摘要：針對LTE引入后多模多頻段選擇對終端產品體積、成本、性能等方面所帶來的挑戰進行了深入分析和研究，并給出了現階段解決上述挑戰的射頻芯片和射頻前端參考設計架構。
1 引言
LTE作為3G后續演進技術以其高數據速率、低時延、靈活的帶寬配置等獨特技術優勢，被業界公認為是下一代移動通信的演進方向。據全球移動設備供應商協會(Global Mobile Suppliers Association，GSA)發布的關于LTE演進的最新報告顯示，截至2011年5月，全球已有80個國家和地區的208家運營商正在對LTE進行投資，其中已有20個商用網絡交付使用，到2012年底預計至少將有81個網絡提供LTE商用服務。但是，LTE畢竟是一種新興技術，其網絡部署是個逐步推進的過程，這意味著在未來相當長的一段時期內全球運營商都將面臨LTE網絡與現有多網并存這一共性問題。因此，為滿足LTE引入后業務的連續性以及國際漫游需求，多模多頻段終端將是市場過渡階段一種必然選擇。
本文結合LTE引入后的多模多頻段需求，深入分析了多模多頻段終端在產品實現上所面臨的性能、體積、成本等一系列挑戰，力求通過解決射頻實現方面的技術難點來提升多模多頻段終端產品的市場競爭力。
2 多模多頻段需求分析
對于運營商而言，LTE引入后不但要求其終端在原有多模的基礎上增加支持LTE模式及相應的工作頻段，還要增加可以確保用戶實現國際漫游的工作頻段。不同于2G/3G時代，目前全球分配的LTE頻譜眾多且相對離散，為更好地支持國際漫游，終端需要支持較多的頻段。以中國移動為例，TD-LTE引入后，為滿足自身的運營需求，終端至少需要支持TD-LTE，TD-SCDMA，GSM三種模式和八個頻段來確保業務的連續性，具體參見表1。為提升用戶的國際漫游體驗，終端還要支持FDD LTE模式，結合全球FDD LTE部署現狀，目前NGMN建議終端至少需支持Band1/7/17(或13)3個頻段才能實現通過FDD LTE漫游到日本、歐洲、美國的部分地區，而且隨著FDD LTE在全球部署規模的逐步擴大，終端還要增加新的FDD LTE頻段才能實現全球漫游。考慮到WCDMA的全球部署范圍廣、成熟度高且漫游能力強，為提升終端的國際漫游能力，還將鼓勵終端支持WCDMA模式及相應的工作頻段。表1給出了全球各制式主流部署頻段。
表1 各制式主流部署頻段
3 多模多頻段終端實現所面臨的挑戰
無線通信模塊由芯片平臺、射頻前端和天線3大部分構成。圖1為終端無線通信模塊的通用架構圖。其中，芯片平臺包括基帶芯片、射頻芯片以及電源管理芯片等，射頻前端包括SAW(Surface Acoustic Wave，聲表面波)濾波器、雙工器(Duplexer)、低通濾波器(Low Pass Filter，LPF)、功放(Power Amplifier)、開關(Switch)等器件。基帶芯片負責物理層算法及高層協議的處理，涉及多模互操作實現；射頻芯片負責射頻信號和基帶信號之間的相互轉換；SAW濾波器負責TDD系統接收通道的射頻信號濾波，雙工器負責FDD系統的雙工切換以及接收/發送通道的射頻信號濾波；功放負責發射通道的射頻信號放大；開關負責接收通道和發射通道之間的相互轉換；天線負責射頻信號和電磁信號之間的互相轉換。
圖1 終端無線通信模塊通用架構圖
終端支持多模多頻段與基帶芯片、射頻芯片、射頻前端、天線均有關。多模互操作實現主要影響基帶芯片，同時模式的增加對射頻芯片和功放也會產生影響；多頻段實現主要依賴于射頻芯片、射頻前端和天線。下面就多模多頻段對終端產品實現各部分產生的影響進行詳細闡述。
3.1 基帶芯片
終端支持多模關鍵在于基帶芯片。通常，模式增加對基帶芯片成本略有提升，但是頻段增加對基帶芯片的面積和成本幾乎無影響，僅需要進行軟件升級。
由于TD-LTE和FDD LTE在標準協議層面存在約10%的差異(差異來自雙工方式，主要在物理層)，TD-LTE和FDD LTE共基帶芯片沒有技術門檻和難度。目前，所有LTE芯片廠家都已經或將支持TD-LTE與FDD LTE共基帶芯片，只不過不同廠家的市場定位不同，同時針對標準協議的芯片實現架構存在差異，所以實現TD-LTE和FDD LTE雙模融合的過程和進度有所區別。
目前，基帶芯片廠商支持多模的主要挑戰在于對TD-SCDMA模式的支持。與TD-SCDMA芯片產業支持力度相比，TD-LTE芯片產業鏈更加壯大，包括傳統的TD-SCDMA芯片廠商、傳統的FDD LTE芯片廠商、傳統的WiMAX廠商以及國內新興的芯片廠商。但是，具備TD-SCDMA研發經驗的廠商在整個TD-LTE芯片產業鏈中占比有限。考慮到基帶芯片的成本對終端整個無線通信模塊成本影響最大，為提升中國移動TD-LTE/TD-SCDMA/GSM多模終端產品的市場競爭力，后續應加快整合TD-LTE和TD-SCDMA產業的優勢資源，推動更多的TD-LTE芯片廠家盡快推出含TD-SCDMA多模基帶芯片產品，擴大產業規模，降低基帶芯片成本。
3.2 射頻芯片
新的模式和頻段的引入對射頻芯片均會產生影響。眾所周知，射頻芯片架構包括接收通道和發射通道兩大部分。對于現有的GSM和TD-SCDMA模式而言，終端增加支持一個頻段，則其射頻芯片相應地增加一條接收通道，但是否需要新增一條發射通道則視新增頻段與原有頻段間隔關系而定。對于具有接收分集的移動通信系統而言，其射頻接收通道的數量是射頻發射通道數量的兩倍。這意味著終端支持的LTE頻段數量越多，則其射頻芯片接收通道數量將會顯著增加。例如，若新增M個GSM或TD-SCDMA模式的頻段，則射頻芯片接收通道數量會增加M條；若新增M個TD-LTE或FDD LTE模式的頻段，則射頻芯片接收通道數量會增加2M條。LTE頻譜相對于2G/3G較為零散，為通過FDD LTE實現國際漫游，終端需支持較多的頻段，這將導致射頻芯片面臨成本和體積增加的挑戰。
為減小芯片面積、降低芯片成本，可以在射頻芯片的一個接收通道支持相鄰的多個頻段和多種模式。當終端需要支持這一個接收通道包含的多個頻段時，需要在射頻前端增加開關器件來適配多個頻段對應的接收SAW濾波器或雙工器，這將導致射頻前端的體積和成本提升，同時開關的引入還會降低接收通道的射頻性能。因此，如何平衡射頻芯片和射頻前端在體積、成本上的矛盾，將關系到整個終端的體積和成本。
此外，單射頻芯片支持TD-LTE和FDD LTE不存在技術門檻，眾多廠家已有相應產品問世。與基帶芯片略有不同的是，在多模射頻芯片增加對TD-SCDMA的支持難度相對較低。
3.3 射頻前端
對于TDD系統而言，射頻前端主要由功放，SAW濾波器，低通濾波器和開關等器件構成；而對于FDD系統來說，射頻前端主要由功放、雙工器和開關等器件構成。多頻段數量的增加將直接影響射頻前端濾波器件、功放以及開關的數量增加，從而影響終端的集成度、體積和成本。
(1)射頻濾波器件
為了抑制外界干擾信號對終端接收信號靈敏度的影響，同時抑制發射通路射頻信號的帶外干擾，通常需要在TDD系統射頻前端的接收通道和發射通道上分別配置SAW濾波器和低通濾波器，而對于FDD系統，則需要配置雙工器來解決射頻前端接收通道和發射通道的濾波問題。由于濾波器件數量是隨著頻段數量增加而線性遞增的，且LTE系統采用的又是接收分集，所以在LTE上增加支持新的頻段會比在TD-SCDMA(或GSM)上增加支持相同數量的頻段對終端濾波器件數量影響更為明顯。如表2所示，現有的TD-SCDMA/GSM終端支持6個頻段需要12個射頻前端濾波器件，而TD-LTE/TD-SCDMA/GSM終端支持8個頻段則需要18個射頻前端濾波器件，較前者多支持2個頻段卻多增加了6個濾波器件。同時，TD-LTE/FDD LTE/TD-SCDMA/GSM終端若支持11個頻段則需要24個射頻前端濾波器件。如此數量眾多的濾波器件通常都是分立器件，再加上外圍的匹配電路，無疑將嚴重影響整個終端設計的集成度，進而導致終端在成本、體積、市場競爭力等方面面臨嚴峻挑戰。
表2 多模多頻段選擇對濾波器件數量的影響
(2)功放
與濾波器件不同，功放不但和多頻段有關，而且還受多模的影響。針對相同頻段的不同模式，其功放架構也不盡相同；若頻段和模式需求明確，可以在同一個功放的相同頻段上支持多種模式。多頻段的引入會導致功放器件數量的增加，受限于帶寬和效率等指標，單個功放無法支持從700MHz到2.6GHz，這意味著終端支持多模多頻段必須采用多個功放，由此會影響終端的成本、體積和市場競爭力。
(3)開關
開關的復雜度與射頻前端發射通道和接收通道的數量密切相關。對于具有接收分集的移動通信系統而言，通常需要配置兩套開關器件，其中一套用于控制主接收通道和發射通道的相互轉換，另一套用于控制分集接收通道的相互轉換。這意味著引入多個LTE頻段后不但會增加開關的數量，還會增加每個開關的復雜度，終端將面臨接收性能下降，PCB占板面積提升，成本增加的挑戰。
綜上所述，在基帶芯片支持多模的前提下，引入TD-LTE后多模多頻段終端產品實現面臨的挑戰主要來自射頻芯片和射頻前端。
4 多模多頻段終端實現優化方案建議
為了提高多模多頻段終端產品的接收性能、降低PCB占板面積和成本，建議采用基于獨立接收通道的射頻芯片架構結合射頻前端模塊化方案來優化多模多頻段終端產品實現。圖2是結合表1全球各制式主流部署頻段需求給出了多模多頻段終端產品優化實現方案架構圖。
圖2 多模多頻段終端產品優化實現方案架構圖
4.1 優化的射頻芯片實現方案
由圖2可以看出，為了確保射頻接收性能，建議針對明確的多模多頻段需求采用獨立接收通道支持各個頻段，避免在外圍電路增加開關來匹配前端濾波器所引起的性能損耗。在射頻芯片架構設計過程中，還需重點解決好如下問題：
(1)多種模式共頻段的實現
建議采用一條接收通道支持多模，從而可以減小射頻芯片的面積和成本。例如，若要求終端在WCDMA和FDD LTE上均支持Band1，則可以通過在覆蓋Band1頻段范圍的接收通道上配置不同的信道選擇濾波器參數等指標來實現對雙模的支持。
(2)射頻芯片架構的靈活性
建議從全球市場的角度整合LTE頻譜分配以及運營商部署情況，在滿足必選頻段基于獨立接收通道實現的基礎上，擴大每條射頻接收通道覆蓋的頻率范圍，使得單個射頻接收通道可以提供多種頻段選擇，以便快速適應多樣化的市場需求，避免因反復流片而引起的成本增加和供貨不及時。
4.2 優化的射頻前端實現方案
多頻段引入后，如果射頻前端仍然采用分立器件方案進行產品實現，那么勢必會造成終端產品的體積和成本增加。為此，建議采用模塊化方案來優化射頻前端實現。通常模塊化方案的集成度越高，則PCB占板面積就會越小，但是成本方面的增減還與該類射頻前端模塊的市場需求量有關。因此，廠商可以根據自己的終端產品研發策略來定制不同集成度的射頻前端模塊。圖2給出的是集成度較高的一種模塊化實現方案，考慮到采用3個寬頻功放就可以覆蓋多頻段的需求，所以此處未對分立的功放器件進行模塊化，但終端廠商可視自身需求而定。考慮到頻段數量對濾波器件和開關影響較大，所以將這些器件按照分集接收通道和主收/發通道集成為兩個射頻前端模塊，將顯著減小終端產品所面臨的體積挑戰。與此同時，隨著市場規模的不斷擴大，產品成本也會顯著下降。
5 結束語
全球LTE頻譜離散，為滿足國際漫游需求，未來多模終端需支持更多的頻段，這將導致射頻前端器件堆積。本文結合產業實際能力，建議針對明確的多模多頻段需求采用“基于獨立接收通道的射頻芯片架構結合射頻前端模塊化方案”來優化終端產品在實現過程中所面臨的性能、體積和成本等問題。
