可攜式行動設備，例如行動電話、PDA與筆記型電腦等通常都需要多模且多頻的無線連結能力，因此也帶來了RF電路整合度的更高需求。空間、成本與耗電的限制，使得要為每一個不同通訊模式提供獨立的無線收發器元件已經越來越不可行。

這篇文章將討論一個可能的系統架構，其中RF收發電路鏈的部分可以由不同的通訊通道共用，同時也將討論在RF與基頻功能以及不同形式通訊頻道，例如，行動電話、RF連線與寬頻網路之間採用不同分割方式，並考慮到包括RF電路複雜度與傳輸方式等因素的相對優缺點，也將特別強調在RF與數據機功能間建立標準化數位介面以便取得系統功能分割最佳彈性的重要性。文章並討論將RF與基頻功能整合成單晶片解決方案下RF CMOS技術所帶來的影響，以及可以利用軟體切換來處理不同數據機要求先進向量處理器的發展，並進行有關可能形成滿足所有模式與所有頻帶應用的單一RF結構之可軟體組態與可軟體定義等RF電路概念的討論。

目前最新的GSM行動電話已經進入四頻時代，可以讓使用者隨時跨越五大洲，以使用800MHz、900MHz、1800MHz與1900MHz等GSM頻帶。在此之外，許多設備同時還整合了無線耳機用的藍芽（Bluetooth）無線技術以及SIM卡同步功能。而隨著趨勢的發展，預計也會很快地加入Wi-Fi連線能力來使用VoIP功能，並接收數位地面廣播電視節目、數位音訊廣播以及GPS衛星定位資訊，之後還可能會陸續增加的有無線USB的超寬頻（Ultra Wide Band；UWB）以及透過行動電話連接網際網路的Wi-Max。事實上，不只是行動電話會具備多頻且多模的連線能力，產品聚合化的趨勢發展結果代表著在PDA、筆記型電腦以及遊戲機上也會出現不同的功能組合，因此大部分常見的行動設備都可能需要接收總頻寬將近6GHz的無線傳輸信號，請見(圖一)。

《圖一　未來的行動設備可能需要能夠接收總頻寬約6GHz的無線傳輸信號》

目前在每個通訊頻道使用獨立RF與基頻電路收發器的方式在整體通訊頻道數較少時還能適當運作，隨著90奈米CMOS、新被動元件整合技術與RF系統級封裝（System-in-Package；SiP）技術的發展，帶來了更高的整合度，除了降低這些收發器產品的尺寸與耗電外，更能夠將二或三個收發器整合到一個輕便的可攜式設備上。

不過由於無線通訊頻道數目的增加，這樣的做法再也無法適用，因為不僅所需模組的總尺寸處理上已經相當困難，而且整體的耗電也將威脅到電池的使用時間。另一方面，使用越來越多的矽晶片也會對產品的成本造成影響。此外，由於需要越來越多可能會相互干擾的天線，也更難確保不同的RF頻道能夠共存。

功能分割才是關鍵

一個減低天線問題的方法是讓在相同頻帶運作的通訊頻道共用同一個天線。這個做法相當合乎邏輯，例如讓都在2.4GHz頻帶運作的藍芽與IEEE-802.11b/g Wi-Fi收發器共用天線，由於兩者都是用來提供VoIP服務，其中Wi-Fi拿來連接區域網路，藍芽則應用在無線耳機上，因此以行動電話的應用而言，這兩個介面基本上可以很自然地整合。

雖然額外的通訊頻道持續成為獨立型產品設計的附加功能，但像上面這類理所當然的組合就可能會推動整合的發展，要讓加入這些附加功能的軟硬體影響降到最低也代表了它們將持續被整合到主機上，並儘可能是在主機基頻處理的最後一級，請見(圖二)。因此許多數據機（modem）將繼續與相對的RF接收器緊密結合，不管是整合到一顆單晶片的RF CMOS解決方案或是以RF SIP的方式提供。

《圖二　雖然目前許多的通訊頻道還是屬於附加功能，但設計工程師會將它們整合在基頻處理的最後一級。》

但是當聚合化趨勢越來越流行，同時這些通訊頻道成為標準功能後，如何將RF與數據機功能適當地分割就變得越來越模糊。不管是採用專門的硬體或數位信號處理器，目前許多基頻數據機是在數位領域運作，並在數據機與RF收發器之間搭配必要的ADC與DAC元件，因此要將功能轉移到主機的基頻晶片，或者是將數據機功能整合到一個獨立的連線數據機引擎上就變得相當合乎邏輯。

這樣做不僅可以縮減使用的晶片數目，同時也能夠讓數據機與基頻處理功能快速地由一個CMOS製程轉換到另一個，因此可以縮小矽晶片面積並降低成本，如(圖三)。同時這也能夠讓RF收發器以任何可以提供適當效能的技術來加以實現。對2G、2.5G與3G行動電話收發器來說，雖然目前2G部分已經開始轉換使用RF CMOS製程，但短期內BiCMOS製程還會是主流，目前較低效能的無線收發器採用RF COMS的比率也有越來越高的趨勢。

《圖三　將基頻與數據機功能整合到數位晶片上可以快速地升級到新一代製程。》

另一種做法是將數據機以及相對的RF收發器整合到一個大型CMOS晶片上，並使用目前CMOS製程的RF能力來處理RF部分功能。雖然這樣的做法擁有成為系統單晶片（System-on-Chip；Soc）的可能優勢，但還是有幾個主要的缺點。雖然RF CMOS技術的進步代表了RF收發器可以被整合到CMOS上，最少對複雜度較低的無線連結，例如藍芽與IEEE-802.11b來說是如此，但使用多頻且多模解決方案還是一個高風險的做法，業界在將單一藍芽收發器整合到單一矽晶片上已經耗費了多年的時間，而同時要將多個收發器以只有幾微米的距離整合到相同晶片上更會帶來全新的問題，特別是當這些收發器中的幾個必須要同時運作。此外，要將這種結合RF與數位功能的CMOS設計升級到下一世代CMOS製程的困難度要比純粹數位設計要高上許多，RF CMOS並沒有擁有和CMOS邏輯電路一樣的高彈性，同時在升級後的效能也無法預估，因此極有可能需要進行大幅度的重新設計。

所以短期來說，RF加上基頻的SoC解決方案會是主流，適合只有幾個額外通訊頻道連接到行動基頻主機上的情況，但隨著時間的進展，SoC將會面臨無法支援所需系統整合度要求的問題。

將數據機介面標準化

如果使用以上所描述，在RF與數據機/基頻功能採用不同晶片的第一種做法的話，那麼接下來就需要在它們之間制定一個更加清楚且更標準化的數位式介面來縮減數據機引擎上的腳位數。

這樣的介面設計將能夠讓一個軟體可控制的數據機服務多個不同的RF收發器，特別是在這些不同收發器都使用類似的調變方式時。同樣地，天線共用會決定RF收發器端的系統分割，而調變方式則控制數據機端的系統分割。窄頻數據機，例如藍芽與GSM/GPRS上的應用通常採用實際硬體接線的方式，而較複雜的數據機，例如OFDM/CDMA應用所需通常都以向量式數位信號處理器的方式實現，如果能在RF收發器與數據機之間訂有標準化的介面，將可以讓數據機分割的效用發揮到極限。

不再把RF收發器、數據機與應用引擎整合到相同晶片，而是以RF CMOS製程要追上基本CMOS製程發展速度的方面來看，比較合理的做法是將RF與RF、數據機與數據機以及應用處理器與應用處理器整合。行動產業處理器介面（Mobile Industry Processor interface；MIPI）聯盟已經著手進行行動應用處理器標準軟硬體數位介面規格的制定，目前需要的是一系列類似已經推行到行動電話上的DigRF與DigRF3G的標準RF到數據機介面規格，並且需要接受更廣泛的無線通訊標準，而包括802.11g/n、TV-on-Mobile（DVB-H）與WiBro/Wimax等標準也將能夠從這樣的一個高速串列數位式RF到數據機介面獲益。

可重新組態的RF電路

由這個分割方式所提供的彈性與軟體可程式功能也將帶來另一個目標，也就是可重新組態RF電路概念的演化途徑，被視為最有可能在未來行動設備尺寸、耗電與成本限制條件下滿足無所不在無線通訊目標最有潛力的方法之一，可重新組態的RF電路能讓相同的收發器與數據機電路鏈透過軟體控制重新組態，並在不同頻帶與不同調變方式間切換。

實現可重新組態RF電路的最大挑戰是要用可切換或可調整的濾波器來取代固定頻率濾波器，以維持行動設備所需的整合度，這將牽涉到新RF微機電系統（Micro Electro-Mechanical System；MEMS）元件的發展，同時也需要收發器電路鏈能夠比目前更加數位化，不僅要提供給數據機數位化介面，而且還要能夠讓收發器的效能可以隨時針對不同調變方式的要求進行最佳化調整。RF CMOS在這個部分可能會扮演相當關鍵的角色，搭配將ADC與DAC推近天線位置的新收發器架構。對發送通道來說，這同時也代表了必須進行Class E（交換模式）、Class G（軌切換）或Class S（電源調變）RF功率放大器的發展以提供更具電源效率的寬頻帶解決方案。

可重新組態RF電路的好處是不再需要針對每個通訊標準或模式組合提供專用的解決方案，讓設計工程師可以透過加入相同的模組升級。在實際應用上，這樣的解決方案不太可能會存在，但卻有可能只用幾個不同的解決方案組合就能涵蓋相當寬廣範圍的通訊頻道，如(圖四)。

《圖四　可重新組態RF電路可以透過採用幾種解決方案的組合讓系統升級》

無所不在的無線通訊環境

無線通訊承諾帶來一個隨時隨地、隨心所欲的連線環境，目前的問題在於依舊受到通訊頻道的限制，甚至當已經知道需要什麼，並且也知道要到哪裡取得時，還是得先透過適當的通訊頻道，不管是寬頻網際網路連線、GPRS或EDGE行動通訊網路、區域網路或是標準電話線才能使用，同時還得經常需要動手進行連線的程序，例如撥號或登入等等。

面對未來，消費者需要的是一個不需知道通訊透過哪個頻道進行的串流系統，但沒有一個單一通訊頻道，甚至是未來可能出現的4G，能夠讓使用者不論在家中走動、到郊區活動或者是以高速汽車旅行時均能維持連續且高品質的服務。為了能夠提供平順的資訊流通，不同的通訊頻道間必須要相互合作，平順地處理由行動通訊切換到區域網路，然後再到衛星網路之間的變化，讓使用者甚至無法察覺背後的處理方式。具備相當高硬體重複利用性的可重新組態RF電路是實現這個願景的動力之一，因為要將許多的RF電路整合在一起，而且其中大部分無法被連續或同時使用時就不經濟。

可重新組態RF電路同時也開啟了頻譜使用的新可能。在實際情況下，0到10GHz之間的頻譜使用率通常低於10％，這也就代表了有許多頻寬並未被使用，無線消費性電子產品的問題則是被制定標準的組織強迫使用相當窄的頻帶，而其他的頻譜卻分配給包括電視廣播或軍事應用等服務使用，這樣的限制雖然目前還未影響到無線產業的發展，但當無所不在的無線通訊環境越來越普及時就可能會出現問題。

這也就是為什麼FCC已經提出提案，要開放授權頻帶給公眾使用。提案的系統規劃依優先次序使用這些頻帶，例如緊急服務通訊的傳遞以及授權使用的優先權就高於不需授權的公眾應用，透過這樣的方式，頻譜就能夠隨時依據當地的需求使用，同時也可確保使用相同頻帶的系統能夠共存。動態頻譜分配的推動通常被稱為感知式無線電路（cognitive radio），原因是這類的無線電路必須要能夠偵測某個特定頻帶是否正被使用，並依照優先順序來協調使用權，因此它們必須要能夠在幾個不同的頻帶下運作，並且能夠靈活地改變載波頻率與調變方式。要達成這樣的目標，整個傳送與接收電路鏈就必須要可以重新組態，這就需要有關多頻天線、可切換濾波器、高度數位化收發器、先進向量處理器與MAC軟體等各領域的全新發展。

開發能夠針對各種多樣化傳輸標準執行軟體編解碼、數據機與頻道濾波功能的高彈性數位式向量處理器，以及具有端對端可重新組態能力的RF電路架構，其最終目標是開發出一個不僅能夠在不同標準間切換，同時還可以在多重標準下同時運作的收發器/基頻架構，而這正是推動未來感知式無線電實現的動力。

（作者為飛利浦半導體射頻部門副總裁）

市場動態	SiGe 技術已經應用於高功率放大器產品，如CDMA和GSM手機。由於這種半導體可以整合更多電路，它將在未來功率放大器與無線射頻（RF）電路的整合方面發揮重要作用。相關介紹請見「淺談無線通訊功率放大器矽鍺技術之應用」一文。 隨著半導體製造能力允許在單顆晶片上整合數千閘邏輯電路，系統單晶片開始成為未來IC技術的中心。不過，當人們在談論SoC時，他們實際談論的只是一部份的系統，僅是把數位基頻與數據轉換器、一些高速類比I/O、甚至一些射頻電路整合在一起，只要它不會太複雜。你可在「提高射頻電路整合度以因應多模手機設計挑戰」一文中得到進一步的介紹。 由於LCD TV銷售大好行情，由於國內外LCD面板廠今年均大舉提高液晶電視出貨量及比重，國內大尺寸LCD驅動IC供應商聯詠、奇景等，已經擴大向晶圓代工廠下單。在「數位RF技術克服SoC整合挑戰」一文為你做了相關的評析。

相關網站	MIPI行動產業處理器介面聯盟 FCC美國聯邦通訊委員會 Philips飛利浦電子網站