汇聚技术加速手机设计的发展

快速变动的技术需求促使移动电话的发展。曾经是简单语音为主的单模式手机已被多模式智能型手机、无线PDA和多媒体产品所取代，包括蓝牙、802.11无线网络以及全球定位服务在内的新一波科技浪潮正汇聚于手机，使设计人员必须提供创新解决方案，满足无线市场的严苛设计要求。 

或许是第一波的汇聚技术并未带来足够的设计需求，另一波科技浪潮很快又将到来，其中许多都与更强大的射频功能有关。在世界某些地区，手机已开始提供调频广播和模拟电视的接收功能，随着新功能、应用和技术不断汇聚至无线手机，越来越多的手机设计很快就会采纳这些技术 - 还有超频宽 (UWB)、数字电视、卫星广播和其它功能。 

要把新技术加入现有设计，这项工作本身就很困难，但是手机设计人员还必须克服最严苛的限制 - 由消费者所设下的各种要求。这些要求包括电池寿命、功能性能、产品体积和成本，另外还有产品上市时间。 

那么这几波汇聚技术的浪潮将对手机设计产生那些影响？第一波是把蓝牙、无线网络和全球定位系统等功能集成至手机，它也引领出许多有趣的问题和设计考虑，而这些问题和设计考虑都将是未来系统层级集成计划的一部份。 

第一波 

手机制造商已转向硅芯片层级集成，并以它做为减少芯片数目、用料成本和功耗以及达成缩小体积目标的主要方法，但在步调快速的移动电话市场上，若能把朝向更高阶硅芯片集成度的必然趋势以及模块化架构策略结合在一起，将对手机制造商产生极大助益。 

事实上，模块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块化子系统做为完全集成式系统单芯片的建构方块，厂商就能以子系统层级的硅芯片集成为基础，发展出一套模块化的系统设计方法。这种方法可以保持很大弹性，确保制造商获得他们所需的灵活性，使他们能针对市场需求迅速做出响应 - 这些需求正是促使蓝牙和无线网络等新技术加入手机设计的主要因素 (图1)。 

蓝牙在手机的应用已领先无线网络一步。过去几年，蓝牙的发展不断成熟，有更多产品问世，而它们之间的互用性也获得解决。但另一方面，无线上网据点、办公室大楼和家庭中安装的802.11无线网络数目已达到一定程度，消费者很快就会期望他们手机也提供无线网络功能；另外，手机无线业者认为无线网络将成为推动许多令人振奋的新数据服务的一项技术。 

蓝牙和无线网络使用同样的ISM无需授权频带 (2.400 GHz至2.4835 GHz)，使它们在无线手机的汇聚更加复杂；把两组无线电路，一个是802.11无线网络子系统，另一个是蓝牙子系统，安排在手机内部的相邻位置，这两种技术就很容易产生相互干扰，甚至降低性能。 

虽然蓝牙和802.11无线网络使用不同的空中传输接口 (air interfaces)，但是彼此的干扰相当严重。802.11采用直接序列展频 (DSSS) 以及正交分频多任务 (OFDM) 技术，蓝牙则采用跳频展频 (FHSS) 技术；在宽度为83.5 MHz的ISM频带中，802.11大约占用四分之一，而且它只有在传送数据时才会使用这些频带。在透过无线网络信道传送数据之前，802.11收发器也会检查信道数据流量，避免发生封包碰撞。 

蓝牙的FHSS信道则不是采用固定频率；当蓝牙传输数据时，它会在79个事先定义的频道间随机跳跃，这些频道的间隔则为1 MHz。透过这种方式，蓝牙得以利用整个频带，只不过在任何一个时间点上，只有很小一部份的频带会被使用。蓝牙每秒大约会执行1,600次的频道跳跃，而且不同于802.11在传送数据前先监测数据流量的做法，蓝牙会直接传送数据，不管信道中是否有其它的讯号或是封包；万一发生封包碰撞，蓝牙会重新传送遗失的封包，直到对方确认收到这些封包为止。 

虽然在手机的有限空间内挤进蓝牙和802.11功能只会让EMI共存的问题更严重，但它也提供机会为802.11和蓝牙发展协作解决方案。某些共存解决方案直接将一定比例的可用频宽分别指定给无线网络和蓝牙，但这种安排有其限制；举例来说，当无线网络接口需要传送庞大档案时，如果蓝牙刚好处于闲置状态，那么指定给蓝牙使用的频带也无法转移给迫切需要频带802.11使用。 

TI的蓝牙／802.11共存套件，则采用较聪明的做法，它们可以协调无线网络和蓝牙的作业，让每一种技术都能发挥最大性能，频带的使用也最有效率。TI共存解决方案采用的实作方式是将TNETW1100B或TNETW1230等802.11媒体存取控制器 (MAC) 组件的I/O信道连接到BRF6100或BRF6150蓝牙子系统单芯片的I/O信道，让这两种技术得以协调彼此作业，避免相互之间产生任何干扰。 

TI的BRF6150单芯片蓝牙解决方案 (参考图3) 就是一个很好的例子，它说明在汇聚型手机中，子系统层级的模块集成如何能够做为系统层级集成的第一步。功能集成，在这个例子中就是蓝牙功能，提供了模块化建构方块，它们能迅速用于手机设计，以便快速响应市场的某些功能需求；此外，做为蓝牙子系统单芯片的单颗组件也让人一窥数字射频处理器 (DRP) 的发展蓝图以及这项技术对于手机设计的可能影响。BRF6150采用130纳米的CMOS制程技术，内建蓝牙基带处理器、ARM微处理器核心、智能型电源管理能力和数字射频处理器，组件封装大小只有4.5 ′ 4.5厘米 (20平方厘米)，使得这套解决方案只需不到50平方厘米的电路板面积。虽然BRF6150的数字射频处理器是专为蓝牙通信而设计，但当其它需要射频功能的技术也想汇聚至手机时，BRF6150所包含的数字射频处理器就为手机设计指出了未来应走的方向。随着手机的复杂性不断增加，数字射频处理器将是克服体积、性能、成本、功耗和上市时间等市场限制因素的关键。 

数字无线电之路 

除了共存问题之外，现代手机的体积限制也让蓝牙、无线网络、全球定位系统或其它新技术的加入极为困难 - 除非它们能够实现更高阶的硅芯片功能集成。当然，有数种方法可能达成此目标，例如利用SiGe BiCMOS之类的高度精密制程来实现基带和射频的单晶集成(Monolithic Integration)就是选项之一，但这类制程所带来的额外成本显然会造成手机的总系统成本上升。此外，SiGe BiCMOS之类的先进制程通常必须等到微影 (lithography) 精密度达到一定水准的先进CMOS制程开始应用后几年才会出现。由于SiGe BiCMOS制程会导致系统成本增加，又无法提供最先进的技术，因此将SiGe BiCMOS制程用于更高阶的手机功能集成并不是很有吸引力的解决方案。 

另一种可能是利用先进的数字CMOS制程发展基带电路，同时利用SiGe BiCMOS制程或射频技术常用的其它制程来设计无线电路。这种简单的方法虽然看起来很有吸引力，也很直接，但当组件制造完成并开始接受测试时，问题就会浮现。原因是射频电路的制造良率通常都不如先进CMOS制程，而这类组件就算只有一项射频参数不合规格要求，整个模块就必须丢弃不用，这使整体成本将提高很多。不仅如此，无线电路也不能加入先进逻辑功能、自我校准、内建自我测试或为这类组件改善射频参数良率的其它技术。 

另一种看起来很简单的方法是将多种空中传输接口标准的射频电路集成至一颗组件，然后利用先进CMOS制程把这颗组件和基带电路集成在一起。由于这种方法缺少系统层级的模块化能力，此策略显然必须采取一体适用的方法，不允许手机制造商将产品功能特色做弹性的混合搭配，以便支持手机市场的不同领域。在这种方法中，所有手机设计都必须承担所有空中传输接口的基带和射频电路成本 - 就算它们不需要某些空中传输接口也是一样。这种方法也让组件的制造过程更复杂，因此每一种空中传输接口的认证都无法离开其它标准而独立进行；组件必须同时符合所有标准的要求，才能算通过完整认证。 

另一种代替方法是把基带和射频电路集成至单颗组件，这种做法的多项特性使它对于手机制造商极具吸引力。单晶CMOS集成可在系统层级模块化，同时藉由射频和基带处理的结合来提供自我校准之类的先进射频功能；另外，手机体积也会大幅缩小。当然，传统无线电架构也是对CMOS集成的挑战，例如现有的直接转换或超外差无线电架构就不容易集成至CMOS制程，因为它们包含许多模拟电路以及高性能的被动零件。而且就算能够集成，随着新世代CMOS制程不断出现，这种无线电架构的升级也很困难，因为电源供应电压会随着新制程而降低，使得模拟功能就算在最好情形下也很难正常工作。 

尽管如此，利用CMOS制程实作高度数字化的无线电架构不但可能，而且有很大的发展前景，TI数字射频处理器就是很好的例子。如图4所示，数字射频处理器技术不但大量使用数字技术，它还尽可能将最多电路移到取样数据领域，同时将模拟电路减至最少，只有少数几颗组件会在典型的模拟领域工作。这种架构开启了先进系统集成的大门，并能透过数字校准和自我测试的广泛应用来改善参数良率，进而降低系统总成本。数字射频处理器技术还能减少系统的体积、成本、外接零件数目、功耗和硅芯片面积。 

面对现实 

就算必要的技术进步和更高阶的功能集成都已达成，使后续出现的科技浪潮确实能汇聚于手机中，新设计仍须面对市场必然带来的许多其它严格考验，包括成本、性能、电路板面积、功耗和产品上市时间。此外，分享某些资源的多功能汇聚型手机只会更突显其它棘手问题的重要性，例如认证和安全性。 

不难想象汇聚型手机的使用方式之一是让移动电话通信、蓝牙和802.11等三种技术同时工作，并让蓝牙和802.11共享数字射频处理器的资源，例如使用者可以一边利用手机的无线网络接口收听线上音乐，一边利用手机接听外面打来的移动电话，然后透过蓝牙改用耳机接听。 

当然，系统认证向来都是需要克服的困难发展障碍。要让手机的无线通信接口通过产品全型认证，其过程不但复杂，而且牵涉到许多测试工作；当多种空中传输接口被集成至同一只手机时，整个过程还将变得更繁复，使得厂商必须同时通过多个全球性标准机构所公布的多种标准认证。在移动电话的认证程序之外，无线网络和蓝牙也有自己的需要，必须通过产品的互用性测试，同时满足某些法规要求。虽然高阶硅芯片集成不会减少认证所需的测试工作，系统复杂性的降低却让制造商更有信心，确信在认证过程中不会出现严重的问题；举例来说，半导体厂商可为集成式解决方案所搭配的少数外接零件提供布局范例。由于集成式解决方案会缩小系统的整体布局，工程师只需对设计做最小幅度的修改，就能轻易加入这些外接零件。因此高阶的硅芯片集成，包括数字射频处理器在内，会让整个系统的集成更轻松，系统认证过程将变得更简单，也更容易预测。 

安全性一直是今日世界的关心重点，无线手机也不例外。随着更多技术汇聚于手机，系统的接取点数目将会增加，使得手机更容易受到攻击，因此手机发展人员必须在手机架构中增加安全保护措施，同时利用无线芯片组所提供的安全功能，例如TI OMAP?处理器以硬件为基础的内建安全保护功能。模块化架构可以提供严格的安全保护方法，由于每一个模块都能建立它们自己的安全参数，入侵某个模块就不必然会影响系统的整体安全。在此同时，包含以硬件为基础的安全开机管理程序 (bootloader) 以及先进加密引擎在内的集成式安全功能对于阻挡计算机骇客、计算机病毒、计算机蠕虫 (worm) 和其它类型的有害程序都非常有效。 

汇聚的控制 

随着手机市场延续其快速的成长和创新步调，手机设计人员也将面对挑战：他们必须控制汇聚过程，而不是被它们控制；这代表谨慎完成架构规划，与零件供货商紧密合作，还有创新的能力。