全球通用行動電信系統（UMTS）是第三代行動通訊系統中所預見的技術之一。第三代行動通訊系統，是現有的泛歐數位式行動電話系統（GSM）的後繼者。UMTS有著不同的特定頻率波段，而完全的適用於歐亞、北美與日本，所以已經成為了一項真正的全球標準。UMTS行動電話的設計業者需要多頻來支援全球漫遊、更多的功能及更快的資料傳輸率、以及更小與價廉的零組件。

對於這種挑戰的一項解決方案，則是一種單晶片互補式金氧半導體射頻收發器（single-chip CMOS RF transceiver），俾能支援在寬頻分碼多工存取（WCDMA）式通用陸上無線電接取分頻多工（UTRA FDD）計畫內目前所指定的所有UMTS頻率波段。包含這種晶片的UMTS電話將能夠在歐洲、亞洲、北美與日本使用，方便的聯繫到當前全世界大多數行動電話服務廣佈的地區。

本文將討論把多頻能力整合到單晶片的設計方法，而且將提出一種先進的製程，讓一種覆蓋面積（footprint）符合行動電話尺寸外型（form factor）的設計需要。設計上的問題包括開發一種適應式的基頻接收濾波器（Rx baseband filter）、收發都能使用完全整合的分數N型鎖相迴路 （Fractional-N PLL）、以及多重、能夠彈性編程的前端控制（front-end control）。

UMTS：具有不同頻率的全球標準

UMTS頻率在歐洲、亞洲與日本是專門分派給3G，而且不與其它服務衝突。這種情形在北美略有不同，因為在北美，國際電信聯盟（ITU）所分配的UMTS頻譜已經用於2G（1900MHz範圍）與衛星通訊了。雖然在釋放這種頻譜方面有所努力，但是在近期內UMTS在北美還是不得不與現有的2G服務共用頻譜，這也成了射頻設計業者額外的挑戰，而使用一具在混合濾波器模式（hybrid filter mode）所啟動的陷波級間濾波器（notch interstage filter）的架構就可解決該挑戰。一具額外的陷波濾波器（notch filter）能夠經由軟體編程而啟動，俾能達成特定UMTS 對於Band II 與III的要求。

由於不同的波段指定出來了，所以要預測未來幾年中市場上需要哪種實質的波段支援是一項真實、難以克服的挑戰。最受歡迎的波段組合是要求要有 UMTS Band I、II、與V，俾能在全世界漫遊。Band I（UMTS 2100）用於歐洲、韓國、日本與中國大陸，Band II（UMTS 1900）與Band V（UMTS 850）用於北美與拉丁美洲。 Band IV（UMTS 1700/2100）與Band II的結合似乎特別適合北美，而Band VI（UMTS 800）與IX（包含在Band III之內）則用於處理多重波段的日本市場。在這種不確定性之下，成功的關鍵因素則是在於多重波段支援的設計提供了彈性。

系統概要

為了達成真正的多重波段操作，架構設計包含了三個零中頻（zero-IF）接收途徑（Rx path）、三個直接轉換（direct-conversion）發射途徑（Tx path）、與兩個分數N型（fractional-N）合成器。IC所有的功能都是由以三線匯流排（3-wire-bus）概念為基礎，具彈性、且與多重標準相容的編程介面所控制，從而提供向下相容（backwards-compatibility）以及全部的讀/寫存取。

這種直接轉換接收器把完全的差動訊號途徑（differential signal path）提供給每個波段。在接收鏈裡的訊號過濾是由校準過、主動的基頻濾波器，輔以額外的二階軟體編程（2nd order programmable）陷波濾波器在2.7MHz所達成的。所有的直流電壓偏移（DC offsets）都由內部電路系統來補償。

接收器一般都提供非常線性的設計以及傑出的敏感度─這是重要的參數之一。接收端的增益控制器是具有高度的線性，所以在生產中所需要的校準點很少，而把這種優點直接轉變成時間的節省與成本上的利益。(圖一)描述這種接收器的兩個特性：在UMTS Band I操作時，輸入功率的不同數值的向量量度誤差（EVM）與訊號雜訊比（SNR）：

《》

傳送途徑包括一具三階（3rd-order）、巴特沃斯（Butterworth）型主動式基頻濾波器、三具直接升頻轉換器（direct-upconverter）、每個途徑的增益控制範圍（gain control range）>85dB的可調式增益放大器（VGA stage）、以及高功率（高達7dBm）輸出驅動級（output driver stage）。VGA stage中的偏壓調整（adaptive biasing）保證在全面輸出功率範圍中最低的電流消耗。每一具直接轉換傳送器途徑都包含一具全差動（fully-differential）、可以編程的輸入緩衝器來處理不同的基頻輸入訊號。這具額外的三階巴特沃斯型基頻濾波器移除不想要的訊號內容，例如是遙遠的雜訊或是基頻數位類比轉換器（DAC）的混附波（spurious emission），但卻不會使原始的訊號失真。

整體而言，發射路徑是高度的線性，所以有傑出的雜訊指數（Noise Figure）特性與輸出功率值。(圖二)呈現出第三代行動通訊夥伴合作計畫分頻多工（3GPP FDD）載波（Band I，Tx 1950MHz）訊號（藍線）的功率偏移，與3GPP所指定的頻譜波罩（spectral mask）的比較（紅線）。這個圖中，可以觀察到多頻段架構對於整個系統提供足夠的餘裕來達到3GPP的要求。

《圖二　多頻段架構收發器頻譜波罩（spectrum mask）與3GPP規格的比較》

Rx與Tx都使用完全整合的分數N型（Fractional-N）合成器，以及晶片內置迴路濾波器（on-chip loop filter）與參考電阻器（reference resistors），俾能把外在零組件的數量儘量減少。為了要涵蓋所有的操作波段以及為製程公差（process tolerances）提供額外的頻率容限（frequency margin），使用了具有寬闊調諧範圍的差動壓控振盪器（differential VCO）。在UMTS波段V與VI中的操作，是藉由啟動在VCO RF輸出中一具額外的除二分頻器（by-2-divider）。這種適當的VCO波段是一種內部的比對演算法（alignment algorithm）所選擇的；這種內部的比對演算法每當鎖相迴路（PLL）啟用或是一個新頻率設定的時候就會啟動。同時，進一步的校準把PLL裡所有的偏差（aberration）都減低到最少，例如迴路濾波器角落頻率擴散（frequency spread）。這種Rx合成器除了在有限的頻率波段之中提供快速的頻率切換以及設定之外，其特色是基地台初始搜尋加速（Initial Cell Search Speedup）。這樣就能把與基地台建立連結所需的時間減到最少。

三波段設計的考量

多頻段收發器支援所有的UMTS波段，在目前可以設置為三種實體波段：低、中、高。

這種IC的操作波段能夠藉由三線匯流排（3-wire-bus）分別的為Rx與Tx設定，使用適當的組合達到六個波段的選擇與前端模組控制。(圖三)所提供的是一個典型三波段應用的例子：

《圖三　多頻段收發器架構中典型三波段應用的例子》

使用多頻段收發器的三波段UMTS解決方案的典型PCB尺寸外型（form factor）可以小達370 mm2，而且只有74個零組件，包括所有的匹配（matching）、低雜訊放大器（LNA）、乃至於功率放大器模組。

多重波段與多重模式操作導致了前端複雜度的增加，所以對於外部的組件諸如功率放大器（PA）、天線切換開關（switch）等必需要有效率的控制。因此，多頻段收發器落實了一種有高度彈性、能夠軟體編程的前端控制，藉由對於稱之為Rx band1至3與Tx band1至3的六個專屬的輸出接腳進行事件啟動（event-triggered）的狀態切換（state switching），來處理這些需求。為了未來的解決方案，還有三組額外的通用輸出（General Purpose Outputs）能夠由編程來切換。

這種基本的前端控制特性，是把三套任意編程（arbitrarily programmed）的輸出狀態提供給各個波段。有了這種特性，就能夠選擇在前端組件中的訊號途徑了。這種前端控制特性，可藉由Rx band輸出接腳的自訂切換延遲（switching delay）而延伸。當Tx 途徑關閉後再開啟之前回到所選擇的設定時，Tx band輸出則可以另行的編程來到「低」輸出準位狀態去。

當今市面上典型的低雜訊放大器（LNA）模組的特性是有一個增益階，俾能提供較佳的功率動態涵蓋範圍（power dynamics coverage）。由於LNA在低與高增益模式（gain mode）之間的切換是取決於所使用的RX增益策略，所以Rx band2與 Rx band3腳位能夠獨立的編程而輸出與當前Rx增益設定對應的一個訊號。

HSDPA能力

UMTS所提供的新服務，例如高品質視訊串流、快速的下載音樂內容與互動遊戲，都是資料傳輸率大幅增加的驅動力。3GPP W-CDMA第五版（release 5）藉由高速下行封包接取（HSDPA），其所界定的資料傳輸率高達14.4Mbps（理論值的上限）。UMTS網路目前正以HSDPA來升級，而預期速度達7.2Mbps 的HSDPA第八範疇（category 8）在不久後就會成為主流。在手機變得越來越重要之際，這種 PC數據卡被視為是支援HSDPA的首種應用。

HSDPA需要新的共享下行頻道「高速下行共享頻道」（HS-DSCH）、新的調變（modulation）技術與連結適應（link adaptation），俾能進行快速與有頻譜效率的傳輸。這些都使硬體的執行變得更為複雜。例如，在收發器的Tx端加上HSDPA會影響到鄰近頻道洩漏功率比（ACLR）的表現與最大輸出功率，所以這種問題在設計過程中需要仔細的考慮。用於達成較高的資料傳輸率的較高階調變（higher order modulation），則需要強調接收器線性。在Rx端，向量量度誤差（EVM）則是直接受到影響，因為增加的資料傳輸率也增加了訊號雜訊比（SNR）的要求。當基地台在傳輸只用正交相位鍵移（QPSK）調變的合成訊號之際，EVM的表現不應該高於17.5％。當基地台在傳輸包括較高階的調變合成訊號之際，EVM的表現不應該高於12.5％。

(表一)所列出的是由調節技術所界定的不同HSDPA範疇、所使用的碼數與獲得支援的資料傳輸率 [1] 。