的同時,他們對於手機的要求也日益嚴苛,因此關於電信網路和手機效能的任何討論通常都會回到GSM無線電和它的靈敏度。
系統靈敏度的定義是天線連接埠至少需要多大功率,才能在輸出端達到所指定的訊號雜波比或位元錯誤率(BER)。在GSM Third Generation Partnership Project(3GPP)技術規格中,GSM系統的參考靈敏度是根據特定通道條件和位元錯誤率而定義,但是就如同「參考靈敏度」這個名詞所暗示,它只是通過產品全型認證(FTA)的最低要求,而不是任何手機製造商或電信服務供應商的最低要求。製造一部符合GSM最低規格要求的手機並不等於製造一部能夠量產和在GSM市場的經濟規律下獲得成功,同時又能滿足最終使用者需求的手機,這兩者之間有著非常明顯的差異。
在產品層級,靈敏度是手機製造商的關注焦點,因為它與製造設計和生產餘幅(production margin)以及手機通話品質息息相關,手機設計人員也想選擇零件幫助手機實現最高的靈敏度。為了將手機良率提升至最高水準,生產邊限應做適當分配,以解決組裝線上與靈敏度有關的問題,其來源包括預期損耗機制、零件變異、電路訊號線和電路板變異以及其它可能改變的操作條件,例如溫度。除此之外,天線設計也會對靈敏度產生很大影響,內建天線的做法日益受到歡迎,但它們也讓設計更困難,為滿足電話的機械結構要求,天線的位置、體積、造型和效能通常必須做出妥協。
手機製造商和電信業者非常重視靈敏度,因為它直接影響手機通話品質;就理論而言,能夠持續接收更微弱訊號的手機將會提供比其它產品更清晰的聲音,通話中斷的現象也變得更少,例如服務供應以及斷線等問題都會減少。但實際上,更良好的靈敏度讓手機擁有更寬廣的收訊範圍,就算在基地台涵蓋區邊界亦復如此,它對於訊號衰弱的現象也具有更高的抵抗能力。隨著客戶逐漸放棄有線電話,轉而投入行動電話的懷抱,他們對於更良好的網路連線品質(QoS)也開始有更高的期待。在此同時,隨著電信業界繼續擴大他們的覆蓋範圍,他們必須努力管理斷線的問題,這在北美地區尤其重要,因為當地消費者會認為斷線是他們選擇電信業者的最重要條件。還有在北美地區提供手機號碼攜帶服務,以及消費者要求電信業者改善手機的接收靈敏度,這些都是很明顯的趨勢。
在努力擴大用戶人數和獲利能力的同時,電信業者也受到壓力要求他們解決QoS的問題,這已促使電信業者和許多手機廠商開始研究斷線問題,結果則是北美電信業者向手機製造商提出更嚴苛的靈敏度要求。雖然為高頻操作提供-106至-107dBm靈敏度的手機或許仍能獲得接受,但電信業者現正朝向-108至- 109dBm靈敏度邁進,這項困難要求對於產品供應鏈上的所有廠商都有重大影響;幸運的是,目前已有部份零件能讓手機設計達到這項嚴苛的規格要求。
為了更深入瞭解零件層級的靈敏度,我們可將接收鏈的最小可偵測訊號(MDS)表示成:MDS= KTBF×(S/N)min。其中K是波茲曼常數,其值為1.38×10-23 J/oK(每oK所能電氣耦合的粒子平均能量);T是以凱氏溫度表示的系統溫度;B是系統頻寬;F是系統雜訊指數;(S/N)min是基頻處理器對接收資料進行正確解調所需的最小訊號雜波比。
用天線功率代表靈敏度在系統設計時更有效率,而線性乘法又等於對數加法,所以前述方程式可重新寫成:靈敏度(dBm)=10log(KT)+ 10log(B)+10log(F)+10log(S/N)min。觀察第二個方程式,我們發現10log(KT)定義了298oK(25oC)時的熱雜訊基準,且其值等於-174dBm/Hz;雖然雜訊可能低於此位準,但受到測試設備解析度的限制,這些雜訊通常很難量測。
接收頻寬是靈敏度的重要因素,目標訊號能量的頻寬就是由它定義。GSM/GPRS規定通道間隔為200kHz,收發器和基頻電路也有濾波器,其特性會隨著廠商而不同;將這兩者結合在一起就能組成複合濾波器,用來為指定的無線電通道選擇正確頻率範圍。典型收發器和基頻複合濾波器的頻寬為170kHz,代入得到10log(170×303),相當於52.3dB。
10log(S/N)min定義了基頻系統的訊號雜波比,這個最低要求會隨著基頻廠商而不同。當收發器將資訊送給基頻電路時,它是採用類比同相位(I)和正交相位(Q)的格式,基頻系統必須從此格式重建原來的數位訊號,然後利用語音或資料編碼解碼器將其中的數位資訊解碼出來。為了確保解調成功,訊號雜波比必須達到最低要求(通常為6dB)。
當雜訊指數(F)以功率來表示,並將其寫成10log(F)時,它就能用來定義接收鏈的系統損耗,這包括前端零件的損耗(L)以及收發器的雜訊指數。想要瞭解這些損耗的來源,圖1所示的GSM無線電訊號流程會有很大幫助。在接收作業中,天線開關(ASM)將輸入訊號轉送至適當的SAW濾波器以便選擇頻帶, ASM和SAW濾波器都會讓接收訊號出現插入損耗(IL),必須將其列入考慮。
在SAW和收發器之間有個輸入匹配電路,用來讓SAW輸出將最大電壓或功率送至收發器的低雜訊放大器輸入端,收發器會將射頻訊號降頻轉換至中頻,再經由混波降頻轉換至基頻(另一種做法是直接轉換至直流),然後選擇適當的接收頻帶。在這個過程裡,收發器會造成接收訊號劣化,這包括輸入匹配電路的效應在內,它就被定義為雜訊指數(NF)。語音和數據資訊接著會透過基頻介面在收發器和基頻系統之間傳送。
靈敏度現已被導成一種特別形式,可用來評估圖1接收路徑上的每顆零件。這個方程式的簡化結果不但更簡明直接,其含義也更深刻。由於基頻選擇可能是和軟體有關的系統選項之一,因此要得到最高靈敏度,手機設計人員只須專注於三個射頻方塊:ASM、SAW以及收發器。表1列出了這些零件的典型參數。
觀察表1所列的ASM零件參數可發現,插入損耗(IL)的典型值只略少於1dB,就算解決方案的面積已減少超過五成,插入損耗在最理想情形下也只改善 0.3dB;事實上,雖然很小的dB值也很重要,但看起來似乎在短期內,插入損耗已無改善空間。SAW被動零件的趨勢也很類似,SAW體積已大幅縮小,插入損耗也獲得改善,每個頻帶約1.7~2.0dB左右。
考慮ASM和SAW的影響,加上這些元件四週電路的級數又有限(level of circuitry),這項技術的主要推動力量就變成是基材(substrate)的實作和體積。雖然產品之間的效能和插入損耗差異仍然值得注意,但在現有的產品和下一個世代解決方案之間,其未來的可能改善幅度將不會超過0.3dB。
根據簡化後的靈敏度方程式,我們若採用最佳前端零件的插入損耗值,並假設基頻的訊號雜波比為6dB,就會得到另一個有趣的結果,也就是若收發器為無損耗的時候,GSM無線電在理論上的靈敏度基準值將會變成-113.3dB。這項結果的意義相當不凡,因為要滿足電信業者對於靈敏度的嚴苛要求,我們可以發現收發器的選擇必須很謹慎。
整個系統的雜訊指數效能會隨著輸入匹配電路改變,與溫度也有直接關係。要得到最好的雜訊指數,就需要低雜訊放大器提供的高輸入增益,但為滿足阻隔測試和調幅抑制(AM suppression)等其它嚴苛的GSM規格,系統還需非常良好的線性特性,這讓情形變得更複雜。設計人員很快就會發現,其它效能指標或許可以採用「足夠好」的效能策略,但這種做法對靈敏度並不適用。收發器雜訊指數效能會隨著供應商而改變,但設計人員應要求在所有條件下都能擁有最好的收發器雜訊指數,因為它是靈敏度效能的最大貢獻因素。最重要的是,這些能夠提供大幅改進的解決方案必須已開始供應。
目前生產中的最佳手機可以達到-109dBm高頻靈敏度,突顯出收發器對於靈敏度的影響確實很大。市場上也有其它手機的靈敏度僅-106dBm;對於電信業者來說,這個差距清楚展現了這兩種手機的差異。由於某些次世代收發器已能提供-110dBm高頻靈敏度,再加上前述的趨勢,雜訊指數效能很可能成為進入市場的競爭障礙之一。
總而言之,隨著製造商努力尋求產品差異化,同時讓手機適應消費者的要求,進一步的限制可能會出現在射頻電路設計-這將對靈敏度產生複雜影響,因為電信業者既希望擴大其通訊覆蓋範圍,又想提出更嚴苛的要求。除非無線通訊體驗對於使用者完全透明,否則靈敏度仍將是電信業者、手機和收發器最重要的區隔要素之一,廠商選擇最佳零件的趨勢將會繼續,收發器也必然是手機在市場上獲勝的最直接路徑。