直接转变模式射频收发机架构简介
为使无线通讯系统的相关产品能够更普及化，目前发展的趋势朝向将完整的无线通讯系统整合于单一系统芯片中，在此一系统整合潮流中，难度最高也最具挑战性的项目之一，就是前端收发机的设计与制作； 本文将介绍直接转变模式射频收发机之架构与相关技术概要。
射频收发机之主要应用
近年来无线通讯技术的发展趋势，已逐渐朝向以个人及商用的产品为主，各种不同功能的相关产品及服务推陈出新，而现有的先进且适合大量生产的半导体制程，更对无线通讯的普及化产生了推波助澜的效果。 在现有的无线通讯产品中，普及率最高的且对人们影响最深的是行动电话相关产品；行动电话在近十年来，由模拟系统转为数字系统，由第二代产品迈入第三代产品，不但在话机的设计制造上讲求轻薄短小，不断改进推陈出新，在功能上也不再只限于通话服务，影音、娱乐与信息查询等服务项目也不断扩充。 目前的行动电话已大多为数字系统，依据不同的地区与功能的需求，分别发展出不同的系统规格，而各系统对于传输频段、讯号频宽、调变方式与多任务模式的要求都不尽相同。 除了行动电话相关产品外，另一个新兴且倍受瞩目的产品，即是无线局域网络（Wireless LAN；WLAN）。相较于现有的行动电话，无线局域网络的规格制定，主要以局域网络间的数据传递为服务对象，因此要求的传输速度需求较现有的行动电话高，但由于设定的使用者局限于较小的区域范围内，在讯号的发射功率及敏感度（Sensitivity）上的要求可以相对的降低。无线局域网络的建构，可使涵盖范围内的用户与网络连接，能传送大量数字信息而不须依赖固定传输线网络的铺设，随着相关技术的研发及产品的推广，在不久的未来将可望成为现有网络设备的延伸，衍生出更具有弹性且应用层面更广的个人及商用通讯产品。 完整的无线通讯系统是由前端收发机电路（Front-end Transceiver）、基频（Baseband）模拟电路及数字讯号处理器等部份组成，由于各组成部份的规格需求及设计考虑皆不相同，因此传统的系统制作方式是将各电路分别制作与最佳化，然后再组合而成系统。此一作法由于系统组成所需的外接原件（Off-Chip Components）数量较高，使得系统在占用体积、制作成本及耗电等方面的表现都受到限制。 为了使无线通讯系统的相关产品能够更普及化，目前发展的趋势朝向将完整的无线通讯系统整合于单一系统芯片中，在此一系统整合潮流中，难度最高也最具挑战性的项目之一，就是前端收发机的设计与制作。以下将针对收发机架构的特性加以说明。
接收机架构介绍 在无线通讯系统中，讯号经空气传播而由天线接收，接收机的功能即是从天线所接收到的讯号中选择正确的频道（Channel），经过降频及处理，把接收的微弱射频讯号转变为基频讯号，提供后段的基频讯号处理。由于通讯频段内各频道紧密相接，在射频频率下进行频道的选择需要高级数的滤波器，而高级数的滤波器所造成的讯号衰减将大幅降低接收讯号的讯号质量。因此，最普遍被接受的解决方式即是采用Super Heterodyne接收机架构，如(图一)。在Super Heterodyne架构中，先针对所需要的频道将射频讯号经过第一次降频，产生固定频率的中频（IF）讯号后，经过中频滤波器将邻近的频道讯号去除，再由第二次降频而得到所需的基频讯号。 此架构在接收模式下，可使射频滤波器的制作难度大幅降低，且透过双重降频产生基频讯号，可避免直流偏移（DC Offset）及晶体管的低频噪声。另一方面，针对不同的通讯系统，可藉由调整架构中的电路模块（例如放大器、滤波器及混合器等）以达到要求的规格，因此被广泛使用在各种不同的无线通讯系统中。
图一 SuperHeterodyne接收机架构
具备低成本优势的直接转变式接收机 近年来无线通讯相关产品快速的成长，为了使其应用更普及化，发展的趋势以低成本、低消耗功率且适合大量生产的系统芯片为主流。Super Heterodyne收发机虽然占有设计及功能上的优势，但是由于制作上所需的若干模块必须仰赖外接原件以达到规格的要求，无法将系统进一步整合。因此，近年来接收机的相关研究发展逐渐朝向以直接转变(Direct Conversion)架构为目标。直接转变式接收机在架构上较Super Heterodyne接收机简单许多，(图二)中即为直接转变式接收机的组成架构。
图二 直接转变模式接收机架构
在接收模式下所收到的射频讯号先经过低噪声放大器增强讯号强度后，分别由LO讯号进行降频，产生IQ相位的基频讯号。由于LO讯号频率与射频讯号相同，因此降频后直接产生直流附近的基频讯号，而频道选择及增益调整的功能则是藉由芯片中的低频滤波器及可变增益放大器于基频下进行。直接转变式接收机最吸引人的特性在于降频过程中不须经过中频讯号，且射频讯号即是本身的Image讯号，原来Super Heterodyne中所需要的射频滤波器(Image Rejection Filter)及中频滤波器皆可省略。如此不但避免了外接原件的使用，有利于系统芯片的制作以大幅降低成本。另一方面，架构所需要的 电路模块及外部节点减少，如此可以直接的降低接收机所需的功率损耗并且减低射频讯号受到外部干扰的机会。如以上所述，藉由直接转变模式进行射频讯号的解调变，频道的选择由基频滤波器达成，因此 LO振荡器只需提供固定频率，不需调整LO频率进行选择频道，对于电压控制振荡器(VCO)与锁频回路(PLL)的设计规格可以相对放松。相较于中频频道选择滤波器，以基频滤波器取代不但可将其整合于单一芯片中，且可运用先进的电路设计与半导体制程，以达到低消耗功率的设计目标。
如何降低直流偏移可能产生之影响
由于直接转变式接收机直接将射频讯号转变为直流附近的基频讯号，因此直流偏移及晶体管的低频噪声将对此类接收机产生重大的冲击。在实际的电路制作上，LO振荡器讯号及射频讯号会经由不同的外泄途径返回混合器，与本身进行解调变，如(图三)所示，而得到一额外的直流偏移。当上述状况发生时，混合器的输出端除了得到所需的基频讯号外，还包含了直流偏移的成份。为了降低直流偏移问题所产生的影响，一方面必须针对LO讯号外泄的途径加以改进，如使用精确的原件匹配及半导体的阻隔技术，另一方面则必须在电路设计上将直流偏移加以补偿，以得到正确的基频讯号。
图三 造成直接偏移的LO leakage途径
针对直流偏移问题，在设计层面可藉由提高模拟／数字转换器的动态范围(Dynamic Range)加以解决，但是会增加模拟／数字转换器的设计难度。另一种解决方式，则是利用交流耦合(AC Coupling)电容将混合器输出讯号的低频讯号阻隔，以去除直流偏移成份。其缺点是需要使用大电容进行交流耦合，且同时牺牲了基频讯号的低频成份，使讯号产生失真。除了直流偏移之外，低频噪声也是直接转变式接收机所必须面对的问题。由于晶体管所产生的Flicker噪声在靠近直流附近的频率范围最为严重，也将影响基频讯号的讯号质量(SNR)。 相较于直接转变模式将射频讯号转为直流附近的基频讯号(low-IF)，另一类的接收机设计是将射频讯号转为低频率的中频讯号。如此不但能在制作上采用简单的架构，且可避免直流偏移及Flicker噪声的问题。但是此类接收机仍面临所衍生的限制，例如Image Rejection问题以及对模拟/数字转换器速度需求的提高。
发射机架构介绍 发射机的功能是将欲传送的基频讯号，经过升频及放大而产生大功率的射频讯号，藉由天线将讯号送出，在组成架构上亦可区分为双重转变模式及直接转变模式。(图四)所示即为直接转变模式发射机架构。不同于目前常见的双重升频模式，此类型的发射机将展频后的IQ相位之基频讯号，经过数字/模拟转换器及滤波器处理，分别由混合器加以调变并直接提升到射频频率，最后以可调式功率放大器将讯号放大至系统所需的强度，藉由天线传送出射频讯号。
相较于双重升频模式的电路架构，此类发射机可省去中频的电压控制振荡器与锁频回路，且避免使用外接的中频滤波器，不但可大幅降低芯片面积及制作成本，且适合低功率损耗的设计目标。
另一方面，由于射频及中频模块的简化，将多重模式运作下的频率规划移到基频范围处理，藉由可调性基频讯号处理的设计，使系统更具弹性，适用于各种不同的通讯系统规格。以上所述为直接转变模式发射机的优点，但是在实际的电路制作上，仍存在许多挑战[1]，例如IQ讯号途径的相位与增益误差、频率范围内的噪声水平、电压控制振荡器拉扯效应(VCO Pulling)、功率损耗及Dynamic Range等必须加以全盘考虑，并藉由电路设计及芯片制作的技巧加以克服。
结语 以上分别就直接转变模式的接收机与发射机的特性、优点及设计上的考虑加以说明。由于组成架构简单且适合进行芯片整合，近年来已有部份的无线通讯产品的相关厂商，利用成熟的RF CMOS或BiCMOS半导体制程，将GSM、CDMA及WCDMA等规格的前端收发机整合于单一芯片或芯片组中。在这一波无线通讯及系统芯片的快速发展下，相信不久的将来，功能更多样化且价格更低廉的相关产品，将被广泛的使用而成为我们日常生活中密不可分的一部份。
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