Беспроводные технологии получают повсеместное распространение. Для высоких скоростей передачи данных преимущественно используются WiMax и технологии цифровой мобильной связи третьего поколения, тогда как для намного меньших скоростей и уровней энергопотребления - технологии ZigBee и Wibree. Однако во всех случаях выдвигаемые рынком требования экономичности и стремление оправдать ожидания потребителя вынуждают разработчиков системной архитектуры интегрировать в систему на кристалле радиочастотный тракт.

В связи с этим решением возникает несколько важных вопросов. Во-первых, является ли одночипное решение наилучшим, или разумнее поместить РЧ-цепь на отдельный кристалл, чтобы обеспечить оптимальную работу приложения? Во-вторых, какие архитектуры считаются лучшими для приемника и передатчика? В основе этих вопросов лежат другие: имеется ли у разработчиков архитектуры возможность системного подхода, или они должны принимать решение не только в каждом отдельном случае, но и на каждом этапе разработки?

Некоторые поставщики оборудования, особенно те из них, кто работает на рынке мобильных телефонов, похоже, считают, что все устройства, у которых РЧ-цепь не интегрирована в СнК (Система на кристалле), устарели, как в свое время ламповые приемники. Ответ на вопрос о том, реализовать РЧ-схему на отдельном кристалле с помощью РЧ-технологии или разместить хотя бы часть этой схемы на СнК по стандартной цифровой КМОП-технологии, далеко не очевиден. Системотехник должен учитывать ожидания рынка, в течение всего жизненного цикла изделия, требования к характеристикам и проектный риск. Компетентное решение можно принять, только оценив все эти факторы. ), устарели, как в свое время ламповые приемники. Ответ на вопрос о том, реализовать РЧ-схему на отдельном кристалле с помощью РЧ-технологии или разместить хотя бы часть этой схемы на СнК по стандартной цифровой КМОП-технологии, далеко не очевиден. Системотехник должен учитывать ожидания рынка, в течение всего жизненного цикла изделия, требования к характеристикам и проектный риск. Компетентное решение можно принять, только оценив все эти факторы.

Первым, о чем следует упомянуть, является скорее эмоциональное, чем объективное суждение. На потребительских рынках мобильных устройств, где цена и форм-фактор являются определяющими, сложилось мнение о том, что приемлемым является только однокорпусное решение. «Рынок вынуждает создавать однокристальные устройства - даже если это трудно, - что означает использование цифровой КМОП-технологии, - говорит Мариам Рофугаран, начальник радиоинженерного отдела, компания Broadcom. - Применение технологии РЧ-КМОП обходится слишком дорого, поэтому мы выбираем цифровые КМОП-технологии».

Другие поставщики мобильных телефонов, по крайней мере, в сегментах рынка с большими объемами поставок, соглашаются: «Для нас однокорпусные решения продиктованы интересами бизнеса. Мы занимаемся только такими устройствами, - поясняет Роберт Айилло, главный администратор технологического отдела, компания Staccato Communications. - Для массового производства нам приходится создавать коллектив разработчиков с опытом интеграции РЧ-цепи».

Компания Texas Instruments, - возможно, наиболее последовательный сторонник такого подхода, - зашла столь далеко, что присвоила бренд своей однокорпусной КМОП-архитектуре со встроенной РЧ-цепью - DRP (digital-RF processor - цифровой РЧ-процессор). «Однокристальный подход имеет явные преимущества, - заявляет Билл Креник, главный администратор технологической группы отдела радиотерминалов, компания TI. - В настоящее время радиочипы для экономичных приложений в подавляющем большинстве случаев изготавливаются по цифровым технологиям. Сложность проектирования и стоимость разработки велики для однокорпусной архитектуры, поэтому такой дизайн требует большого рынка и хорошего удельного веса компании в обороте продукции. Напротив, в небольших сегментах рынка, таких как мобильные телефоны с расширенными возможностями, возможно, не следует использовать решение на одном чипе.

Нельзя пренебрегать не только мнением потребителей, но и мнением сообщества венчурного капитала. «Если вы - начинающая компания, инвесторы вынудят вас изготавливать однокорпусный кристалл по цифровой КМОП-технологии, хотите вы этого или не нет, - говорит Тедди О'Коннелл, менеджер по работе с клиентами, компания IBM. - Имеются весьма непростые вопросы, которые следует учесть, прежде чем принять решение».

Многие из этих проблем связаны со стоимостью проекта. О'Коннелл и другие указывают на то, что многокристальная реализация получила широкое распространение, и это привело к изменению соотношения между ее стоимостью и стоимостью одночипного решения. Бюджетная стоимость двухкристальной сборки может оказаться выше однокристальной, но эта разница - лишь первое слагаемое уравнения. «РЧ-цепь может занимать до 20% площади кристалла, но вероятность изготовления работоспособной радиосхемы существенно ниже, чем процент выхода годной цифровой части системы, - говорит О'Коннелл. - По мере того как геометрические размеры системы становятся все меньше, относительные размеры РЧ-цепи, скорее, увеличиваются, чем сокращаются. Далее, попытка обеспечить требуемую производительность радиоцепи может привести к изготовлению всей схемы по более совершенной цифровой технологии, чем это было бы необходимо в случае раздельного проектирования РЧ-цепи и цифровой части».

Вопрос о стоимости достаточно непрост. Выбор между однокорпусным и многокорпусным решениями может повлиять на выбор архитектуры радиосхемы, который, в свою очередь, имеет существенное влияние на количество и качество внешних пассивных компонентов, необходимых для построения РЧ-цепи. Выбор этих компонентов, учитывая их цену, стоимость аренды помещений, монтаж и тестирование, может сыграть значительную роль в общей стоимости системы.

Требования к характеристикам системы и проектный риск также взаимосвязаны. Теоретически, 65- или даже 90-нм технология КМОП-логики вполне подходят для реализации РЧ-цепи. «Несколько лет назад для обеспечения работы цепи в гигагерцовом диапазоне применялась технология на базе арсенида галлия с дорогостоящими транзисторами, - говорит Дуг Грант, директор по развитию бизнеса, компания Analog Devices. - Уменьшение технологических норм приводит к уменьшению паразитных емкостей, более коротким маршрутам носителей, и к большему числу транзисторов на кристалле. Все эти изменения сыграли на руку разработчикам.

Граничные частоты транзисторов, изготовленных по этим технологиям, могут оказаться выше 40 ГГц на норме 90 нм и существенно выше - на 65 нм. Уменьшение последовательного сопротивления в миниатюрных устройствах означает уменьшение собственных шумов, что отчасти компенсирует снижение рабочих напряжений. Линейность при этом остается неплохой: «Интермодуляционная составляющая третьего порядка в КМОП-устройствах на самом деле ниже, чем в SiGe», - утверждает О'Коннелл. Целесообразно использовать хорошие спиральные катушки индуктивности, до тех пор пока не требуется высокая добротность цепи. Тогда почему обеспечение высокой производительности считается причиной размещения на отдельном кристалле РЧ-цепи, реализованной по особой технологии? Существует множество причин для этого.

Технологии изготовления и производительность

Одной из веских причин является рабочая частота. «Обязательные требования вынуждают использовать сверхширокополосные (СШП) радиоцепи на более высоких полосах частот. В результате одним из наших требований к разработке является обеспечение рабочей частоты 10 ГГц, - говорит Дэвид Шумейкер, вице-президент компании Alereon по разработке и технологическим операциям. - Несомненно, на этой частоте КМОП-устройства достаточно устойчивы к условиям эксплуатации. Они обладают вполне высоким быстродействием. Однако на этих частотах даже при небольших отклонениях возникают большие неприятности. Например, управляемый напряжением генератор может стать нестабильным, и возникают проблемы с неравномерностью усиления». Чтобы их преодолеть, компания Alereon выбрала реализацию РЧ-блока ИС по SiGe-технологии с возможным переходом на КМОП. «У нас есть возможность совершить миграцию ИС», - говорит Шумейкер, - но сейчас мы не много выиграли бы от этого в плане стоимости».

Разработчикам архитектуры, желающим реализовать РЧ-цепь по КМОП-технологии, помимо усиления придется брать в расчет и линейность. Чувствительность радиосхемы к нелинейности зависит от приложения и схемы модуляции. «Стандарты могут оказывать большое влияние на возможность реализации радиосхемы по заданной технологии», - говорит Айилло, компания Staccato. - Например, мы используем манипуляцию QPSK (quadrature-phase-shift keying - квадратурная фазосдвигающая манипуляция), а не модуляцию 64-QAM (quadrature-amplitude modulation - квадратурная амплитудная модуляция), что позволяет существенно снизить требования к линейности РЧ-цепи».

Еще одной серьезной проблемой, связанной с цифровыми КМОП-устройствами, являются математические модели. Несмотря на то, что для всех типов цифровых КМОП-блоков существуют РЧ-модели, обычно они рассчитаны на цифровой режим. Малосигнальных моделей чаще всего немного или вовсе не существует. «Отсутствие моделей становится проблемой для начинающего разработчика РЧ-блока, независимо от того, какая эта технология - КМОП или другая, - говорит Дэйв Райт, ведущий разработчик системной архитектуры, компания Cypress Semiconductor. - Даже БиКМОП-технология, которую мы применяем в беспроводных USB-устройствах, изначально предназначалась для высокоскоростных систем связи, а не для РЧ-цепей. Она хорошо себя зарекомендовала, но в других рабочих режимах, чем используемых нами».

Имеющиеся проблемы связаны не только с моделями транзистора. Модели шумов - особенно хорошие модели распространения шума через источники питания и подложку - играют важную роль в любой разработке РЧ-цепи, в которой из-за низких рабочих напряжений шум становится серьезным препятствием. Эти модели важны и в таких системах как трансиверы со встроенными в кристалл усилителями мощности, и в проектах с несколькими антеннами, в которых присутствует несколько некоррелированных РЧ-сигналов. Даже если модели кажутся вполне пригодными, инженерам-технологам придется хорошо постараться, чтобы обеспечить требуемый выход больших цифровых ИС. Технологи не следят тщательно за параметрами малосигнальной РЧ-модели, подгоняя техпроцесы под реализацию затворов и ячеек SRAM. В результате разработчики, занимающиеся цифровыми КМОП-узлами, должны иметь собственный отдел моделирования и налаженные взаимоотношения с фабрикой для калибровки моделей.

При наличии у моделей неопределенностей степень проектного риска непредсказуемо увеличивается. Несмотря на эту трудность, проектировщики должны учитывать риск в своих решениях. Если он неприемлем, у них есть два варианта поведения. Первый заключается в том, чтобы положиться на проверенный коллектив разработчиков и отлаженный РЧ-процесс. Другой состоит в цифровой калибровке РЧ-цепей для компенсации неопределенностей в моделях или разбросов параметров. «В основном, компенсация проводится в тех случаях, когда мы менее всего уверены в своих моделях», - говорит Грант. Он утверждает, что для разработчиков Analog Devices вполне привычным делом является поставить 20-30 дополнительных транзисторов в схему обычного генератора напряжения смещения, только чтобы стабилизировать тракт КМОП-сигнала в диапазоне рабочих температур. Для того чтобы уменьшить эффект разброса напряжения в КМОП-узле, иногда используется линейный LDO-регулятор, который размещается рядом с чувствительной к изменению напряжения цепью (см. рисунок 1).

 

 

Рис. 1. У одночиповой радиосхемы Analog Devices для широкополосных CDMA-приложений имеется стабилизатор напряжения для стабилизации цепей, чувствительных к изменению напряжения

В качестве альтернативы разработчики могут использовать цифровые методики: применение АЦП для оперативных измерений рабочей точки системы, вычисление параметров компенсации и запись в ЦАП определенного кода для компенсации смещения (см. рисунок 2).

 

 

Рис. 2. Даже в самом простом РЧ-усилителе используется множество цифровых узлов

Некоторые разработчики шутят по этому поводу, что они переходят на такое проектирование, в котором выход ЦАП соединен со всеми выходами всех РЧ-транзисторов.

«Никто не спорит с тем, что для создания масштабируемой радиосхемы широко используются цифровые узлы, - говорит Креник, компания TI. - Например, линейность является наиболее сложным вопросом. Старая школа разработки настаивала на том, чтобы РЧ-блок был высоковольтным и обладал очень высокой линейностью. Но сегодняшний технологический уровень позволяет пренебречь этим правилом. Мы используем точные цифровые методы для компенсации смещения и управления несколькими другими параметрами, чтобы линеаризовать менее работоспособную систему».

Однако этот контроль сам по себе представляет еще одну проблему выбора между одним или двумя чипами. «Энергопотребление - один из наиболее важных параметров», - говорит Адам Гоулд, старший вице-президент по разработке продукции, компания NextWave Wireless. - Обычно предполагается, что разработанные по старым технологиям устройства потребляют больше. Но в КМОП-схемах повышенное энергопотребление вызвано желанием добиться линейности. В технологии WiMax, например, требование достичь определенной линейности усилителя мощности является одной из самых больших трудностей в статье расхода энергии. На текущий момент оптимизированная РЧ-технология позволяет добиться меньшего расхода энергии».

Таким образом, в выборе между одним и двумя чипами нет однозначного ответа на все случаи жизни. Некоторые рынки предлагают только одночипное решение, продиктованное максимально допустимой стоимостью. На этих рынках типичная реализация - СнК с КМОП цифровой частью для обработки baseband-сигнала и интегрированным радиоузлом. На других рынках многокристальная система позволяет разработчикам пойти другим путем, выбор которого зависит от заданной производительности и энергопотребления, предпочтительной архитектуры радиоцепи, наличия устойчивых моделей и опыта коллектива проектировщиков. «Сегодня в широкополосном доступе CDMA используются как цифровые КМОП-, так и SiGe-технологии реализации РЧ-блоков», - говорит О'Коннел. Для других частот, особенно для 10 ГГц и выше, в действительности пока не существует альтернатив РЧ-технологиям для приемников. «WiMax, 5-ГГц сети и радары по-прежнему являются приложениями, реализованными на базе SiGe-технологии», - добавляет О'Коннел. Однако следует заметить, что частота, на которой становится необходимым применение такой специальной технологии как SiGe или GaAs, может быть существенно ниже для усилителей мощности и антенных переключателей, что приводит к большему энергопотреблению, чем у приемников.

Помимо вопроса о выборе технологии изготовления усилителей мощности, с ними связаны и другие трудности. «По мере того как эффективная длина канала становится меньше, усложняется проблема, связанная с интегрированным усилителем, - утверждает Рофугаран. - Очень маленькие транзисторы не выдерживают больших сигналов по ряду причин, среди которых надежность и локальный перегрев. При определенных условиях работы через усилители мощности протекают слишком большие токи». Несмотря на это обстоятельство, Рофурган говорит, что компания Broadcom интегрирует усилители мощности в некоторые малопотребляющие приложения, например в свои Bluetooth-чипы.

«Технически возможно интегрировать любой усилитель мощности, работающий примерно до 10 мВт. Однако на практике 4 мВт - это предельное значение на сегодняшний день, - говорит Райт. - Выше него отдельные каскады усилителя мощности начинают потреблять большую статическую мощность в экономичных режимах, что сокращает срок службы аккумулятора. Перепады напряжения - еще одна проблема, особенно при использовании наиболее передовых технологий».

Архитектуры радиосхемы

Выбор в пользу одного или двух чипов тесно связан с решением о том, какая архитектура РЧ-части используется. Это решение включает выбор приемной и передающей частей РЧ-схемы. В отношении приемной части все шире распространяется предубеждение о том, что чем скорее будет оцифрован сигнал, тем лучше. Некоторые поставщики экспериментировали с размещением АЦП на выходе малошумящего усилителя и напрямую оцифровывали входящий РЧ-сигнал, ставя только полосовой фильтр между сигналом с антенны и входом преобразователя. Существует и другая крайность: некоторые разработчики продолжают использовать архитектуры с супергетеродинным приемником, как это было в далекие времена лампового радио. Как обычно, наиболее востребованным вариантом оказался промежуточный - архитектура приемника с прямым преобразованием.

Во многих случаях поставить АЦП на выход малошумящего усилителя - или, в данном случае, на антенну, было бы идеальным решением, которое позволяет значительно уменьшить проблемы с проектированием РЧ-цепи и получить новые возможности. Например, базовая станция сотовой связи, на которой оцифровывается весь спектр сигнала, может одновременно разделять полосы и выбирать каналы для многих схем модуляции. В этом случае разработчикам не придется назначать каждой активной сессии РЧ-блок, и качество фильтрации в цифровой области может оказаться выше, чем обеспечиваемое физическим фильтром.

«Однако было бы очень сложно создать преобразователь для такого проекта, к тому же он потреблял бы большой ток», - говорит О'Коннелл. Чтобы получить достаточное количество информации для цифровой обработки, этому преобразователю потребовалась бы чрезвычайно высокая частота выборки, а также большой динамический диапазон, позволяющий DSP отделять малые входные сигналы от мощных сигналов соседних каналов и внеполосного шума. По схожим причинам, ему потребовалась бы и высокая линейность. Несмотря на то что разработка такого преобразователя стала возможной в наши дни, О'Коннелл считает, что его реализация осуществима лишь для проектов высокого класса, например в случае базовых станций или многостандартных телефонов, получивших название world phones.

Лучшим выбором, с точки зрения большинства разработчиков радиоархитектур, является приемник с прямым преобразованием (см. рисунок 3).

 

 

Рис. 3. 10-ГГц СШП-радиочип компании Alereon, в котором реализована наиболее часто используемая архитектура приемника - приемник с прямой связью

В этой архитектуре РЧ-сигнал поступает от малошумящего усилителя в каскад смесителя, в котором РЧ-сигнал умножается на сигналы I (синфазный) и Q (квадратурный) от локального генератора. Результирующими являются два сигнала - I и Q, которые уже находятся в полосе частот информационного сигнала. Как правило, цифровой НЧ-сигнал проходит через фильтр для устранения эффектов наложения спектров и поступает на два АЦП.

В этом подходе не все так просто. Архитектура с прямым преобразованием появилась на заре ламповых радиоприемников вскоре после супергетеродина, но разработчики были вынуждены от нее отказаться по ряду причин. Малошумящий усилитель и смеситель должны быть линейными. Локальный генератор должен выдавать чистый и стабильный сигнал, а пригодность архитектуры с прямым преобразованием зависит в некоторой степени от схемы модуляции. «Она зависит от данных, - утверждает Рофурган. - Bluetooth-чип 2046 нашей компании использует GFSK-манипуляцию (Gaussian-frequency-shift keying - Гауссова частотная манипуляция) с относительно узкой полосой пропускания данных; ее информационный спектр близок к спектру постоянного тока. Использование архитектуры с прямым преобразованием представляется непростым из-за компенсации смещения постоянного тока. По этой причине мы используем супергетеродинный приемник с низкой ПЧ. Напротив, беспроводные локальные сети обычно имеют сигнал с относительно широким спектром и малым уровнем НЧ-составляющих, поэтому в этих сетях мы используем архитектуры с прямым преобразованием».

Компания Cypress выбрала архитектуру супергетеродина с низкой ПЧ для своего беспроводного USB-устройства. «Это решение было оптимальным в нашем случае, - поясняет Райт. - У нас хорошее схемное решение и лучшее подавление паразитных шумов, чем у тех, кто использует архитектуры с прямым преобразованием. Благодаря низкой ПЧ в логических цепях не расходуется много мощности. Мы могли бы перейти на прямое преобразование, но иногда наилучшим решением является повторное использование существующей архитектуры».

Однако при выборе супергетеродинной архитектуры возникает трудность, связанная с системной интеграцией приемника. Шумейкер отмечает, что участки схемы с низкой ПЧ генерируют частотные всплески, которые, не причиняя вреда самому супергетеродинному приемнику, могут наносить его другим приемникам системы. Поскольку в настоящее время многие мобильные устройства имеют несколько РЧ-схем, системотехник должен тщательно продумывать их частотные спектры еще на начальном этапе разработки.

Схожие решения годятся и для передатчика. Похоже, что наиболее распространенной архитектурой для этой части является усилитель мощности с двойной обратной связью. Эта схема, в которой имеются контуры обратной связи и для амплитудного, и для фазного сигналов, обеспечивает хорошую линейность по амплитуде и по фазе, что важно для таких схем модуляции как QAM, использующих оба параметра. Однако разработчики обсуждают и другие решения, порой фантастические: например такие, где мощный ЦАП напрямую управляет антенной.

Итак, на решение вопроса о РЧ-цепи в СнК оказывается все растущее давление со стороны рынка и инвесторов, вынуждающих производителей переходить на однокорпусные схемы, по крайней мере, с малосигнальной РЧ-цепью. Исповедующим такой подход разработчикам приходится при интеграции РЧ-цепи преодолевать весьма значительные трудности, многие из которых связаны с интенсивным использованием цифровой схемы калибровки и контроля, а также с опытом проектирования. Однако отрасли предстоит пройти длинный путь, прежде чем каскады РЧ-приемника уверенно займут место в СнК. Еще более отдаленным представляется тот день, когда в СнК появятся намного более мощные цепи передатчика.

Из-за того, что КМОП-технология не становится более пригодной для РЧ-проектирования, растущая интеграция, скорее всего, приведет - как это было несколько лет назад в TI - к прорывным инновационным схемным решениям и изменениям в архитектуре радиоцепи. Грант рассказывает, как разработчики продвигаются на этом пути: «Проектируя систему несколько лет назад, мы как-то попробовали оценить весь проект в целом и увидели, что разработчики РЧ-части, цифрового блока и ПО не общались друг с другом как следует. Каждый из них действовал исходя из допустимого уровня шума собственного проекта. В результате система не смогла эффективно функционировать. Стало понятно, что необходима оптимизация всей сигнальной цепи. Нельзя разделять ее на отдельные блоки; следует рассматривать весь РЧ-блок, включая фильтры, цифровое управление и рабочие режимы, предусматриваемые ПО. Нельзя оценивать только кристалл».

Выводы

• Рынок побуждает поставщиков устройств интегрировать РЧ-цепи в СнК.
• По-прежнему имеются веские основания для того, чтобы помещать РЧ-цепь на отдельный кристалл.
• Выбор архитектуры радиоцепи - особенно приемника - далеко не однозначен.
• Разработчик архитектуры должен оценивать систему в целом, а не только чип.

 

Получение технической информации, заказ образцов, поставка -
e-mail: theory.vesti@compel.ru