發布日期：2022-07-15 點擊率：30
“嘿,約翰,我是你的手機。你在第23條街和第五大道的交匯處靠近星巴克的地方把我丟下了。我已經用電子郵件告訴你我的方位。我等著你喔。”這是科幻小說嗎？不是,只要FCC、軍方和現在的半導體和軟件業愿意去實現的話,這完全可以成為現實。受更智能地優化頻譜的需求推動,FCC于去年12月發出了關于如何以最佳方式實現感知無線電(cognitive radio, CR)概念的提議,這個提議具有里程碑意義。由于CR有可能賦予無線電設備根據頻帶可用性、位置和過去的經驗來自主確定采用哪個頻帶的功能,因此它實際上已經超越軟件無線電的概念,成為無線電設計的新“圣地”,并推動無線電設計和研究領域的專家不斷去深入探索。
CR的概念起源于Joseph Mitolo博士的奠基性工作,CR的學習能力是使它從概念走向實際應用的真正原因。有了足夠的人工智能,它就可能通過吸取過去的經驗來對實際的情況進行實時響應,過去的經驗包括對死區、干擾和使用模式的了解。盡管CR概念的軟件和智能的需求仍有待研究,但它對無線電本身的要求是很明顯的:如果一個CR能針對功率、距離和所要求的數據率進行頻譜優化,那么就必然需要一個極其靈活的射頻前端。該前端必須工作在已經許可和未經許可的頻帶上,并能處理各種各樣的接口。這些接口包括從800MHz的UHF電視頻帶到藍牙、超寬帶(UWB)、無線局域網(WLAN),以及WiMax和多種多樣的2G、和3G蜂窩標準。
實際上現在的無線電技術已經相當“聰明”:藍牙通過自適應跳頻增強了其相互設備間共存的能力,避免了干擾；蜂窩無線電可以調整其功率水平；WLAN可以根據環境條件在一定程度上完成自適應調制,以降低其數據速率。展望未來,研究人員正在尋找更好方法來選擇WLAN客戶機最適合的接入點(AP),而非盲目地選擇具有最高信號強度的AP。它可能會很快詢問該AP的數據負載情況,如果其負載太高,那就不如選擇一個具有較低信號強度但有更大容量的AP。
然而,所有這些無線電共存于單一的頻帶內,因而幾乎所有的智能性和靈活性均源于其基帶和調制解調器或媒體訪問控制(MAC)。許多年來,軟件無線電技術的應用一直是設計工程師的一個迫切需求,尤其是在軍事領域,他們試圖用可以適應多個頻帶的高靈活性RF和混合信號前端來彌補后端處理的靈活度。盡管這樣的努力已經獲得成功,但還主要應用在基礎設施或采用市電供電的系統中,基本上沒有用在小功率的移動設備。
現在,受CR的潛力及其在無線電領域公認的“下一件大事情”的激勵,全世界的設計師、研究員和學術界已經重新激發了開展RF研究的活力,盡管仍然存在巨大困難。低功率環境下俘獲并處理從幾百兆赫茲的電視信號到6GHz的WLAN信號所涉及的功率和性能問題,都需要探索天線、開關和濾波器設計的新概念,以及下/上變頻器和模數轉換器的設計。而這些必須同不斷發展的工藝技術結合,只有這樣才能充分實現CR的優勢。
無線電技術的新問題
盡管在無線電的發展歷史上一直在進行各種各樣的模擬器件的研究,但CR引入了它獨有的一個設計問題,即干擾溫度(interference temperature),這是FCC締造的一個術語。干擾溫度是指一個CR必須知道其位置并“感測”它可能帶給附近無線電設備的干擾,而且還要準確知道在任意給定時刻它可以使用的空中接口是什么,而無論這種接口是采用什么頻段。在特別的情況下將允許它與某頻段的真正所有者同時分享該許可頻帶,盡管可能一旦該所有者重新啟動傳輸后,該CR將不得不尋找另一個頻帶。
然而,確定一個無線電設備對其它未知無線電設備可能引起的干擾非常困難,研究界為此費盡心機:到底是該采用一個完全自主的感測方法呢還是基于數據庫的方法？后一種方案是所有無線電設備將他們的參數和位置都輸入該數據庫,并不斷查詢該數據庫來得到在其影響范圍內有哪些無線電設備,以及這些無線電設備降低干擾的能力。鑒于這個問題的解決難度,采用智能感測和數據庫相結合的設計也許更為合適。
過采樣率A/D轉換器的研究
除了上面的問題以外,傳統的RF設計挑戰依然存在。隨著越來越多原本屬于模擬/混合信號的功能進入數字電路部份,包括所有解調和信道化功能,RF前端已經有效地成為A/D轉換器的一個信號調節級。A/D轉換器主要功能是減輕干擾對有用信號的不良影響,從理論上來講,A/D轉換器現在可以跨過任何中間頻率級,更靠近天線,并直接把有用的RF頻帶轉換到數字信號。而對于數字電路而言,摩爾定律可以實現濾波和處理方面的發展需求,并引入最大程度的靈活性。
但是實際的發展并沒有那么快。在RF頻率區的采樣將增加功耗,而且A/D轉換器將需要很高的分辨率以解決各種干擾,這意味著A/D轉換器需要更多的位數。盡管在過去15年內,A/D轉換器的位效率有了非常大的提高,從10到100個皮焦耳(picojoule)下降到1到10個皮焦耳,但功率隨位數呈指數級上升這個事實意味著采樣速率達到2G/s的低功率12位A/D在短期內還無法實現。
一個替代方案是用較少的位數并提高采樣率。由于功耗是隨時鐘速率線性增加,而功耗和所用位數有指數關系。這引導研究人員朝1位的Σ-δ轉換器與過采樣技術相結合的方向探索。所謂“過采樣”就是以信號頻率許多倍的速度進行采樣。盡管奈奎斯特只要求信號頻率的2倍來采樣,但“過采樣”達到8倍或更高。過采樣的好處是通過模擬前端反饋和數字信號處理能夠實現絕大部分信號的恢復,但缺點是極高的采樣速率難以實現。例如,對相當于2G/s的采樣來說,如果轉換器過采樣率為16倍,即達到32G/s的采樣,現在的技術還不能實現這樣高的采用率。盡管閃速轉換器可以比傳統的采樣/保持轉換器達到更高的速率,但其代價是更高的功耗。因而,研究工作應該集中在較簡單的過采樣Σ-δ轉換器,并重點放在提高采樣速率上。
盡管RF采樣尚處在非常早的開發階段,但德州儀器公司在今年利用其90納米的高速CMOS技術演示過一個在信道、RF采樣直接變換藍牙無線電設備。該無線電設備用德州儀器公司的數字RF處理(DRP)技術來實現,并用的RF頻率來采樣。由于藍牙信道僅有1MHz,1Mbps的數據率相對較低,性能要求也相對較低,因此很適合過采樣的起步研究。TI公司表示將采用相同技術來實現單芯片GSM射頻電路,并計劃在今年底公布。
縱向集成還是橫向集成？
盡管目前研究仍然繼續集中在寬動態范圍的A/D上,這種A/D也許在10到15年后可工作在RF頻率區一個很寬的頻譜上,但A/D轉換將繼續駐留在超外差中頻(IF)或低IF無線電和直接變頻無線電的基帶上。這使得無線電設計還沿著傳統道路發展,并盡可能多地集成信號鏈路,從而節省成本和空間,并降低功耗。
推動蜂窩網和IP網絡(如WLAN)之間的無縫漫游已經成為一個新引入的決策點。蜂窩(GSM/GPRS/EDGE/W-CDMA和2G及 CDMA)和多種無線連接方案(藍牙、UWB、Wi-Fi和WiMax)的無線電設計工程師必須對是搞縱向集成還是搞橫向集成作出決策。初創公司Quorum Systems選擇后者,并宣布它已經將一個GSM和的Wi-Fi/藍牙無線電收發器部分集成到單芯片之內。而另一個初創公司Berkana Wireless則選擇縱向集成,用CMOS把一個GSM/GPRS無線收發器集成在一起。對Berkana公司以及幾乎所有的大半導體廠商來說,蜂窩電話接入Wi-Fi和藍牙的速率在可預見的將來仍舊會很低,這也驗證他們這種集成的合理性。
然而Berkana現在正跟著那些主流半導體公司亦步亦趨,而Quorum的橫向集成舉措也許是一家新創公司所需走的差異化之路,一旦接入速率提高就可能獲得成功。最近公布的自由移動接入(UMA)組織調查結果表明,運營商對迅速部署的多種網絡接入功能手機很感興趣,這種手機可能于明年初開始應用。Quorum的發展策略中包含了這種手機。
不過,最可靠的發展途徑是分別縱向集成蜂窩接入和各種其它接入方案,采用系統級封裝(SiP)技術或廣泛采用先進無源集成的多芯片模塊。每個階段還可用最佳的工藝來實現,如SiGe、BiCMOS或bulk CMOS,具體做法取決于可獲取的資源和制造能力。這兩種芯片之間的接口可以用一個基本的SDIO來完成。隨著時間的推移,橫向集成將可能得到發展,并基于共享基帶和DSP資源開始起步。
這種縱向集成策略還有另一個主要優點,即它符合這樣一個事實:除非各個蜂窩和無線接入標準組織共同努力(這在短期內并不現實),否則總會需要兩個無線電模塊同時工作以實現相互之間的傳遞,或者在通過Wi-Fi實現數據傳輸的同時通過GSM進行通話,而不能用單一的無線電模塊來實現這兩方面的工作。這將造成當多個軟件無線電前端真正出現時,我們可以將它們并聯,有的用于蜂窩,有的用于可連接性,有的甚至用于定位(GPS和Galileo)連接。
CMOS技術在射頻中的應用
盡管幾乎沒有任何跡象表明RF前端技術短期內將取得充分發展,從而淘汰掉多RF鏈路,并去掉即將在匯聚基帶中不再使用用的轉換模塊,但許多很有前景的技術和方法正用來減輕對體積、功耗和成本的負面影響。
這當中最主要的是亞微米和深亞微米CMOS工藝,開發此類技術的公司如德州儀器(TI)和英特爾。盡管在RF和混合信號領域內與其他一些技術相比,CMOS本身一直扮演著次要的角色,但英特爾公司的進展正在扭轉這種現狀,該公司已經成功采用65納米工藝制造10GHz壓控振蕩器,它在的噪聲值低于,而且英特爾正在研究0到5GHz的寬帶低噪聲放大器(LNA)。
亞微米CMOS工藝技術的發展打開了快速、低功率信號處理的途徑,并可用于彌補CMOS在噪聲、敏感度和功率輸出等參數方面的不足表現。亞微米CMOS工藝還是開發節省功率和減小體積的直接變頻無線電的一個關鍵技術,直接變頻無線電省去了體積較大的聲表面波(SAW)濾波器和大量的其它無源器件。
高速、低功率CMOS還廣泛用于無線電的模擬部分。這促進了傳統的模擬前端向采用數字技術輔助的模擬前端塊的大規模變遷,在這種變遷中數字校準用來補償工藝和環境因素的變化,從而提高鎖相環和合成器等關鍵模塊的準確性。然而,最令人感興趣的是CMOS能夠幫助改進管道式以及通頻帶δ-Σ A/D的性能。這種研究將使高性價比直接RF采樣成為可能。
MEMS帶來RF前端設計靈活性
盡管根據功耗和空間對各個模塊進行優化是減輕多RF鏈路所帶來的尺寸和功耗問題的一條途徑,但還有其它途徑可以實現這種優化。第一條途徑是復用該鏈路中的耗能部分,如本振。英特爾公司已經成功開發了1.8到的CMOS本振。第二條途徑是用RF微機電系統(MEMS)來代替前端預選擇濾波器,這是利用一個懸臂的電控動作來改變電容和電感濾波器元件的參數值,它們還可用來改變天線的匹配。這些器件可以在毫秒級的時間內改變一個濾波器的特征參數,而且它們本身幾乎就是完美連接線,因此不會產生任何損耗。然而,可靠性、體積和成本問題仍然沒有解決。不過,很多研究人員堅信MEMS是實現靈活的RF前端的重要技術之一。
作者:柏萬寧
