匯聚技術(shù)加速手機(jī)設(shè)計(jì)的發(fā)展

　　快速變動(dòng)的技術(shù)需求促使移動(dòng)電話的發(fā)展。曾經(jīng)是簡(jiǎn)單語(yǔ)音為主的單模式手機(jī)已被多模式智能型手機(jī)、無(wú)線PDA和多媒體產(chǎn)品所取代，包括藍(lán)牙、802.11無(wú)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(jī)，使設(shè)計(jì)人員必須提供創(chuàng)新解決方案，滿足無(wú)線市場(chǎng)的嚴(yán)苛設(shè)計(jì)要求。

　　或許是第一波的匯聚技術(shù)并未帶來(lái)足夠的設(shè)計(jì)需求，另一波科技浪潮很快又將到來(lái)，其中許多都與更強(qiáng)大的射頻功能有關(guān)。在世界某些地區(qū)，手機(jī)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(wú)線手機(jī)，越來(lái)越多的手機(jī)設(shè)計(jì)很快就會(huì)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(jì)，這項(xiàng)工作本身就很困難，但是手機(jī)設(shè)計(jì)人員還必須克服最嚴(yán)苛的限制-由消費(fèi)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(shí)間。

　　那么這幾波匯聚技術(shù)的浪潮將對(duì)手機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)生那些影響？第一波是把藍(lán)牙、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和全球定位系統(tǒng)等功能集成至手機(jī)，它也引領(lǐng)出許多有趣的問題和設(shè)計(jì)考慮，而這些問題和設(shè)計(jì)考慮都將是未來(lái)系統(tǒng)層級(jí)集成計(jì)劃的一部份。

第一波

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

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

　　事實(shí)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(jí)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(jì)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(duì)市場(chǎng)需求迅速做出響應(yīng)-這些需求正是促使藍(lán)牙和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)加入手機(jī)設(shè)計(jì)的主要因素 (圖1)。

　　藍(lán)牙在手機(jī)的應(yīng)用已領(lǐng)先無(wú)線網(wǎng)絡(luò)一步。過去幾年，藍(lán)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(wú)線上網(wǎng)據(jù)點(diǎn)、辦公室大樓和家庭中安裝的802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)目已達(dá)到一定程度，消費(fèi)者很快就會(huì)期望他們手機(jī)也提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能；另外，手機(jī)無(wú)線業(yè)者認(rèn)為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將成為推動(dòng)許多令人振奮的新數(shù)據(jù)服務(wù)的一項(xiàng)技術(shù)。

　　藍(lán)牙和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用同樣的ISM無(wú)需授權(quán)頻帶 (2.400 GHz至2.4835 GHz)，使它們?cè)跓o(wú)線手機(jī)的匯聚更加復(fù)雜；把兩組無(wú)線電路，一個(gè)是802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，另一個(gè)是藍(lán)牙子系統(tǒng)，安排在手機(jī)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(lán)牙和802.11無(wú)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(dāng)嚴(yán)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(lán)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(shí)才會(huì)使用這些頻帶。在透過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信道傳送數(shù)據(jù)之前，802.11收發(fā)器也會(huì)檢查信道數(shù)據(jù)流量，避免發(fā)生封包碰撞。

　　藍(lán)牙的FHSS信道則不是采用固定頻率；當(dāng)藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它會(huì)在79個(gè)事先定義的頻道間隨機(jī)跳躍，這些頻道的間隔則為1 MHz。透過這種方式，藍(lán)牙得以利用整個(gè)頻帶，只不過在任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，只有很小一部份的頻帶會(huì)被使用。藍(lán)牙每秒大約會(huì)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(cè)數(shù)據(jù)流量的做法，藍(lán)牙會(huì)直接傳送數(shù)據(jù)，不管信道中是否有其它的訊號(hào)或是封包；萬(wàn)一發(fā)生封包碰撞，藍(lán)牙會(huì)重新傳送遺失的封包，直到對(duì)方確認(rèn)收到這些封包為止。

　　雖然在手機(jī)的有限空間內(nèi)擠進(jìn)藍(lán)牙和802.11功能只會(huì)讓EMI共存的問題更嚴(yán)重，但它也提供機(jī)會(huì)為

　　802.11和藍(lán)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙，但這種安排有其限制；舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口需要傳送龐大檔案時(shí)，如果藍(lán)牙剛好處于閑置狀態(tài)，那么指定給藍(lán)牙使用的頻帶也無(wú)法轉(zhuǎn)移給迫切需要頻帶802.11使用。

　　TI的藍(lán)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)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(shí)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(lán)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(lán)牙解決方案 (參考圖3) 就是一個(gè)很好的例子，它說(shuō)明在匯聚型手機(jī)中，子系統(tǒng)層級(jí)的模塊集成如何能夠做為系統(tǒng)層級(jí)集成的第一步。功能集成，在這個(gè)例子中就是藍(lán)牙功能，提供了模塊化建構(gòu)方塊，它們能迅速用于手機(jī)設(shè)計(jì)，以便快速響應(yīng)市場(chǎng)的某些功能需求；此外，做為藍(lán)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(lán)圖以及這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于手機(jī)設(shè)計(jì)的可能影響。BRF6150采用130納米的CMOS制程技術(shù)，內(nèi)建藍(lán)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(lán)牙通信而設(shè)計(jì)，但當(dāng)其它需要射頻功能的技術(shù)也想?yún)R聚至手機(jī)時(shí)，BRF6150所包含的數(shù)字射頻處理器就為手機(jī)設(shè)計(jì)指出了未來(lái)應(yīng)走的方向。隨著手機(jī)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(shí)間等市場(chǎng)限制因素的關(guān)鍵。

數(shù)字無(wú)線電之路

　　除了共存問題之外，現(xiàn)代手機(jī)的體積限制也讓藍(lán)牙、無(wú)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(dāng)然，有數(shù)種方法可能達(dá)成此目標(biāo)，例如利用SiGe BiCMOS 之類的高度精密制程來(lái)實(shí)現(xiàn)基帶和射頻的單晶集成(Monolithic Integration)就是選項(xiàng)之一，但這類制程所帶來(lái)的額外成本顯然會(huì)造成手機(jī)的總系統(tǒng)成本上升。此外，SiGe BiCMOS 之類的先進(jìn)制程通常必須等到微影 (lithography) 精密度達(dá)到一定水準(zhǔn)的先進(jìn)CMOS 制程開始應(yīng)用后幾年才會(huì)出現(xiàn)。由于SiGe BiCMOS制程會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加，又無(wú)法提供最先進(jìn)的技術(shù)，因此將SiGe BiCMOS制程用于更高階的手機(jī)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(jìn)的數(shù)字CMOS制程發(fā)展基帶電路，同時(shí)利用SiGe BiCMOS制程或射頻技術(shù)常用的其它制程來(lái)設(shè)計(jì)無(wú)線電路。這種簡(jiǎn)單的方法雖然看起來(lái)很有吸引力，也很直接，但當(dāng)組件制造完成并開始接受測(cè)試時(shí)，問題就會(huì)浮現(xiàn)。原因是射頻電路的制造良率通常都不如先進(jìn)CMOS制程，而這類組件就算只有一項(xiàng)射頻參數(shù)不合規(guī)格要求，整個(gè)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(wú)線電路也不能加入先進(jìn)邏輯功能、自我校準(zhǔn)、內(nèi)建自我測(cè)試或?yàn)檫@類組件改善射頻參數(shù)良率的其它技術(shù)。

　　另一種看起來(lái)很簡(jiǎn)單的方法是將多種空中傳輸接口標(biāo)準(zhǔn)的射頻電路集成至一顆組件，然后利用先進(jìn)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(jí)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(jī)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(jī)市場(chǎng)的不同領(lǐng)域。在這種方法中，所有手機(jī)設(shè)計(jì)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(rèn)證都無(wú)法離開其它標(biāo)準(zhǔn)而獨(dú)立進(jìn)行；組件必須同時(shí)符合所有標(biāo)準(zhǔn)的要求，才能算通過完整認(rèn)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(xiàng)特性使它對(duì)于手機(jī)制造商極具吸引力。單晶CMOS集成可在系統(tǒng)層級(jí)模塊化，同時(shí)藉由射頻和基帶處理的結(jié)合來(lái)提供自我校準(zhǔn)之類的先進(jìn)射頻功能；另外，手機(jī)體積也會(huì)大幅縮小。當(dāng)然，傳統(tǒng)無(wú)線電架構(gòu)也是對(duì)CMOS集成的挑戰(zhàn)，例如現(xiàn)有的直接轉(zhuǎn)換或超外差無(wú)線電架構(gòu)就不容易集成至CMOS制程，因?yàn)樗鼈儼S多模擬電路以及高性能的被動(dòng)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(wú)線電架構(gòu)的升級(jí)也很困難，因?yàn)殡娫垂?yīng)電壓會(huì)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(shí)作高度數(shù)字化的無(wú)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(shí)將模擬電路減至最少，只有少數(shù)幾顆組件會(huì)在典型的模擬領(lǐng)域工作。這種架構(gòu)開啟了先進(jìn)系統(tǒng)集成的大門，并能透過數(shù)字校準(zhǔn)和自我測(cè)試的廣泛應(yīng)用來(lái)改善參數(shù)良率，進(jìn)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(duì)現(xiàn)實(shí)

　　就算必要的技術(shù)進(jìn)步和更高階的功能集成都已達(dá)成，使后續(xù)出現(xiàn)的科技浪潮確實(shí)能匯聚于手機(jī)中，新設(shè)計(jì)仍須面對(duì)市場(chǎng)必然帶來(lái)的許多其它嚴(yán)格考驗(yàn)，包括成本、性能、電路板面積、功耗和產(chǎn)品上市時(shí)間。此外，分享某些資源的多功能匯聚型手機(jī)只會(huì)更突顯其它棘手問題的重要性，例如認(rèn)證和安全性。

　　就算必要的技術(shù)進(jìn)步和更高階的功能集成都已達(dá)成，使后續(xù)出現(xiàn)的科技浪潮確實(shí)能匯聚于手機(jī)中，新設(shè)計(jì)仍須面對(duì)市場(chǎng)必然帶來(lái)的許多其它嚴(yán)格考驗(yàn)，包括成本、性能、電路板面積、功耗和產(chǎn)品上市時(shí)間。此外，分享某些資源的多功能匯聚型手機(jī)只會(huì)更突顯其它棘手問題的重要性，例如認(rèn)證和安全性。

　　不難想象匯聚型手機(jī)的使用方式之一是讓移動(dòng)電話通信、藍(lán)牙和802.11等三種技術(shù)同時(shí)工作，并讓藍(lán)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(jī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口收聽線上音樂，一邊利用手機(jī)接聽外面打來(lái)的移動(dòng)電話，然后透過藍(lán)牙改用耳機(jī)接聽。

　　當(dāng)然，系統(tǒng)認(rèn)證向來(lái)都是需要克服的困難發(fā)展障礙。要讓手機(jī)的無(wú)線通信接口通過產(chǎn)品全型認(rèn)證，其過程不但復(fù)雜，而且牽涉到許多測(cè)試工作；當(dāng)多種空中傳輸接口被集成至同一只手機(jī)時(shí)，整個(gè)過程還將變得更繁復(fù)，使得廠商必須同時(shí)通過多個(gè)全球性標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)所公布的多種標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。在移動(dòng)電話的認(rèn)證程序之外，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙也有自己的需要，必須通過產(chǎn)品的互用性測(cè)試，同時(shí)滿足某些法規(guī)要求。雖然高階硅芯片集成不會(huì)減少認(rèn)證所需的測(cè)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(rèn)證過程中不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的問題；舉例來(lái)說(shuō)，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(huì)縮小系統(tǒng)的整體布局，工程師只需對(duì)設(shè)計(jì)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(huì)讓整個(gè)系統(tǒng)的集成更輕松，系統(tǒng)認(rèn)證過程將變得更簡(jiǎn)單，也更容易預(yù)測(cè)。

　　安全性一直是今日世界的關(guān)心重點(diǎn)，無(wú)線手機(jī)也不例外。隨著更多技術(shù)匯聚于手機(jī)，系統(tǒng)的接取點(diǎn)數(shù)目將會(huì)增加，使得手機(jī)更容易受到攻擊，因此手機(jī)發(fā)展人員必須在手機(jī)架構(gòu)中增加安全保護(hù)措施，同時(shí)利用無(wú)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(hù)功能。模塊化架構(gòu)可以提供嚴(yán)格的安全保護(hù)方法，由于每一個(gè)模塊都能建立它們自己的安全參數(shù)，入侵某個(gè)模塊就不必然會(huì)影響系統(tǒng)的整體安全。在此同時(shí)，包含以硬件為基礎(chǔ)的安全開機(jī)管理程序 (bootloader) 以及先進(jìn)加密引擎在內(nèi)的集成式安全功能對(duì)于阻擋計(jì)算機(jī)駭客、計(jì)算機(jī)病毒、計(jì)算機(jī)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(jī)市場(chǎng)延續(xù)其快速的成長(zhǎng)和創(chuàng)新步調(diào)，手機(jī)設(shè)計(jì)人員也將面對(duì)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(jǐn)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(lái)足夠的設(shè)計(jì)需求，另一波科技浪潮很快又將到來(lái)，其中許多都與更強(qiáng)大的射頻功能有關(guān)。在世界某些地區(qū)，手機(jī)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(wú)線手機(jī)，越來(lái)越多的手機(jī)設(shè)計(jì)很快就會(huì)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(jì)，這項(xiàng)工作本身就很困難，但是手機(jī)設(shè)計(jì)人員還必須克服最嚴(yán)苛的限制-由消費(fèi)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(shí)間。

　　那么這幾波匯聚技術(shù)的浪潮將對(duì)手機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)生那些影響？第一波是把藍(lán)牙、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和全球定位系統(tǒng)等功能集成至手機(jī)，它也引領(lǐng)出許多有趣的問題和設(shè)計(jì)考慮，而這些問題和設(shè)計(jì)考慮都將是未來(lái)系統(tǒng)層級(jí)集成計(jì)劃的一部份。