射頻收發機之主要應用

近年來無線通訊技術的發展趨勢，已逐漸朝向以個人及商用的產品為主，各種不同功能的相關產品及服務推陳出新，而現有的先進且適合大量生產的半導體製程，更對無線通訊的普及化產生了推波助瀾的效果。

在現有的無線通訊產品中，普及率最高的且對人們影響最深的是行動電話相關產品；行動電話在近十年來，由類比系統轉為數位系統，由第二代產品邁入第三代產品，不但在話機的設計製造上講求輕薄短小，不斷改進推陳出新，在功能上也不再只限於通話服務，影音、娛樂與資訊查詢等服務項目也不斷擴充。目前的行動電話已大多為數位系統，依據不同的地區與功能的需求，分別發展出不同的系統規格，而各系統對於傳輸頻段、訊號頻寬、調變方式與多工模式的要求都不盡相同。

除了行動電話相關產品外，另一個新興且倍受矚目的產品，即是無線區域網路（Wireless LAN；WLAN）。相較於現有的行動電話，無線區域網路的規格制定，主要以區域網路間的資料傳遞為服務對象，因此要求的傳輸速度需求較現有的行動電話高，但由於設定的使用者局限於較小的區域範圍內，在訊號的發射功率及敏感度（Sensitivity）上的要求可以相對的降低。無線區域網路的建構，可使涵蓋範圍內的用戶與網路連接，能傳送大量數位資訊而不須依賴固定傳輸線網路的鋪設，隨著相關技術的研發及產品的推廣，在不久的未來將可望成為現有網路設備的延伸，衍生出更具有彈性且應用層面更廣的個人及商用通訊產品。

完整的無線通訊系統是由前端收發機電路（Front-end Transceiver）、基頻（Baseband）類比電路及數位訊號處理器等部份組成，由於各組成部份的規格需求及設計考量皆不相同，因此傳統的系統製作方式是將各電路分別製作與最佳化，然後再組合而成系統。此一作法由於系統組成所需的外接原件（Off-Chip Components）數量較高，使得系統在佔用體積、製作成本及耗電等方面的表現都受到限制。

為了使無線通訊系統的相關產品能夠更普及化，目前發展的趨勢朝向將完整的無線通訊系統整合於單一系統晶片中，在此一系統整合潮流中，難度最高也最具挑戰性的項目之一，就是前端收發機的設計與製作。以下將針對收發機架構的特性加以說明。

接收機架構介紹

在無線通訊系統中，訊號經空氣傳播而由天線接收，接收機的功能即是從天線所接收到的訊號中選擇正確的頻道（Channel），經過降頻及處理，把接收的微弱射頻訊號轉變為基頻訊號，提供後段的基頻訊號處理。由於通訊頻段內各頻道緊密相接，在射頻頻率下進行頻道的選擇需要高級數的濾波器，而高級數的濾波器所造成的訊號衰減將大幅降低接收訊號的訊號品質。因此，最普遍被接受的解決方式即是採用Super Heterodyne接收機架構，如(圖一)。在Super Heterodyne架構中，先針對所需要的頻道將射頻訊號經過第一次降頻，產生固定頻率的中頻（IF）訊號後，經過中頻濾波器將鄰近的頻道訊號去除，再由第二次降頻而得到所需的基頻訊號。此架構在接收模式下，可使射頻濾波器的製作難度大幅降低，且透過雙重降頻產生基頻訊號，可避免直流偏移（DC Offset）及電晶體的低頻雜訊。另一方面，針對不同的通訊系統，可藉由調整架構中的電路模組（例如放大器、濾波器及混合器等）以達到要求的規格，因此被廣泛使用在各種不同的無線通訊系統中。

《圖一 Super Heterodyne接收機架構》

具備低成本優勢的直接轉變式接收機

近年來無線通訊相關產品快速的成長，為了使其應用更普及化，發展的趨勢以低成本、低消耗功率且適合大量生產的系統晶片為主流。Super Heterodyne收發機雖然佔有設計及功能上的優勢，但是由於製作上所需的若干模組必須仰賴外接原件以達到規格的要求，無法將系統進一步整合。因此，近年來接收機的相關研究發展逐漸朝向以直接轉變（Direct Conversion）架構為目標。直接轉變式接收機在架構上較Super Heterodyne接收機簡單許多，(圖二)中即為直接轉變式接收機的組成架構。在接收模式下所收到的射頻訊號先經過低雜訊放大器增強訊號強度後，分別由LO訊號進行降頻，產生IQ相位的基頻訊號。由於LO訊號頻率與射頻訊號相同，因此降頻後直接產生直流附近的基頻訊號，而頻道選擇及增益調整的功能則是藉由晶片中的低頻濾波器及可變增益放大器於基頻下進行。

《圖二 直接轉變模式接收機架構》

直接轉變式接收機最吸引人的特性在於降頻過程中不須經過中頻訊號，且射頻訊號即是本身的Image訊號，原來Super Heterodyne中所需要的射頻濾波器（Image Rejection Filter）及中頻濾波器皆可省略。如此不但避免了外接原件的使用，有利於系統晶片的製作以大幅降低成本。另一方面，架構所需要的電路模組及外部節點減少，如此可以直接的降低接收機所需的功率損耗並且減低射頻訊號受到外部干擾的機會。如以上所述，藉由直接轉變模式進行射頻訊號的解調變，頻道的選擇由基頻濾波器達成，因此 LO振盪器只需提供固定頻率，不需調整LO頻率進行選擇頻道，對於電壓控制振盪器（VCO）與鎖頻迴路（PLL）的設計規格可以相對放鬆。相較於中頻頻道選擇濾波器，以基頻濾波器取代不但可將其整合於單一晶片中，且可運用先進的電路設計與半導體製程，以達到低消耗功率的設計目標。

如何降低直流偏移可能產生之影響

由於直接轉變式接收機直接將射頻訊號轉變為直流附近的基頻訊號，因此直流偏移及電晶體的低頻雜訊將對此類接收機產生重大的衝擊。在實際的電路製作上，LO振盪器訊號及射頻訊號會經由不同的外洩途徑返回混合器，與本身進行解調變，如(圖三)所示，而得到一額外的直流偏移。當上述狀況發生時，混合器的輸出端除了得到所需的基頻訊號外，還包含了直流偏移的成份。為了降低直流偏移問題所產生的影響，一方面必須針對LO訊號外洩的途徑加以改進，如使用精確的原件匹配及半導體的阻隔技術，另一方面則必須在電路設計上將直流偏移加以補償，以得到正確的基頻訊號。

《圖三 造成直接偏移的LO leakage途徑》

針對直流偏移問題，在設計層面可藉由提高類比／數位轉換器的動態範圍（Dynamic Range）加以解決，但是會增加類比／數位轉換器的設計難度。另一種解決方式，則是利用交流耦合（AC Coupling）電容將混合器輸出訊號的低頻訊號阻隔，以去除直流偏移成份。其缺點是需要使用大電容進行交流耦合，且同時犧牲了基頻訊號的低頻成份，使訊號產生失真。除了直流偏移之外，低頻雜訊也是直接轉變式接收機所必須面對的問題。由於電晶體所產生的Flicker雜訊在靠近直流附近的頻率範圍最為嚴重，也將影響基頻訊號的訊號品質（SNR）。

相較於直接轉變模式將射頻訊號轉為直流附近的基頻訊號（low-IF），另一類的接收機設計是將射頻訊號轉為低頻率的中頻訊號。如此不但能在製作上採用簡單的架構，且可避免直流偏移及Flicker雜訊的問題。但是此類接收機仍面臨所衍生的限制，例如Image Rejection問題以及對類比／數位轉換器速度需求的提高。

發射機架構介紹

發射機的功能是將欲傳送的基頻訊號，經過升頻及放大而產生大功率的射頻訊號，藉由天線將訊號送出，在組成架構上亦可區分為雙重轉變模式及直接轉變模式。(圖四)所示即為直接轉變模式發射機架構。不同於目前常見的雙重升頻模式，此類型的發射機將展頻後的IQ相位之基頻訊號，經過數位／類比轉換器及濾波器處理，分別由混合器加以調變並直接提升到射頻頻率，最後以可調式功率放大器將訊號放大至系統所需的強度，藉由天線傳送出射頻訊號。

《圖四 直接轉變模式發射機架構》

相較於雙重升頻模式的電路架構，此類發射機可省去中頻的電壓控制振盪器與鎖頻迴路，且避免使用外接的中頻濾波器，不但可大幅降低晶片面積及製作成本，且適合低功率損耗的設計目標。另一方面，由於射頻及中頻模組的簡化，將多重模式運作下的頻率規劃移到基頻範圍處理，藉由可調性基頻訊號處理的設計，使系統更具彈性，適用於各種不同的通訊系統規格。以上所述為直接轉變模式發射機的優點，但是在實際的電路製作上，仍存在許多挑戰[1]，例如IQ訊號途徑的相位與增益誤差、頻率範圍內的雜訊水平、電壓控制振盪器拉扯效應（VCO Pulling）、功率損耗及Dynamic Range等必須加以全盤考量，並藉由電路設計及晶片製作的技巧加以克服。

結語

以上分別就直接轉變模式的接收機與發射機的特性、優點及設計上的考量加以說明。由於組成架構簡單且適合進行晶片整合，近年來已有部份的無線通訊產品的相關廠商，利用成熟的RF CMOS或BiCMOS半導體製程，將GSM、CDMA及WCDMA等規格的前端收發機整合於單一晶片或晶片組中[2]-[4]。在這一波無線通訊及系統晶片的快速發展下，相信不久的將來，功能更多樣化且價格更低廉的相關產品，將被廣泛的使用而成為我們日常生活中密不可分的一部份。

（作者為台大系統晶片中心研究教授）

＜參考資料

[1] Aravind Loke and Fazal Ali, "Direct conversion radio for digital mobile phones - design issues, status, and trends," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 50, No. 11, pp. 2422-2435, Nov 2002.

[2] R. Magoon et al., "A single chip quad band （850/900/1800/1900 MHz） direct conversion GSM/GPRS RF transceiver with integrated VCO's and fractional-N synthesizer," IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. Dig., Vol. 2, 2002, pp. 232-235.

[3] D. Brunel et al., "A highly integrated 0.25 mm BiCMOS chipset for 3G UMTS/WCDMA handset radio sybsystem," IEEE RFIC Symp. Dig., June 2002, pp. 191-194.

[4] C. Jackson, "Digital receivers for CDMA applications," presented at the IEEE MTT-S Int. Microwave Symp., 2002.＞