随着手机射频系统日趋複杂，业界需要一个单一控制介面解决方桉。 MIPI RFFE 是一种专门针对当前及未来行动无线系统在射频(RF)前端控制从设备的汇流排介面规范。本文将探讨MIPI RFFE 1.0版、业界发展RFFE的原因，以及针对现有的相关替代规范进行讨论。 手机在过去10年增长迅速，2010年的出货量达到了 14亿部，但需求仍未饱和。同一时间，手机複杂性也日趋提升，从纯语音的2G转移到3G，最近则进展到了4G多功能智慧手机。此外，Wi-Fi、蓝牙、全球定位系统(GPS)、调频收音机和其他无线连接功能也增加了行动通讯的複杂性。
这些不断加入的无线标准建构出了一种对能涵盖10个或更多频段的多无线电解决方桉的需求。因此，数位设备所需的射频前端数量也增加了。对手机製造商来说，要能良好控制这些複杂的设备已成为一大难题。
MIPI联盟的RF前端控制介面(RFFE)规范透过提供一个可连接到收发器或无线电的汇流排介面解决了这一难题，可用于给多种射频前端设备，如低杂讯放大器(LNA)功率放大器(PA)、天线开关、天线调谐器、DC/DC转换器、滤波器、感测器等。这些元件或许由射频晶片或一些其他设备控制。本文提供了RFFE规格的简要功能概述，正是这些功能使它适用于这一新兴环境所提出的独特要求。
射频前端设计挑战
几乎所有的蜂巢式手机都必须支援多频和多无线电。全球无线通讯的频谱分配已经透过有关当局重新定义或重新界定。从历史角度看，频谱分配一直是由各国主导，因而在全球并不一致，因为它们通常由地方政府控制。不幸的是，频谱的调整是由产业的规模经济效益所推动，而非由于该领域的先见之明或是全球相关机构之间的合作。若缺乏频谱对照，就难以实现设备标准化。随着无线通讯产业持续进行频谱分配，可预见未来不同的频段仍将遵循本地化需求，而非针对全球性需要而最佳化。
因此，营运商必须支援他们选定的频率波段及一些所选择的漫游带；而终端供应商则倾向于提供少量但多样化的终端产品，以提升其销售量。这将导致频带支援的需求增加。另一个结果是使用频带并不需要仰赖射频存取技术(RAT)，不过，无线电仍必须能识别各种使用的RAT，并採取相应的行动。
营运商也希望不断提升无线电性能。除了更高的吞吐量，业者们还希望在其他领域做出改善，如更高的灵敏度、增加小区覆盖、改善抗干扰，以及更好的连接品质。结合multi-RAT和多波段同时还要不断提升性能是一个巨大的设计挑战。但由于要以现有解决方桉在这些领域内提出改良是极其困难的，因此，无线供应商通常採用整合度较低的解决方桉。
行动装置领域也需要藉由导入更多用于射频前端的新型态元件来获得更高的性能和更多功能。这些新元件代表了崭新的技术，而且即使这些组件支持多种功能，仍可能会增加射频前端的元件数量。在此同时，这些元件还需要专用的平行讯号路径，以因应必须控制这些路径的控制需求。举例来说，一个功率放大器(PA)模组便可能包含多个功率放大器和讯号链，因而需要更多的控制能力。
另一个推动性能改善的原因，是必须对类比元件造成的缺陷进行校正。过去的方法是预失真讯号，但当前的趋势是朝更複杂解决方桉发展，包括闭环和即时调整在内。如闭环极座标发射器和天线调谐器，这些方桉都为射频前端导入了全新组件和功能。
很明显，随着射频前端越来越複杂，为了管理众多讯号链，必须扩展解决方桉的智慧特性及複杂性。而RFFE控制汇流排的发展已足以因应这些挑战。
MIPI联盟的RFFE规范被设计为针对射频前端中时间关键(time-critical)资讯的通道，能满足典型行动装置的应用需求。MIPI RFFE规范的一个主要目标是为设备提供相容性，以确保任何供应商的产品都能互通。在複杂RF前端所需的控制功能日益增加之际，系统设计人员要选择能共用相同控制方桉的合适设备也越来越困难。对设备供应商而言，具备可支援所有控制方桉的能力，就意味着可开发出各式各样的装置，或是具备多种複杂介面的产品。
RFEE规范的另一个目标是满足主设备(RF IC)和从设备的低接脚数设计需求，从而能在封装级节省昂贵的I/O成本，并透过採用可连接所有元件的汇流排系统来减少PCB上的走线。在任何高度动态的使用情况下，即时编程和高速、低延迟的指令传输对时序精确控制是绝对必要的。而这对提供前端装置状态的功能而言也是必须的。
由于射频前端元件可能会因为其专有需求和必须支援的複杂控制能力而有所变动，因此，RFFE必须提供一系列可选功能。这些功能允许开发更紧凑的硅元件，从仅支援最少指令和功能的简单元件，到具备高效指令序列的複杂元件都包含在内。该规范还支援可扩展性和省电模式，以协助开发消耗电流更低的系统。 
RFFE规范提供整合、灵活的解决方桉
MIPI RFFE规范定义了带RFFE功能设备之间的介面，在RFFE汇流排上有一个主设备以及多达 15个从设备。它使用两条讯号线，一个由主设备控制的时脉讯号(SCLK)，一个单/双向数据讯号(SDATA)，以及一个I/O电源/参考电压(VIO)。SDATA属性的选择是根据从设备是否为仅写入，或是可支援读/写能力。RFFE汇流排零组件以平行方式连接SCLK和SDATA线路。主设备中永远存在着针对SCLK和SDATA的线路驱动器；而仅从设备支援回读功能，它需要一个SDATA专用的线路驱动器。每一个实体从设备都必须有一个SCLK输入接脚、一个SDATA输入或双向接脚，以及一个VIO接脚，以确保设备间的讯号相容。图2为RFFE系统中的元件排放。VIO可从外部提供，如图所示，或是也能由主设备供应。 
主设备驱动RFFE时脉讯号。SCLK的最大工作频率为26MHz，儘管在RFFE规范中最低速率可能降至32kHz。在閒置或未活动週期，SCLK不切换并保持为逻辑零。
为了有效地建构介面，RFFE规范了一些措施。RFFE从设备针对介面建构的低闸数是透过从设备上的可选指令序列而实现，能为设计师提供可使用最小序列组选项以满足前端元件要求。此外，回读是一个具有缓冲区强弱(buffer strength)的功能选项。因此，藉由允许在正常介面时脉速率的一半发生回读传输，面积和电流消耗都可大幅减少。
RFFE支援多达15个讯号汇流排上的逻辑从设备。一个主设备可控制多于一个的RFFE汇流排，因此射频前端从设备的限制实际上是无限的。用户可以选择採用多个RFFE汇流排，即使每一个的从设备都可能少于15个。这样做可能是出于性能或其他方面的考量，如减少干扰或是提供实体隔离等。
RFFE的协议消息称之为指令序列，它包括三个部分：序列启动条件(SSC)；指令讯框之后为数据讯框；以及汇流排归位週期(bus park cycle)，它用于关闭指令序列。
RFFE定义了多种指令序列以便在汇流排上完成从设备的读写存取，其主要区别是可用寻址空间的数量，以及可在一个讯号指令序列中被转换的有效载荷数据。其在单一讯号指令序列中支援的有效载荷大小范围为7位元~16位元组。记忆体可由1位元组到64k位元组等不同指令范围定址，而一个从设备则可能具有从0位元组到64k位元组的任何记忆体范围。图3为RFFE中不同指令类型的记忆体范围。 
图4显示了一个‘暂存器写入’指令序列，可用于将8位元数据写入A4-A0的暂存器。对一个特定指令序列响应的从设备由一个从位址确认，它位于指令序列的SA3-SA0。RFFE中的数据栏位被假设为位元组的倍数，因此数据讯框包含了8位元数据以及一个附加的检查位元。地址讯框的长度也是9位元，包含8位元地址资讯和一个检查位元。RFFE指令讯框则永远包含12个位元和一个检查位元。须注意，每一个指令序列中的讯框都搭载了一个检查位元和奇同位元在该讯框上做计算。根据指令序列的类型，消息中的位址和数据讯框数量也有所不同。
SCLK和SDATA是CMOS类型的讯号，即单端、地面参考、轨对轨、电压模式讯号。这两种讯号的电气参考是依照I/O参考电压VIO而定。SCLK和SDATA终端使用相同的讯号位准。RFFE元件必须支援1.2V或1.8V，但它们也支援这两种电压位准。
为了将RFFE的射频EMI干扰降至最低，所有讯号都必须遵从该规范定义的讯号压摆率范围。在关键时刻RFFE主设备也可以藉由延缓SCLK并降低VIO来关闭从设备介面以中止所有的RFFE传输。RFFE元件的EMI耐受性则可透过对所有设备输入规范最低磁滞来最小化。
RFFE从设备支援多种操作模式，包括启动、主动状态、关机，以及可选的低功耗模式。启动模式定义了一套用来在任何RFFE元件成为主动状态前对其进行初始化的具体动作集。主动状态是RFFE系统的正常操作模式。低功耗模式则允许从设备在该模式的持续时间内使用定义的特定装置暂存器。
群组触发功能在RFEE中是一个重要特色，它允许一个或多个设备满足精确的时序要求，特别是在使用普通消息时若具有汇流排壅塞风险之际。触发器提供了可协助解决瞬间频宽限制的工具，还可同时在多个目的地实现精确定时。
RFFE规范是手机业者、前端元件供应商、RFIC供应商共同努力的成果，参与的公司包括安捷伦科技、博通、富士通、英飞凌科技、LG电子、LnK、摩托罗拉、美国国家半导体、诺基亚、松下、Peregrine半导体、高通、RIM、瑞萨、RFMD、罗德史瓦兹、Skyworks、ST-Ericsson、新思科技，德州仪器和WiSpry公司。
2010年7月，RFFE规范第一版v1.00获得通过，同一时间RFEE工作小组也发佈了v1.00版的RFFE应用文件。预计可用的RFFE相容设备在不久的将来将会出现在市场上。
MIPI RFFE的工作小组已快要完成RFFE的协议实现一致性声明(PICS)，其目的是协助开发者的设备符合RFFE规范要求。在此同时，工作小组也已展开进程识别和确定未来的扩展 RFFE。这些可能包括更好地支持高度複杂的RF前端拓扑如MIMO和双射频解决方桉，并提供汇流排上的从设备启动序列，如中断。
作者：Victor Wilkerson
WiSpry公司
Gernot Hueber
英飞凌科技