3G手機技術(shù)發(fā)展與設(shè)計架構(gòu)(5)

　　在3G手機的應(yīng)用時代，其基本的改變包括能提供更高的傳輸速率，以及同時提供既有的「電路交換模式」（Circuit Switch Mode）和可移動上網(wǎng)的「封包交換模式」（Packet Switch Mode），進而能打打影像電話、使用多媒體短信服務(wù)（Multimedia Message Service；MMS），或是收發(fā)電子郵件、上網(wǎng)瀏覽等網(wǎng)際網(wǎng)路服務(wù)。這些應(yīng)用我們早已知道的很清楚了。

　　然而，在寬頻和互動性的基礎(chǔ)下，進入3G時代還意味著更廣泛的通信技術(shù)將在一臺手機中產(chǎn)生匯流。目前在發(fā)生中的，首先是藍牙（Bluetooth），再來會是WLAN，以及接下來的GPS/A-GPS和移動電視（Mobile TV），更長遠一些，則需注意WiMAX、UWB的發(fā)展。這些不同通信技術(shù)的整合，將推動多模手機的發(fā)展，而每整合一種新的通信功能，就代表著3G手機具備了更豐富的應(yīng)用性，并可望創(chuàng)造全新的服務(wù)與收益模式。

　　以3G結(jié)合A-GPS為例，3G網(wǎng)路的輔助定位資訊，可以大幅縮短GPS的首次定位時間（Time to First Fix；TTFF），從原先的數(shù)分鐘縮短為一分鐘以內(nèi)；如果基地臺的佈建夠密，也能有效提升定位的準確度。當手機有了定位資訊，再加上地圖資訊、導(dǎo)航引擎與位置服務(wù)（LBS）應(yīng)用軟件，一臺手機就能夠用于緊急救難追蹤或提供所謂的「興趣點」（point of interest；POI）加值服務(wù)，也就是為行人提供所在環(huán)境附近的加油站、推薦餐廳、旅館等資訊。

　　■3G手機＝高階手機？

　　對于用戶來說，在其隨身的輕巧手機中能具有更多樣的實用或娛樂功能，當然是何樂而不為，但為了滿足這些整合需求，3G手機的開發(fā)其實面臨了不少的挑戰(zhàn)。

　　先來看看手機的類型，大致可以分為初階的語音手機（Voice Phone）、中階的功能手機（Feature Phone）和高階的智能型手機（Smart Phone）。3G手機可以是其中的任何一種，但目前看來，最早在市場上量產(chǎn)銷售的，會是智慧型手機。這和3G目前的定位有關(guān)，它畢竟是新興的應(yīng)用，會先吸引到對高階產(chǎn)品有興趣的玩家（Power User）；而且3G標榜的是它在多媒體傳輸及移動網(wǎng)路方面的能力，這和語音手機大異其趣。

　　不過，高階手機畢竟是金字塔的頂端，使用族群受限，要讓3G手機更為普及，勢必得往功能手機發(fā)展。在系統(tǒng)的開發(fā)上，智慧型手機因採用高階作業(yè)系統(tǒng)（High-level OS；HLOS），具有完善的功能模組，因此讓手機業(yè)者能加速設(shè)計的時程，目前主流的HLOS包括Symbian、Windows Mobile和Linux等；相較之下，功能手機為讓手機功能更為精簡，因此得針對內(nèi)部的軟、硬件系統(tǒng)進行量身定制的工作，這也讓3G功能手機推出市場的時間會較為落后。

　　當然，如果3G能順利成為市場上的主流行動通訊規(guī)格，最低階的單純3G語音手機也會順勢推出。對于電信業(yè)者來說，3G系統(tǒng)能提供更高的頻寬，讓業(yè)者得到更佳的頻寬運用狀況，因此3G語音電話也具有其推廣的利基。不過，3G的市場雖有起色，但是否能普及或何時會普及，仍然頗為值得觀察。

　　■應(yīng)用處理架構(gòu)剖析

　　我們再進一步來看3G手機的應(yīng)用功能開發(fā)。如上所述，大部分的3G手機不會是單純的語音手機，這類新興手機所比拼的，正是其多媒體功能的多樣性。在應(yīng)用功能愈來愈復(fù)雜的趨勢下，以單一基頻涵蓋所有數(shù)字邏輯運算需求的手機系統(tǒng)規(guī)劃已不敷需求，現(xiàn)在主流的設(shè)計趨勢是采通信（數(shù)據(jù)機）與應(yīng)用分流的開發(fā)架構(gòu)。

　　這樣做的好處很明顯，因為應(yīng)用功能與通信功能的發(fā)展腳步并不同調(diào)，應(yīng)用功能日新月異，而數(shù)據(jù)機的通信系統(tǒng)卻有較長的生命週期。兩者分流后，各自可以依市場的需要而改朝換代，不再需要受到另一方的牽制。例如數(shù)據(jù)機可以從GSM/GPRS加上3G/WCDMA的雙頻或三頻模式，逐步升級到純粹的3G或下一代的HSDPA/HSUPA；應(yīng)用處理單元則能因應(yīng)視頻、音頻、影像、繪圖等需求的改變而擴充其功能，例如支援高達每秒30訊框的VGA解碼和H.264/VC-1視頻編碼、VGA彩色顯示、Q-VGA輔助顯示以及多達5M畫素的數(shù)字照相機功能、2D/3D圖形、3D聲音和立體聲喇叭等。

　　為滿足應(yīng)用處理功能，在功能手機中多半採用一至數(shù)顆專屬的多媒體處理晶片來做為協(xié)同處理器（Co-processor）；在智慧型手機中則會采用一顆功能強大且完整的應(yīng)用處理器（Application Processor）。不論是多媒體處理晶片或應(yīng)用處理器，都能有效加速視頻、音頻、動畫／游戲、影像的處理效率。兩者最大的差異在于，在功能手機中是以基頻為主，協(xié)同處理器為輔的架構(gòu)；而在智能型手機中，應(yīng)用處理器則成了整個系統(tǒng)的主處理器（master processor），而基頻則只扮演無線數(shù)據(jù)機的附屬角色。多媒體處理晶片的進入門檻較低，市場上的提供者眾；應(yīng)用處理器則是一顆將所有應(yīng)用功能都整合在一起的系統(tǒng)單晶片（SoC），有能力設(shè)計制造的廠商并不多。

　　在應(yīng)用處理器之處理器核心的架構(gòu)上，可以是單一強大的核心，或採RISC加DSP的雙核心平行架構(gòu)，但目前看來是以ARM為主處理器搭配多顆多媒體加速器的分散式處理架構(gòu)為主流，請參考（圖一）。

　　▲圖一：應(yīng)用處理器采用加速器的分散式處理架構(gòu)。

　　這些加速器可以單獨的工作，也能同時多工處理音、視頻的即時編解碼功能。這些加速器會以最佳化的軟、硬件技術(shù)來進行規(guī)劃，例如在音頻上可能采用可采C語言程式化的多媒體VLIW DSP，并搭配硬件線路運算器（hardwired operator）及更高效率的演算法，請參考（圖二）。

　　▲圖二：以最佳化架構(gòu)規(guī)劃應(yīng)用處理器中的加速器來提升效能，此圖為Nomadik音頻加速器的架構(gòu)。

　　採用應(yīng)用處理器能有效降低應(yīng)用功能的開發(fā)難度，因為此類處理器往往具備了豐富的週邊介面，能夠滿足3G多媒體應(yīng)用上的各種需求，包括照相CMOS感測器、彩色顯示的LCD面板、TV輸出、IrDA、Bluetooth、Wi-Fi、USB2.0/OTG、音頻和多種型式的存儲器、ATA硬碟介面及DDR、SDRAM、NAND Flash、NOR Flash等存儲器型式，以及傳統(tǒng)式鍵盤和復(fù)雜的無線數(shù)據(jù)機等廣泛的介面，此外，還會支援A-GPS和DVB-H或DMB等移動電視功能。請參考（圖三）。

　　▲圖三：支援豐富周邊介面的應(yīng)用處理器。

　　■多模應(yīng)用開發(fā)挑戰(zhàn)

　　即使采用了應(yīng)用處理器來提供了高效能的多媒體運算及豐富的周邊介面，但這仍不保證一支3G手機就具備了完善且強大的應(yīng)用功能，需要考慮的因素還有很多，尤其是多頻多模下，各個子系統(tǒng)該如何妥善規(guī)劃的議題。以Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、FM/DAB和Mobile TV等功能來說，都會涉及射頻通信及數(shù)據(jù)處理的整合問題，技術(shù)難度上的挑戰(zhàn)相當?shù)母摺?/P>

　　以射頻部分來說，首先遇到的就是小型化天線的規(guī)劃問題。由于這些無線技術(shù)多半采用不同的頻譜（除Bluetooth和Wi-Fi同採2.4GHz外），因此一臺手機中往往得想辦法建置多組天線，這就得克服機構(gòu)與隔離性的議題。在射頻系統(tǒng)方面，也有很大的挑戰(zhàn)，多頻的GSM/GPRS/3G在共用射頻電路的情況下，在濾波器、嵌入式L, C等射頻被動元件得朝切換型式發(fā)展，放大器方面也得支援寬頻及高線性度設(shè)計，此外還有很多EMI/EMC的問題得解決。

　　Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、Mobile TV與應(yīng)用處理器或基頻的整合上，則有多種架構(gòu)的選擇。最常見的方式是採用一顆專屬的前端（Front End；FE）模組，以Mobile TV的DVB-H前端模組為例，就提供了從諧調(diào)器（Tuner）到解調(diào)器（Demodulator）的完整功能，直接將處理好的IP datagram和TS packet分流送到應(yīng)用處理器或音、視頻解碼晶片做進一步運算，最后才將電視節(jié)目的影音內(nèi)容傳送到螢?zāi)簧喜シ牛纾▓D四）。

　　▲圖四：移動電視應(yīng)用中FE與處理器、解碼器的運作流程示意圖。

　　另一種架構(gòu)則是將數(shù)字的功能都整合到應(yīng)用處理單元中，并以軟件方式來驅(qū)動該項應(yīng)用功能，此架構(gòu)只需搭配特定功能的RF晶片即可執(zhí)行，但這會佔用掉主處理器極大的運算資源，而且需投入較大的時間精力去移植和調(diào)校此種軟件。以A-GPS為例，就有所謂的軟件式GPS，但其功能只適用于單點的定位，而不適合用在更復(fù)雜的導(dǎo)航或LBS應(yīng)用之上。

　　■多媒體處理議題

　　隨著3G頻寬的增加，以及整合Wi-Fi而獲得更大的網(wǎng)路頻寬，都讓3G手機可以朝視頻電話、2D/3D網(wǎng)路游戲或提供Hi-Fi音效的多媒體應(yīng)用發(fā)展，未來再結(jié)合數(shù)字電視廣播網(wǎng)路，還可收看廣播式串流視頻節(jié)目。因此，在一臺多媒體手機上要處理的媒體類型，除照相功能的靜態(tài)影像外，還有視頻（動態(tài)影像）、音頻（聲音、音樂及音效）和繪圖（2D/3D）功能。

　　視頻內(nèi)容是占用頻寬最大的內(nèi)容，因此有必要採用最新的壓縮格式。H.264是多數(shù)移動電視服務(wù)所中意的新一代規(guī)格，它能將壓縮率大幅提升，卻又不影響視頻品質(zhì)，因此只需有限的無線頻寬（約500Mbps）即能播放視頻節(jié)目。試驗顯示，在相同視頻品質(zhì)情況下，與MPEG-4 Advanced Simple Profile壓縮協(xié)議相較，H.264可以把位元率降低35％～50％，而與MPEG-2相較可降低40％～65％。不過，由于H.264的演算技術(shù)更為復(fù)雜，需要采用更高效能的編解碼技術(shù)。

　　在音頻方面的設(shè)計挑戰(zhàn)并非頻寬，而是整體的系統(tǒng)規(guī)劃。目前音訊處理的內(nèi)容相當多元，在內(nèi)容格式上包括聲音的LPC、CELP與ACELP等編解碼格式；在音效格式上更包括AMR、ACC、MP3/MP3Pro、WMA、OGG等。過去手機只要處理單聲道的低階電話語音即可，而今還得應(yīng)付和絃鈴聲、音樂檔案播放和FM或DAB的廣播收聽，有些手機甚至內(nèi)建答錄機的功能。要提供Hi-Fi立體音效，手機得同時建立16-bit、以44.1kHz取樣的音頻系統(tǒng)，而且必須設(shè)置兩臺揚聲器，并透過如Audistry的后制音效技術(shù)來達成3D效果。

　　在繪圖技術(shù)上，3D可望成為下一代高階手機中必備的功能。由于3D的運算需求極大，市場上已逐步從軟件方案轉(zhuǎn)為硬件的專屬加速器作法。此外，為了讓手機制造商、晶片供應(yīng)商、繪圖引擎及軟體供應(yīng)商、游戲開發(fā)商以及基礎(chǔ)設(shè)備開發(fā)企業(yè)等相關(guān)3D游戲業(yè)者能廣泛的合作，Open GL-ES已成為行動繪圖產(chǎn)業(yè)的共同標準，目前已開發(fā)到2.0的版本；此外，在Java部分則有Mobile 3D Graphics API for J2ME（JSR 184）的標準在審定中。

　　■結(jié)論

　　如果以語音通信功能來看待3G手機，那顯然是太狹礙了。3G手機意味著更豐富的多媒體通信服務(wù)將會出現(xiàn)，這除了需重新考量內(nèi)部系統(tǒng)的建置架構(gòu)外，也得在輸出介面上有所提升，特別是在顯示技術(shù)上，不但要求更大的螢?zāi)?，在解析度上從qQVGA、QCIF，一路往QVGA升級；面板技術(shù)上則從CSTN、A-TFT、LTPS，逐步升級到OLED；此外，MVA、IPS等寬視角技術(shù)也成了必要的技術(shù)。

　　此外，更多樣的內(nèi)容，也難免涉及對內(nèi)容取得的認證、授權(quán)和付費機制，以及內(nèi)容的數(shù)字版權(quán)管理（DRM），還有個人資料的保密等的議題，這些議題足以形成一個圍繞著行動應(yīng)用功能的安全性生態(tài)體系，如（圖五）。此外，在移動電視和A-GPS/LBS的服務(wù)上，還有很多待建立的服務(wù)模式，以及提供足夠且吸引人的內(nèi)容，才能讓3G手機真正成為多元服務(wù)的行動式中心。　

　　▲圖五：圍繞著應(yīng)用處理器所形成的安全性生態(tài)體系。