這些采用多種RF技術(shù)的手機在給消費者提供“無(wú)線(xiàn)”便利的同時(shí)，也使手機的系統設計變得愈加復雜。設計工程師不僅要在輕薄短小的手機里放置更多的天線(xiàn)、RF開(kāi)關(guān)、功率放大器(PA)、濾波器，還要處理更加嚴峻的功耗問(wèn)題，并要面臨如何解決多模手機的切換和射頻隔離、如何提高手機GPS功能的接收靈敏度、如何以最佳方式實(shí)現低成本手機等問(wèn)題。本文將重點(diǎn)關(guān)注雙模/多模手機、GPS手機、Wi-Fi手機、RFID手機以及低成本手機的技術(shù)發(fā)展趨勢和設計挑戰，討論下一代手機對操作系統以及用戶(hù)界面的新要求，并與大家分享的領(lǐng)先半導體廠(chǎng)商和軟件供應商的最新解決方案。
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| ADI SoftFone-LCR+基帶芯片組包括了數字和模擬基帶處理功能，以及針對TD-SCDMA/GPRS雙模手機的音頻和功率控制。 |
無(wú)縫切換和射頻隔離是WCDMA/EDGE雙模手機的設計關(guān)鍵
對于哪種形式的雙?；蛘叨嗄Ｊ謾C將主導市場(chǎng)的問(wèn)題，針對不同地域有不同的答案，但業(yè)界普遍認為WCDMA/EDGE有望在未來(lái)幾年成為主流。“目前最流行的雙模方式是GSM/GPRS和WCDMA，但WCDMA結合EDGE的方式未來(lái)有很大市場(chǎng)，預計80%的雙模手機將采用這種組合方式。”LSI公司的移動(dòng)業(yè)務(wù)部高級市場(chǎng)經(jīng)理Roman Polz表示。
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| 圖1：LSI公司的Roman Polz。 |
安華高(Avago)科技有限公司無(wú)線(xiàn)半導體事業(yè)部高級市場(chǎng)總監Philip Gadd也持同樣觀(guān)點(diǎn)：“GPRS/EDGE和WCDMA雙模將成為主流，當GSM運營(yíng)商邁向3G時(shí)，這些手機已經(jīng)得到廣泛使用。”
美國模擬器件公司(ADI)射頻和無(wú)線(xiàn)部門(mén)的業(yè)務(wù)總監Doug Grant則認為除了WCDMA/EDGE多模外，未來(lái)也會(huì )存在一些其他的多模方式，比如在中國可能出現TD-SCDMA/EDGE的多模手機，也有些CDMA運營(yíng)商會(huì )引入CDMA+EDGE的雙模手機。
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| 圖2：安華高科技的Philip Gadd。 |
既然是多模手機，實(shí)現不同模式之間的無(wú)縫切換就成為最基本的要求。目前大多數雙模手機都采用兩套通信系統，用戶(hù)通過(guò)手動(dòng)切換選擇使用哪個(gè)網(wǎng)絡(luò )，這種手動(dòng)切換的優(yōu)勢技術(shù)實(shí)現起來(lái)比較容易，成本低、用戶(hù)可以自由選擇，特別適合兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )都覆蓋良好的地方。自動(dòng)切換是指手機將根據信號的強弱在待機和通話(huà)狀態(tài)下自動(dòng)切換至信號強的網(wǎng)絡(luò )，可以實(shí)現兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )之間的無(wú)縫切換和漫游，但這種方法對手機和網(wǎng)絡(luò )的要求都比較高，目前較少采用。不過(guò)，ADI通過(guò)在SoftFone-LCR+芯片組中支持多模協(xié)議，已經(jīng)可以實(shí)現TD-SCDMA和GPRS之間的自動(dòng)切換，且不需要任何單獨的基帶處理器。大唐和T3G公司已經(jīng)推出了多模手機，能實(shí)現T網(wǎng)和G網(wǎng)的無(wú)縫切換。
除了網(wǎng)絡(luò )間切換問(wèn)題外，雙模/多模手機設計還面臨其它方面的設計難題。正如銳迪科微電子的副總裁張亮指出的，由于GSM、CDMA和3G各自使用不同的頻率資源，多模手機需要2個(gè)或3個(gè)RF電路以對應不同的頻帶，但是射頻電路的集成難度較高，這就要解決如何降低射頻電路間干擾、優(yōu)化共用模塊設計、簡(jiǎn)化外圍器件、降低功耗等問(wèn)題。因此，設計工程師必須從架構選擇、天線(xiàn)設計，以及RF開(kāi)關(guān)、RF功率放大器(PA)、收發(fā)器、基帶芯片等器件的選擇及布局布線(xiàn)等方面入手來(lái)解決這些問(wèn)題。
對基帶芯片而言，必須確保架構足夠靈活，能支持最新的連接技術(shù)和具有足夠強大的處理功能，并避免電池耗電過(guò)大。Roman Polz還特別指出：“基帶部分必須支持與不同RF技術(shù)的連接，從而允許手機制造商能夠自行選擇合適的射頻供應商。”
天線(xiàn)的設計和位置對避免不同模式之間的RF干擾非常重要。支持不同的頻段手機大都需要單獨的天線(xiàn)，即使有幾個(gè)天線(xiàn)可以共享，仍需要采用多個(gè)濾波器，以防止一些頻段的信號發(fā)射對另一些頻帶上高度靈敏的信號接收前端造成干擾。
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| 圖3：ADI公司Doug Grant。 |
RF開(kāi)關(guān)的實(shí)現難點(diǎn)在于線(xiàn)性、隔離和損耗三者之間的權衡。此外，構建T/R開(kāi)關(guān)(強調快速開(kāi)關(guān)和諧波)和構建頻帶選擇開(kāi)關(guān)(強調線(xiàn)性，某些情況下隔離度也很關(guān)鍵)兩者之間存在差異，最具挑戰性的一種開(kāi)關(guān)要同時(shí)支持多頻帶、多模EDGE/WCDMA手機。“為解決雙模/多模手機給RF開(kāi)關(guān)帶來(lái)的難題，要求將智能電路設計和先進(jìn)制造工藝巧妙地結合起來(lái)。”Skyworks公司的大中華區高級銷(xiāo)售總監Vincent Wang表示。該公司在集成到其Helios和Intera方案的RF開(kāi)關(guān)中，采用了一種高線(xiàn)性、低插入損耗的偽形態(tài)高電子遷移率晶體管(pHEMT)射頻開(kāi)關(guān)工藝，使開(kāi)關(guān)能以很低的插入損耗切換射頻信號。
多模工作方式對PA提出了新的要求，因為不同模式對PA的功率和線(xiàn)性度有不同要求。目前用于EDGE的PA要求高功率、準線(xiàn)性，用于WCDMA PA則要求低功率和高線(xiàn)性度。如果使用線(xiàn)性PA，則在高功率、非線(xiàn)性模式下將損失不少效率。如果嘗試調節極化PA，則因環(huán)路帶寬不同，使設計非常困難。Avago使用一種被稱(chēng)為CoolPAM的架構來(lái)優(yōu)化PA的效率，該架構能使PA根據所需輸出功率調節傳輸路徑，保持極好的線(xiàn)性及很高的效率。
由于目前PA的價(jià)格相對便宜，如果要使手機保持小型化，并且電池壽命長(cháng)，使用獨立優(yōu)化的PA似乎是最佳方案。但如果使用多個(gè)PA，成本和尺寸是必須要考慮的問(wèn)題，因此最佳的途徑是采用高度集成、高效率的解決方案支持所有關(guān)鍵的空中接口和頻段。Skyworks傾向于將PA和RF開(kāi)關(guān)集成到單個(gè)、緊湊的前端模塊(FEM)中，并與一個(gè)多頻帶收發(fā)器組合，構成一個(gè)完整的解決方案。該SKY74210收發(fā)器采用一種創(chuàng )新的軟件配置架構，能有效實(shí)現Tx EGPRS和WCDMA模式共享。
在濾波方面，首先需要考慮手機是采用時(shí)分雙工(TDD使用T/R開(kāi)關(guān))還是頻分雙工(FDD需要一個(gè)雙工器)。如果使用多種FDD頻帶，則每一個(gè)頻帶都需要一個(gè)雙工器，這樣前端走線(xiàn)和降低損耗都比較困難。Doug Grant認為：“在物理層面還是電子層面上保持無(wú)線(xiàn)隔離度都是十分重要，濾波器可以起到作用，但更好的方法是采用低輸出噪聲的無(wú)線(xiàn)接收裝置，同時(shí)保持用于不同業(yè)務(wù)的天線(xiàn)盡可能遠。”例如，AD6551 Othello-3 CMOS收發(fā)器在發(fā)射機架構上采用了最新的低噪聲架構，可節省聲表面濾波器，而運用一個(gè)高動(dòng)態(tài)范圍的接收器前端可省略了接收通路上的射頻聲表面濾波器。
靈敏度和低功耗是GPS/Wi-Fi/RFID手機設計的要點(diǎn)
根據In-Stat對北美移動(dòng)用戶(hù)的調查，高質(zhì)量的地圖和導航服務(wù)是3G用戶(hù)最渴望的功能之一。與獨立的GPS設備相比，整合GPS功能的手機提供了更具經(jīng)濟效益的解決方案。目前很多高端手機已經(jīng)具備了GPS導航功能，諾基亞甚至還為此收購了德國的定位軟件公司Gate5。
“GPS是CDMA手機的標準功能，也正在成為UMTS手機的標準功能，并且GPS正在與主芯片組集成，不再只是增加的模塊。”Avago的Philip Gadd表示。
手機中實(shí)現GPS可以采用硬件、軟件或者兩者相結合的辦法。SiRF公司的行銷(xiāo)副總裁Kanwar Chadha介紹說(shuō)：“按照和手機主處理器的依賴(lài)程度將其分為四種：1. 不依賴(lài)主機的模塊化GPS引擎：位置計算不依賴(lài)主機；2. 依賴(lài)主機的松耦合：一定程度的主機依賴(lài)性；3. 依賴(lài)主機的緊密耦合：極強的主機依賴(lài)性；4. 完全集成的IP解決方案：GPS IP集成到主機平臺中。”SiRF針對每一種方法都有相應的解決方案。
但恩智浦(NXP)半導體公司的蜂窩系統產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Carsten Schimanke則認為結合了軟硬件方法的智能分區方案最具成本效益。這種方案將對需要大量MIPS處理能力和對時(shí)間要求高的部分交由相關(guān)器這類(lèi)專(zhuān)門(mén)硬件進(jìn)行處理，其它操作則由主機處理。在純軟件的處理方案中，主芯片要消耗大量的功率和MIPS處理資源，可能與手機的低功耗和多任務(wù)要求產(chǎn)生矛盾。
對于這些問(wèn)題，SiRF公司推出了如下解決方案：1. SiRF高性能多模AGPS定位平臺SiRFLoc可以借助蜂窩手機或蜂窩手機網(wǎng)絡(luò )中任何可以獲得的輔助功能來(lái)實(shí)現高靈敏度。2. 復雜的GPS信號處理架構和專(zhuān)有算法可以提高在障礙環(huán)境中采集和跟蹤GPS信號的潛能。3. SiRF的RF前端和信號處理引擎旨在最大限度地降低實(shí)現損耗和干擾信號的影響。4. 以上各項再結合SiFR復雜的導航算法可使SiRF產(chǎn)品在包括室內的各種環(huán)境中實(shí)現魯棒的定位。
Wi-Fi也已經(jīng)進(jìn)入到了少量的手機當中，預計在未來(lái)幾年內，Wi-Fi手機可能會(huì )成為一種相當普通的手機，并且可能同時(shí)提供其他一些空中接口，如WiMAX、802.20、802.11a等。但不是所有的地區都實(shí)現了移動(dòng)通信網(wǎng)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )之間的完全切換，而提供網(wǎng)絡(luò )連接功能的運營(yíng)商和提供移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的供應商之間的矛盾也為該應用的前景增加了變數。
“切換問(wèn)題取決于VoWiFi使用的是基于哪種協(xié)議的標準，是UMA還是IMS，前者已經(jīng)定義了切換的機制，而后者的切換方法還在制定過(guò)程當中。”Broadcom公司的Wi-Fi電話(huà)產(chǎn)品市場(chǎng)總監Monika Gupta表示。
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| 圖4：Broadcom公司的Monika Gupta。 |
將Wi-Fi功能整合到在手機中的其他問(wèn)題是功耗、尺寸限制和EMI。飛兆半導體公司(Fairchild)的現場(chǎng)應用工程師Brian Law認為精心設計系統架構及其相關(guān)元件對減少干擾十分重要，因此建議采用定制解決方案。比如，NXP公司也已采用領(lǐng)先的算法和智能化的射頻設計，使GPS、BT、Wi-Fi、NFC、UMTS和EDGE等空中接口可以很好地共存于同一個(gè)平臺上，彼此干擾非常小。而B(niǎo)roadcom公司的BCM4325芯片將藍牙、FM廣播和802.11a/b/g Wi-Fi功能集成在一個(gè)芯片上，尺寸較藍牙/Wi-Fi分立的解決方案小30%以上，支持IEEE PS、WMM-UAPSD等最新標準，滿(mǎn)足超低功耗的要求。
非接觸支付和購票(比如用手機充當信用卡)以及服務(wù)驅動(dòng)型應用(比如讀取電影海報信息)這兩大新應用將推動(dòng)RFID手機市場(chǎng)的發(fā)展。從技術(shù)角度看，RFID手機設計還面臨降縮小體積、降低功耗、提高互操作性等問(wèn)題。
“手機是電池供電的設備，因此其最重要的一個(gè)特性就是需要低功耗。增加RFID功能要盡可能小的影響手機的電池使用時(shí)間。”WJ Communications公司的全球市場(chǎng)經(jīng)理Prashant Upreti表示，“RFID手機的另外一個(gè)必須特性是RFID閱讀器要被縮小進(jìn)一個(gè)芯片即RFID閱讀器IC中，以縮小體積，第三個(gè)重要的特性是簡(jiǎn)化用戶(hù)界面以便于使用。”WJ Communications公司已推出業(yè)界第一個(gè)多協(xié)議UHF RFID閱讀器IC，該公司已經(jīng)和SK電信公司合作在移動(dòng)電話(huà)里提供RFID功能。
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| 圖5：WJ通信公司的Prashant Upreti。 |
復旦微電子的技術(shù)總監李蔚進(jìn)一步解釋道：“RFID手機應該支持掉電模式，即手機電池沒(méi)電時(shí)，仍可以作為卡片進(jìn)行刷卡操作，這要求RFID器件必須在天線(xiàn)感應的能量下繼續工作，這對芯片提出了低功耗設計要求。此外，不同的RFID供應商在保持天線(xiàn)規格、諧振頻率、通信靈敏度和抗干擾性的一致性方面存在困難，很容易出現RFID在場(chǎng)區發(fā)生死區現象甚至無(wú)法讀寫(xiě)操作，因此互操作性將是RFID手機推廣的核心技術(shù)難點(diǎn)。”
實(shí)際上，除了技術(shù)難題，RFID手機商務(wù)模式的實(shí)現可能更加困難。面對缺乏成熟的商務(wù)模式對RFID應用造成的困擾，復旦微電子開(kāi)發(fā)了智能移動(dòng)應用平臺(SMAP)，該方案針對面向移動(dòng)運營(yíng)商的移動(dòng)增值服務(wù)應用和面向行業(yè)應用運營(yíng)商的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應用，分別提出解決方案，有效保障了不同運營(yíng)商的利益。
低成本手機應采用誰(shuí)家的方案？
以往的低成本手機往往只具備簡(jiǎn)單的話(huà)音功能和文字短消息功能，現在越來(lái)越多的低成本手機也具備了MP3、拍照、藍牙等功能。LSI的Roman Polz表示：“超低成本產(chǎn)品(ULC)只能提供基本的電話(huà)功能。ULC級以上的產(chǎn)品功能逐漸增多，包括彩色顯示屏、GPRS數據功能等。高于ULC級的入門(mén)級產(chǎn)品可以獲得更強的通信功能，支持GPRS乃至EDGE，而且現在還增加了音樂(lè )和拍照功能。”
那么通過(guò)什么樣的方式才可以不斷地推出滿(mǎn)足市場(chǎng)要求的低成本手機呢？Polz認為：“就一系列既定的功能而言，可以通過(guò)對目標市場(chǎng)領(lǐng)域進(jìn)行平臺優(yōu)化來(lái)確保手機價(jià)位易于接受。性能過(guò)高會(huì )使解決方案過(guò)于昂貴，而性能太低又會(huì )降低手機的級別，這兩種情況都會(huì )造成性?xún)r(jià)比的不匹配。”ADI的Doug Grant則認為：“通過(guò)新的基帶處理器獲得更多的功能，從而省略不再需要的協(xié)處理器，中端和低成本手機將能夠以較低的成本增加功能。”
目前很多供應商都提供完整的解決方案，但英飛凌公司認為方案的靈活性對低成本手機也極為重要。方案的完整性能保證客戶(hù)的研發(fā)成本低、上市時(shí)間短，而靈活性則以便于客戶(hù)開(kāi)發(fā)個(gè)性化功能，提供附加值給最終用戶(hù)。
在設計低成本手機時(shí)，設計工程師必須確保盡可能多的軟件和硬件開(kāi)發(fā)可以被再次使用。如果由于集成度和成本的原因而犧牲靈活性，將導致為某一款低成本手機進(jìn)行的開(kāi)發(fā)幾乎不可能被用于不同價(jià)位點(diǎn)上的其它型號上，從而造成設計上的浪費。因此在低成本手機設計上選擇具有延續性和復用性的架構非常重要。
另外，魯棒的射頻和功耗性能也是低成本手機設計的關(guān)鍵，因為低成本手機的消費者最看重的依然是高質(zhì)量的通話(huà)功能和優(yōu)異的射頻與功耗特性?？梢圆捎枚髦瞧职雽w等公司經(jīng)過(guò)優(yōu)化的芯片來(lái)實(shí)現這些性能，如Nexperia蜂窩系統解決方案5000系列，以及特別適合入門(mén)級手機的AeroFONE單芯片方案等。
此外，設計工程師還應注意保持產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內各個(gè)環(huán)節的低成本，而不僅僅是單機的低成本。恩智浦半導體的相關(guān)人員就表示：“最合適的低成本手機方案應該是最成熟和最穩定的，因為產(chǎn)品的成本不單單取決于硬件成本，更取決于產(chǎn)品生命周期內的整體成本。”
下一代手機的操作系統需要支持多核
越來(lái)越多的應用對手機的操作系統和軟件開(kāi)發(fā)平臺提出了更高的要求，這體現在操作系統及其開(kāi)發(fā)平臺需要支持復雜的上層應用和常見(jiàn)的多處理器系統，應具備以下特性：1. 可以幫助實(shí)現智能手機的功能特性；2. 滿(mǎn)足3G手機對非常復雜的上層應用的支持；3. 對多處理器系統的支持；4. 具有優(yōu)良的電源管理功能。5. 支持靈活的用戶(hù)界面。
“由于3G的出現，智能手機代表了移動(dòng)設備的未來(lái)。軟件將一直在智能手機技術(shù)開(kāi)發(fā)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，因為只有通過(guò)軟件才能實(shí)現智能手機的功能和特性。”微軟移動(dòng)通信事業(yè)部亞太及大中國區主任產(chǎn)品經(jīng)理宋煒柯表示。該公司W(wǎng)indows Mobile是一個(gè)完美的、功能強大的平臺，它不僅在智能手機中實(shí)現了PC的功能與特性，還提供了一整套工具和一致、靈活、強大的開(kāi)發(fā)環(huán)境，從而幫助在各種設備上開(kāi)發(fā)創(chuàng )新的應用與服務(wù)。
3G手機必須支持非常復雜的上層應用，如高速數據下載、手機電視等。針對這些要求，Enea(中國)資深技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理張永軍表示：“這要求操作系統平臺不僅要可靠、容易使用，還要具備良好的電源管理機制、完善的調電保護機制、支持空中下載(OTA)等，同時(shí)要非常容易地和第三方的上層應用軟件集成。另外，隨著(zhù)手機中多CPU/DSP的增加，對多核系統的支持也成為必然。”
Enea公司OSE的內核可以同時(shí)支持ARM和DSP，兩個(gè)版本的API幾乎一樣，從而使ARM上的代碼和DSP上的代碼可以非常容易地相互移植。OSE支持分布式系統的模塊LINX使用戶(hù)非常容易地對多核系統進(jìn)行編程，如同在一個(gè)CPU里編程一樣。針對智能手機的應用，該公司還推出了單CPU方案：即1個(gè)ARM內核同時(shí)運行OSE和Linux兩個(gè)操作系統，其中協(xié)議棧等對實(shí)時(shí)性能要求高的部分運行在OSE RTOS上，其它的對實(shí)時(shí)性能要求不高的應用運行在Linux上，這樣即解決了Linux的GPL問(wèn)題(如果協(xié)議棧直接運行在Linux內核上，GPL要求公開(kāi)協(xié)議棧)，又使客戶(hù)節省了1個(gè)內核或芯片，大大降低了成本。
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| 圖6：奇趣科技的Benoit Schillings。 |
多核技術(shù)可以提供更高的處理器性能、更有效的電源利用率，并且占用更少的物理空間，因而具有許多單核處理器無(wú)法具備的優(yōu)勢。但多核與多處理技術(shù)的引入為系統調試帶來(lái)了許多新的挑戰，因為系統復雜度不斷增加，要通過(guò)優(yōu)化硬件和軟件來(lái)充分發(fā)揮其中的性能潛力，難度就更大了。
“為充分發(fā)揮多核以及多處理解決方案的潛能，僅僅依靠強有力的芯片是不夠的，還需要采用新的編程方法和調試工具，確保軟件和硬件開(kāi)發(fā)人員在完整的多核系統環(huán)境中展開(kāi)調試工作，同時(shí)對‘編譯—編輯—調試’的流程進(jìn)行優(yōu)化。”風(fēng)河系統公司中國區總經(jīng)理韓青說(shuō)。該公司的JTAG解決方案，即Workbench On-Chip Debugging，是以集中化的方式來(lái)實(shí)現多核和多處理的調試功能，這個(gè)解決方案可以在單一掃描鏈(Scan Chain)中同時(shí)調試多達8個(gè)內核。
當選擇平臺設計操作系統時(shí)，必須要考慮平臺的可移植性和靈活性。奇趣科技的Qtopia支持ARM、SH、MIPS和其他硬件架構，只需要很少的資源便可使Qtopia運行于新的硬件平臺上。如果平臺足夠靈活，還可以方便地替換掉不具競爭力的應用，以更好滿(mǎn)足客戶(hù)需求，降低開(kāi)發(fā)成本和生產(chǎn)成本。
“為滿(mǎn)足不同運營(yíng)商需求以及進(jìn)行客戶(hù)細分，支持靈活的用戶(hù)界面(UI)的解決方案非常重要。”奇趣科技的首席技術(shù)官Benoit Schillings表示。用戶(hù)可能要求在一天內有不同的用戶(hù)界面，比如工作時(shí)間一個(gè)用戶(hù)界面，工作外時(shí)間是另外一個(gè)用戶(hù)界面，因此運營(yíng)商和手機銷(xiāo)售商要求一個(gè)開(kāi)放、靈活、易用、易開(kāi)發(fā)的軟件平臺。具有本地瀏覽器引擎，從而使用戶(hù)界面、應用和服務(wù)成為手機的一部分，將成為基本需求。
作者：劉輝、張郴莉
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