http://www.ci800.com 發(fā)布時(shí)間：2007-08-16
從電信公司到OEM和ODM廠(chǎng)商到晶片組供應商，手機價(jià)值鏈的所有業(yè)者都在努力提高功能整合度，它是手機降低成本和節省電路板面積給其它功能的重要關(guān)鍵。自從20年前出現以來(lái)，手機就以循序漸近的方式逐步提高功能整合，在此過(guò)程中并沒(méi)有任何一種技術(shù)能夠實(shí)現功能整合的大躍進(jìn)。但近年來(lái)，單晶片手機—這個(gè)業(yè)界期盼已久的終極設計方式終于在市場(chǎng)上出現。本文將探討單晶片整合的真正優(yōu)點(diǎn)、單晶片手機設計的各項挑戰和它們所能達到的射頻效能水準。為了探討這些問(wèn)題并提供相關(guān)數據，文中將以一種單晶片手機做為簡(jiǎn)單范例。
單晶片整合的優(yōu)點(diǎn)
將手機主要子系統整合成單晶片可為手機制造商帶來(lái)極大好處。圖1是理想單晶片手機的基本功能方塊圖，它已將射頻收發(fā)器 (XCVR)、數字基頻 (DBB)、模擬基頻 (ABB) 和電源管理 (PMU或PMIC) 整合到同一顆晶片。
圖1：理想單晶片手機的基本功能方塊圖
單晶片手機可用一顆單石積體電路取代手機內的多個(gè)重要子系統。由于這些子系統間的通信量極為龐大，單晶片設計還能省下原本所需的多顆離散零件和被動(dòng)元件。目前最先進(jìn)的單晶片手機解決方案只需58顆零件就能組成完整的四頻帶GSM/GPRS數據機，採用獨立基頻晶片和收發(fā)器晶片的傳統解決方案則需要約200到250顆零件。這表示手機制造商將會(huì )省下可觀(guān)零件、生產(chǎn)、插件、採購和庫存成本。庫存零件數目和種類(lèi)的大量減少不但讓供應鏈運作更順暢，還能大幅降低零件短缺導致的生產(chǎn)線(xiàn)停工風(fēng)險。除此之外，單晶片手機還能免除元件繞線(xiàn)作業(yè)，使得電路板從傳統八層板簡(jiǎn)化為六層板或四層板，電路板制造成本最多則能節省三成到五成。
除此之外，由于許多數據機功能都整合到一顆晶片，半導體供應商將能針對系統規格進(jìn)行更完整的測試和保證，其范圍遠超過(guò)單獨供應的多顆零件。對手機而言，這能縮短工廠(chǎng)測試時(shí)間、提高測試效率和減少顧客退貨率。追求利潤是所有手機制造商都要面對的重大挑戰之一，其中又以ODM廠(chǎng)商承受的壓力最大。單晶片手機只要讓手機制造商的產(chǎn)品良率提高1%，就表示他們的利潤最高會(huì )增加兩成五。
真正單晶片解決方案的另一優(yōu)點(diǎn)是廠(chǎng)商只需採購一顆元件，而不是由多顆元件構成的數據機晶片組。廠(chǎng)商若採用數據機晶片組或需要另一顆電源管理元件的某些所謂「單晶片解決方案」，那么只要晶片組有任何元件缺貨，手機生產(chǎn)線(xiàn)就會(huì )停擺。不幸的是，競爭激烈的市場(chǎng)環(huán)境迫使廠(chǎng)商必須嚴格控制庫存，因此零件缺貨在手機產(chǎn)業(yè)經(jīng)常出現。
隨著(zhù)電路板所需零件大幅減少，所有子系統又都整合至一顆晶片，系統最佳化過(guò)程所需的硬件和軟件調校工作將變得更簡(jiǎn)單。單晶片手機還應整合所有系統時(shí)脈功能，并將它實(shí)作成只需搭配一顆26 MHz石英晶體的數控石英振盪器 (DCXO)。廠(chǎng)商甚至還能將數控石英振盪器與數字基頻元件和相關(guān)軟件整合在一起，使得研發(fā)過(guò)程中只要執行最少的調校程序就能完成石英晶體頻率校準。這能省下繁復的電路板修改或工廠(chǎng)校準作業(yè)，進(jìn)而大幅縮短新手機上市所需時(shí)間。
除此之外，由于單晶片手機將全部功能整合至一顆晶片，設計人員還能將多項系統效能指標最佳化，例如利用基頻單元的DSP將射頻接收機最佳化以提供最理想的靈敏度、線(xiàn)性操作和相鄰通道效能組合。發(fā)射機也能實(shí)現效能最佳化，因為從音頻到射頻的所有功能方塊已在相同晶片上。只要所有子系統整合至單顆晶片，溫度和半導體制程變異等效應都能獲得補償。最后，由于需要互傳信息的所有功能方塊全部緊密整合至同一顆晶片，系統時(shí)序也能最佳化以提供效率最高的全系統耗電控制，這能延長(cháng)手機的通話(huà)時(shí)間和待機時(shí)間。
市場(chǎng)需求
單晶片手機的諸多優(yōu)點(diǎn)使它特別適合手機市場(chǎng)的入門(mén)和低成本產(chǎn)品。這些市場(chǎng)的多數產(chǎn)品都是GSM/GPRS手機，其銷(xiāo)售量至少在未來(lái)四年內會(huì )很強勁。此市場(chǎng)的數據機需求已到成熟階段，多媒體功能需求雖不如高階手機市場(chǎng)，但重復性較高。它們還需要GPRS功能支援中等速率資料服務(wù)，例如WAP上網(wǎng)、多媒體短信以及和弦鈴聲下載。這些手機在成本限制下不可能採用應用導向的數字基頻或外部硬件協(xié)同處理器來(lái)支援相機JPEG編碼等市場(chǎng)標準的多媒體功能，這使得具備GPRS功能的單晶片手機成為入門(mén)市場(chǎng)的最佳選擇。
除此之外，以巴西、俄國、印度和中國大陸等新興經(jīng)濟體為目標的超低成本手機市場(chǎng)正是單晶片手機的理想支援對象。這些成長(cháng)快速的手機主要仍?huà)裼贸墒斓腉SM技術(shù)，功能規格定義也相當明確 (基本語(yǔ)音和短信功能)，它們使得單晶片手機成為超低成本移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)的最佳選擇。成本對于這類(lèi)應用尤其重要，因為消費者負擔能力正是超低成本手機市場(chǎng)的成敗關(guān)鍵。超低成本手機市場(chǎng)必須大幅降低零件用料成本，效能則不可受任何影響。比較令人意外的是，超低成本手機市場(chǎng)對于射頻效能的要求比高階市場(chǎng)產(chǎn)品還嚴苛，原因就在于這些新興經(jīng)濟體的電信基礎設施仍不夠完善。不僅如此，降低測試成本以及提高生產(chǎn)良率、可靠性和售后服務(wù)對于這些新興經(jīng)濟體都極為重要，手機制造商必須達到這些要求才能在超低成本手機市場(chǎng)獲得成功。這些要求正是單晶片手機的拿手好戲，因為超高功能整合度讓它們在這方面具有極大優(yōu)勢。
GSM/GPRS手機射頻效能
用戶(hù)感受是全球電信業(yè)者的競爭焦點(diǎn)，接收信號范圍和通話(huà)穩定性 (以斷線(xiàn)次數計算) 則是影響用戶(hù)感受的兩大因素，它們最終會(huì )受到手機數據機的收發(fā)器子系統效能影響。本文接著(zhù)將討論單晶片手機必須滿(mǎn)足的各種射頻效能規格。
全球已有超過(guò)六成的手機和用戶(hù)採用GSM/GPRS行動(dòng)電話(huà)標準，且其數目仍在持續攀升中，這使它成為目前最具吸引力的無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)之一。GSM/GPRS標準還包含最嚴格的數據機晶片組接收與發(fā)射功能射頻規格，GSM/GPRS手機能否達到這些重要的射頻要求不但會(huì )直接影響使用者感受，電信業(yè)者名聲也會(huì )受到波及。本文后面所定義的重要規格包括接收靈敏度、噪音阻隔和調幅抑制能力以及接收頻帶的發(fā)射調變遮罩頻譜和發(fā)射功率 (亦即20 MHz相位雜訊)。
接收機規格包含靈敏度，噪音阻隔和調幅抑制，它們會(huì )影響使用者對于手機的感受。接收靈敏度是手機正確接收和處理小信號的能力，高靈敏度不但讓距離基地臺較遠的使用者仍能收到信號，電信業(yè)者也能減少基礎設施建置和降低資本支出。想要提高靈敏度，就必須將低噪音放大器和射頻混波器等接收機前端零件的雜訊效能最佳化。接收阻隔能力代表手機處理干擾訊號的能力，它們會(huì )影響接收信號品質(zhì)或造成斷線(xiàn)。這些干擾信號可能是來(lái)自相同或其它電信網(wǎng)路的接收信號，或者是用戶(hù)附近手機發(fā)出的信號。接收機需要良好的噪音效能和線(xiàn)性操作能力才能提高阻隔效能，尤其是低噪音放大器和射頻混波器等前端電路的影響更大。調幅抑制的功能和噪音阻隔非常類(lèi)似，只不過(guò)它所處理的是動(dòng)態(tài)干擾信號，而不是固定或靜態(tài)干擾信號。接收機在通話(huà)或波串 (burst) 剛開(kāi)始時(shí)所做的校準程序都可能因為動(dòng)態(tài)效應而毀于一旦 (亦即干擾源在波串傳送到一半時(shí)突然改變)。調幅抑制的效果主要由接收機架構決定，直接轉換架構最容易受到影響，低中頻架構則最不容易發(fā)生斷線(xiàn)或接收信號品質(zhì)下降現象?；l濾波功能對于效能也有影響。
發(fā)射規格則會(huì )影響相同或不同電信網(wǎng)路上其它手機使用者的操作。發(fā)射信號頻譜必須限制在所要求的頻譜遮罩范圍內。在距離目標信號中心400 kHz處會(huì )有另一個(gè)通道 (相距兩個(gè)通道)，然而要準確實(shí)現400 kHz偏移卻最為困難。手機的發(fā)射機如會(huì )產(chǎn)生很大噪音，就可能影響正在使用相鄰通道的其它手機使用者。400 kHz頻譜遮罩效能是由發(fā)射機架構以及整個(gè)發(fā)射鏈的噪音管理效果所決定。手機對于發(fā)射頻譜中會(huì )落在其它用戶(hù)接收頻帶內的噪音有著(zhù)極為嚴格的要求。由于發(fā)射和接收頻帶相距僅約20 MHz，只要發(fā)射機使用靠近頻帶上方的通道，那么靠近頻帶下方的目標信號就可能被此噪音淹沒(méi)而造成斷線(xiàn)。
功能整合的最大挑戰 – 維持射頻效能
要讓數據機晶片組滿(mǎn)足嚴格的GSM/GPRS規格要求是極大挑戰。業(yè)界多年來(lái)都在努力讓敏感的射頻電路與高噪音數字電路、高功率電源管理單元和音頻電路一起工作，甚至在使用離散解決方案時(shí)也是如此。當這些子系統全部整合到單顆晶片時(shí)，這個(gè)問(wèn)題還會(huì )變得更嚴重?；旧?，DSP和微處理器等數字子系統的操作頻率都很高，有可能干擾射頻和模擬電路并透過(guò)某些耦合機制使得射頻效能衰退，這會(huì )造成混附噪音、阻隔效果變差、靈敏度下降、輸出調變頻譜失真和音頻效能減退等其它問(wèn)題。單晶片手機設計的最大挑戰就是管理這種數字干擾，同時(shí)將非常敏感的小信號射頻電路與高速數字基頻子系統整合在一起。
AeroFONE單晶片手機
我們以Silicon Laboratories將射頻收發(fā)器、基頻和電源管理單元等所有主要子系統整合到一顆晶片的AeroFONE GSM/GPRS四頻帶單晶片手機為例。表1是AeroFONE手機平臺與使用獨立式基頻元件和收發(fā)器晶片組的典型手機在各種指標的比較結果，可以看出單晶片手機顯然享有巨大的領(lǐng)先優(yōu)勢。
參數／規格 典型產(chǎn)品手機 AeroFONE Si4905
數據機晶片數目 3 – XCVR, DBB, ABB/PMU 1
系統時(shí)脈 VC-TCXO模組 整合式 (DCXO)
數據機電路板面積 17.4平方公分 6.1平方公分
數據機零件數目 (雙頻) 245 51
接收機靈敏度 -108到-109 dBm -110到-111 dBm
發(fā)射機400kHz調變頻譜 -63到-64 dBc -65到-66 dBc
發(fā)射機20MHz相位雜訊 (低頻帶) -162 dBc/Hz -165 dBc/Hz
待機時(shí)間 (600mAH電池) 約220小時(shí) 315小時(shí)
表1：典型產(chǎn)品手機與AeroFONE解決方案的比較
圖2：比較AeroFONE與實(shí)際的超低成本手機，帶來(lái)沖擊。
AeroFONE架構在設計之初就是要將高速數字、高電壓模擬和高敏感性射頻功能等三種截然不同的電路整合至單顆晶片。Silicon Laboratories利用多種專(zhuān)屬系統和電路設計技術(shù)來(lái)解決射頻、音頻、基頻和電源管理電路的整合問(wèn)題。在A(yíng)eroFONE解決方案的發(fā)展過(guò)程中，Silicon Laboratories還運用研發(fā)Aero II收發(fā)器時(shí)累積的許多電路設計與佈局技術(shù)，這套專(zhuān)利的系統架構會(huì )將容易受到噪音影響的電路與會(huì )產(chǎn)生噪音的電路隔離，使得整個(gè)系統能夠發(fā)揮最強大的射頻效能。在子系統層級，以Aero II收發(fā)器為基礎的射頻核心則是利用獨特的數位低中頻收發(fā)器架構提供無(wú)與倫比的接收機效能；除此之外，第三代壓控振盪器與合成器技術(shù)還能提供更強大的接收與發(fā)射效能，AeroFONE單晶片手機還將公司大約10年的數位雜訊管理知識融入設計中。
