移动通信设备在人们当今的生活已是普遍化，移动通信技术的不断发展掀起半导体产业市场一股又一股的热潮，通信技术无疑地正在引领市场前进的步伐。随着3G牌照在中国正式发放，“一石激起千层浪”的市场效应更是明显。现阶段是3G通信开发的关键时期，模拟器件因广泛应用于通信产品而备受关注。
      在3G通信开发阶段，基站设备与终端产品对模拟器件的应用要求将呈现3G通信模拟器件应用开发的技术需求和发展趋势。在本期应用对话专栏，我们也将从基站设备和终端产品应用两个角度分析模拟器件在3G通信中的技术需求和发展趋势。

数据处理能力、灵活性、功耗与成本是3G基站芯片优劣重要指标

      据统计，2008年中国政府对3G投资大约在550亿元左右，预计未来3年3G网络建设投资规模约为4000亿元，IDT中国区总经理黄黎明（以下简称“黄总”）表示：“根据SIA（美国半导体行业协会）预测2009年全球半导体市场将下滑5.6%，在这样的经济大环境下，中国3G牌照的正式发放给半导体制造商和解决方案供应商提供了难得的机会。”黄总说：“在移动数字多媒体已成为世界主要沟通形式之际，3G技术无疑是现代网络通信技术的关键体现，在3G基站架构中，数据速率能力将被不断提高，每个基站需要支持更高用户容量。”

IDT中国区总经理 黄黎明

      从技术特点来说，3G以提供高速数据业务为目的，语音是GSM的特长，因此，3G基站的硬件必须在面向业务、性能提升、可灵活部署、可平滑演进的要求基础上，对语音业务进行有效的优化，从而保证3G网络提供的语音业务质量。同时，从2G到3G的演进是一个长期的过程，而且多种3G标准都将获得商用，因此，支持多标准的基站产品将成为一个重要方向，所以3G基站除了要提供3G的功能外，还要在硬件、软件方面考虑与2G的融合。另一个需要考虑的问题是成本，包括基站建设成本和运营成本，这就要求基站设备尽可能同时支持多个网络或者兼容提供2G服务，同时在网路升级频率提升的同时要保证设备的使用期限。
      从以上问题可以总结基站芯片的基本要求，首先是高性能的处理能力，作为以数据业务为主的3G网络，其单用户的下行数据量提升为至少384kbit/s，数据处理能力比GSM时提升了至少3倍，如果考虑到HSPA，数据处理需求更为明显，因此，基站处理器的处理能力必须得到大幅提升。其次，芯片灵活性的需求更为明显，由于3G基站需要支持多种标准，以及与GSM兼容，这就要求基站设计结构必须要尽可能灵活，能够在支持多种标准的同时，还要可以灵活的进行升级，要实现这些要求，必须从芯片设计上入手，不仅要满足对新业务的有效支持，还必须具有极大的灵活性，支持一定范围内的网络升级。再次，由于3G频谱变得更为珍贵，以及基站新站址投资将更加庞大，因此基站芯片要提供更好的网络覆盖和更好的功能支持，这对整个射频发射部分都提出更高的需求。最后，基站的功耗已经成为运营商一个沉重的负担，基站芯片可以说是基站降耗的主力军，如何在提升处理和发射性能的同时降低芯片工作的能耗，就成为基站芯片设计必须考虑的问题。
      “随着3G牌照的发放，越来越多的半导体厂商将目光投向3G及其系统上。根据模拟半导体厂商公开的信息透析，3G基站和3G终端是众厂商所关注的重点，因为这是两个需求量很大的产品/系统。”Microchip公司中国区模拟与接口产品市场策略工程师李喻奎说，根据3G基站的要求特点，他认为：“在3G基站建设中涉及到的模拟产品可细分为模数转换器、放大器、功放等，模拟器件产品首先要面对的是数据处理能力、灵活性、功耗和成本等基站芯片优劣重要基本指标，然后不同的模拟器件厂商将需要结合自身的产品，了解在应用中具体还要进行哪些细节上的设计改善或者是性能提升，这样才能有利于提供具有竞争优势的产品和解决方案。”

Microchip公司中国区模拟与接口产品市场策略工程师李喻奎

3G基站应用模拟器件面临更高技术要求

      高采样率、多通道数据转换器（ADC）能够打造支持多个无线空中接口标准、具有高成本效益的软件无线电系统，它在推动3G基站技术方面发挥着重要作用，如可以提升HSDPA/HSUPA基站收发器、WiMAX基站收发器、MIMO-OFDM接收器、软件定义无线电等技术的性能，使得它们能够对更宽的带宽进行采样，以缓解无线数字业务所承受和不断增加的吞吐量和可靠性要求的压力，并利用软件来实现尽可能多的功能，从而达到节省成本的目的。用于基站业务的数据转换器主要的技术指标要求包括采样速率、分辨率、无寄生动态范围（SFDR）和信噪比（SNR）等，其中高采样率是关键。由于现在的3G基站架构正向零中频发展，因此它要求数据转换器要有更高的数据采样率，比如要求14位、250Msps的高采样率；据业界相关人士分析认为，针对3G基站对数据采样率的高要求，AD转换器与后端的数据处理部分集成将是在3G基站应用中的另一个趋势。另一方面，在3G基站设计方案中，除了对ADC低功率工作这种显而易见的要求之外，小尺寸的基站在核心元器件的热耗散上还有额外限制，有限的系统散热能力经常成为实现集成密度的瓶颈。所以，具有竞争优势的系统设计方案将要求数据转换器在紧凑和低功率基础上，实现高性能的同时还要保持低温度。
      在3G基站中，将有越来越多的数据流量要放进一个受限制的带宽中，这也为基站射频设计带来了很大的挑战。为了追求更高的数据速率和频谱效率，3G通信系统利用的非恒包络调制技术要求发射器工作于线性状态，从而使线性化技术和效率增强技术成为功放（PA）设计的关键所在，因此射频的线性化技术和高效率技术的研究成为业界的热点。在功放的各种线性化技术中，最主要的线性化技术是输出功率回退法（OutputPowerBackOff）、前馈法（FeedForward）、预失真法（PreDistortion）；而效率增强技术即基于提高线性功放效率的技术主要有：Dorherty技术、包络跟踪、包络消除再生技术和自适应偏置技术等。PA线性化技术最大的突破是可使信号预失真，尽管数字预失真DPD技术特性的变化方式非常复杂，但是其可以使功放效率优于25%而备受关注。
      除了降低成本、减少体积是功放一贯的要求，相比于2G的低发射功率要求，3G系统要求功放效率不断降低，这是因为大多时候功放没有工作于最大功率输出状态，功放开关速率比的增加又使部分功率在工作时间浪费，因此功放的高线性、低失真和高效率在3G系统中变得越来越重要。但是，3G系统高速率使得功放线性化和效率增强变得更加困难，这是3G系统功放效率面临的考验。目前，在功放的线性化方面有笛卡尔环、极坐标环、前馈和预失真等技术出现，而效率增强技术即基于提高线性功放效率的技术主要有：包络跟踪、包络消除再生技术和自适应偏置技术等。良好的线性、高效率、高可靠性以及高集成、低成本是3G时代功放的整体要求。Microchip的模拟产品线及定位重点关注的就是基站系统，针对现实所需面对的问题和工程师的设计需求，Microchip为3G基站提供了完整的PAM（功率放大器模块）解决方案，以使PA工作于良好的线性区并实现高效率、高可靠性。据李喻奎介绍，Microchip所推的PAM解决方案主要是通过以下三方面满足高效率、高可靠性的设计需要：1、利用温度传感器来测量温度并获取实时温度变化；解决方案中利用Microchip提供的系列温度传感器芯片进行温度值采集，再结合PA功率放大器的温度特性，并利用单片机的算法，使其工作于最佳的线性工作区。2、利用高精度D/A转换器产生PA功率放大器的偏置电压；为了使PA功率放大器工作于最佳状态，Microchip提供系列12位D/A转换器来产生精密且可调节输出电压，需要实时调整PA的偏置电压。3、实时、智能控制，使PA功率放大器工作于最优化；Microchip通过对实时/智能控制PIC®单片机的使用来实现高集成、高可靠等性能。李喻奎表示：“在我们所推的PAM解决方案中，主要是应用了我们自己相关的产品，这样有利于我们对解决方案整体性能实现的掌握，在与客户的合作中也形成了我们独特的竞争优势。”
      从2G到3G的转变，因为增加了基带卡架构每个集群的DSP数目而需要采用串行接口，串行接口有助于硬件工程师将端口带宽增加到每个DSP，同时最大限度地减少互连DSP所需的线迹数。黄总指出：“在3G和4G基站中，串行交换（serial switching）技术已经成为基站设计工程师经常采用的一种IO系统互连技术。”串行交换技术专为无线基础设施、接入网络、存取、科学、军事和工业设备等嵌入式系统设计的交换结构，补充了特定基站接口标准，如开放式基站架构发起组织（Open Base Station Architecture Initiative，简称 OBSAI）、作为竞争标准的通用公共无线接口（Common Public Radio Interface ，简称CPRI），以及先进电信计算架构（Advanced Telecom Computing Architecture，简称 ATCA）。OBSAI定义了基站模块间的接口；CPRI定义了在通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System，简称 UMTS）基站中射频（PR）和控制模块间的接口；ATCA 定义了机箱尺寸的标准。这些标准支持模块化设计和制造方法，对于降低设计和材料清单及制造人工成本的复杂、大规模生产系统非常关键。这些标准有助于系统设计采用各种标准元件，而无需较昂贵的定制元件，不管是基于蜂窝的还是FPGA，任何现有的定制元件必须采用标准接口。

3G终端模拟器件面迎性能、工艺技术与成本新考验

      以高速传输数据并能传送图像为特征的3G移动通信系统对通信设备提出了新的要求，同时也将毫无疑问地引发新一代移动终端的革命。随着2009年中国3G的全面铺开，各大3G终端集团军整装待发，纷纷亮剑，为消费者带来了多系列的3G终端产品。4月12日，中国移动广东公司为3G终端战打响了第一枪——G3笔记本在广州正式开卖。中国移动在广州首批售卖的上网本囊括HP、海尔、同方、DELL、联想、方正等品牌的30多款主流机型，涵盖了多数国际主流大厂，本次开卖的G3上网本，主要面向商务人群，重量轻便，具备英特尔奔腾双核处理器、较小的高清液晶屏、大容量高速硬盘和全尺寸键盘，关键是通过内置的TD-SCDMA/EDGE上网卡（HSD-PA）最大可提供接近ADSL速度的上网功能。4月10日，2008年跃升为全球第六大手机厂商的中兴通讯也在北京举行3G终端战略暨新品发布会，全球首发TD-SCDMA、CDMA2000和WCDMA三大制式的3G终端产品，同时宣布推出包括手机、上网卡、上网本、监控器、数码相框、无线座机、家庭网关、模块、无线对讲机在内的九大3G终端品类，共计40款产品；其中，中兴智能手机N61作为唯一中国品牌入围联通首批上市WCDMA产品；支持GSM、WCDMA两种制式，采用qwerty全键盘设计，操作系统为微软windows mobile 6.1，在机身背面配置了一颗320万像素摄像头，支持自动对焦，存储卡最大支持8GB microSD卡扩展。4月16日，诺基亚面向中国内地推出了第一款3G移动终端——诺基亚8208，诺基亚8208也是诺基亚第一款为中国电信定制的cdma2000移动终端，诺基亚8208通过专用音乐播放键，可以快捷地接入移动音乐世界，支持高达连续20个小时的音乐播放；它的存储卡插槽支持16GB扩展存储空间，最高可存储约4，000首AAC+和MP3数字格式的音乐；内外置300万像素相机，并可通过高速的3G连接，随时随地快速连接互联网。相比较2G而言，由于3G网络能够提供更大的传输速度，使消费者得以拥有更流畅完整的用户经验，3G终端的发展空间与巨大的市场价值已经紧紧扣住更多模拟器件厂商的心弦。
      在3G终端中，多模是一个必不可少的趋势，而多模单芯片就成为手机终端芯片发展的必然趋势。随着半导体技术的突破与手机BOM成本的持续下降，外型上轻薄短小的挑战促使手机芯片向高度集成化发展。3G手机不仅需要兼容2G网络，Wi-Fi、WiMAX、蓝牙与GPS等功能，甚至是接下来的4G，都必须在单一装置里能够支持。WiMAX Forum研究报告指出，未来双模芯片将可能取代传统的Wi-Fi芯片，成为无线宽带接取市场上的主要芯片技术。双模芯片设计还会整合多媒体编译码器如JPEG、MP3、MPEG4／H.263等，以支持各种的多媒体应用；同时还会整合USB收发器、相机影像处理等功能，也提供接口支持WLAN、IrDA、Bluetooth、USB OTG2.0等。多模化趋势首先需要解决的是射频（RF）部分如何进行整合，通常是先从相同频段、相近频段开始整合，或从应用相近开始整合，蓝牙与Wi-Fi整合为一因为都使用2.4GHz频段，射频及相关模拟前端电路有很大程度可以共享，甚至是共享同1支收发天线；进一步的，芯片业者为了达到更高的整合度，会尝试将原有各自独立设计、生产、封装的MAC芯片、RF芯片合并为一，而MAC（媒体存储控制器）部分已属数字化，因此多是使用半导体最普遍、最标准的“硅CMOS结构”制程。不过RF方面为了追求无线通讯时的收发性能表现，使用砷化镓（GaAs）、锗化硅（SiGe）等材料反而较硅为佳，同时BiCMOS结构也比CMOS结构理想，但这些材料与结构并不如硅CMOS结构的技术普及低廉，也不易与纯数字的MAC芯片整合。所以，将RF芯片电路改以标准CMOS方式实现，才便于与MAC整合。
      随着3G终端普及加速，3G终端成本持续下降也成为业界另一个焦点和趋势。虽然3G技术天生比2G昂贵得多，但是规模效益和激烈的竞争将导致其价格不断走低。随着更多功能被集成，3G终端复杂度还将继续加大，应对成本下降问题就离不开在器件制造工艺上做文章。当前，工程师已经可以利用0.18微米甚至更先进的CMOS工艺来提高射频产品的集成度，RF CMOS技术也已经被广泛采用。
      3G技术将越来越多地融入到人们日常的通信设备中，包括手机、笔记本、上网本、上网卡、监控器、数码相框、无线座机等等，除了要面对3G技术整体的性能要求，模拟器件还需要根据不同的通信设备个性要求进行研发设计。模拟器件的价值来自于优良的设计，对于模拟器件而言，即便是0.1微米以下的制造技术也能在减小尺寸，降低成本等方面发挥着巨大作用。

结语：3G时代的到来，既带来了更多的市场机遇，也提出了更高的应用要求。面对当前3G启动初期，特别是在3G终端市场垄断尚未形成的时候，所有企业都面临着相同的模拟设计难点，而这些难点也透露出了重要的信息：你将获得众多的创新和发明的机会，主要的重点是你要怎样能用更快的速度、更准确的方式去解决同样的问题从而脱颖而出。