WCDMA-GSM 七頻段手機(jī)射頻前端的簡化設(shè)計(jì)?

沈聰，趙曙光，殷悅，袁茂愷

（東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620）

WCDMA-GSM 七頻段手機(jī)射頻前端的簡化設(shè)計(jì)?

沈聰，趙曙光，殷悅，袁茂愷

（東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620）

通過分析使用SP9T天線開關(guān)實(shí)現(xiàn)WCDMA-GSM雙模七頻段的典型手機(jī)射頻電路，提出了一種采用SP4T天線開關(guān)的簡化設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)在保證性能的前提下，極大地降低了成本和器件面積。測試結(jié)果表明，該方案各項(xiàng)射頻指標(biāo)，包括發(fā)射功率、靈敏度、PVT、頻率誤差、相位誤差、調(diào)制頻譜和開關(guān)頻譜等，全部符合3GPP的通信標(biāo)準(zhǔn)，完全能夠?qū)崿F(xiàn)WCDMA和GSM兩種移動通信制式的7個(gè)頻段的通信能力。該方案已成功應(yīng)用于實(shí)際的手機(jī)產(chǎn)品當(dāng)中。

WCDMA-GSM雙模手機(jī)；射頻前端；SP4T天線開關(guān)；簡化設(shè)計(jì)

1 引 言

目前GSM制式的手機(jī)仍然占據(jù)大部分市場，而3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中WCDMA全球市場占有率最高，技術(shù)最完善，所以WCDMA-GSM雙模手機(jī)將得到廣泛應(yīng)用。而為滿足全球需求，方便擴(kuò)展頻段，縮短上市時(shí)間和降低開發(fā)成本，主流射頻方案需要支持GSM 4個(gè)頻段（850 MHz、900 MHz、1 800 MHz和1 900 MHz）和WCDMA 3個(gè)頻段（850 MHz、1 900 MHz、 2 100 MHz），加上未來要預(yù)留給LTE的頻段，手機(jī)必須能夠處理多頻段的信號，復(fù)雜性將越來越高。在保證性能的前提下，成本和外形尺寸將是WCDMA雙模多頻手機(jī)設(shè)計(jì)面臨的重大挑戰(zhàn)［1］。

當(dāng)前主流方案采用單刀九擲（SP9T）的天線開關(guān)來實(shí)現(xiàn)WCDMA和GSM共7個(gè)頻段的配置，成本較高，也占用較大的元件布板面積。本文通過選擇合理的射頻器件和配置使用單刀四擲（SP4T）的天線開關(guān)實(shí)現(xiàn)同樣的功能，力求降低成本和元件面積，增強(qiáng)與同類產(chǎn)品的競爭力。

2 典 型WCDMA-GSM七頻段射頻前端架構(gòu)分析

當(dāng)前要實(shí)現(xiàn)WCDMA-GSM 7個(gè)頻段的信號處理，主流的方案是使用SP9T的天線開關(guān)，其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種方案要使用的主要器件有一個(gè)SP9T天線開關(guān)、7個(gè)接收聲表面濾波器（SAW）、3個(gè)發(fā)射SAW、一個(gè)兼容高低頻的GSM發(fā)射模塊、3個(gè)WCDMA功率放大器和3個(gè)天線雙工器［2］。這樣的架構(gòu)可以滿足WCDMA-GSM 7個(gè)頻段的信號收發(fā)處理，但是需要比較多的元件和較大的PCB布板面積，這對手機(jī)成本的控制、PCB布板、射頻性能以及多媒體的擴(kuò)展應(yīng)用不利。

圖1 典型WCDMA-GSM七頻段手機(jī)射頻前端架構(gòu)Fig.1 Typical RF front-end structure ofWCDMA-GSM seven-bandmobile phone

3 基 于SP4T天線開關(guān)的射頻前端的設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)使用SP4T的天線開關(guān)實(shí)現(xiàn)WCDMAGSM雙模七頻段。采用一個(gè)內(nèi)置兩個(gè)功率放大器的GSM射頻前端模塊，用來切換4個(gè)GSM頻段發(fā)射和兩個(gè)GSM頻段接收的開關(guān)。此外在接收方面，GSM850與WCDMA Band V、GSM1900與WCDMA Band II都是在同一個(gè)頻段工作，選用合適的天線雙工器可以共用一條接收通路。下面具體分析選用的主要器件。

3.1 QSC6270

QSC6270是美國高通公司的世界上第一塊集成了HSDPA／WCDMA和GSM／GPRS／EDGE的單芯片，它包含了基帶處理模塊、射頻處理模塊和電源管理模塊，功能齊全，極大地降低了成本和布板面積［3］，已成功應(yīng)用于多個(gè)WCDMA手機(jī)案例，技術(shù)較為成熟。

3.2 SP4T天線開關(guān)

本設(shè)計(jì)采用SP4T天線開關(guān)，以SKYWORKS的 SKY14151-350LF為例，在25℃、電源電壓為2.5～3 V、端口負(fù)載為50Ω的條件下，其插入損耗、隔離度和回波損耗都符合性能要求［4］。利用這個(gè)特性，GSM高低4個(gè)頻段從850～1 900 MHz都可以共同使用其中一條通路而不必分開不同的通路。同時(shí)需要考慮所使用的天線開關(guān)從低頻到高頻的各個(gè)指標(biāo)性能，SKY14151-350LF在0.9 GHz的P0.1dB為37 dBm，1.8 GHz的P0.1dB為34 dBm，可見線性度和最高功率都完全滿足各個(gè)頻段的性能指標(biāo)，其余指標(biāo)（包括各通路隔離度、插入損耗、回波損耗和三階交調(diào)）也都滿足要求。

3.3 GSM射頻前端模塊

由于使用了SP4T的天線開關(guān)，GSM高低4個(gè)頻段都共用一個(gè)通路，那么就必須使用一個(gè)兼容高低頻率的收發(fā)選擇模塊來按需要在4個(gè)頻段間切換。

選用射頻前端模塊時(shí)，需考慮其各個(gè)工作頻段的增益、P1dB（1 dB增益壓縮點(diǎn)）、隔離度、效率、三階截點(diǎn)、插入損耗等。本方案采用的是SKYWORKS的SKY77542模塊，這個(gè)GSM／GPRS雙頻前端模塊內(nèi)置一個(gè)低頻功放可用于GSM850和GSM900的功率放大，一個(gè)高頻功放用于GSM1800和GSM1900的功率放大。同時(shí)它包含一個(gè)高頻（GSM1800）、一個(gè)低頻（GSM900）接收通路。工作時(shí)信號從ANT端口入，通過內(nèi)置的開關(guān)在各個(gè)頻段的收發(fā)端口間切換，即可以用一條通路完成任意GSM 4個(gè)頻段的發(fā)射和兩個(gè)頻段的接收［5］。

3.4 天線雙工器

WCDMA采用的是FDD方式，收發(fā)同時(shí)進(jìn)行，所以要用天線雙工器來將收發(fā)信號隔離而不至于互相影響。天線雙工器是由一個(gè)發(fā)射SAW和一個(gè)接收SAW組成的［6］，而由于GSM850與WCDMA Band V、GSM1900與WCDMA Band II都是在同一個(gè)接收頻段工作，那么就可以讓GSM850和GSM1900的接收信號分別通過WCDMA Band V和WCDMA Band II天線的雙工器接收進(jìn)來，從而省去它們各自的兩個(gè)接收SAW。

選用的WCDMA天線雙工器的接收濾波器不僅要滿足WCDMA頻段要求，也要滿足對應(yīng)的GSM頻段規(guī)格。以富士通型號為FAR-D6NF-1G9600-P1BZ的WCDMA Band II天線雙工器為例，在GSM1900的接收頻率范圍內(nèi)（1 930～1 989 MHz）其性能完全滿足要求。同樣，WCDMA Band V的天線雙工器的接收濾波器也滿足GSM850接收信號的要求。

同時(shí)，由于現(xiàn)在雙工器的發(fā)射接收隔離度和S21性能比較好，完全可以省去WCDMA 3個(gè)頻段的接收濾波器。

3.5 方案整體框架

綜上所述，該設(shè)計(jì)整體方案如圖2所示。該方案與主流的方案相比，省去了5個(gè)濾波器，SP9T的天線開關(guān)簡化為SP4T的天線開關(guān)，不但節(jié)省了成本，而且也減少了器件個(gè)數(shù)和尺寸，有利于避免高頻下容易互相干擾的器件由于靠得太近而對射頻性能產(chǎn)生影響。

圖2 簡化后的射頻前端方案Fig.2 The simplified design of RF front-end

4 方 案性能分析

本方案簡化了射頻前端的設(shè)計(jì)，但有兩點(diǎn)在研發(fā)調(diào)試階段需要注意。

（1）匹配問題

本方案從天線開關(guān)到GSM前端模塊上GSM高低4個(gè)頻段的信號共用一個(gè)通路，由于不同的頻段都有其最佳的匹配電路，這樣會一定程度影響匹配的調(diào)節(jié)，需要通過反復(fù)的調(diào)試在高低頻之間找到一個(gè)讓各個(gè)頻段性能都滿足要求的匹配網(wǎng)絡(luò)，從而獲得最大的功率傳輸、最小的噪聲系數(shù)，改善寬頻帶響應(yīng)。且要注意的是這個(gè)前端模塊還要走GSM900和GSM1800的接收通路，這個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)也會影響它們的接收指標(biāo)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最好在FEM的ANT端只落地一個(gè)6.2 nH左右的電感，再分別調(diào)試高低頻功放前級匹配會得到比較理想的結(jié)果。

（2）插入損耗問題

通常FEM比GSM發(fā)射模塊要多約0.5 dB的插入損耗，而在接收端，天線雙工器的插入損耗比濾波器大1.5 dB左右，插入損耗直接影響到發(fā)射功率和接收靈敏度。這個(gè)問題通過匹配的調(diào)試是能夠滿足要求的。

綜上所述，本方案GSM頻段的匹配調(diào)節(jié)是難點(diǎn)，通過調(diào)試找到滿足GSM 4個(gè)頻段要求的最佳匹配網(wǎng)絡(luò)，表1是調(diào)試完成后GSM發(fā)射飽和功率和靈敏度的測試數(shù)據(jù)。3GPP標(biāo)準(zhǔn)為GSM850和GSM900的飽和功率為33±3 dBm，GSM1800和GSM1900的飽和功率為30±3 dBm，GSM的靈敏度要求是在Cell Power為-102 dBm時(shí)，BER小于2%［7］?？梢娫撛O(shè)計(jì)GSM 4個(gè)頻段高低信道的指標(biāo)均達(dá)到了3GPP標(biāo)準(zhǔn)，并有一定的余量。此外，GSM的其余指標(biāo)（包括PVT、頻率誤差、相位誤差、調(diào)制頻譜和開關(guān)頻譜）也均符合3GPP測試標(biāo)準(zhǔn)。

表1 GSM頻段的發(fā)射飽和功率和靈敏度Tabe 1 Themaximum transmit power and sensitivi ty of GSM band

5 結(jié) 語

隨著移動通信技術(shù)的高速發(fā)展、多媒體應(yīng)用的不斷擴(kuò)充和全球通信對多模多頻段的需求，手機(jī)設(shè)計(jì)的成本和尺寸已經(jīng)成為未來重大課題。

本設(shè)計(jì)創(chuàng)新地采用了SP4T的天線開關(guān)和一個(gè)GSM FEM配合，并共用了WCDMA和GSM相同接收頻段的接收通路實(shí)現(xiàn)了本來需要SP9T天線開關(guān)才能實(shí)現(xiàn)的WCDMA-GSM雙模七頻段的射頻前端架構(gòu)，較之主流的設(shè)計(jì)降低了成本和PCB布板面積，為物料成本控制、基帶功能的擴(kuò)展、提高產(chǎn)品競爭力提供了思路。經(jīng)過全面測試，WCDMA和GSM的所有指標(biāo)都符合3GPP測試標(biāo)準(zhǔn)并有一定余量，使用本方案設(shè)計(jì)的手機(jī)完全達(dá)到了生產(chǎn)和銷售的要求。

本方案為手機(jī)射頻前端設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路，有很高的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也可以擴(kuò)展到其它的移動終端上。

［1］李儉偉.WCDMA手機(jī)終端發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析［J］.通信世界，2003（23）：17-19. LIJian-wei.WCDMA mobile terminal status and prospect of development［J］.CommunicationsWorld，2003（23）：17-19.（in Chinese）

［2］愛普科斯（EPCOS）公司.“全球手機(jī)”前端解決方案——多模多頻手機(jī)用射頻模塊［J］.世界電子元器件，2008（4）：15-18. EPCOSCompany.Front-end Solutions forWorld Phones——RF Modules for Multimode Multiband Mobile Phones［J］. Global Electronics China，2008（4）：15-18.（in Chinese）

［3］Eric Garlepp.單芯片手機(jī)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)［J］.電子產(chǎn)品世界，2006（4）：76-81. Eric Garlepp.Benefits and Challengesofa Single-Chip Phone［J］.Electronic Engineering＆ProductWorld，2006（4）：76 -81.（in Chinese）

［4］李俊，張紅雨.高頻RFID前端SP4T的設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（07）：92-94. LI Jun，ZHANG Hong-Yu.Design of SP4T in Utra-high Frequency RFID［J］.Modern Electronics Technique，2009（07）：92-94.（in Chinese）

［5］SKYWORKS.SKY77542 Tx-Rx iPACTMFEM for Dualband GSM／GPRS（880-915 MHz），（1710-1785 MHz）［EB／OL］.2009-02-17［2011-03-15］.http：／／www. skyworksinc.com.

［6］林智群，劉久玲，何世堂.聲表面波陷波器與縱向耦合結(jié)構(gòu)相結(jié)合［J］.壓電與聲光，2007，29（3）：247-249. LIN Zhi-qun，LIU Jiu-ling，HE Shi-tang.SAW notch filter coupled with ladder-type filter［J］.Piezoelectrics＆Acoustooptics，2007，29（3）：247-249.（in Chinese）

［7］TS52.010-5 Rel-9 Version 9.2.0 2010，3GPP（MS）standards［S］.

SHEN Cong was born in Nanning，Guangxi Zhuang Autonomous Region，in 1986.He received the B.S.degree in 2009. He is now a graduate student.His research direction is communication and information system.

Email：shencong＠longcheer.net，shen1170＠163.com

趙曙光（1965—），男，陜西西安人，2003年獲博士學(xué)位，現(xiàn)為東華大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚?、電子設(shè)計(jì)自動化；

ZHAO Shu-guang was born in Xi′an，Shaanxi Province，in 1965.He received the Ph.D.degree in 2003.He is now a professor and also the Ph.D.supervisor.His research concerns intelligent information processing and electric design automation.

Email：sgzhao＠dhu.edu.cn

殷悅（1988—），女，江西南昌人，2009年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾盘柵c信息處理；

YIN Yue was born in Nanchang，Jiangxi Province，in 1988. She received the B.S.degree in 2009.She is now a graduate student.Her research direction is signal and information processing.

Email：miuyy1988＠qq.com

袁茂愷（1991—），女，四川樂山人，主要研究方向?yàn)樽詣踊屯ㄐ畔到y(tǒng)。

YUAN Mao-kai was born in Leshan，Sichuan Province，in 1991.Her research concerns automation and communication system.

Email：yuanmaokai91＠126.com

Sim plified Design of RF Front-end for WCDMA-GSM Seven-band M obile Phones

SHEN Cong，ZHAO Shu-guang，YIN Yue，YUAN Mao-kai
（Information Science and Technology College，Donghua University，Shanghai201620，China）

This paper introduces a simplified design of RF circuits ofWCDMA-GSM dual-mode seven-bandmobile phone based on the SP4T antenna switch through analysing the typical architecture by SP9T antenna switch. This design reduces the cost and components area greatly and also promises the performance.Test result shows all RF performances of this design including transmit power，sensitivity，PVT，frequency error，phase error，modulation spectrum and switching spectrum are consistentwith the 3GPP communication standard，and the design can realize WCDMA and GSM seven bands communication.This design has been successfully applied in mobile phone development.

WCDMA-GSM mobile phone；RF front-end；SP4T antenna switch；simplified design

TN82；TN925

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.08.027

沈聰（1986—），男，廣西南寧人，2009年獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為碩士研究生，主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)；

1001-893X（2011）08-0130-04

2011-03-21；

2011-05-04