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手机射频市场的几大热点

菜鸟
2003-03-13 21:51:00    评分
业界预测今年将出现大规模的换机热潮,而换机机型中将以2.5G的手机为主,所以我们预测今年对GPRS和CDMA1X等2.5G RF器件的需求将会赶超对2G射频器件的需求,并且,为了迎接即将商用化的3G网络,各种用于3G手机的RF方案将会走向成熟,其中多模式的射频器件将会受到青睐。同时,藉由IC制造工艺的不断进步,零中频技术的成熟,射频部分的集成度将会进一步提高,单芯片的手机方案将浮出水面。 2003年手机市场将会成为带领整个电子业复苏的主力军,各调研公司对2003年手机需求的预测均显示出乐观的数字,手机出货量的增长率将超过10%。这将推动相关的元器件市场再次出现繁荣景象。据Forward Concepts公司预测,2003年全球手机销量将增长到4.9亿部,比2002年的4.1亿部增长19%。而中国作为手机的制造大国,将贡献出超过25%的产量。据信息产业部数据,中国2002年手机产量预计达1.1亿部,中国已成为手机类元器件的消耗大国。 推动2003年新一轮购机高潮的是一些新的功能,如多媒体短信和彩屏等。这些新的功能需要全新的终端来支持,除了基带部分需要重新设计外,对手机中的另一核心器件射频器件也提出了新的要求。中国的手机厂商越来越多的需要加深设计方面的独立性,而不是像以往那样直接抄别人的方案。这使他们对射频设计以及射频与基带之间的接口技术及趋势更加关心。 为迎合这些新业务和功能,今年手机RF器件领域将会出现三大热点:其一,业界预测今年将会出现大规模的换机热潮,而换机机型中将以2.5G的手机为主,所以我们预测今年支持GPRS和CDMA1X等2.5G标准的RF器件需求将会赶超2G手机射频器件,并且,为了迎接即将商用化的3G网络,各种用于3G手机的RF方案将会走向成熟,相关的标准也会逐渐完善;二,由于多种标准的共存,支持多种标准的多模式RF将会引起人们的兴趣,这方面的研发将会取得较大的进展;三,由于IC制造工艺的不断进步,零中频技术的成熟,射频部分的集成度将会进一步提高,RF将与基带集成在同一芯片上,各种单芯片的手机方案将会浮出水面。 可以看出,这几大热点之间也是相互影响的。比如在3G组织关于RF部分的最终标准出台前,多模RF只能通过各种分离的芯片来实现,此外,目前的工艺以及集成度水平也还不能支持单一芯片的多模RFIC。在各方面条件成熟时,单芯片的多模RF才会出现,且能满足功耗、尺寸、成本以及性能的要求。 2 .5G/3G射频器件需求增加 今年,中国移动和中国联通的重点将会在2.5G的网络上比拼,且多媒体手机需要2.5G以上的网络支持。今年的换机热潮中将以新一代的2.5G手机为主,因此我们预测,今年对GPRS/CDMA1X射频器件需求量将会大大增加。 GPRS手机要求射频器件重新设计。RFMD公司中国区高级销售经理梁天波表示:“GPRS对射频的要求不同。对于PA分部,由于GPRS要求多时隙(2-4个时隙)工作,这表示在同一时间段内,功率放大器连接工作的时间会更长,这要求功率放大器散热和电效率更高,所以对以前的PA需要进行优化;对于收发器部分,则需要采用不同的编码方式,采用新的收发器产品。” 此外,对于手机厂商来说,2003年的另一个重要的内容就是要为即将商用化的3G网络准备产品,手机厂商对支持3G标准的RFIC需求也将会增加。 支持3G标准的RFIC与2G相比,有很大的不同。 首先,W-CDMA、CDMA2000/3XRTT和TD-SCDMA等3G标准与2/2.5G相比,带宽要宽得多。模拟器件公司业务发展部总监Doug Grant说道:“这意味着,前者模拟与混和信号电路的带宽是后者的5-25倍。而且,所有3G系统所采用的调制方式都要求比2G更多的线性增益,所以精度要求更加严格。” 第二,W-CDMA需要具备全双工无线接收功能。英飞凌科技亚太区无线方案副总裁陈荣坤表示:“目前3GPP关于双工接收器件的最后规范还没有完全确定。今年将会明朗。” 第三是来自功耗方面的挑战。消费者在使用GSM手机时,已习惯于手机提供几个小时的通话时间和数天的待机时间。然而,W-CDMA和EDGE标准都需要线性系统,而且在采用全双工W-CDMA 的情况下,功耗将较大。梁天波表示:“我们希望RF和基带提供强大的功能,同时又能满足用户能接受的功耗水平。” 为解决功能耗等问题,IC供应商正努力将零中频等技术应用到3G系统中。比如模块器件公司已开发出了一款支持W-CDMA标准的直接转换无线接收IC,已被三菱电机用于面向日本W-CDMA网络的3G手机。高通公司在其3G芯片MSM6100也采用了零中频架构。 虽然以上一些问题有待最后定论,但手机厂商已开始进入研发阶段,对3G RFIC的需求将会真正体现出来。 多模射频将受到青睐 各种3G标准以及现行的2G/2.5G等多种标准的共存对多模式射频芯片提出需求,多模式手机成为未来的发展趋势。 高通公司于去年1月率先推出同时支持(GSM)/GPRS、CDMA2000的多模式射频芯片组,拉开多模式手机竞争的序幕。最近由大唐电信与三星、飞利浦成立的合资公司T3G也宣布将开发双模式的手机芯片。预计今年多模式的射频器件将会受到更多关注。 英飞凌的陈荣坤说道:“因为3G标准仍在变化中,所以目前多模式手机更适合采用分离的射频方案,且每一种标准的集成水平都不一样。由于目前单芯片的GSM和WCDMA手机方案已研发出来,我相信多模式手机也会实现单芯片,很有可能在2005时有产品面市。主要的挑战是目前3GPP关于双工接收的最后规范还没有完全确定,一旦这些规范确定,将为开发高集成的多模式手机铺平道路。” TI无线通讯技术客户设计中心总监艾汉威也表示了相同的意见,他说:“多模式RF的早期解决方案会是一些分离的IC组成,而最终的发展趋势是高度的集成。但事情的进程需要看市场的成熟性和各种3G标准的普及程度。我认为首先将会是WCDMA,GSM和EDGE等几种标准集成的RF芯片集成。集成的主要挑战来自于裸片尺寸、功耗以及性能和成本等综合因素。” 梁天波表示赞同,他说:“我们不能为了集成而集成,还要看性能价格比。”他说:“我们希望能以正常的成本,比如BOM100美元的标准下做成多模式手机,现在还没有找到很好的解决方案。” 对于射频的大信号与小信号部分集成度是不一样的。对于大信号部分即功率放大器来说,由于已是射频的高频信号,只要频段相同,它只是一个透明的物理通道,对传输的标准透明,因而功率放大器集成问题不大。所以,最大困难在于不同标准的收发器即小信号部分的集成。将多种不同射频协议的收发器集成在一块芯片上难度较大,因为不同的频段、不同的协议会采用完全不同的编解码方式,且由于W-CDMA需要具备全双工无线接收功能,这要求接收器的全部功能,从接收到发送,都要高度隔离,否则灵敏度要受影响。比如高通公司推出的单芯片双模射频器件仍然采用的是两个不同的裸片。虽然如此,业界已成功的开发出一些解决方法。ADI的Doug Grant说道:“目前主要通过可选带宽滤波器、IIP2或IIP3(基于偏流)等方式来实现多模式射频的集成。” 此外,软件无线电也是用来实现多模式手机的一种主要方式。英飞凌的陈荣坤表示:“软件无线电可以为多种不同的标准提供单一的解决方案,目前关于软件无线电系统的详细规范还没有完成,其中最大的困难在于RF过滤部分的集成。”梁天波也解释:“一般在说到软件无线接收装置时,多数人所指的是可以对基带功能编程,以支持几个不同的协议,而RF功能却常常遭到忽视。就整个业界来说,还没有一个具体的方法可以将软件无线电的概念应用于RF领域。” 支持多种协议的软件无线电技术在实验室中已开发出来,但由于没有在实际的网络环境中检验,并不成熟。TI的艾汉威认为:“最大的困难在于真正实施它,预计还会有几年的时间软件无线电才会商用。” 不过,随着零中频技术的成熟,半导体工艺的不断提升,射频部分的集成度不断提高,一些单模式下的单芯片方案已得到认可,这将为高集成度的多模式射频IC打下基础。 RFIC集成度提高,单芯片手机浮出水面 TI于去年率先宣布将于2004年推出单芯片的GSM手机方案,方案将基于90nmCMOS工艺。其它公司也纷纷推出高度集成的RF芯片,将除PA以外的其它外围器件如SAW、VCO、晶振以及无源器件等与收发器集成在单一芯片中。但梁天波认为,小信号与大信号器件不宜集成,因为他们在设计时考虑的因素不一样,所以PA不会与这些器件集成在一起。 推动射频部分器件集成度提高的一个重要因素是零中频技术的引入和商用化。传统的超外差方式许多元件是外置的,如SAW、晶振等,造成集成难度很大,而零中频可以解决这些问题。不过,零中频技术也面临直流分量的困难,现在各公司均已找到了一些补偿方案来解决直流分量。也有一些公司还采用了近零中频。梁天波解释,近零中频是指有些厂商不愿做材料特性的二次曲线校正,不是从射频直接转到基频,而是转到一个信道的偏移量,这样可以解决直流偏量,但这种方式对滤波器的要求会较高。 此外,工艺技术的进步也是推动集成度提高的因素之一。RFCMOS工艺在WLAN和蓝牙射频产品上的成功,为手机RF采用CMOS工艺积累了经验,从而使得在手机中RF可与基带集成在一块芯片上。 不过,业界对于基于RF CMOS的单芯片手机可行性也有不同的声音。梁天波指出,目前已可以以较低的成本将频率综合器、低噪放大器、混频器及其它混合器件全部集成在硅锗工艺上,但在RFCMOS工艺上实现还有困难。虽难实验室能实现,但主要困难是如何提高成品率并降低成本,让这种工艺达到用户所接受成本。 此外,PA也不适合与收发器部分集成。收发器需要考虑的是调制解调算法、频率变化的因素,而功率放大器要考虑是的是有效的效率。由于设计的重点不一样,采用的工艺制程也不一样。一般来说,收发器采用硅锗和RFCMOS工艺;而PA部分会采用砷化镓、铟镓磷和氮化镓工艺。这几种工艺各有特点:砷化镓适合于GSM,因为在饱和输出状态下效率较高,GSM是在饱和状态下工作的;而CDMA要求线性功能,因而适合采用铟镓磷工艺;氮化镓适合于大功能率性线场合,所以更适合于基站应用,对一些确实要求大功率的手机也可以应用,目前氮化镓的成本较高,主要应用于基站上。他认为,“针对不同的器件采用不同的工艺能实现成本、性能的最优化。” 对于接口的发展趋势,ADI、英飞凌以及RFMD等公司认为基带与射频之间的接口趋势是向纯数字式的接口发展。英飞凌的陈荣坤说道:“总的发展趋势是将ADC等器件集成进射频芯片组,射频与基带之间的接口将会是纯数字的接口。”梁天波也表示,“纯数字接口可以推动纯数字式基带的应用,并可以将数字信号处理技术用于射频中的过滤、调制和DC偏移校正,这对于改善性能很有好处。” 他解释说,由于精密制造工艺(0.13微米以及0.13微米以下)的掩膜成本较高,基带全部数字化后,可以通过仿真来非常精确地预测其性能,并避免使用多次掩膜。如果加入模拟和RF功能,仿真并不是很可靠。而管理功能可以与音频编解码、辅助数据转换和其它模拟功能集成到尺寸较大的制造工艺上。由于这类工艺比较成熟,可以以较低的成本生产模拟元件。 展望未来,OEM对IC供应商的要求将会越来越高,他们要求供应商提供包括基带、射频,电源管理,存储,软件,参考设计以及开发平台和评估板在内的全套方案。能提供全面解决方案的供应商将会在竞争中胜出。陈荣坤指出:“由于手机RF的设计需要更多的工程经验,所以能提供Ready to use方案的公司将会具有优势,设计易用性是射频器件的发展方向。” 作者:孙昌旭



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