物联网(IoT)带动的议题继续在国内外各种正式与非正式的场合发烧，人们对无所不在的才智产品，或所谓才智的运用注入更多的想像空间。近年来，在市场规 模饱满的压力下，各行各业随时都抱持着下一代嵌入式才智(Embedded Intelligence)产品能提前到来的期望。
如今，任何物体只需冠上「才智」，人们便会趋之若鹜。才智的物体(Smart Object)在物联网的架构上，即指人们能够在任何时刻、任何地方运用才智的产品，并享受才智的效果。当具性价比的才智产品改动人们的日子，乃至依靠它 时，市场规模的巨大生长便是可预期的，这也是物联网上、中、下流厂商戮力研制寻求生长的柱石。
物联网的才智元素，来自于机器对机器 (Machine to Machine, M2M)的主动交流，以及很多资讯的无线传递和网路运算，由事情的来源直至事情效果的聪明出现，契合人们对事情处理的等待，一起将人们无功率的干与降至最 低。上亿台机器间的彼此交流，以及很多资讯的传递与云端的材料运算，都必须仰赖牢靠的基础建设，才得以即时、无误地完结介面转化与资讯分配。
现阶段援助3G/4G长程演进计划(Long Term Evolution, LTE)、无线区域网路(Wi-Fi)/802.11ac等基础建设，并契合无线通讯规范的终端产品，有才智型手机、穿戴式设备、无线网卡与才智家庭产品 等，这些产品也将随物联网高速、高频宽、高效益的实质需求，注入技能立异与才智化功用的应战与愿景。
拆解援助4G/LTE、Wi- Fi/802.11ac才智型的无线终端产品，如才智型手机、射频前端模组(Radio Frequency Frond-end Module, RF FEM)的立异技能，也将是成果所谓才智的、无界的、高功率的、高性价比的重要要害技能。
到达全球无缝衔接 手机支撑多模/多频成要害
LTE 与Wi-Fi/802.11ac的规范化规范，使得结合才智型手机的相关物联网运用，成为消费市场最可预见的曙光。内建4G LTE与802.11ac规范化规范的才智型手机，其无缝衔接(Seamless Connectivity)可支撑物联网全域网(Ubiquitous Networks)的根本特征，一起供给宽频影音与即时操控的才智化个人与家庭相关运用。
4G LTE的主张频率多达四十四个，根据国情不同，运用频段也各有差异，又为了与曩昔传统的3G与全球举动通讯体系(GSM)彼此通联，到达全球无缝衔接，并 游走于各频段，因而具有支撑多模(Multimode)、多频(Multiband)的架构，已成为手机射频前端的要害技能。
在各国 频谱资源有限与相对贵重的运用费率下，以高效能的数位调变技能来到达高传输速度的需求，已是现在LTE与Wi-Fi/802.11ac空中介面(Air Interface)的规范。但这样的技能将会衍生出劣化信号的峰均功率比(Peak to Average Power Ratio, PAPR)，添加更多的电能耗费，并下降手机的电池运用功率。在绿能环保认识的进步，以及人们对手机运用时刻添加的要求下，下降射频前端元件功耗的封包追 踪(Envelop Tracking, ET)技能，也已成为新一代才智型手机的要害方针。
在LTE举动通讯与Wi-Fi/802.11ac无线网路的引领下，立异的多模多频射频前端规划，将带动才智型手机与相关的可穿戴式设备，更靠近物联网的才智物件与才智终端产品。
多模多频的射频前端需求
支 援无国界周游的LTE才智型手机，加以考量功耗与精巧外型，那么多频多模的射频前端规划便是仅有的选项。放眼全球射频前端元件制造商，如 Skyworks、RFMD、Anadigics与立积电子(RichWave)，乃至包括活跃跨入整合主晶片与射频前端模组的高通 (Qualcomm)，这些厂商在进行相关产品研制时，皆以支撑多模多频的规划为方针。
综观而言，4G/LTE才智型手机援助五模， 别离为分频多工(Frequency-division Duplex, FDD)-LTE、分时多工(Time-division Duplex, TDD)-LTE、分时同步分码多重存取(TD-SCDMA)、宽频分码多重存取(WCDMA)与GSM，此外，多频(由运用区域与营运商的作业频段决 定)与全球周游已是各国营运商和顾客的根本需求。
欧洲电信规范协会(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)在技能文件3GPP TS 36.101中，界说援助4G/LTE四十四个频段规模，其间频段(Band)1?32为分频多工、频段33?44为分时多工，具体的LTE各频段频率分 布可参阅表1。
手机射频前端模组首要包括举动通讯LTE相关之射频元件，如天线开关模组(Antenna Switch Module, ASM)、功率放大器(Power Amplifier, PA)、双工器(Duplixer)、外表声波滤波器(Surface Acoustic Wave Filter, SAW)、薄膜体声波谐振(Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR)滤波器，与无线网路Wi-Fi/802.11ac及全球卫星定位体系(Global Position System, GPS)相关之射频前端元件。清楚明了地，射频前端元件中功率放大器的立异规划，直接触动着手机射频前端的细部架构。
功率放大器由支 援2G举动通讯的固定封包(Constant Envelop)单一形式功用的别离器材，演进至供给援助2.5G举动通讯的50Ω输入输出介面的四频段(Quad-band)(GSM/通用分组无线业 务(GPRS)/GSM增强速率演进(EDGE))功率放大器晶片模组，再由援助3G举动通讯单模的线性功率放大器，进一步演化供给LTE的空中介面、并 向下相容与援助多频段之多模多频功率放大器(Multimode Multiband PA, MMMB PA)。
多模多频功率放大器架构
近年来，射频前端模组供货商于手机市场上，已有几种不同功用的多模多频功率放大器，以供给体系晶片商之渠道规划参阅，或原始规划制造商(ODM)之客制化建 议。根本上，多模多频功率放大器依其援助的通讯形式，能够区别成单模的功率放大器(Single-mode PA)、交融形式的功率放大器(Converged-mode PA)与混合形式的功率放大器(Hybrid-mode PA)，这三种形式的功率放大器在功用、电路板(PCB)面积与价格上都有其不同的考量。
援助GSM/GPRS/EDGE四频段(800/900MHz与1800/1900MHz)的功率放大器，与援助3G/4G LTE单模单频段的功率放大器，便是现在市场最常运用的单形式的功率放大器，图1是由单模的功率放大器组成的典型手机射频前端方块图。
图1 单模功率放大器组成的手机射频前端方块图
该多模多频的射频前端架构，首要由天线开关模组、2G/2.5G四频段功率放大器及五至六个单模3G/4G LTE功率放大器组成，可援助五模十三频(表2)全球周游功用。这种单模单频的功率放大器，因对特定的频段与负载阻抗(Load-line)有着最佳化的 规划，因而在既定规范的发射功率(Output Power)下，有着最好的功率附加效益(Power Added Efficiency, PAE)。
尽管单形式功率放大器的计划能够供给较好的发射功用，但因其功率放大器的数量随运用频段添加，又不同区域须运用不同数量的功率放大器，再加上印刷电路板面积大、布线杂乱且无法一版通用，因而形成手机规划困难度、料件及PCB本钱皆进步。
交融形式的功率放大器，望文生义是选用单一功率放大器适用多种通讯形式的规划。由交融形式功率放大器组成的射频前端架构，将进一步削减功率放大器的运用数量。
以图2为例，仅运用两个交融形式的功率放大器替代2G/2.5G四频段功率大器，以及五至六个单模3G/4G LTE功率放大器，大幅度削减料件本钱与PCB布线的面积。因而，由交融形式的功率放大器所组成的多频多模射频前端架构，其除能有用下降手机本钱与PCB 布线杂乱度外，共用的PCB规划还能够缩短新款手机的研制时程。
图2 交融形式功率放大器组成的多模多频射频前端架构
可是，在射频功用上多模多频交融形式的功率放大器仍有规划上无法最佳化的缺陷。2G/2.5G的最小移频键控(GMSK)信号特征是固定封包，4G/LTE 的16正交振幅调变(QAM)的信号特征非固定封包(Non-constant Envelope)，两者在功率放大器的偏压作业点、负载阻抗与匹配电路的规划上是颇有差异的。举例来说，若将输出GSM 35dBm功率放大器的输出级电晶体巨细与相同的匹配电路，作业于LTE 27dBm的输出功率，PAE的不彰是清楚明了的。综上所述，多模多频交融形式的功率放大器，在作业于不同形式下有着功用上的差异，无法到达多模作业时功 率附加效益的最佳化规划。
另一种混合形式功率放大器(Hybrid-Mode PA)的计划架构可参阅图3，尽管稍有添加PCB巨细与功率放大器的数量，不过，若能改善交融形式功率放大器耗能的缺陷，也将会是另一种考虑合理性价比的规划。
图3 混合形式功率放大器组成的多模多频射频前端架构
混合形式的多模多频功率放大器，是依其频段与线性度(2G/2.5G或4G LTE)的规范要求，区别成四路功率放大途径，两路的功率放大器供给2G/2.5G的高频段(High Band)与低频段(Low Band)运用，另两路的功率放大器供给3G/4G LTE的高频段与低频段运用。四路的功率放大器能够别离依其作业的频段与线性度的不同，进行功率电晶体尺度与匹配电路的最佳化规划。
混合形式功率放大器的多模多频射频其端架构，就射频功用而言，优于交融形式功率放大器组成的射频前端架构，也能够与单模功率放大器组成的射频前端架构功用相 当。就PCB面积巨细而言，却也需要适度添加功率放大器晶片的巨细与PCB的面积，不过，跟着体系晶片封装微型化技能演进，有限面积添加已是市场上的趋势。
多频多模整合需求 PA规划面对应战
不管交融式的功率放大器或是混合形式的功率放大器，其规划的应战皆来自于多模多频的整合需求，功用要契合多模多频的要求，其规范也要比美并替代单模的功率放大器，一起还要到达缩小体积、下降模组价格与进步量产良率的意图。
在 保持相同增益、线性度、输出功率与杂讯按捺的条件下，多模多频功率放大器的规划应战便是功率附加效益的优化规划，换言之，便是下降电流的耗费，添加手机通 话的时刻。在契合附近频道走漏(Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR)与差错向量巨细(Error Vector Magnitude, EVM)的线性度情况下，功率放大器的输出级电晶体尺度巨细与负载阻抗的优化，是以到达最大的输出线性功率与最好的PAE为方针。可是当功率放大器操作在 低功率或PAPR高的数位调变情况下，因为输出功率的输出后退(Output Back-Off, OBO)，形成PAE的急速下降。
LTE 相关于2G/3G高PAPR的信号实质(4G/LTE上行的PAPR约6.0?8.0dB)，对功率放大器之规划，有着PAE的功率问题。近代数位调变的 技能将更多的材料压缩在一频道上传送，导致信号波幅(Waveform)的波峰因数(Crest Factors)或称PAPR添加，也使得电源因应信号波幅动态调整的封包追寻成为一项重要的节能技能。封包追寻电源供给(ET Power Supply, ETPS)是高速高频宽的动态电源技能(图4)，追寻输入射频信号的波幅，即时供给功率放大器的电源电压，偏压于挨近饱满的作业区，进步功率放大器的 PAE。
图4 ETPS方块图
ETPS 之作业原理为调变功率放大器之供电端，使其作业电压即时地跟从输入射频信号之波幅改变，以防止不必要的功耗。ETPS在架构上的组成一般包括线性式电源供 应器(Linear-Mode Power Supply, LPS)、电流感测(Current Sensor, CS)与交换式电源供给器(Switch-Mode Power Supply, SPS)。LPS是追寻输入射频信号的波幅，供给电源电压与电流。当CS检测出高波幅时，会切换至SPS供给大电压与电流(图5)。ET的规划应战是具有 二至三倍的信号波道的频宽才能，精确地追寻射频信号的波幅，一起不发生失真，在高峰值功率输出与高动态改变的调变信号下，能够不添加杂讯，并且能保持 80%的电源转化功率。
图5 ETPS电源电压输出波形
新 一代的才智型手机装备Wi-Fi/802.11ac，使得网路飙速才能日积月累，供给串流影音(Video Streaming)与家庭剧院等多媒体的无线运用，带给人们即时的视觉享受与便当。802.11ac的1.3Gbit/s高速传输材料量为 802.11n的三至四倍，而其80MHz/160MHz高频宽与1.8%差错向量巨细的高线性度需求，也是规划高功率功率放大器的应战。回忆效应 (Memory Effect)的按捺、动态输入振幅对输出振幅(AM/AM)与输入振幅对相位差(AMP/PM)的非线性效应、杂讯走漏与举动通讯的彼此搅扰、静电、过 载与突波维护等相关规划，也是功率放大器的重要议题。
打破射频前端规划枷锁 串联数位操控介面成规范
在2G或3G 传统手机之射频前端模组的操控功用，如通讯形式/频道的挑选、射频元件的发动或封闭、类比偏压的调整等，大多运用并联的通用输入输出(GPIO)介面，但 在LTE多模多频的射频前端架构下，跟着运用频段与功率放大器的数量添加，数位操控的介面也由并联的GPIO方法转变成串联的数位操控介面。
串 联的数位操控介面能够运用固定的输入/输出(I/O)操控脚，关于不同频段/形式，或者是功率放大器数量的组合，有着相同的操控功用。近期业界在手机的射 频或类比体系的I/O介面上，也界说举动工业处理器介面(MIPI)的串联，此一串联介面的协议，削减了I/O操控的数量与杂乱度，也使PCB规划的再利 用性进步，因而，逐步成为手机多模多频射频前端的规范I/O介面。
物联网大势将至 立异才智运用移风易俗
面对物联网代代的到来，各行各业莫不活跃投入立异技能的研制，其间，由无线射频辨认(RFID)、感测元件、无线感测网路(WSN)、潜入才智及云端运算至才智型的立异运用，皆带来极大的想像空间与期望。
物联网立异的才智运用，在高速4G/LTE举动通讯与无线网路Wi-Fi/802.11ac的基础建设下，意味着很多材料在M2M与无线网路国际里牢靠的传递。
