“嘿,約翰,我是你的手機(jī)。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(jīng)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(xiàn)在的半導(dǎo)體和軟件業(yè)愿意去實(shí)現(xiàn)的話,這完全可以成為現(xiàn)實(shí)。受更智能地優(yōu)化頻譜的需求推動(dòng),FCC于去年12月發(fā)出了關(guān)于如何以最佳方式實(shí)現(xiàn)感知無線電(cognitive radio, CR)概念的提議,這個(gè)提議具有里程碑意義。由于CR有可能賦予無線電設(shè)備根據(jù)頻帶可用性、位置和過去的經(jīng)驗(yàn)來自主確定采用哪個(gè)頻帶的功能,因此它實(shí)際上已經(jīng)超越軟件無線電的概念,成為無線電設(shè)計(jì)的新“圣地”,并推動(dòng)無線電設(shè)計(jì)和研究領(lǐng)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(xué)習(xí)能力是使它從概念走向?qū)嶋H應(yīng)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(jīng)驗(yàn)來對實(shí)際的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng),過去的經(jīng)驗(yàn)包括對死區(qū)、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(gè)CR能針對功率、距離和所要求的數(shù)據(jù)率進(jìn)行頻譜優(yōu)化,那么就必然需要一個(gè)極其靈活的射頻前端。該前端必須工作在已經(jīng)許可和未經(jīng)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(lán)牙、超寬帶(UWB)、無線局域網(wǎng)(WLAN),以及WiMax和多種多樣的2G、和3G蜂窩標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)際上現(xiàn)在的無線電技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)“聰明”:藍(lán)牙通過自適應(yīng)跳頻增強(qiáng)了其相互設(shè)備間共存的能力,避免了干擾；蜂窩無線電可以調(diào)整其功率水平；WLAN可以根據(jù)環(huán)境條件在一定程度上完成自適應(yīng)調(diào)制,以降低其數(shù)據(jù)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(jī)最適合的接入點(diǎn)(AP),而非盲目地選擇具有最高信號強(qiáng)度的AP。它可能會(huì)很快詢問該AP的數(shù)據(jù)負(fù)載情況,如果其負(fù)載太高,那就不如選擇一個(gè)具有較低信號強(qiáng)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(nèi),因而幾乎所有的智能性和靈活性均源于其基帶和調(diào)制解調(diào)器或媒體訪問控制(MAC)。許多年來,軟件無線電技術(shù)的應(yīng)用一直是設(shè)計(jì)工程師的一個(gè)迫切需求,尤其是在軍事領(lǐng)域,他們試圖用可以適應(yīng)多個(gè)頻帶的高靈活性RF和混合信號前端來彌補(bǔ)后端處理的靈活度。盡管這樣的努力已經(jīng)獲得成功,但還主要應(yīng)用在基礎(chǔ)設(shè)施或采用市電供電的系統(tǒng)中,基本上沒有用在小功率的移動(dòng)設(shè)備。

現(xiàn)在,受CR的潛力及其在無線電領(lǐng)域公認(rèn)的“下一件大事情”的激勵(lì),全世界的設(shè)計(jì)師、研究員和學(xué)術(shù)界已經(jīng)重新激發(fā)了開展RF研究的活力,盡管仍然存在巨大困難。低功率環(huán)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(guān)和濾波器設(shè)計(jì)的新概念,以及下/上變頻器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。而這些必須同不斷發(fā)展的工藝技術(shù)結(jié)合,只有這樣才能充分實(shí)現(xiàn)CR的優(yōu)勢。

無線電技術(shù)的新問題

盡管在無線電的發(fā)展歷史上一直在進(jìn)行各種各樣的模擬器件的研究,但CR引入了它獨(dú)有的一個(gè)設(shè)計(jì)問題,即干擾溫度(interference temperature),這是FCC締造的一個(gè)術(shù)語。干擾溫度是指一個(gè)CR必須知道其位置并“感測”它可能帶給附近無線電設(shè)備的干擾,而且還要準(zhǔn)確知道在任意給定時(shí)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(shí)分享該許可頻帶,盡管可能一旦該所有者重新啟動(dòng)傳輸后,該CR將不得不尋找另一個(gè)頻帶。

然而,確定一個(gè)無線電設(shè)備對其它未知無線電設(shè)備可能引起的干擾非常困難,研究界為此費(fèi)盡心機(jī):到底是該采用一個(gè)完全自主的感測方法呢還是基于數(shù)據(jù)庫的方法？后一種方案是所有無線電設(shè)備將他們的參數(shù)和位置都輸入該數(shù)據(jù)庫,并不斷查詢該數(shù)據(jù)庫來得到在其影響范圍內(nèi)有哪些無線電設(shè)備,以及這些無線電設(shè)備降低干擾的能力。鑒于這個(gè)問題的解決難度,采用智能感測和數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的設(shè)計(jì)也許更為合適。

過采樣率A/D轉(zhuǎn)換器的研究

除了上面的問題以外,傳統(tǒng)的RF設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)依然存在。隨著越來越多原本屬于模擬/混合信號的功能進(jìn)入數(shù)字電路部份,包括所有解調(diào)和信道化功能,RF前端已經(jīng)有效地成為A/D轉(zhuǎn)換器的一個(gè)信號調(diào)節(jié)級。A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器現(xiàn)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(zhuǎn)換到數(shù)字信號。而對于數(shù)字電路而言,摩爾定律可以實(shí)現(xiàn)濾波和處理方面的發(fā)展需求,并引入最大程度的靈活性。

但是實(shí)際的發(fā)展并沒有那么快。在RF頻率區(qū)的采樣將增加功耗,而且A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器需要更多的位數(shù)。盡管在過去15年內(nèi),A/D轉(zhuǎn)換器的位效率有了非常大的提高,從10到100個(gè)皮焦耳(picojoule)下降到1到10個(gè)皮焦耳,但功率隨位數(shù)呈指數(shù)級上升這個(gè)事實(shí)意味著采樣速率達(dá)到2G/s的低功率12位A/D在短期內(nèi)還無法實(shí)現(xiàn)。

一個(gè)替代方案是用較少的位數(shù)并提高采樣率。由于功耗是隨時(shí)鐘速率線性增加,而功耗和所用位數(shù)有指數(shù)關(guān)系。這引導(dǎo)研究人員朝1位的Σ-δ轉(zhuǎn)換器與過采樣技術(shù)相結(jié)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(jìn)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(dá)到8倍或更高。過采樣的好處是通過模擬前端反饋和數(shù)字信號處理能夠?qū)崿F(xiàn)絕大部分信號的恢復(fù),但缺點(diǎn)是極高的采樣速率難以實(shí)現(xiàn)。例如,對相當(dāng)于2G/s的采樣來說,如果轉(zhuǎn)換器過采樣率為16倍,即達(dá)到32G/s的采樣,現(xiàn)在的技術(shù)還不能實(shí)現(xiàn)這樣高的采用率。盡管閃速轉(zhuǎn)換器可以比傳統(tǒng)的采樣/保持轉(zhuǎn)換器達(dá)到更高的速率,但其代價(jià)是更高的功耗。因而,研究工作應(yīng)該集中在較簡單的過采樣Σ-δ轉(zhuǎn)換器,并重點(diǎn)放在提高采樣速率上。

盡管RF采樣尚處在非常早的開發(fā)階段,但德州儀器公司在今年利用其90納米的高速CMOS技術(shù)演示過一個(gè)在信道、RF采樣直接變換藍(lán)牙無線電設(shè)備。該無線電設(shè)備用德州儀器公司的數(shù)字RF處理(DRP)技術(shù)來實(shí)現(xiàn),并用的RF頻率來采樣。由于藍(lán)牙信道僅有1MHz,1Mbps的數(shù)據(jù)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(shù)來實(shí)現(xiàn)單芯片GSM射頻電路,并計(jì)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(xù)集中在寬動(dòng)態(tài)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(qū)一個(gè)很寬的頻譜上,但A/D轉(zhuǎn)換將繼續(xù)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(shè)計(jì)還沿著傳統(tǒng)道路發(fā)展,并盡可能多地集成信號鏈路,從而節(jié)省成本和空間,并降低功耗。

推動(dòng)蜂窩網(wǎng)和IP網(wǎng)絡(luò)(如WLAN)之間的無縫漫游已經(jīng)成為一個(gè)新引入的決策點(diǎn)。蜂窩(GSM/GPRS/EDGE/W-CDMA和2G及 CDMA)和多種無線連接方案(藍(lán)牙、UWB、Wi-Fi和WiMax)的無線電設(shè)計(jì)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(chuàng)公司Quorum Systems選擇后者,并宣布它已經(jīng)將一個(gè)GSM和的Wi-Fi/藍(lán)牙無線電收發(fā)器部分集成到單芯片之內(nèi)。而另一個(gè)初創(chuàng)公司Berkana Wireless則選擇縱向集成,用CMOS把一個(gè)GSM/GPRS無線收發(fā)器集成在一起。對Berkana公司以及幾乎所有的大半導(dǎo)體廠商來說,蜂窩電話接入Wi-Fi和藍(lán)牙的速率在可預(yù)見的將來仍舊會(huì)很低,這也驗(yàn)證他們這種集成的合理性。

然而Berkana現(xiàn)在正跟著那些主流半導(dǎo)體公司亦步亦趨,而Quorum的橫向集成舉措也許是一家新創(chuàng)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(dòng)接入(UMA)組織調(diào)查結(jié)果表明,運(yùn)營商對迅速部署的多種網(wǎng)絡(luò)接入功能手機(jī)很感興趣,這種手機(jī)可能于明年初開始應(yīng)用。Quorum的發(fā)展策略中包含了這種手機(jī)。

不過,最可靠的發(fā)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(tǒng)級封裝(SiP)技術(shù)或廣泛采用先進(jìn)無源集成的多芯片模塊。每個(gè)階段還可用最佳的工藝來實(shí)現(xiàn),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(gè)基本的SDIO來完成。隨著時(shí)間的推移,橫向集成將可能得到發(fā)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(gè)主要優(yōu)點(diǎn),即它符合這樣一個(gè)事實(shí):除非各個(gè)蜂窩和無線接入標(biāo)準(zhǔn)組織共同努力(這在短期內(nèi)并不現(xiàn)實(shí)),否則總會(huì)需要兩個(gè)無線電模塊同時(shí)工作以實(shí)現(xiàn)相互之間的傳遞,或者在通過Wi-Fi實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)通過GSM進(jìn)行通話,而不能用單一的無線電模塊來實(shí)現(xiàn)這兩方面的工作。這將造成當(dāng)多個(gè)軟件無線電前端真正出現(xiàn)時(shí),我們可以將它們并聯(lián),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(shù)在射頻中的應(yīng)用

盡管幾乎沒有任何跡象表明RF前端技術(shù)短期內(nèi)將取得充分發(fā)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(zhuǎn)換模塊,但許多很有前景的技術(shù)和方法正用來減輕對體積、功耗和成本的負(fù)面影響。

這當(dāng)中最主要的是亞微米和深亞微米CMOS工藝,開發(fā)此類技術(shù)的公司如德州儀器(TI)和英特爾。盡管在RF和混合信號領(lǐng)域內(nèi)與其他一些技術(shù)相比,CMOS本身一直扮演著次要的角色,但英特爾公司的進(jìn)展正在扭轉(zhuǎn)這種現(xiàn)狀,該公司已經(jīng)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(shù)的發(fā)展打開了快速、低功率信號處理的途徑,并可用于彌補(bǔ)CMOS在噪聲、敏感度和功率輸出等參數(shù)方面的不足表現(xiàn)。亞微米CMOS工藝還是開發(fā)節(jié)省功率和減小體積的直接變頻無線電的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù),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(jìn)了傳統(tǒng)的模擬前端向采用數(shù)字技術(shù)輔助的模擬前端塊的大規(guī)模變遷,在這種變遷中數(shù)字校準(zhǔn)用來補(bǔ)償工藝和環(huán)境因素的變化,從而提高鎖相環(huán)和合成器等關(guān)鍵模塊的準(zhǔn)確性。然而,最令人感興趣的是CMOS能夠幫助改進(jìn)管道式以及通頻帶δ-Σ A/D的性能。這種研究將使高性價(jià)比直接RF采樣成為可能。

MEMS帶來RF前端設(shè)計(jì)靈活性

盡管根據(jù)功耗和空間對各個(gè)模塊進(jìn)行優(yōu)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(shí)現(xiàn)這種優(yōu)化。第一條途徑是復(fù)用該鏈路中的耗能部分,如本振。英特爾公司已經(jīng)成功開發(fā)了1.8到的CMOS本振。第二條途徑是用RF微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)來代替前端預(yù)選擇濾波器,這是利用一個(gè)懸臂的電控動(dòng)作來改變電容和電感濾波器元件的參數(shù)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(shí)間內(nèi)改變一個(gè)濾波器的特征參數(shù),而且它們本身幾乎就是完美連接線,因此不會(huì)產(chǎn)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(jiān)信MEMS是實(shí)現(xiàn)靈活的RF前端的重要技術(shù)之一。

作者:柏萬寧