SAWフィルタ不要のLTE/W-CDMA/GSMセルラー標準対応トランシーバLSI

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あらまし 4G移動体通信向けのマルチモード，マルチバンド対応シングルチップCMOSトランシーバLSIを開発した。本LSIは，LTE（FDD/TDD両方）に加え，同じ内部回路で3Gの W-CDMAおよび2GのGSM/EGPRSの動作モードにも対応する。帯域としては，FDD バンド1 ∼ 21，TDDバンド33 ∼ 40，W-CDMAバンドⅠ∼ⅥとⅧ∼Ⅺ，EGPRSバンド Cell850，EGSM，DCS，PCSをサポートする。受信部にはプライマリ入力ポート九つ，ダイバシティ入力ポート五つを備え，外付けLNAと段間SAWフィルタが不要である。オートゲインコントロールは自律的に動作する。送信部には出力ポートを八つ備え，こちらも段間SAWフィルタが不要である。内蔵した送信プリディストーション回路により，オフセット変調の影響を低減できる。ARM7コアをシーケンス制御に用い，APIを提供することにより開発期間の短縮に貢献できる。業界標準の二つのデジタルインタフェースは， 2G/3GベースバンドだけでなくLTEベースバンドとの互換性も持っている。本LSIには 90 nm CMOS技術を用いた。 Abstract

A single-chip multi-mode multi-band CMOS transceiver was designed and implemented for 4G mobile platform. The transceiver supports both LTE FDD and TDD operation modes. It also supports 3G W-CDMA and 2G GSM/EGPRS operation with the same signal paths. The hardware supports FDD bands 1-21, TDD bands 33-40, W-CDMA bands Ⅰ-Ⅵ and Ⅷ-Ⅺ, and EGPRS bands Cell850, EGSM, DCS and PCS. The receiver has 9 primary and 5 diversity input ports that do not require external LNAs or interstage SAW ﬁlters. The automatic gain control system is fully autonomous. The transmitter has 8 output ports that do not require interstage SAW ﬁlters. An integrated transmit predistortion path reduces the impact of offset modulations. An integrated ARM7 core controls transceiver sequencing and enables a high level API that greatly reduces radio development time. Two industry standard digital interfaces provide compatibility to LTE basebands as well as 2G/3G basebands. It is fabricated in 90 nm CMOS technology.

● Patrick Rakers ● Daniel B. Schwartz ● Mahib Rahman

● James Mittel

GSM

_{セルラー標準対応トランシーバ}

LSI

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レームの長さは，1 msである。各ユーザに割り当てられるRBの数は動的に管理され，スループット要求の変化に応じてサブフレームごとに変化する。このようなLTEの特性により，トランシーバには独特な要求が課せられる。必要な受信データが，ダイレクトコンバージョン受信機にとってのDC近傍や帯域端にある可能性があるため，受信部は，チャネル帯域幅全体のすべてのRBにおいて良好な性能で受信しなければならない。この要件により，位相直交性およびIIP2（2次入力インターセプトポイント）は厳しい制約を受ける。送信部には，オフセット周波数に関連したスプリアス信号を生成することなく，単側波帯変調信号またはオフセット変調信号を生成する能力が求められる。 LTE規格では，動作モードとしてFDD （Frequency Division Duplexing：周波数分割複信）

およびTDD（Time Division Duplexing：時分割複信）をサポートする。FDDでは，上りリンクと下りリンクのデータ経路に別々の周波数を割り当て，送信と受信を同時に行う。TDDでは，上りリンクと下りリンクのデータ経路に単一の周波数を割り当て，データ経路間の干渉を回避するために，送信と受信を時間で切り替えて行う。

LSI

の概要 LSIのブロック図を図

-2

に示す。本LSIは，高集積のシングルチップCMOSトランシーバであり，

LSI

の概要ま　え　が　き

LTE（Long Term Evolution）は，携帯電話市場における最新のセルラー標準であり，進化を続ける3GPP標準の2G，3G規格GSM，W-CDMAに続く通信規格である。LTEはIPパケットを用いる通信で，当初から，データ伝送ネットワークとして開発されている。GSMおよびW-CDMAは，音声ネットワークとして開発され，データに対応するために技術改善を積み上げてきたものである。 LTEでは，無線信号をOFDM（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing：直交周波数分割多重）変調する。OFDMでは，無線信号は単一変調の無線周波数ではなく，狭い間隔で直交する多数の副搬送波から成る。LTEでは，隣接する副搬送波の間隔を15 kHzにしている。規格では， 1.4 MHz，3 MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz， 20 MHzのチャネル帯域幅を規定している。帯域幅の90％を副搬送波が使用する。各副搬送波は， QPSK，16値QAM，または64値QAMで変調される。副搬送波に分割することにより，パワースペクトル密度を無線チャネル全体に一様に分布させることができ，データスループット効率が改善される。図

-1

に示すように，通信チャネル帯域幅は，リソースブロック（RB）に更に分割される。一つの RBの幅は180 kHzである。一方タイムドメインでは，通信はサブフレームにも分割される。サブフま　え　が　き 1 resource block ＝ 180 kHz ＝ 12 subcarriers サブキャリア間隔＝15 kHz 1 slot ＝ 0.5 ms ＝ 7 OFDM symbols 1 subframe ＝ 1 ms ＝ 1 TTI ＝ 1 resource block pair

時間

周波数

QPSK，16QAM or 64QAM変調

UE1 UE2 UE3

UE4 UE5 UE6

図-1 LTE通信チャネル Fig.1-LTE communication channel.

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Cell850，EGSM，DCS，PCSをサポートし，LTE のすべてのチャネル帯域幅がサポートされている。受　　信　　部本LSIの受信部は以下に示す三つの特徴を持っている。（1） SAWフィルタ不要の動作（2） LTE/3G/2GでRF信号経路を共有

（3）自律的なAGC（Automatic Gain Control：オートゲインコントロール）受信部のブロック図を図

-3

に示す。段間SAWフィルタを受信部に置く主目的は，送信信号が感度の高い受信入力部に達する前に伝送信号を減衰させることである。アンテナ部分で +24 dBmの送信信号が出ている中で，-106.7 dBm にも満たない信号を受信できる感度が受信部には要求される。無線デュプレクサはこの送信信号を受　　信　　部その構成は次のとおりである。段間SAWフィルタ不要の高性能・低雑音の送信変調器，外付けLNA と段間SAWフィルタ不要の，MIMOおよびダイバシティ動作可能なデュアル受信部，受信ADCおよび受信デジタル信号処理ハードウェア，送信DAC および関連の送信デジタル信号処理，ベースバンドLSIとの完全デジタル通信に対応したD4Gおよび D3Gデジタルインタフェース，（1），（2）_{シーケンス/ハー} ドウェア制御のためのARM7マイクロプロセッサ，さらに無線プラットフォーム開発期間の短縮を支援する高レベルAPI（アプリケーションプログラムインタフェース）を持っている。本LSIは，LTEのFDDとTDDの両方式に対応する。また，同じ信号経路での，3G W-CDMAと 2G GSM/EGPRSの動作もサポートする。帯域としては，FDDバンド1 ∼ 21，TDDバンド33 ∼ 40， W-CDMAバンドⅠ∼ⅥとⅧ∼Ⅺ，EGPRSバンド図-2 LSIブロック図 Fig.2-LSI block diagram.

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最大48 dB程度減衰させるが，それでも送信信号は受信部にとって最大の妨害信号である。この変調された妨害信号の存在により，受信部には四つの原理上の制約が生まれる。その一つとして，LNA （Low Noise Ampliﬁer：低雑音増幅器）は，デュプレクス周波数間隔の0.5倍と2倍離れた周波数の狭帯域ブロッカーによる不要RF生成物を防止するために高い3次インターセプトポイント（IIP3）を持つ必要がある。つぎに，ミキサは，送信信号のセルフミキシングによるダイレクトコンバージョン受信機での干渉の発生を抑えるために，優れた 2次インターセプトポイント（IIP2）を持つ必要がある。また，受信シンセサイザおよび直交局部発振器では，デュプレクス周波数間隔における位相雑音を非常に低く抑える必要がある。さらに，信号経路での送信信号によるクリッピングを抑止しながら，受信部のフィルタおよびゲイン特性によりダイナミックレンジを最大化する必要がある。本LSIのLNAは，上記の厳しいIIP3要件を満たすために電流モード回路として設計されている。デバイスのサイジングを入念に行い，電流バイアスを巧みに利用することにより，要件どおりの位相雑音性能を可能にしている。自律的なAGCと，フィルタ帯域幅を調整することにより，ダイナミックレンジの最大化を図っている。トランシーバ電源投入時に性能を調整することにより，ミキサの IIP2性能を非常に高くしている。（3）_{この調整では，} まず，送信部で生成される2トーン信号は受信部を通過する。受信側デジタル信号処理により，非線形生成物を監視し，DAコンバータのペアを使ってミキサの動作点を再バイアスすることにより非線形性を最小限にする。探索型アルゴリズムにより，ピーク性能の達成が可能となっている。 LTE規格では，受信部には更に三つの要件が課せられる。第1に，2.7 GHzでのバンド7の追加である。この高い周波数で雑音指数性能を満たすには，入念な設計が必要とされる。第2に，TDD動作では，送信モードから受信モードに迅速に切り替えるた LO Sigma Delta A/D Sigma Delta A/D Decimation

Filters DCOCFine

Decimation

Filters DCOCFine

フロントエンド Wideband Detector RF/IF AGC Complex Mixers （for EGPRS only）

LNM

TCA

Biquad BBA

3GおよびLTEモードではDCR mode，EGPRSモードではVLIF offset

Frequency Dependent Equalizer Matched/Selectivity Filtering I/Q Equalization Digital AGC Fractional Resampling DIGRF4G/DIGRF3G External Interface Bandwidth Tuning On-Channel Power Detector Coarse DCOC IP2 Control Linearity Control RSSI RX_GAIN DCOC D/A IP2 D/A 図-3 受信部ブロック図 Fig.3-Receiver block diagram.

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（1）バンド7 （2）可変帯域幅（3） TDD動作以上の要件については，受信部と同様の方法で実現される。4番目は，独特で困難な要件である。ダイレクトローンチトランスミッタは，チャネル中心からオフセットした一つまたは少数のRB の場合もサポートすることになるため，GSMや W-CDMAでは発生しない新たな相互変調信号に対処する必要がある。オフセットRBを持つ送信周波数スペクトルを図

-5

に示す。オフセットRBは，あるIF （Intermediate Frequency：中間周波数）で変調された信号に相当する。チャネル中心がRF周波数とすると，出力スペクトルのRF+IFの位置に所望の信号が現れる。直交位相変調が非理想的であるために，RF-IFの位置にイメージ成分が現れる。RF の位置には，搬送波フィードスルー信号が現れる。スペクトルのRF-3IF（C-IMR3）およびRF+5IF （C-IMR5）の位置には追加の成分がそれぞれ現れる。これは主にミキサの非線形性に起因する。ベースバンド処理またはRF処理とは異なり，ベースバンドからRFへのアップミキシング処理は複雑な歪みを生じさせる。これはインタリーブスイッチングミキサを使用する影響である。（4）_このミキサは，設計上シンプル，低雑音で，本質的に線形かつ広帯域である。シーケンシャルに選択された入力電圧（+I，-Q，-I，+Q）および瞬間出力RF 電圧の両方から導出される応答を持つTゲートスイッチコンポーネントの抵抗の非線形性の結果， I（t）/Q（t）変調の現在と過去の値に依存する負荷容量のRC充電の挙動が示される。この非線形のめに，シンセサイザのセトリング時間を改善する必要がある。第3に，LTEで導入される帯域幅設定のレンジにより，新規の帯域幅やより広い帯域幅を数多くアナログフィルタに追加する必要がある。広帯域幅での消費電流量を削減するために，電流モードフィルタを利用して重要なフィルタの極を実現している。電流モードフィルタでは，電圧モードフィルタが持つような一定の利得帯域幅積による制限はない。 LTE動作においては，ゲインコントロールはすべてトランシーバチップが行う。トランシーバは受信信号強度（RSSI）のレベルを判断して，受信部に適したゲインを設定する。ベースバンドLSIに唯一要求されるのは，正確なタイミングのストローブによってサブフレームの開始をトランシーバに伝えることである。送　　信　　部ダイレクトローンチトランスミッタのブロック図を図

-4

に示す。受信部と同様，SAWフィルタの不要化およびLTE動作により新しい要件が生じている。送信部の段間SAWフィルタは，受信部に対する送信部の影響を抑止するために主に使用され，受信周波数への送信部からの雑音が抑止される。送信シンセサイザおよび直交局部発振器では，デュプレクス周波数分だけ離れた周波数での位相雑音をきわめて低く抑える必要がある（>-160 dBc）。ここでも，設計を工夫し，電流を巧みに利用することにより，要件を満たすことができている。 LTE動作実現のために，送信部には別の新たな四つの要件が課せられる。そのうち次の三つは，受信部と共通である。送　　信　　部 RF QG SVGA VCO ±(I+jQ)ejwt

Transceiver Front End

Digital Baseband Tx DAC Mod I Q ［Ii，Qi］ ejwt 図-4 送信部ブロック図 Fig.4-Transmitter block diagram.

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シスフィルタは，アナログベースバンドフィルタの振幅および位相応答を補償する。プリエンファシスフィルタは，FIRフィルタ構成で最大15タップを使用し，対応する遅延およびゲインを持つ回路を通るようにバイパスすることも可能である。これで，受信部でのゲインまたは遅延の異常なしにプリディストーションの有効化/無効化が可能になる。アプリケーションプログラミングインタフェース本LSIはARM7コアマイクロプロセッサを集積している。このマイクロプロセッサは，周辺ブロックと協調してトランシーバの動作を制御する。シーケンスとタイミングはファームウェアの制御下にある。共通アプリケーションプログラミングインタフェースを備えるトランシーバLSIとして4世代目の製品となる。内蔵プロセッサとファームウェア制御により，トランシーバを無線プラットフォームに組み込む携帯電話メーカの手間が大幅に低減される。また，共通のアプリケーションプログラミングインタフェースにより，トランシーバの世代間の移行も容易に実行できる。このファームウェアとアプリケーションプログラミングインタフェースの組合せにより，セルラー通信機器のリリースまでの期間を短縮できる。アプリケーションプログラミングインタフェース挙動の結果，I信号とQ信号の複素過渡ミキシングが起こり，図

-6

に示すように，I/Q信号の異常な混合である相互変調信号ができる。この非線形性はI 成分とQ成分の3次関数で記述できることが経験上分かっている。日本のバンド1，米国のバンド13などの特定のアプリケーションでは，この複素非線形成分のために規格上の課題が生じており，対策が必要である。本LSIはデジタルプリディストーション経路を備えている。図

-7

で示すデジタルプリディストーションでは，不要な非線形成分に対して同振幅かつ逆位相の信号が生成される。これにより，3次プリディストーション成分（I成分はα・Qn_I3-n_，Q成分はβ・In_Q3-n_{）のどちらかを利用する，あるいは} MUX回路によりプリディストリビューション回路をバイパスすることが可能である。プリエンファキャリア周波数からのオフセット

-3IF IF 0 IF 3IF 5IF

変調信号 Im ag e C -IM R 3 LO L ea ka ge C -I M R 3 Im ag e 3次非線形成分 C -I M R 5 C -I M R 5 Im ag e 5次非線形成分図-5 オフセット送信スペクトル Fig.5-Offset transmit spectrum.

+I -I Q -Q -RF QG LO Vbb Vrf Rds(Vbb, Vrf)·c(Vgs(eff)) CL RL Vgs(eff)

R

_ds

(V

_bb

, V

_rf

)

V

_bb

V

_rf -0.6 -0.4 -0.2 _{0 0.2 0.4} 0.6 -0.6-0.4 -0.20 0.20.4 0.6 12 14 16 18 20 22 24 +RF 図-6 インタリーブスイッチングミキサと非線形抵抗 Fig.6-Interleaved switching mixer and non-linear resistance.

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が可能である。トランシーバ上でD3GとD4Gの両インタフェースが共存していることから，各ベースバンドLSIが対応するインタフェースを使うことにより市場投入までの期間短縮の面で有利である。評　価　結　果主要ブロックを記載した本LSIのチップ写真を図

-8

に示す。また，表

-1

～

4

は本LSIのRF性能の測定結果を示しており，良好な結果が得られていることが分かる。RFサブシステム（本LSIとパワーアンプを含む）について，RFパワー出力および温度に対するC-IMR3性能を図

-9

に示す。プリディストーションをしないとき，パワーレンジの上側の12 dBでC-IMR3の仕様範囲外に出ていることが分かる。プリディストーションを有効にした場合，評　価　結　果デジタルインタフェース本LSIには，二つの業界標準のデジタルインタフェースが組み込まれている。D3Gインタフェースは，312 Mbpsのデータ速度をサポートする。これは，HSPA+をはじめ，GSMやW-CDMA信号のどのバージョンでも処理可能な十分なスループットである。D4Gインタフェースは，MIPIのDigRF v4規格に準拠している。DigRF v4は，1レーンあたり1248 Mbpsのビットレートをサポートする。下りリンクには二つのレーンを備え，データスループットは最高2496 Mbpsとなる。D4Gインタフェースは，GSM，W-CDMA，およびLTE信号のコマンドおよびデータを処理できる。本LSIでは，二つのベースバンドLSIのサポートデジタルインタフェース D4G

Interface Upsample& Filter

Tx DAC s dig_atten Cubic Pre-D Pre-emphasis （15 tap FIR） α，β，n ｛ai｝ Delay/Gain pred_byp pree_byp I Q

₊

+

dcoc Upsample & Filter IQ Gain/ Phase 図-7 送信プリディストーションシステム Fig.7-Transmit predistortion system.

Primary Receiver Secondary （Diversity） Receiver Receive ADC Secondary Receive ADC Receive PLL Transmit PLL Transmitter Clock PLL D4G Interface _InterfaceD3G TCXO Dist Digital Circuitry

（ARM core，memory，DSP，etc.）

B an dg ap R ef er en ce a nd A na lo g su pp or t c irc ui ts Primary Receiver Secondary （Diversity） Receiver Receive ADC Secondary Receive ADC Receive PLL Transmit PLL Transmitter Clock PLL D4G Interface _InterfaceD3G TCXO Dist Digital Circuitry

（ARM core，memory，DSP，etc.）

B an dg ap R ef er en ce a nd A na lo g su pp or t c irc ui ts 図-8 チップ写真 Fig.8-Die photo.

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-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 C -I M R 3 （ dB m /6 .2 5 kH z ） Pout（dBm） +25C，PreD OFF +25C，PreD ON +85C，PreD ON -30C，PreD ON 図-9 C-IMR3性能 Fig.9-C-IMR3 performance. 表-1 LTE/W-CDMA受信特性

受信特性 LTE（20 MHz mode） W-CDMA Units B1 B4 B7 B17 B1 B5 B9 Center Frequency 2140.0 2132.5 2655.0 740.0 2140.0 881.5 1862.4 MHz NF 2.9 3.0 2.9 2.1 2.7 2.6 2.6 dB Sensitivity -100.3 -100.3 -99.7 -100.7 -114.1 -113.6 -113.4 dBm EVM 2.7 2.8 2.5 2.9 2.8 2.9 2.6 % RMS Duplex IIP2 73.3 72.9 71.9 70.0 76.7 70.9 71.2 dBm Half Duplex IIP3 1.1 5.2 -1.2 0.1 1.1 -0.3 -0.8 dBm Full Duplex IIP3 4.9 6.4 2.7 3.2 4.9 1.8 1.5 dBm In-band IIP3 -5.7 -5.6 -4.4 -4.0 -5.1 -4.8 -6.2 dBm

表-2 LTE/W-CDMA送信特性

送信特性 LTE W-CDMA Units

B1 B4 B7 B17 B1 B5 B9 Center Frequency 1950.0 1727.5 2535.0 710.0 1950.0 836.5 1767.4 MHz Pout 2.0 2.0 2.0 2.0 3.0 3.0 3.0 dBm EVM 1.3 1.3 1.7 1.1 1.9 1.8 1.6 % RMS ACLR -48.8 -49.2 -53.6 -52.4 -44.8 -46.7 -48.6 dBc ACLR2 -50.9 -51.4 -55.6 -57.5 -73.5 -74.2 -73.3 dBc RX Band Noise -160.0 -161.0 -158.0 -154.0 -160.0 -160.0 -159.5 dBc 表-3 GSM受信特性受信特性 GSM EGSM DCS PCS Units Center Frequency 881.5 942.5 1842.5 1960.0 MHz NF 2.8 3.1 3.0 3.0 dB Sensitivity -111.8 -111.9 -111.4 -111.6 dBm Image Rejection -76.3 -74.5 -53.3 -51.0 dBc IIP2 58.0 57.9 56.1 53.0 dBm In-band IIP3 -13.8 -14.0 -13.9 -14.1 dBm

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び13の厳しい非線形性の要件には，送信プリディストーション回路の導入によって対応することを示した。アプリケーションプログラミングインタフェースにより，無線通信機器の開発期間が大幅に短縮可能となる。また，評価の結果，本LSIが商用として現実的なLTEソリューションであることを実証した。参考文献

（1） MIPI Alliance Speciﬁ cation for DigRFSM_v4， Version 0.64.00 4-September-2008．

（2） MIPI Alliance Speciﬁ cation for DigRF 3G，Version 0.02 7-December-2009．

（3） D. Kaczman et al.：A Single-Chip 10-Band WCDMA/HSDPA 4-Band GSM/EDGE SAW-less CMOS Receiver With DigRF3G Interface and +90 dBm IIP2．IEEE J. Solid State Circuit， Vol:44，Issue:3，p.718-739 (2009)．

（4） K. Hausmann et al.：A SAW-less CMOS TX for EGPRS and WCDMA．IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC)，p.25-28， May 2010．サブシステムは余裕を持って仕様を満たしている。本LSIの諸元を表

-5

に示した。む　　す　　び世界初のシングルチップLTE/W-CDMA/GSM対応CMOSトランシーバLSIを紹介した。これは，同時に，SAWフィルタなしでLTE動作をサポートする世界初のトランシーバ製品でもある。LTE信号に固有の，オフセット変調に起因するバンド1およむ　　す　　び表-5 チップ諸元

Technology 90 nm triple well CMOS6 metals（1 ultra-thick）＋AP cap MIM capacitors

Package 6.5 mm×9.0 mm 4 layer LGA Supply Voltage RF：2.7 V，1.85 V_{Digital：1.8 V，1.2 V}

Ports 9 Differential Primary Receive5 Differential Secondary Receive 8 single-ended Transmit EGPRS bands Cell850，EGSM，DCS，PCS W-CDMA bands Ⅰ-Ⅵ，Ⅷ-Ⅺ

LTE bands 1-21，33-40

LTE bandwidths 1.4 MHz，3 MHz，5 MHz，10 MHz， _{15 MHz，20 MHz} Interfaces DigRF 4G_{DigRF 3G}

表-4 GSM送信特性送信特性 GSM EGSM DCS PCS Units Center Frequency 836.5 897.5 1747.5 1880.0 MHz GMSK Pout 5.2 5.1 4.9 4.7 dBm GPE 1.0 1.0 1.0 1.1 % RMS MODORFS@200 kHz -34.5 -34.5 -34.6 -34.7 dBc MODORFS@400 kHz -70.9 -70.8 -68.2 -67.2 dBc 8PSK Pout（EDGE） 1.7 1.7 -0.7 -0.8 dBm EVM（EDGE） 1.4 1.4 1.8 1.4 % RMS

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Patrick Rakers

Fujitsu Semiconductor Wireless Products 所属

現在，RFおよびセルラー製品のアナログICの開発に従事。

Daniel B. Schwartz

現在，セルラー製品のトランシーバアーキテクチャの開発に従事。

James Mittel

現在，セルラー製品のトランシーバIC の開発に従事。

Mahib Rahman

現在，セルラー製品のトランシーバシステムおよびアーキテクチャの開発に従事。