下一代多功能/多媒体手机的差异化设计

上网时间: 2007年08月01日? 作者:刘辉、张郴莉? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:双模手机? GPRS?

手机正在成为集通信、娱乐、定位导航等多种功能于一体的终端设备,为随时随地实现通信、通过网络下载音频和视频内容、接收电视节目,手机将集成越来越多的RF技术,例如支持GSM、GPRS、EDGE、HSDPA、CDMA2000、WCMDA、TD-SCDMA等移动通信空中接口标准中的两个或者多个标准的双模/多模手机,可分别实现VoIP、定位导航、自动费用支付、电视节目接收的Wi-Fi手机、GPS手机、RFID手机、电视手机。即使是以前强调基本通话功能的低成本手机,现在也增加了音乐和拍照功能,并将支持GPRS乃至EDGE技术。

这些采用多种RF技术的手机在给消费者提供“无线”便利的同时,也使手机的系统设计变得愈加复杂。设计工程师不仅要在轻薄短小的手机里放置更多的天线、RF开关、功率放大器(PA)、滤波器,还要处理更加严峻的功耗问题,并要面临如何解决多模手机的切换和射频隔离、如何提高手机GPS功能的接收灵敏度、如何以最佳方式实现低成本手机等问题。本文将重点关注双模/多模手机、GPS手机、Wi-Fi手机、RFID手机以及低成本手机的技术发展趋势和设计挑战,讨论下一代手机对操作系统以及用户界面的新要求,并与大家分享的领先半导体厂商和软件供应商的最新解决方案。

无缝切换和射频隔离是WCDMA/EDGE双模手机的设计关键

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Roman Polz
LSI公司

对于哪种形式的双模或者多模手机将主导市场的问题,针对不同地域有不同的答案,但业界普遍认为WCDMA/EDGE有望在未来几年成为主流。“目前最流行的双模方式是GSM/GPRS和WCDMA,但WCDMA结合EDGE的方式未来有很大市场,预计80%的双模手机将采用这种组合方式。”LSI公司的移动业务部高级市场经理Roman Polz表示。

安华高(Avago)科技有限公司无线半导体事业部高级市场总监Philip Gadd也持同样观点:“GPRS/EDGE和WCDMA双模将成为主流,当GSM运营商迈向3G时,这些手机已经得到广泛使用。”

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Doug Grant
ADI公司

美国模拟器件公司(ADI)射频和无线部门的业务总监Doug Grant则认为除了WCDMA/EDGE多模外,未来也会存在一些其他的多模方式,比如在中国可能出现TD-SCDMA/EDGE的多模手机,也有些CDMA运营商会引入CDMA+EDGE的双模手机。

既然是多模手机,实现不同模式之间的无缝切换就成为最基本的要求。目前大多数双模手机都采用两套通信系统,用户通过手动切换选择使用哪个网络,这种手动切换的优势技术实现起来比较容易,成本低、用户可以自由选择,特别适合两个网络都覆盖良好的地方。自动切换是指手机将根据信号的强弱在待机和通话状态下自动切换至信号强的网络,可以实现两个网络之间的无缝切换和漫游,但这种方法对手机和网络的要求都比较高,目前较少采用。不过,ADI通过在SoftFone-LCR+芯片组中支持多模协议,已经可以实现TD-SCDMA和GPRS之间的自动切换,且不需要任何单独的基带处理器。大唐和T3G公司已经推出了多模手机,能实现T网和G网的无缝切换。

“实际上,不同模式之间的切换是一个软件问题。各种标准都定义了相当清楚的切换过程,只是要求从芯片制造者到软件提供者都要执行这个协议。当然,在测试环境和实际网络中都去对参考手机设计进行测试,以确保具有鲁棒性的协同工作能力也是十分必要。”Doug Grant表示。

除了网络间切换问题外,双模/多模手机设计还面临其它方面的设计难题。正如锐迪科微电子的副总裁张亮指出的,由于GSM、CDMA和3G各自使用不同的频率资源,多模手机需要2个或3个RF电路以对应不同的频带,但是射频电路的集成难度较高,这就要解决如何降低射频电路间干扰、优化共用模块设计、简化外围器件、降低功耗等问题。因此,设计工程师必须从架构选择、天线设计,以及RF开关、RF功率放大器(PA)、收发器、基带芯片等器件的选择及布局布线等方面入手来解决这些问题。

对基带芯片而言,必须确保架构足够灵活,能支持最新的连接技术和具有足够强大的处理功能,并避免电池耗电过大。Roman Polz还特别指出:“基带部分必须支持与不同RF技术的连接,从而允许手机制造商能够自行选择合适的射频供应商。”

天线的设计和位置对避免不同模式之间的RF干扰非常重要。支持不同的频段手机大都需要单独的天线,即使有几个天线可以共享,仍需要采用多个滤波器,以防止一些频段的信号发射对另一些频带上高度灵敏的信号接收前端造成干扰。

RF开关的实现难点在于线性、隔离和损耗三者之间的权衡。此外,构建T/R开关(强调快速开关和谐波)和构建频带选择开关(强调线性,某些情况下隔离度也很关键)两者之间存在差异,最具挑战性的一种开关要同时支持多频带、多模EDGE/WCDMA手机。“为解决双模/多模手机给RF开关带来的难题,要求将智能电路设计和先进制造工艺巧妙地结合起来。”Skyworks公司的大中华区高级销售总监Vincent Wang表示。该公司在集成到其Helios和Intera方案的RF开关中,采用了一种高线性、低插入损耗的伪形态高电子迁移率晶体管(pHEMT)射频开关工艺,使开关能以很低的插入损耗切换射频信号。

多模工作方式对PA提出了新的要求,因为不同模式对PA的功率和线性度有不同要求。目前用于EDGE的PA要求高功率、准线性,用于WCDMA PA则要求低功率和高线性度。如果使用线性PA,则在高功率、非线性模式下将损失不少效率。如果尝试调节极化PA,则因环路带宽不同,使设计非常困难。Avago使用一种被称为CoolPAM的架构来优化PA的效率,该架构能使PA根据所需输出功率调节传输路径,保持极好的线性及很高的效率。

由于目前PA的价格相对便宜,如果要使手机保持小型化,并且电池寿命长,使用独立优化的PA似乎是最佳方案。但如果使用多个PA,成本和尺寸是必须要考虑的问题,因此最佳的途径是采用高度集成、高效率的解决方案支持所有关键的空中接口和频段。Skyworks倾向于将PA和RF开关集成到单个、紧凑的前端模块(FEM)中,并与一个多频带收发器组合,构成一个完整的解决方案。该SKY74210收发器采用一种创新的软件配置架构,能有效实现Tx EGPRS和WCDMA模式共享。

在滤波方面,首先需要考虑手机是采用时分双工(TDD使用T/R开关)还是频分双工(FDD需要一个双工器)。如果使用多种FDD频带,则每一个频带都需要一个双工器,这样前端走线和降低损耗都比较困难。Doug Grant认为:“在物理层面还是电子层面上保持无线隔离度都是十分重要,滤波器可以起到作用,但更好的方法是采用低输出噪声的无线接收装置,同时保持用于不同业务的天线尽可能远。”例如,AD6551 Othello-3 CMOS收发器在发射机架构上采用了最新的低噪声架构,可节省声表面滤波器,而运用一个高动态范围的接收器前端可省略了接收通路上的射频声表面滤波器。

灵敏度和低功耗是GPS/Wi-Fi/RFID手机设计的要点

根据In-Stat对北美移动用户的调查,高质量的地图和导航服务是3G用户最渴望的功能之一。与独立的GPS设备相比,整合GPS功能的手机提供了更具经济效益的解决方案。目前很多高端手机已经具备了GPS导航功能,诺基亚甚至还为此收购了德国的定位软件公司Gate5。

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Philip Gadd
安华高科技

“GPS是CDMA手机的标准功能,也正在成为UMTS手机的标准功能,并且GPS正在与主芯片组集成,不再只是增加的模块。”Avago的Philip Gadd表示。

手机中实现GPS可以采用硬件、软件或者两者相结合的办法。SiRF公司的行销副总裁Kanwar Chadha介绍说:“按照和手机主处理器的依赖程度将其分为四种:1. 不依赖主机的模块化GPS引擎:位置计算不依赖主机;2. 依赖主机的松耦合:一定程度的主机依赖性;3. 依赖主机的紧密耦合:极强的主机依赖性;4. 完全集成的IP解决方案:GPS IP集成到主机平台中。”SiRF针对每一种方法都有相应的解决方案。

但恩智浦(NXP)半导体公司的蜂窝系统产品市场经理Carsten Schimanke则认为结合了软硬件方法的智能分区方案最具成本效益。这种方案将对需要大量MIPS处理能力和对时间要求高的部分交由相关器这类专门硬件进行处理,其它操作则由主机处理。在纯软件的处理方案中,主芯片要消耗大量的功率和MIPS处理资源,可能与手机的低功耗和多任务要求产生矛盾。

GPS手机设计最大问题是手机射频信号对灵敏度要求极高的GPS信号的干扰。为解决这个问题,首先要从设计能够耐受其它RF系统干扰的鲁棒产品开始。适当地滤波、布局和屏蔽是构建一个鲁棒的GPS蜂窝手机设计的极其重要的因素。除了干扰问题,任何GPS系统都面临提高接收灵敏度,以及实现在建筑物密集的城市街道以及楼宇中有效接收的问题。Carsten Schimanke指出:“实现良好的室内接收效果的关键是要实现结合了优异的机械和电器设计的天线,以及与之相关联的具有优异灵敏度的GPS接收机。”

对于这些问题,SiRF公司推出了如下解决方案:1. SiRF高性能多模AGPS定位平台SiRFLoc可以借助蜂窝手机或蜂窝手机网络中任何可以获得的辅助功能来实现高灵敏度。2. 复杂的GPS信号处理架构和专有算法可以提高在障碍环境中采集和跟踪GPS信号的潜能。3. SiRF的RF前端和信号处理引擎旨在最大限度地降低实现损耗和干扰信号的影响。4. 以上各项再结合SiFR复杂的导航算法可使SiRF产品在包括室内的各种环境中实现鲁棒的定位。

Wi-Fi也已经进入到了少量的手机当中,预计在未来几年内,Wi-Fi手机可能会成为一种相当普通的手机,并且可能同时提供其他一些空中接口,如WiMAX、802.20、802.11a等。但不是所有的地区都实现了移动通信网和Wi-Fi网络之间的完全切换,而提供网络连接功能的运营商和提供移动网络的供应商之间的矛盾也为该应用的前景增加了变数。

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Monika Gupta
Broadcom公司

“切换问题取决于VoWiFi使用的是基于哪种协议的标准,是UMA还是IMS,前者已经定义了切换的机制,而后者的切换方法还在制定过程当中。”Broadcom公司的Wi-Fi电话产品市场总监Monika Gupta表示。

将Wi-Fi功能整合到在手机中的其他问题是功耗、尺寸限制和EMI。飞兆半导体公司(Fairchild)的现场应用工程师Brian Law认为精心设计系统架构及其相关元件对减少干扰十分重要,因此建议采用定制解决方案。比如,NXP公司也已采用领先的算法和智能化的射频设计,使GPS、BT、Wi-Fi、NFC、UMTS和EDGE等空中接口可以很好地共存于同一个平台上,彼此干扰非常小。而Broadcom公司的BCM4325芯片将蓝牙、FM广播和802.11a/b/g Wi-Fi功能集成在一个芯片上,尺寸较蓝牙/Wi-Fi分立的解决方案小30%以上,支持IEEE PS、WMM-UAPSD等最新标准,满足超低功耗的要求。

非接触支付和购票(比如用手机充当信用卡)以及服务驱动型应用(比如读取电影海报信息)这两大新应用将推动RFID手机市场的发展。从技术角度看,RFID手机设计还面临降缩小体积、降低功耗、提高互操作性等问题。

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Prashant Upreti
WJ Communications公司

“手机是电池供电的设备,因此其最重要的一个特性就是需要低功耗。增加RFID功能要尽可能小的影响手机的电池使用时间。”WJ Communications公司的全球市场经理Prashant Upreti表示,“RFID手机的另外一个必须特性是RFID阅读器要被缩小进一个芯片即RFID阅读器IC中,以缩小体积,第三个重要的特性是简化用户界面以便于使用。”WJ Communications公司已推出业界第一个多协议UHF RFID阅读器IC,该公司已经和SK电信公司合作在移动电话里提供RFID功能。

复旦微电子的技术总监李蔚进一步解释道:“RFID手机应该支持掉电模式,即手机电池没电时,仍可以作为卡片进行刷卡操作,这要求RFID器件必须在天线感应的能量下继续工作,这对芯片提出了低功耗设计要求。此外,不同的RFID供应商在保持天线规格、谐振频率、通信灵敏度和抗干扰性的一致性方面存在困难,很容易出现RFID在场区发生死区现象甚至无法读写操作,因此互操作性将是RFID手机推广的核心技术难点。”

实际上,除了技术难题,RFID手机商务模式的实现可能更加困难。面对缺乏成熟的商务模式对RFID应用造成的困扰,复旦微电子开发了智能移动应用平台(SMAP),该方案针对面向移动运营商的移动增值服务应用和面向行业应用运营商的移动互联网应用,分别提出解决方案,有效保障了不同运营商的利益。

低成本手机应采用谁家的方案?

以往的低成本手机往往只具备简单的话音功能和文字短消息功能,现在越来越多的低成本手机也具备了MP3、拍照、蓝牙等功能。LSI的Roman Polz表示:“超低成本产品(ULC)只能提供基本的电话功能。ULC级以上的产品功能逐渐增多,包括彩色显示屏、GPRS数据功能等。高于ULC级的入门级产品可以获得更强的通信功能,支持GPRS乃至EDGE,而且现在还增加了音乐和拍照功能。”

那么通过什么样的方式才可以不断地推出满足市场要求的低成本手机呢?Polz认为:“就一系列既定的功能而言,可以通过对目标市场领域进行平台优化来确保手机价位易于接受。性能过高会使解决方案过于昂贵,而性能太低又会降低手机的级别,这两种情况都会造成性价比的不匹配。”ADI的Doug Grant则认为:“通过新的基带处理器获得更多的功能,从而省略不再需要的协处理器,中端和低成本手机将能够以较低的成本增加功能。”

事实上,实现高性能的低成本手机不外乎三种办法。第一种方法是通过使用针对目标市场进行了优化的平台来实现低成本手机设计,做到“好钢用在刀刃上”,不闲置任何处理器资源,比如LSI的HPU平台针对WCDMA和EDGE市场进行了精心优化,能以极低成本实现多模调制解调器功能。第二种方法是使用将射频和基带进行集成的单芯片方案,比如英飞凌科技有限公司(Infineon)的第二代ULC单芯片解决方案集成了数字、模拟基带、射频、电源管理、SRAM等,完整的手机模块仅需50颗外围器件。第三种方法是优化整个系统的结构,在基带中集成更多的功能,省去不必要的协处理器,比如ADI公司的AD6721 "Atlas-2H" GPRS基带处理器就具有足够的处理速度,以便能用软件方式,以较低成本处理VGA摄像头和MP3音频回放。而在低成本手机方面,德州仪器(TI)有集成了基带加射频的LoCosto方案、集成了基带加应用处理器的OMAP-Vox方案、集成了基带加射频加应用处理器的eCosto平台提供。

目前很多供应商都提供完整的解决方案,但英飞凌公司认为方案的灵活性对低成本手机也极为重要。方案的完整性能保证客户的研发成本低、上市时间短,而灵活性则以便于客户开发个性化功能,提供附加值给最终用户。

在设计低成本手机时,设计工程师必须确保尽可能多的软件和硬件开发可以被再次使用。如果由于集成度和成本的原因而牺牲灵活性,将导致为某一款低成本手机进行的开发几乎不可能被用于不同价位点上的其它型号上,从而造成设计上的浪费。因此在低成本手机设计上选择具有延续性和复用性的架构非常重要。

另外,鲁棒的射频和功耗性能也是低成本手机设计的关键,因为低成本手机的消费者最看重的依然是高质量的通话功能和优异的射频与功耗特性。可以采用恩智浦半导体等公司经过优化的芯片来实现这些性能,如Nexperia蜂窝系统解决方案5000系列,以及特别适合入门级手机的AeroFONE单芯片方案等。

此外,设计工程师还应注意保持产品的整个生命周期内各个环节的低成本,而不仅仅是单机的低成本。恩智浦半导体的相关人员就表示:“最合适的低成本手机方案应该是最成熟和最稳定的,因为产品的成本不单单取决于硬件成本,更取决于产品生命周期内的整体成本。”

下一代手机的操作系统需要支持多核

越来越多的应用对手机的操作系统和软件开发平台提出了更高的要求,这体现在操作系统及其开发平台需要支持复杂的上层应用和常见的多处理器系统,应具备以下特性:1. 可以帮助实现智能手机的功能特性;2. 满足3G手机对非常复杂的上层应用的支持;3. 对多处理器系统的支持;4. 具有优良的电源管理功能。5. 支持灵活的用户界面。

“由于3G的出现,智能手机代表了移动设备的未来。软件将一直在智能手机技术开发中发挥关键作用,因为只有通过软件才能实现智能手机的功能和特性。”微软移动通信事业部亚太及大中国区主任产品经理宋炜柯表示。该公司Windows Mobile是一个完美的、功能强大的平台,它不仅在智能手机中实现了PC的功能与特性,还提供了一整套工具和一致、灵活、强大的开发环境,从而帮助在各种设备上开发创新的应用与服务。

3G手机必须支持非常复杂的上层应用,如高速数据下载、手机电视等。针对这些要求,Enea(中国)资深技术市场经理张永军表示:“这要求操作系统平台不仅要可靠、容易使用,还要具备良好的电源管理机制、完善的调电保护机制、支持空中下载(OTA)等,同时要非常容易地和第三方的上层应用软件集成。另外,随着手机中多CPU/DSP的增加,对多核系统的支持也成为必然。”

Enea公司OSE的内核可以同时支持ARM和DSP,两个版本的API几乎一样,从而使ARM上的代码和DSP上的代码可以非常容易地相互移植。OSE支持分布式系统的模块LINX使用户非常容易地对多核系统进行编程,如同在一个CPU里编程一样。针对智能手机的应用,该公司还推出了单CPU方案:即1个ARM内核同时运行OSE和Linux两个操作系统,其中协议栈等对实时性能要求高的部分运行在OSE RTOS上,其它的对实时性能要求不高的应用运行在Linux上,这样即解决了Linux的GPL问题(如果协议栈直接运行在Linux内核上,GPL要求公开协议栈),又使客户节省了1个内核或芯片,大大降低了成本。

多核技术可以提供更高的处理器性能、更有效的电源利用率,并且占用更少的物理空间,因而具有许多单核处理器无法具备的优势。但多核与多处理技术的引入为系统调试带来了许多新的挑战,因为系统复杂度不断增加,要通过优化硬件和软件来充分发挥其中的性能潜力,难度就更大了。

“为充分发挥多核以及多处理解决方案的潜能,仅仅依靠强有力的芯片是不够的,还需要采用新的编程方法和调试工具,确保软件和硬件开发人员在完整的多核系统环境中展开调试工作,同时对‘编译—编辑—调试’的流程进行优化。”风河系统公司中国区总经理韩青说。该公司的JTAG解决方案,即Workbench On-Chip Debugging,是以集中化的方式来实现多核和多处理的调试功能,这个解决方案可以在单一扫描链(Scan Chain)中同时调试多达8个内核。

当选择平台设计操作系统时,必须要考虑平台的可移植性和灵活性。奇趣科技的Qtopia支持ARM、SH、MIPS和其他硬件架构,只需要很少的资源便可使Qtopia运行于新的硬件平台上。如果平台足够灵活,还可以方便地替换掉不具竞争力的应用,以更好满足客户需求,降低开发成本和生产成本。

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Benoit Schillings
奇趣科技

“为满足不同运营商需求以及进行客户细分,支持灵活的用户界面(UI)的解决方案非常重要。”奇趣科技的首席技术官Benoit Schillings表示。用户可能要求在一天内有不同的用户界面,比如工作时间一个用户界面,工作外时间是另外一个用户界面,因此运营商和手机销售商要求一个开放、灵活、易用、易开发的软件平台。具有本地浏览器引擎,从而使用户界面、应用和服务成为手机的一部分,将成为基本需求。


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