匯聚技術(shù)加速手機設(shè)計的發(fā)展

　　快速變動的技術(shù)需求促使移動電話的發(fā)展。曾經(jīng)是簡單語音為主的單模式手機已被多模式智能型手機、無線PDA和多媒體產(chǎn)品所取代，包括藍牙、802.11無線網(wǎng)絡(luò)以及全球定位服務(wù)在內(nèi)的新一波科技浪潮正匯聚于手機，使設(shè)計人員必須提供創(chuàng)新解決方案，滿足無線市場的嚴苛設(shè)計要求。

　　或許是第一波的匯聚技術(shù)并未帶來足夠的設(shè)計需求，另一波科技浪潮很快又將到來，其中許多都與更強大的射頻功能有關(guān)。在世界某些地區(qū)，手機已開始提供調(diào)頻廣播和模擬電視的接收功能，隨著新功能、應(yīng)用和技術(shù)不斷匯聚至無線手機，越來越多的手機設(shè)計很快就會采納這些技術(shù)-還有超頻寬 (UWB)、數(shù)字電視、衛(wèi)星廣播和其它功能。

　　要把新技術(shù)加入現(xiàn)有設(shè)計，這項工作本身就很困難，但是手機設(shè)計人員還必須克服最嚴苛的限制-由消費者所設(shè)下的各種要求。這些要求包括電池壽命、功能性能、產(chǎn)品體積和成本，另外還有產(chǎn)品上市時間。

　　那么這幾波匯聚技術(shù)的浪潮將對手機設(shè)計產(chǎn)生那些影響？第一波是把藍牙、無線網(wǎng)絡(luò)和全球定位系統(tǒng)等功能集成至手機，它也引領(lǐng)出許多有趣的問題和設(shè)計考慮，而這些問題和設(shè)計考慮都將是未來系統(tǒng)層級集成計劃的一部份。

第一波

　　手機制造商已轉(zhuǎn)向硅芯片層級集成，并以它做為減少芯片數(shù)目、用料成本和功耗以及達成縮小體積目標的主要方法，但在步調(diào)快速的移動電話市場上，若能把朝向更高階硅芯片集成度的必然趨勢以及模塊化架構(gòu)策略結(jié)合在一起，將對手機制造商產(chǎn)生極大助益。

　　手機制造商已轉(zhuǎn)向硅芯片層級集成，并以它做為減少芯片數(shù)目、用料成本和功耗以及達成縮小體積目標的主要方法，但在步調(diào)快速的移動電話市場上，若能把朝向更高階硅芯片集成度的必然趨勢以及模塊化架構(gòu)策略結(jié)合在一起，將對手機制造商產(chǎn)生極大助益。

　　事實上，模塊化和硅芯片集成并非水火不容；相反的，只要利用集成型及模塊化子系統(tǒng)做為完全集成式系統(tǒng)單芯片的建構(gòu)方塊，廠商就能以子系統(tǒng)層級的硅芯片集成為基礎(chǔ)，發(fā)展出一套模塊化的系統(tǒng)設(shè)計方法。這種方法可以保持很大彈性，確保制造商獲得他們所需的靈活性，使他們能針對市場需求迅速做出響應(yīng)-這些需求正是促使藍牙和無線網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)加入手機設(shè)計的主要因素 (圖1)。

　　藍牙在手機的應(yīng)用已領(lǐng)先無線網(wǎng)絡(luò)一步。過去幾年，藍牙的發(fā)展不斷成熟，有更多產(chǎn)品問世，而它們之間的互用性也獲得解決。但另一方面，無線上網(wǎng)據(jù)點、辦公室大樓和家庭中安裝的802.11無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)目已達到一定程度，消費者很快就會期望他們手機也提供無線網(wǎng)絡(luò)功能；另外，手機無線業(yè)者認為無線網(wǎng)絡(luò)將成為推動許多令人振奮的新數(shù)據(jù)服務(wù)的一項技術(shù)。

　　藍牙和無線網(wǎng)絡(luò)使用同樣的ISM無需授權(quán)頻帶 (2.400 GHz至2.4835 GHz)，使它們在無線手機的匯聚更加復(fù)雜；把兩組無線電路，一個是802.11無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，另一個是藍牙子系統(tǒng)，安排在手機內(nèi)部的相鄰位置，這兩種技術(shù)就很容易產(chǎn)生相互干擾，甚至降低性能。

　　雖然藍牙和802.11無線網(wǎng)絡(luò)使用不同的空中傳輸接口 (air interfaces)，但是彼此的干擾相當嚴重。

　　802.11采用直接序列展頻 (DSSS) 以及正交分頻多任務(wù) (OFDM) 技術(shù)，藍牙則采用跳頻展頻 (FHSS) 技術(shù)；在寬度為83.5 MHz的ISM頻帶中，802.11大約占用四分之一，而且它只有在傳送數(shù)據(jù)時才會使用這些頻帶。在透過無線網(wǎng)絡(luò)信道傳送數(shù)據(jù)之前，802.11收發(fā)器也會檢查信道數(shù)據(jù)流量，避免發(fā)生封包碰撞。

　　藍牙的FHSS信道則不是采用固定頻率；當藍牙傳輸數(shù)據(jù)時，它會在79個事先定義的頻道間隨機跳躍，這些頻道的間隔則為1 MHz。透過這種方式，藍牙得以利用整個頻帶，只不過在任何一個時間點上，只有很小一部份的頻帶會被使用。藍牙每秒大約會執(zhí)行1,600次的頻道跳躍，而且不同于802.11在傳送數(shù)據(jù)前先監(jiān)測數(shù)據(jù)流量的做法，藍牙會直接傳送數(shù)據(jù)，不管信道中是否有其它的訊號或是封包；萬一發(fā)生封包碰撞，藍牙會重新傳送遺失的封包，直到對方確認收到這些封包為止。

　　雖然在手機的有限空間內(nèi)擠進藍牙和802.11功能只會讓EMI共存的問題更嚴重，但它也提供機會為

　　802.11和藍牙發(fā)展協(xié)作解決方案。某些共存解決方案直接將一定比例的可用頻寬分別指定給無線網(wǎng)絡(luò)和藍牙，但這種安排有其限制；舉例來說，當無線網(wǎng)絡(luò)接口需要傳送龐大檔案時，如果藍牙剛好處于閑置狀態(tài)，那么指定給藍牙使用的頻帶也無法轉(zhuǎn)移給迫切需要頻帶802.11使用。

　　TI的藍牙／802.11共存套件，則采用較聰明的做法，它們可以協(xié)調(diào)無線網(wǎng)絡(luò)和藍牙的作業(yè)，讓每一種技術(shù)都能發(fā)揮最大性能，頻帶的使用也最有效率。TI共存解決方案采用的實作方式是將TNETW1100B或TNETW1230 等802.11 媒體存取控制器 (MAC) 組件的I/O 信道連接到BRF6100 或BRF6150 藍牙子系統(tǒng)單芯片的I/O信道，讓這兩種技術(shù)得以協(xié)調(diào)彼此作業(yè)，避免相互之間產(chǎn)生任何干擾。

　　TI的BRF6150單芯片藍牙解決方案 (參考圖3) 就是一個很好的例子，它說明在匯聚型手機中，子系統(tǒng)層級的模塊集成如何能夠做為系統(tǒng)層級集成的第一步。功能集成，在這個例子中就是藍牙功能，提供了模塊化建構(gòu)方塊，它們能迅速用于手機設(shè)計，以便快速響應(yīng)市場的某些功能需求；此外，做為藍牙子系統(tǒng)單芯片的單顆組件也讓人一窺數(shù)字射頻處理器 (DRP) 的發(fā)展藍圖以及這項技術(shù)對于手機設(shè)計的可能影響。BRF6150采用130納米的CMOS制程技術(shù)，內(nèi)建藍牙基帶處理器、ARM微處理器核心、智能型電源管理能力和數(shù)字射頻處理器，組件封裝大小只有4.5 ′ 4.5厘米 (20平方厘米)，使得這套解決方案只需不到50平方厘米的電路板面積。雖然BRF6150的數(shù)字射頻處理器是專為藍牙通信而設(shè)計，但當其它需要射頻功能的技術(shù)也想?yún)R聚至手機時，BRF6150所包含的數(shù)字射頻處理器就為手機設(shè)計指出了未來應(yīng)走的方向。隨著手機的復(fù)雜性不斷增加，數(shù)字射頻處理器將是克服體積、性能、成本、功耗和上市時間等市場限制因素的關(guān)鍵。

數(shù)字無線電之路

　　除了共存問題之外，現(xiàn)代手機的體積限制也讓藍牙、無線網(wǎng)絡(luò)、全球定位系統(tǒng)或其它新技術(shù)的加入極為困難-除非它們能夠?qū)崿F(xiàn)更高階的硅芯片功能集成。當然，有數(shù)種方法可能達成此目標，例如利用SiGe BiCMOS 之類的高度精密制程來實現(xiàn)基帶和射頻的單晶集成(Monolithic Integration)就是選項之一，但這類制程所帶來的額外成本顯然會造成手機的總系統(tǒng)成本上升。此外，SiGe BiCMOS 之類的先進制程通常必須等到微影 (lithography) 精密度達到一定水準的先進CMOS 制程開始應(yīng)用后幾年才會出現(xiàn)。由于SiGe BiCMOS制程會導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加，又無法提供最先進的技術(shù)，因此將SiGe BiCMOS制程用于更高階的手機功能集成并不是很有吸引力的解決方案。

　　另一種可能是利用先進的數(shù)字CMOS制程發(fā)展基帶電路，同時利用SiGe BiCMOS制程或射頻技術(shù)常用的其它制程來設(shè)計無線電路。這種簡單的方法雖然看起來很有吸引力，也很直接，但當組件制造完成并開始接受測試時，問題就會浮現(xiàn)。原因是射頻電路的制造良率通常都不如先進CMOS制程，而這類組件就算只有一項射頻參數(shù)不合規(guī)格要求，整個模塊就必須丟棄不用，這使整體成本將提高很多。不僅如此，無線電路也不能加入先進邏輯功能、自我校準、內(nèi)建自我測試或為這類組件改善射頻參數(shù)良率的其它技術(shù)。

　　另一種看起來很簡單的方法是將多種空中傳輸接口標準的射頻電路集成至一顆組件，然后利用先進CMOS制程把這顆組件和基帶電路集成在一起。由于這種方法缺少系統(tǒng)層級的模塊化能力，此策略顯然必須采取一體適用的方法，不允許手機制造商將產(chǎn)品功能特色做彈性的混合搭配，以便支持手機市場的不同領(lǐng)域。在這種方法中，所有手機設(shè)計都必須承擔(dān)所有空中傳輸接口的基帶和射頻電路成本-就算它們不需要某些空中傳輸接口也是一樣。這種方法也讓組件的制造過程更復(fù)雜，因此每一種空中傳輸接口的認證都無法離開其它標準而獨立進行；組件必須同時符合所有標準的要求，才能算通過完整認證。

　　另一種代替方法是把基帶和射頻電路集成至單顆組件，這種做法的多項特性使它對于手機制造商極具吸引力。單晶CMOS集成可在系統(tǒng)層級模塊化，同時藉由射頻和基帶處理的結(jié)合來提供自我校準之類的先進射頻功能；另外，手機體積也會大幅縮小。當然，傳統(tǒng)無線電架構(gòu)也是對CMOS集成的挑戰(zhàn)，例如現(xiàn)有的直接轉(zhuǎn)換或超外差無線電架構(gòu)就不容易集成至CMOS制程，因為它們包含許多模擬電路以及高性能的被動零件。而且就算能夠集成，隨著新世代CMOS制程不斷出現(xiàn)，這種無線電架構(gòu)的升級也很困難，因為電源供應(yīng)電壓會隨著新制程而降低，使得模擬功能就算在最好情形下也很難正常工作。

　　盡管如此，利用CMOS制程實作高度數(shù)字化的無線電架構(gòu)不但可能，而且有很大的發(fā)展前景，TI數(shù)字射頻處理器就是很好的例子。如圖4所示，數(shù)字射頻處理器技術(shù)不但大量使用數(shù)字技術(shù)，它還盡可能將最多電路移到取樣數(shù)據(jù)領(lǐng)域，同時將模擬電路減至最少，只有少數(shù)幾顆組件會在典型的模擬領(lǐng)域工作。這種架構(gòu)開啟了先進系統(tǒng)集成的大門，并能透過數(shù)字校準和自我測試的廣泛應(yīng)用來改善參數(shù)良率，進而降低系統(tǒng)總成本。數(shù)字射頻處理器技術(shù)還能減少系統(tǒng)的體積、成本、外接零件數(shù)目、功耗和硅芯片面積。

面對現(xiàn)實

　　就算必要的技術(shù)進步和更高階的功能集成都已達成，使后續(xù)出現(xiàn)的科技浪潮確實能匯聚于手機中，新設(shè)計仍須面對市場必然帶來的許多其它嚴格考驗，包括成本、性能、電路板面積、功耗和產(chǎn)品上市時間。此外，分享某些資源的多功能匯聚型手機只會更突顯其它棘手問題的重要性，例如認證和安全性。

　　就算必要的技術(shù)進步和更高階的功能集成都已達成，使后續(xù)出現(xiàn)的科技浪潮確實能匯聚于手機中，新設(shè)計仍須面對市場必然帶來的許多其它嚴格考驗，包括成本、性能、電路板面積、功耗和產(chǎn)品上市時間。此外，分享某些資源的多功能匯聚型手機只會更突顯其它棘手問題的重要性，例如認證和安全性。

　　不難想象匯聚型手機的使用方式之一是讓移動電話通信、藍牙和802.11等三種技術(shù)同時工作，并讓藍牙和802.11共享數(shù)字射頻處理器的資源，例如使用者可以一邊利用手機的無線網(wǎng)絡(luò)接口收聽線上音樂，一邊利用手機接聽外面打來的移動電話，然后透過藍牙改用耳機接聽。

　　當然，系統(tǒng)認證向來都是需要克服的困難發(fā)展障礙。要讓手機的無線通信接口通過產(chǎn)品全型認證，其過程不但復(fù)雜，而且牽涉到許多測試工作；當多種空中傳輸接口被集成至同一只手機時，整個過程還將變得更繁復(fù)，使得廠商必須同時通過多個全球性標準機構(gòu)所公布的多種標準認證。在移動電話的認證程序之外，無線網(wǎng)絡(luò)和藍牙也有自己的需要，必須通過產(chǎn)品的互用性測試，同時滿足某些法規(guī)要求。雖然高階硅芯片集成不會減少認證所需的測試工作，系統(tǒng)復(fù)雜性的降低卻讓制造商更有信心，確信在認證過程中不會出現(xiàn)嚴重的問題；舉例來說，半導(dǎo)體廠商可為集成式解決方案所搭配的少數(shù)外接零件提供布局范例。由于集成式解決方案會縮小系統(tǒng)的整體布局，工程師只需對設(shè)計做最小幅度的修改，就能輕易加入這些外接零件。因此高階的硅芯片集成，包括數(shù)字射頻處理器在內(nèi)，會讓整個系統(tǒng)的集成更輕松，系統(tǒng)認證過程將變得更簡單，也更容易預(yù)測。

　　安全性一直是今日世界的關(guān)心重點，無線手機也不例外。隨著更多技術(shù)匯聚于手機，系統(tǒng)的接取點數(shù)目將會增加，使得手機更容易受到攻擊，因此手機發(fā)展人員必須在手機架構(gòu)中增加安全保護措施，同時利用無線芯片組所提供的安全功能，例如TI OMAP?處理器以硬件為基礎(chǔ)的內(nèi)建安全保護功能。模塊化架構(gòu)可以提供嚴格的安全保護方法，由于每一個模塊都能建立它們自己的安全參數(shù)，入侵某個模塊就不必然會影響系統(tǒng)的整體安全。在此同時，包含以硬件為基礎(chǔ)的安全開機管理程序 (bootloader) 以及先進加密引擎在內(nèi)的集成式安全功能對于阻擋計算機駭客、計算機病毒、計算機蠕蟲 (worm) 和其它類型的有害程序都非常有效。

匯聚的控制

　　隨著手機市場延續(xù)其快速的成長和創(chuàng)新步調(diào)，手機設(shè)計人員也將面對挑戰(zhàn)：他們必須控制匯聚過程，而不是被它們控制；這代表謹慎完成架構(gòu)規(guī)劃，與零件供貨商緊密合作，還有創(chuàng)新的能力。

　　或許是第一波的匯聚技術(shù)并未帶來足夠的設(shè)計需求，另一波科技浪潮很快又將到來，其中許多都與更強大的射頻功能有關(guān)。在世界某些地區(qū)，手機已開始提供調(diào)頻廣播和模擬電視的接收功能，隨著新功能、應(yīng)用和技術(shù)不斷匯聚至無線手機，越來越多的手機設(shè)計很快就會采納這些技術(shù)-還有超頻寬 (UWB)、數(shù)字電視、衛(wèi)星廣播和其它功能。

　　要把新技術(shù)加入現(xiàn)有設(shè)計，這項工作本身就很困難，但是手機設(shè)計人員還必須克服最嚴苛的限制-由消費者所設(shè)下的各種要求。這些要求包括電池壽命、功能性能、產(chǎn)品體積和成本，另外還有產(chǎn)品上市時間。

　　那么這幾波匯聚技術(shù)的浪潮將對手機設(shè)計產(chǎn)生那些影響？第一波是把藍牙、無線網(wǎng)絡(luò)和全球定位系統(tǒng)等功能集成至手機，它也引領(lǐng)出許多有趣的問題和設(shè)計考慮，而這些問題和設(shè)計考慮都將是未來系統(tǒng)層級集成計劃的一部份。