单晶片手机的优点与挑战

http://www.ci800.com     发布时间：2007-08-16

从电信公司到OEM和ODM厂商到晶片组供应商，手机价值链的所有业者都在努力提高功能整合度，它是手机降低成本和节省电路板面积给其它功能的重要关键。自从20年前出现以来，手机就以循序渐近的方式逐步提高功能整合，在此过程中并没有任何一种技术能够实现功能整合的大跃进。但近年来，单晶片手机—这个业界期盼已久的终极设计方式终于在市场上出现。本文将探讨单晶片整合的真正优点、单晶片手机设计的各项挑战和它们所能达到的射频效能水准。为了探讨这些问题并提供相关数据，文中将以一种单晶片手机做为简单范例。

单晶片整合的优点

将手机主要子系统整合成单晶片可为手机制造商带来极大好处。图1是理想单晶片手机的基本功能方块图，它已将射频收发器 (XCVR)、数字基频 (DBB)、模拟基频 (ABB) 和电源管理 (PMU或PMIC) 整合到同一颗晶片。

图1：理想单晶片手机的基本功能方块图

单晶片手机可用一颗单石积体电路取代手机内的多个重要子系统。由于这些子系统间的通信量极为庞大，单晶片设计还能省下原本所需的多颗离散零件和被动元件。目前最先进的单晶片手机解决方案只需58颗零件就能组成完整的四频带GSM/GPRS数据机，採用独立基频晶片和收发器晶片的传统解决方案则需要约200到250颗零件。这表示手机制造商将会省下可观零件、生产、插件、採购和库存成本。库存零件数目和种类的大量减少不但让供应链运作更顺畅，还能大幅降低零件短缺导致的生产线停工风险。除此之外，单晶片手机还能免除元件绕线作业，使得电路板从传统八层板简化为六层板或四层板，电路板制造成本最多则能节省三成到五成。

除此之外，由于许多数据机功能都整合到一颗晶片，半导体供应商将能针对系统规格进行更完整的测试和保证，其范围远超过单独供应的多颗零件。对手机而言，这能缩短工厂测试时间、提高测试效率和减少顾客退货率。追求利润是所有手机制造商都要面对的重大挑战之一，其中又以ODM厂商承受的压力最大。单晶片手机只要让手机制造商的产品良率提高1%，就表示他们的利润最高会增加两成五。

真正单晶片解决方案的另一优点是厂商只需採购一颗元件，而不是由多颗元件构成的数据机晶片组。厂商若採用数据机晶片组或需要另一颗电源管理元件的某些所谓「单晶片解决方案」，那么只要晶片组有任何元件缺货，手机生产线就会停摆。不幸的是，竞争激烈的市场环境迫使厂商必须严格控制库存，因此零件缺货在手机产业经常出现。

随着电路板所需零件大幅减少，所有子系统又都整合至一颗晶片，系统最佳化过程所需的硬件和软件调校工作将变得更简单。单晶片手机还应整合所有系统时脉功能，并将它实作成只需搭配一颗26 MHz石英晶体的数控石英振盪器 (DCXO)。厂商甚至还能将数控石英振盪器与数字基频元件和相关软件整合在一起，使得研发过程中只要执行最少的调校程序就能完成石英晶体频率校准。这能省下繁复的电路板修改或工厂校准作业，进而大幅缩短新手机上市所需时间。

除此之外，由于单晶片手机将全部功能整合至一颗晶片，设计人员还能将多项系统效能指标最佳化，例如利用基频单元的DSP将射频接收机最佳化以提供最理想的灵敏度、线性操作和相邻通道效能组合。发射机也能实现效能最佳化，因为从音频到射频的所有功能方块已在相同晶片上。只要所有子系统整合至单颗晶片，温度和半导体制程变异等效应都能获得补偿。最后，由于需要互传信息的所有功能方块全部紧密整合至同一颗晶片，系统时序也能最佳化以提供效率最高的全系统耗电控制，这能延长手机的通话时间和待机时间。

市场需求

单晶片手机的诸多优点使它特别适合手机市场的入门和低成本产品。这些市场的多数产品都是GSM/GPRS手机，其销售量至少在未来四年内会很强劲。此市场的数据机需求已到成熟阶段，多媒体功能需求虽不如高阶手机市场，但重复性较高。它们还需要GPRS功能支援中等速率资料服务，例如WAP上网、多媒体短信以及和弦铃声下载。这些手机在成本限制下不可能採用应用导向的数字基频或外部硬件协同处理器来支援相机JPEG编码等市场标准的多媒体功能，这使得具备GPRS功能的单晶片手机成为入门市场的最佳选择。

除此之外，以巴西、俄国、印度和中国大陆等新兴经济体为目标的超低成本手机市场正是单晶片手机的理想支援对象。这些成长快速的手机主要仍採用成熟的GSM技术，功能规格定义也相当明确 (基本语音和短信功能)，它们使得单晶片手机成为超低成本移动电话市场的最佳选择。成本对于这类应用尤其重要，因为消费者负担能力正是超低成本手机市场的成败关键。超低成本手机市场必须大幅降低零件用料成本，效能则不可受任何影响。比较令人意外的是，超低成本手机市场对于射频效能的要求比高阶市场产品还严苛，原因就在于这些新兴经济体的电信基础设施仍不够完善。不仅如此，降低测试成本以及提高生产良率、可靠性和售后服务对于这些新兴经济体都极为重要，手机制造商必须达到这些要求才能在超低成本手机市场获得成功。这些要求正是单晶片手机的拿手好戏，因为超高功能整合度让它们在这方面具有极大优势。

GSM/GPRS手机射频效能

用户感受是全球电信业者的竞争焦点，接收信号范围和通话稳定性 (以断线次数计算) 则是影响用户感受的两大因素，它们最终会受到手机数据机的收发器子系统效能影响。本文接着将讨论单晶片手机必须满足的各种射频效能规格。

全球已有超过六成的手机和用户採用GSM/GPRS行动电话标准，且其数目仍在持续攀升中，这使它成为目前最具吸引力的无线市场之一。GSM/GPRS标准还包含最严格的数据机晶片组接收与发射功能射频规格，GSM/GPRS手机能否达到这些重要的射频要求不但会直接影响使用者感受，电信业者名声也会受到波及。本文后面所定义的重要规格包括接收灵敏度、噪音阻隔和调幅抑制能力以及接收频带的发射调变遮罩频谱和发射功率 (亦即20 MHz相位杂讯)。

接收机规格包含灵敏度，噪音阻隔和调幅抑制，它们会影响使用者对于手机的感受。接收灵敏度是手机正确接收和处理小信号的能力，高灵敏度不但让距离基地台较远的使用者仍能收到信号，电信业者也能减少基础设施建置和降低资本支出。想要提高灵敏度，就必须将低噪音放大器和射频混波器等接收机前端零件的杂讯效能最佳化。接收阻隔能力代表手机处理干扰讯号的能力，它们会影响接收信号品质或造成断线。这些干扰信号可能是来自相同或其它电信网路的接收信号，或者是用户附近手机发出的信号。接收机需要良好的噪音效能和线性操作能力才能提高阻隔效能，尤其是低噪音放大器和射频混波器等前端电路的影响更大。调幅抑制的功能和噪音阻隔非常类似，只不过它所处理的是动态干扰信号，而不是固定或静态干扰信号。接收机在通话或波串 (burst) 刚开始时所做的校准程序都可能因为动态效应而毁于一旦 (亦即干扰源在波串传送到一半时突然改变)。调幅抑制的效果主要由接收机架构决定，直接转换架构最容易受到影响，低中频架构则最不容易发生断线或接收信号品质下降现象。基频滤波功能对于效能也有影响。

发射规格则会影响相同或不同电信网路上其它手机使用者的操作。发射信号频谱必须限制在所要求的频谱遮罩范围内。在距离目标信号中心400 kHz处会有另一个通道 (相距两个通道)，然而要准确实现400 kHz偏移却最为困难。手机的发射机如会产生很大噪音，就可能影响正在使用相邻通道的其它手机使用者。400 kHz频谱遮罩效能是由发射机架构以及整个发射链的噪音管理效果所决定。手机对于发射频谱中会落在其它用户接收频带内的噪音有着极为严格的要求。由于发射和接收频带相距仅约20 MHz，只要发射机使用靠近频带上方的通道，那么靠近频带下方的目标信号就可能被此噪音淹没而造成断线。

功能整合的最大挑战 – 维持射频效能

要让数据机晶片组满足严格的GSM/GPRS规格要求是极大挑战。业界多年来都在努力让敏感的射频电路与高噪音数字电路、高功率电源管理单元和音频电路一起工作，甚至在使用离散解决方案时也是如此。当这些子系统全部整合到单颗晶片时，这个问题还会变得更严重。基本上，DSP和微处理器等数字子系统的操作频率都很高，有可能干扰射频和模拟电路并透过某些耦合机制使得射频效能衰退，这会造成混附噪音、阻隔效果变差、灵敏度下降、输出调变频谱失真和音频效能减退等其它问题。单晶片手机设计的最大挑战就是管理这种数字干扰，同时将非常敏感的小信号射频电路与高速数字基频子系统整合在一起。

AeroFONE单晶片手机

我们以Silicon Laboratories将射频收发器、基频和电源管理单元等所有主要子系统整合到一颗晶片的AeroFONE GSM/GPRS四频带单晶片手机为例。表1是AeroFONE手机平台与使用独立式基频元件和收发器晶片组的典型手机在各种指标的比较结果，可以看出单晶片手机显然享有巨大的领先优势。

参数／规格 典型产品手机 AeroFONE Si4905

数据机晶片数目 3 – XCVR, DBB, ABB/PMU 1

系统时脉 VC-TCXO模组 整合式 (DCXO)

数据机电路板面积 17.4平方公分 6.1平方公分

数据机零件数目 (双频) 245 51

接收机灵敏度 -108到-109 dBm -110到-111 dBm

发射机400kHz调变频谱 -63到-64 dBc -65到-66 dBc

发射机20MHz相位杂讯 (低频带) -162 dBc/Hz -165 dBc/Hz

待机时间 (600mAH电池) 约220小时 315小时

表1：典型产品手机与AeroFONE解决方案的比较

图2：比较AeroFONE与实际的超低成本手机，带来冲击。

AeroFONE架构在设计之初就是要将高速数字、高电压模拟和高敏感性射频功能等三种截然不同的电路整合至单颗晶片。Silicon Laboratories利用多种专属系统和电路设计技术来解决射频、音频、基频和电源管理电路的整合问题。在AeroFONE解决方案的发展过程中，Silicon Laboratories还运用研发Aero II收发器时累积的许多电路设计与佈局技术，这套专利的系统架构会将容易受到噪音影响的电路与会产生噪音的电路隔离，使得整个系统能够发挥最强大的射频效能。在子系统层级，以Aero II收发器为基础的射频核心则是利用独特的数位低中频收发器架构提供无与伦比的接收机效能；除此之外，第三代压控振盪器与合成器技术还能提供更强大的接收与发射效能，AeroFONE单晶片手机还将公司大约10年的数位杂讯管理知识融入设计中。