【導讀】射頻集成電路是處理高頻無線訊號所有芯片的總稱,通常包括:傳送接收器、低雜訊放大器、功率放大器、帶通濾波器、合成器、混頻器等,通常由砷化鎵晶圓制作的 MESFET、HEMT 元件,或矽鍺晶圓制作的 BiCMOS 元件,或矽晶圓制作的 CMOS 元件組成。
無線通訊的頻譜有限,分配非常嚴格,相同頻寬的電磁波只能使用一次,為了解決僧多粥少的難題,工程師研發(fā)出許多“調變技術”(ModulaTIon)與“多工技術”(MulTIplex),來增加頻譜效率,因此才有了 3G、4G、5G 不同通訊世代技術的發(fā)明,那么在我們的手機里,是什么元件負責替我們處理這些技術的呢?
調變技術與多工技術
首先我們要了解“調變技術(ModulaTIon)”與“多工技術(MulTIplex)”是完全不一樣的東西,讓我們先來看看它們到底有什么不同?
數(shù)碼訊號調變技術(ASK、FSK、PSK、QAM):將類比的電磁波調變成不同的波形來代表 0 與 1 兩種不同的數(shù)碼訊號。ASK 用振幅大小來代表 0 與 1、FSK 用頻率大小來代表 0 與 1、PSK 用相位(波形)不同來代表 0 與 1、QAM 同時使用振幅大小與相位(波形)不同來代表 0 與 1。
好啦,每個人的手機天線要傳送出去的數(shù)碼訊號 0 與 1 都變成不同波形的電磁波了,問題又來了,這么多不同波形的電磁波丟到空中,該如何區(qū)分那些是你的(和你通話的),那些是我的(和我通話的)呢?
多工技術(TDMA、FDMA、CDMA、OFDM):將電磁波區(qū)分給不同的使用者使用。TDMA 用時間先后來區(qū)分是你的還是我的,F(xiàn)DMA 用不同頻率來區(qū)分是你的還是我的,CDMA 用不同密碼(正交展頻碼)來區(qū)分是你的還是我的,OFDM 用不同正交子載波頻率來區(qū)分是你的還是我的。
值得注意的是,不論數(shù)碼訊號調變技術或多工技術,都是在數(shù)碼訊號(0 與 1)進行運算與處理的時候就一起進行,一般是先進行多工技術再進行數(shù)碼訊號調變技術(OFDM 除外),所以多工技術與調變技術必定是同時使用。
數(shù)碼調變技術(Digital modulation)
現(xiàn)在的手機是屬于“數(shù)碼通訊”,也就是我們講話的聲音(連續(xù)的類比訊號),先由手機轉換成不連續(xù)的0與1兩種數(shù)碼訊號,再經由數(shù)碼調變轉換成電磁波(類比訊號載著數(shù)碼訊號),最后從天線傳送出去,原理如圖一所示。
圖一:數(shù)碼通訊示意圖。(Source:the Noun Project)
數(shù)碼通訊系統(tǒng)架構
數(shù)碼通訊系統(tǒng)的架構如圖二(a)所示,使用者可能使用智能手機打電話進行語音通信或上網進行資料通信,我們分別說明如下:
圖二:通訊系統(tǒng)架構示意圖
語音上傳(講電話):聲音由麥克風接收以后為低頻類比訊號,經由低頻類比數(shù)碼轉換器(ADC)轉換為數(shù)碼訊號,經由“基頻芯片(BB)”進行資料壓縮(Encoding)、加循環(huán)式重復檢查碼(CRC)、頻道編碼(Channel coding)、交錯置(Inter-leaving)、加密(Ciphering)、格式化(Formatting),再進行多工(Multiplexing)、調變(Modulation)等數(shù)碼訊號處理,如圖二(b)所示。
接下來經由“中頻芯片(IF)”也就是高頻數(shù)碼類比轉換器(DAC)轉換為高頻類比訊號(電磁波);最后再經由“射頻芯片(RF)”形成不同時間、頻率、波形的電磁波由天線傳送出去。
語音下載(聽電話):天線將不同時間、頻率、波形的電磁波接收進來,經由“射頻芯片(RF)”處理后得到高頻類比訊號(電磁波),再經由“中頻芯片(IF)”也就是高頻類比數(shù)碼轉換器(ADC)轉換為數(shù)碼訊號。
接下來經由“基頻芯片(BB)”進行解調(De-modulation)、解多工(De-multiplexing)、解格式化(De-formatting)、解密(De-ciphering)、解交錯置(De-inter-leaving)、頻道解碼(Channel decoding)、解循環(huán)式重復檢查碼(CRC)、資料解壓縮(Decoding)等數(shù)碼訊號處理,最后再經由低頻數(shù)碼類比轉換器(DAC)轉換為低頻類比訊號(聲音)由麥克風播放出來。
資料通信(上網):基本上資料通信不論上傳或下載都是數(shù)碼訊號,所以直接進入基頻芯片(BB)處理即可,其他流程與語音通信類似,在此不再重復描述。
注:通訊的原理就是一大堆的數(shù)學,由于手機是我們天天都在用的東西,一般人對通訊感多感少都有些好奇想要進一步了解,但是往往走進教室第一堂課看到的就是一大堆復雜的數(shù)碼:傅立葉轉換(Fourier Transform)、拉普拉斯轉換(Laplace Transform)、離散(Discrete),立刻就打退堂鼓,為了簡化復雜度讓大家容易看懂,上面對于數(shù)碼通訊系統(tǒng)的介紹只是示意,與實際的情況會有落差,建議有興趣進一步了解的人可以立足于上面的概念,來進一步了解技術細節(jié)。
無線通訊系統(tǒng)架構
基于前面的介紹,我們來看看智能手機里幾個重要的集成電路(IC),主要包括:基頻(BB)、中頻(IF)、射頻(RF)三個部份,如圖三所示,每個部分都可能有一個到數(shù)個集成電路(IC),也有可能是把數(shù)個集成電路(IC)封裝成一個,稱為“系統(tǒng)單封裝(System in a Package,SiP)”,或把數(shù)個芯片整合成一個,稱為“系統(tǒng)單芯片(System on a Chip,SoC)”。
圖三:無線通訊系統(tǒng)架構示意圖
基頻芯片(Baseband,BB):屬于數(shù)碼集成電路,用來進行數(shù)碼訊號的壓縮/解壓縮、頻道編碼/解碼、交錯置/解交錯置、加密/解密、格式化/解格式化、多工/解多工、調變/解調,以及管理通訊協(xié)定、控制輸入輸出界面等運算工作,著名的移動電話基頻芯片供應商包括:高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)、邁威爾(Marvell)、聯(lián)發(fā)科(MediaTek)等。
調變器(Modulator):將基頻芯片處理的數(shù)碼訊號轉換成高頻類比訊號(電磁波),才能傳送很遠,想要進一步了解通訊原理的人可以參考這里。
混頻器(Mixer):主要負責頻率轉換的工作,將調變后的高頻類比訊號(電磁波)轉換成所需要的頻率,來配合不同通訊系統(tǒng)的頻率范圍(無線頻譜)使用。
合成器(Synthesizer):提供無線通訊電磁波與射頻集成電路(RF IC)所需要的工作頻率,通常經由“相位鎖定回路(PLL:Phase Locked Loop)”與“電壓控制振蕩器(VCO:Voltage Controlled Oscillator)”來提供精準的工作頻率。
帶通濾波器(Band Pass Filter,BPF):只讓特定頻率范圍(頻帶)的高頻類比訊號(電磁波)通過,將不需要的頻率范圍濾除,得到我們需要的頻率范圍(頻帶)。
功率放大器(Power Amplifier,PA):高頻類比訊號(電磁波)傳送出去之前,必須先經由功率放大器(PA)放大,增強訊號才能傳送到夠遠的地方。
傳送接收器(Transceiver):負責傳送(Tx:Transmitter)高頻類比訊號(電磁波)到天線,或是由天線接收(Rx:Receiver)高頻類比訊號(電磁波)進來。
低雜訊放大器(Low Noise Amplifier,LNA):接收訊號時使用,天線接收進來的高頻類比訊號(電磁波)很微弱,必須先經由低雜訊放大器(LNA)放大訊號,才能進行處理。
解調器(Demodulator):接收訊號時使用,將高頻類比訊號(電磁波)轉換成數(shù)碼訊號,再傳送到基頻芯片(BB)進行數(shù)碼訊號處理工作
所以手機上傳(講電話)的原理是:先由基頻芯片(BB)處理數(shù)碼語音訊號,再經由調變器(Modulator)轉換成高頻類比訊號,由混頻器(Mixer)轉換成所需要的頻率,由帶通濾波器(BPF)得到特定頻率范圍(頻帶)的高頻類比訊號(電磁波),由功率放大器(PA)增強訊號,最后由傳送接收器(Tx)傳送到天線輸出。
相反的,手機下載(聽電話)的原理是:先由天線傳送過來高頻類比訊號(電磁波),由傳送接收器(Rx)接收進來,再經由帶通濾波器(BPF)得到特定頻率范圍(頻帶)的高頻類比訊號,由低雜訊放大器(LNA)將微弱的訊號放大,由混頻器(Mixer)轉換成所需要的頻率,由解調器(Demodulator)轉換成數(shù)碼語音訊號,最后由基頻芯片(BB)處理數(shù)碼語音訊號。
通訊相關集成電路:基頻、中頻、射頻
前面介紹的無線通訊系統(tǒng)后端(Back end)使用基頻芯片來處理數(shù)碼訊號,前端(Front end)則所使用的集成電路(IC)大致上可以分為“射頻芯片”與“中頻芯片”兩大類,分別使用不同材料的晶圓制作:
中頻芯片(Intermediate Frequency,IF):又稱為“類比基頻(Analog baseband)”,概念上就是“高頻數(shù)碼類比轉換器(DAC)”與“高頻類比數(shù)碼轉換器(ADC)”,包括:調變器(Modulator)、解調器(Demodulator),通常還有中頻放大器(IF amplifier)與中頻帶通濾波器(IF BPF)等,通常由矽晶圓制作的 CMOS 元件組成,可能是數(shù)個集成電路,其些可能整合成一個集成電路(IC)。
射頻芯片(Radio Frequency,RF):又稱為“射頻集成電路(RFIC)”,是處理高頻無線訊號所有芯片的總稱,通常包括:傳送接收器(Transceiver)、低雜訊放大器(LNA)、功率放大器(PA)、帶通濾波器(BPF)、合成器(Synthesizer)、混頻器(Mixer)等,通常由砷化鎵晶圓制作的 MESFET、HEMT 元件,或矽鍺晶圓制作的 BiCMOS 元件,或矽晶圓制作的 CMOS 元件組成,目前也有用氮化鎵(GaN)制作的功率放大器,可能是數(shù)個集成電路,某些可能整合成一個集成電路(IC)。
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