從電信公司到OEM和ODM廠商到芯片組供應(yīng)商，手機(jī)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(jī)降低成本和節(jié)省電路板面積給其它功能的重要關(guān)鍵。自從20年前出現(xiàn)以來，手機(jī)就以循序漸進(jìn)的方式逐步提高功能整合，在此過程中并沒有任何一種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)功能整合的大躍進(jìn)。

但到了去年，單芯片手機(jī)這個(gè)業(yè)界期盼已久的終極設(shè)計(jì)方式終于在市場(chǎng)上出現(xiàn)。由于它將為手機(jī)功能整合畫下完美句點(diǎn)，因此自然如預(yù)期般在業(yè)界引起極大騷動(dòng)。本文將探討單芯
片整合的真正優(yōu)點(diǎn)、單芯片手機(jī)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)挑戰(zhàn)和它們所能達(dá)到的射頻效能水平。為了探討這些問題并提供相關(guān)數(shù)據(jù)，文中將以一種單芯片手機(jī)做為簡單范例。

單芯片集成的優(yōu)點(diǎn)將手機(jī)主要子系統(tǒng)集成為單芯片可為手機(jī)制造商帶來極大好處。圖1是理想單芯片手機(jī)的基本功能方塊圖，它已將射頻收發(fā)器(XCVR)、數(shù)字基帶(DBB)、模擬基帶(ABB)和電源管理(PMU或PMIC)集成到同一顆芯片。

單芯片手機(jī)可用一顆單晶元集成電路取代手機(jī)內(nèi)的多個(gè)重要子系統(tǒng)。由于這些子系統(tǒng)間的通信量極為龐大，單芯片設(shè)計(jì)還能省下原本所需的多顆分立元件和無源元件。目前最先進(jìn)
的單芯片手機(jī)解決方案只需58顆元器件就能組成完整的四頻帶GSM/GPRS調(diào)制解調(diào)器，采用獨(dú)立基帶芯片和收發(fā)器芯片的傳統(tǒng)解決方案則需要約200到250顆元器件。這表示手機(jī)制造商將會(huì)省下可觀元器件、生產(chǎn)、插件、采購和庫存成本。庫存元器件數(shù)目和種類的大量減少不但讓供應(yīng)鏈運(yùn)作更順暢，還能大幅降低元器件短缺導(dǎo)致的生產(chǎn)線停工風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，單芯片手機(jī)還能免除元器件繞線作業(yè)，使得電路板從傳統(tǒng)八層板簡化為六層板或四層板，電路板制造成本最多則能節(jié)省三成到五成。

除此之外，由于許多調(diào)制解調(diào)器功能都整合到一顆芯片，半導(dǎo)體供貨商將能針對(duì)系統(tǒng)規(guī)格進(jìn)行更完整的測(cè)試和保證，其范圍遠(yuǎn)超過單獨(dú)供應(yīng)的多顆元器件。對(duì)手機(jī)而言，這能縮短
工廠測(cè)試時(shí)間、提高測(cè)試效率和減少顧客退貨率。追求利潤是所有手機(jī)制造商都要面對(duì)的重大挑戰(zhàn)之一，其中又以O(shè)DM廠商承受的壓力最大。單芯片手機(jī)只要讓手機(jī)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。

真正單芯片解決方案的另一優(yōu)點(diǎn)是廠商只需采購一顆器件，而不是由多顆元器件構(gòu)成的調(diào)制解調(diào)器芯片組。廠商若采用調(diào)制解調(diào)器芯片組或需要另一顆電源管理器件的某些所謂“單芯片解決方案”，那么只要芯片組有任何元器件缺貨，手機(jī)生產(chǎn)線就會(huì)停擺。不幸的是，競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境迫使廠商必須嚴(yán)格控制庫存，因此元器件缺貨在手機(jī)產(chǎn)業(yè)經(jīng)常出現(xiàn)。

隨著電路板所需元器件大幅減少，所有子系統(tǒng)又都集成至一顆芯片，系統(tǒng)最佳化過程所需的硬件和軟件調(diào)校工作將變得更簡單。單芯片手機(jī)還應(yīng)整合所有系統(tǒng)頻率功能，并將它實(shí)
作成只需搭配一顆26MHz石英晶體的數(shù)控石英振蕩器(DCXO)。廠商甚至還能將數(shù)控石英振蕩器與數(shù)字基帶器件和相關(guān)軟件整合在一起，使得研發(fā)過程中只要執(zhí)行最少的調(diào)校程序就能完成石英晶體頻率校準(zhǔn)。這能省下繁復(fù)的電路板修改或工廠校準(zhǔn)作業(yè)，進(jìn)而大幅縮短新手機(jī)上市所需時(shí)間。

除此之外，由于單芯片手機(jī)將全部功能整合至一顆芯片，設(shè)計(jì)人員還能將多項(xiàng)系統(tǒng)效能指針最佳化，例如利用基帶單元的DSP將射頻接收機(jī)最佳化以提供最理想的靈敏度、線性操作和相鄰信道效能組合。發(fā)射機(jī)也能實(shí)現(xiàn)效能最佳化，因?yàn)閺囊粲嵉缴漕l的所有功能方塊已在相同芯片上。只要所有子系統(tǒng)集成至單顆芯片，溫度和半導(dǎo)體工藝變異等效應(yīng)都能獲得補(bǔ)償。最后，由于需要互傳訊息的所有功能方塊全部緊密集成至同一顆芯片，系統(tǒng)時(shí)序也能最佳化以提供效率最高的全系統(tǒng)耗電控制，這能延長手機(jī)的通話時(shí)間和待機(jī)時(shí)間。

市場(chǎng)需求

單芯片手機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)使它特別適合手機(jī)市場(chǎng)的入門和低成本產(chǎn)品。這些市場(chǎng)的多數(shù)產(chǎn)品都是GSM/GPRS 手機(jī)，其銷售量至少在未來四年內(nèi)會(huì)很強(qiáng)勁。此市場(chǎng)的調(diào)制解調(diào)器需求已到成熟階段，多媒體功能需求雖不如高端手機(jī)市場(chǎng)，但重復(fù)性較高。它們還需要GPRS 功能支持中等速率數(shù)據(jù)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(jī)在成本限制下不可能采用應(yīng)用導(dǎo)向的數(shù)字基帶或外部硬件協(xié)同處理器來支持相機(jī)JPEG 編碼等市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)的多媒體功能，這使得具備GPRS功能的單芯片手機(jī)成為入門市場(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(jì)體為目標(biāo)的超低成本手機(jī)市場(chǎng)正是單芯片手機(jī)的理想支持對(duì)象。這些增長快速的手機(jī)主要仍采用成熟的GSM技術(shù)，功能規(guī)格定義也相當(dāng)明確(基本語音和短信功能)，它們使得單芯片手機(jī)成為超低成本移動(dòng)電話市場(chǎng)的最佳選擇。成本對(duì)于這類應(yīng)用尤其重要，因?yàn)橄M(fèi)者負(fù)擔(dān)能力正是超低成本手機(jī)市場(chǎng)的成敗關(guān)鍵。超低成本手機(jī)市場(chǎng)必須大幅降低元器件用料成本，效能則不可受任何影響。比較令人意外的是，超低成本手機(jī)市場(chǎng)對(duì)于射頻效能的要求比高端市場(chǎng)產(chǎn)品還嚴(yán)苛，原因就在于這些新興經(jīng)濟(jì)體的電信基礎(chǔ)設(shè)施仍不夠完善。不僅如此，降低測(cè)試成本以及提高生產(chǎn)良率、可靠性和售后服務(wù)對(duì)于這些新興經(jīng)濟(jì)體都極為重要，手機(jī)制造商必須達(dá)到這些要求才能在超低成本手機(jī)市場(chǎng)獲得成功。這些要求正是單芯片手機(jī)的拿手好戲，因?yàn)槌吖δ芗啥茸屗鼈冊(cè)谶@方面具有極大優(yōu)勢(shì)。

GSM/GPRS手機(jī)射頻效能

用戶感受是全球電信業(yè)者的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，收訊范圍和通話穩(wěn)定性(以斷線次數(shù)計(jì)算) 則是影響用戶感受的兩大因素，它們最終會(huì)受到手機(jī)調(diào)制解調(diào)器的收發(fā)器子系統(tǒng)效能影響。本文接著將討論單芯片手機(jī)必須滿足的各種射頻效能規(guī)格。

全球已有超過六成的手機(jī)和用戶采用GSM/GPRS移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)，且其數(shù)目仍在持續(xù)攀升中，這使它成為目前最具吸引力的無線市場(chǎng)之一。GSM/GPRS標(biāo)準(zhǔn)還包含最嚴(yán)格的調(diào)制解調(diào)器芯片組接收與發(fā)射功能射頻規(guī)格，GSM/GPRS手機(jī)能否達(dá)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(guī)格包括接收靈敏度、噪聲阻隔和調(diào)幅抑制能力以及接收頻帶的發(fā)射調(diào)變屏蔽頻譜和發(fā)射功率(亦即20MHz相位噪聲)。

接收機(jī)規(guī)格包含靈敏度、噪聲阻隔和調(diào)幅抑制，它們會(huì)影響使用者對(duì)于手機(jī)的感受。接收靈敏度是手機(jī)正確接收和處理小信號(hào)的能力，高靈敏度不但讓距離基站較遠(yuǎn)的使用者仍能收到信號(hào)，電信業(yè)者也能減少基礎(chǔ)設(shè)施建置和降低資本支出。想要提高靈敏度，就必須將低噪聲放大器和射頻混波器等接收機(jī)前端器件的噪聲效能最佳化。接收阻隔能力代表手機(jī)處理干擾信號(hào)的能力，它們會(huì)影響收訊質(zhì)量或造成斷線。這些干擾信號(hào)可能是來自相同或其它電信網(wǎng)絡(luò)的接收信號(hào)，或者是用戶附近手機(jī)發(fā)出的信號(hào)。接收機(jī)需要良好的噪聲效能和線性操作能力才能提高阻隔效能，尤其是低噪聲放大器和射頻混波器等前端電路的影響更大。調(diào)幅抑制的功能和噪聲阻隔非常類似，只不過它所處理的是動(dòng)態(tài)干擾信號(hào)，而不是固定或靜態(tài)干擾信號(hào)。接收機(jī)在通話或波串(burst)剛開始時(shí)所做的校準(zhǔn)程序都可能因?yàn)閯?dòng)態(tài)效應(yīng)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(diào)幅抑制的效果主要由接收機(jī)架構(gòu)決定，直接轉(zhuǎn)換架構(gòu)最容易受到影響，低中頻架構(gòu)則最不容易發(fā)生斷線或收訊質(zhì)量下降現(xiàn)象�；鶐V波功能對(duì)于效能也有影響。

發(fā)射規(guī)格則會(huì)影響相同或不同電信網(wǎng)絡(luò)上其它手機(jī)使用者的操作。發(fā)射信號(hào)頻譜必須限制在所要求的頻譜屏蔽范圍內(nèi)。在距離目標(biāo)信號(hào)中心400kHz處會(huì)有另一個(gè)通道(相距兩個(gè)通道)，然而要準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)400kHz偏移卻最為困難。手機(jī)的發(fā)射機(jī)如會(huì)產(chǎn)生很大噪聲，就可能影響正在使用相鄰?fù)ǖ赖钠渌謾C(jī)使用者。400kHz頻譜屏蔽效能是由發(fā)射機(jī)架構(gòu)以及整個(gè)發(fā)射鏈的噪聲管理效果所決定。手機(jī)對(duì)于發(fā)射頻譜中會(huì)落在其它用戶接收頻帶內(nèi)的噪聲有著極為嚴(yán)格的要求。由于發(fā)射和接收頻帶相距僅約20MHz，只要發(fā)射機(jī)使用靠近頻帶上方的通道，那么靠近頻帶下方的目標(biāo)信號(hào)就可能被此噪聲淹沒而造成斷線。

功能整合的最大挑戰(zhàn)– 維持射頻效能

要讓調(diào)制解調(diào)器芯片組滿足嚴(yán)格的GSM/GPRS規(guī)格要求是極大挑戰(zhàn)。業(yè)界多年來都在努力讓敏感的射頻電路與高噪聲數(shù)字電路、高功率電源管理單元和音訊電路一起工作，甚至在使用分立解決方案時(shí)也是如此。當(dāng)這些子系統(tǒng)全部集成到單顆芯片時(shí)，這個(gè)問題還會(huì)變得更嚴(yán)重。基本上，DSP和微處理器等數(shù)位子系統(tǒng)的操作頻率都很高，有可能干擾射頻和模擬電路并透過某些耦合機(jī)制使得射頻效能衰退，這會(huì)造成混附噪聲、阻隔效果變差、靈敏度下降、輸出調(diào)變頻譜失真和音訊效能減退等其它問題。單芯片手機(jī)設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)就是管理這種數(shù)字干擾，同時(shí)將非常敏感的小信號(hào)射頻電路與高速數(shù)字基帶子系統(tǒng)集成在一起。

AeroFONE單芯片手機(jī)

Silicon Laboratories的AeroFONE GSM/GPRS四頻帶單芯片手機(jī)就是功能完整和效能強(qiáng)大的單芯片手機(jī)，目前唯有它才能將射頻收發(fā)器、基帶和電源管理單元等所有主要子系統(tǒng)集成到一顆芯片。AeroFONE單芯片手機(jī)利用Silicon Laboratories已經(jīng)考驗(yàn)的Aero II技術(shù)提供Aero II收發(fā)器水平的先進(jìn)效能。領(lǐng)先市場(chǎng)的Aero II收發(fā)器不但獲得全球手機(jī)制造商采用，實(shí)際結(jié)果也證明它能提高通話質(zhì)量，同時(shí)讓手機(jī)制造商輕松達(dá)到世界各地電信業(yè)者的嚴(yán)苛效能要求。在所有的接收和發(fā)射指標(biāo)上，AeroFONE解決方案都能提供卓越不凡的強(qiáng)大效能，其杰出表現(xiàn)絲毫不輸給領(lǐng)先業(yè)界的Aero II收發(fā)器。

AeroFONE架構(gòu)在設(shè)計(jì)之初就是要將高速數(shù)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集成至單顆芯片。

Silicon Laboratories利用多種專屬系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)技術(shù)來解決射頻、音訊、基帶和電源管理電路的集成問題。在AeroFONE解決方案的發(fā)展過程中，Silicon Laboratories還運(yùn)用它在研發(fā)Aero II收發(fā)器時(shí)累積的許多電路設(shè)計(jì)與布局技術(shù)，這使得公司能夠充份發(fā)揮它在射頻CMOS設(shè)計(jì)和系統(tǒng)工程領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。這套專利的系統(tǒng)架構(gòu)會(huì)將容易受到噪聲影響的電路與會(huì)產(chǎn)生噪聲的電路隔離，使得整個(gè)系統(tǒng)能夠發(fā)揮最強(qiáng)大的射頻效能。在子系統(tǒng)層級(jí)，以Aero II收發(fā)器為基礎(chǔ)的射頻核心則是利用獨(dú)特的數(shù)字低中頻收發(fā)器架構(gòu)提供無與倫比的接收機(jī)效能；除此之外，第三代壓控振蕩器與合成器技術(shù)還能提供更強(qiáng)大的接收與發(fā)射效能，AeroFONE單芯片手機(jī)還將公司大約10年的數(shù)字噪聲管理知識(shí)融入設(shè)計(jì)中。為了將敏感的模擬和射頻電路以及高噪聲的數(shù)字電路集成在一起，公司已開發(fā)出好幾代的最佳化程序，這些優(yōu)點(diǎn)都為AeroFONE工程團(tuán)隊(duì)充份利用。慎密的頻率規(guī)劃和頻率管理也是避免效能下降的重要關(guān)鍵。

結(jié)語

業(yè)界多年前就知道降低手機(jī)成本的關(guān)鍵是透過單芯片手機(jī)將功能整合發(fā)揮到極限，本文也討論了這種做法帶來的諸多優(yōu)點(diǎn)。然而要將高速和高噪聲的數(shù)字基帶電路以及敏感的射頻電路集成到同一顆芯片卻是極為艱巨的工程，這也是業(yè)界等了這么久才推出單芯片手機(jī)的主要原因。真正的單芯片手機(jī)可以將射頻、數(shù)字基帶、模擬基帶和電源管理單元集成到一顆芯片而不影響效能，這樣才會(huì)讓功能整合發(fā)揮最大效益。
 
進(jìn)一步信息，請(qǐng)?jiān)L問http://www.edom.com.tw/cn/index.jsp?m=techview&cal=9&id=1272，或聯(lián)系益登科技: SiliconLab_MCU@edom.com.tw。