從電信公司到OEM和ODM廠商到晶片組供應(yīng)商，手機(jī)價值鏈的所有業(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)就以循序漸近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)。但近年來，單晶片手機(jī)—這個業(yè)界期盼已久的終極設(shè)計(jì)方式終于在市場上出現(xiàn)。本文將探討單晶片整合的真正優(yōu)點(diǎn)、單晶片手機(jī)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)挑戰(zhàn)和它們所能達(dá)到的射頻效能水準(zhǔn)。為了探討這些問題并提供相關(guān)數(shù)據(jù)，文中將以一種單晶片手機(jī)做為簡單范例。
 
單晶片整合的優(yōu)點(diǎn)
將手機(jī)主要子系統(tǒng)整合成單晶片可為手機(jī)制造商帶來極大好處。圖1是理想單晶片手機(jī)的基本功能方塊圖，它已將射頻收發(fā)器 (XCVR)、數(shù)字基頻 (DBB)、模擬基頻 (ABB) 和電源管理 (PMU或PMIC) 整合到同一顆晶片。

圖1：理想單晶片手機(jī)的基本功能方塊圖
　

單晶片手機(jī)可用一顆單石積體電路取代手機(jī)內(nèi)的多個重要子系統(tǒng)。由于這些子系統(tǒng)間的通信量極為龐大，單晶片設(shè)計(jì)還能省下原本所需的多顆離散零件和被動元件。目前最先進(jìn)的單晶片手機(jī)解決方案只需58顆零件就能組成完整的四頻帶GSM/GPRS數(shù)據(jù)機(jī)，採用獨(dú)立基頻晶片和收發(fā)器晶片的傳統(tǒng)解決方案則需要約200到250顆零件。這表示手機(jī)制造商將會省下可觀零件、生產(chǎn)、插件、採購和庫存成本。庫存零件數(shù)目和種類的大量減少不但讓供應(yīng)鏈運(yùn)作更順暢，還能大幅降低零件短缺導(dǎo)致的生產(chǎn)線停工風(fēng)險。除此之外，單晶片手機(jī)還能免除元件繞線作業(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，由于許多數(shù)據(jù)機(jī)功能都整合到一顆晶片，半導(dǎo)體供應(yīng)商將能針對系統(tǒng)規(guī)格進(jìn)行更完整的測試和保證，其范圍遠(yuǎn)超過單獨(dú)供應(yīng)的多顆零件。對手機(jī)而言，這能縮短工廠測試時間、提高測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。單晶片手機(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增加兩成五。

真正單晶片解決方案的另一優(yōu)點(diǎn)是廠商只需採購一顆元件，而不是由多顆元件構(gòu)成的數(shù)據(jù)機(jī)晶片組。廠商若採用數(shù)據(jù)機(jī)晶片組或需要另一顆電源管理元件的某些所謂「單晶片解決方案」，那么只要晶片組有任何元件缺貨，手機(jī)生產(chǎn)線就會停擺。不幸的是，競爭激烈的市場環(huán)境迫使廠商必須嚴(yán)格控制庫存，因此零件缺貨在手機(jī)產(chǎn)業(yè)經(jīng)常出現(xiàn)。

隨著電路板所需零件大幅減少，所有子系統(tǒng)又都整合至一顆晶片，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。單晶片手機(jī)還應(yīng)整合所有系統(tǒng)時脈功能，并將它實(shí)作成只需搭配一顆26 MHz石英晶體的數(shù)控石英振盪器 (DCXO)。廠商甚至還能將數(shù)控石英振盪器與數(shù)字基頻元件和相關(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)上市所需時間。

除此之外，由于單晶片手機(jī)將全部功能整合至一顆晶片，設(shè)計(jì)人員還能將多項(xiàng)系統(tǒng)效能指標(biāo)最佳化，例如利用基頻單元的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?fù)ǖ佬芙M合。發(fā)射機(jī)也能實(shí)現(xiàn)效能最佳化，因?yàn)閺囊纛l到射頻的所有功能方塊已在相同晶片上。只要所有子系統(tǒng)整合至單顆晶片，溫度和半導(dǎo)體制程變異等效應(yīng)都能獲得補(bǔ)償。最后，由于需要互傳信息的所有功能方塊全部緊密整合至同一顆晶片，系統(tǒng)時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)的通話時間和待機(jī)時間。

市場需求
單晶片手機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)使它特別適合手機(jī)市場的入門和低成本產(chǎn)品。這些市場的多數(shù)產(chǎn)品都是GSM/GPRS手機(jī)，其銷售量至少在未來四年內(nèi)會很強(qiáng)勁。此市場的數(shù)據(jù)機(jī)需求已到成熟階段，多媒體功能需求雖不如高階手機(jī)市場，但重復(fù)性較高。它們還需要GPRS功能支援中等速率資料服務(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採用應(yīng)用導(dǎo)向的數(shù)字基頻或外部硬件協(xié)同處理器來支援相機(jī)JPEG編碼等市場標(biāo)準(zhǔn)的多媒體功能，這使得具備GPRS功能的單晶片手機(jī)成為入門市場的最佳選擇。

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)市場正是單晶片手機(jī)的理想支援對象。這些成長快速的手機(jī)主要仍採用成熟的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)，它們使得單晶片手機(jī)成為超低成本移動電話市場的最佳選擇。成本對于這類應(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)市場的成敗關(guān)鍵。超低成本手機(jī)市場必須大幅降低零件用料成本，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)市場對于射頻效能的要求比高階市場產(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，降低測試成本以及提高生產(chǎn)良率、可靠性和售后服務(wù)對于這些新興經(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)市場獲得成功。這些要求正是單晶片手機(jī)的拿手好戲，因?yàn)槌吖δ苷隙茸屗鼈冊谶@方面具有極大優(yōu)勢。
 
GSM/GPRS手機(jī)射頻效能
用戶感受是全球電信業(yè)者的競爭焦點(diǎn)，接收信號范圍和通話穩(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，它們最終會受到手機(jī)數(shù)據(jù)機(jī)的收發(fā)器子系統(tǒng)效能影響。本文接著將討論單晶片手機(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)和用戶採用GSM/GPRS行動電話標(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之一。GSM/GPRS標(biāo)準(zhǔn)還包含最嚴(yán)格的數(shù)據(jù)機(jī)晶片組接收與發(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直接影響使用者感受，電信業(yè)者名聲也會受到波及。本文后面所定義的重要規(guī)格包括接收靈敏度、噪音阻隔和調(diào)幅抑制能力以及接收頻帶的發(fā)射調(diào)變遮罩頻譜和發(fā)射功率 (亦即20 MHz相位雜訊)。

接收機(jī)規(guī)格包含靈敏度，噪音阻隔和調(diào)幅抑制，它們會影響使用者對于手機(jī)的感受。接收靈敏度是手機(jī)正確接收和處理小信號的能力，高靈敏度不但讓距離基地臺較遠(yuǎn)的使用者仍能收到信號，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，就必須將低噪音放大器和射頻混波器等接收機(jī)前端零件的雜訊效能最佳化。接收阻隔能力代表手機(jī)處理干擾訊號的能力，它們會影響接收信號品質(zhì)或造成斷線。這些干擾信號可能是來自相同或其它電信網(wǎng)路的接收信號，或者是用戶附近手機(jī)發(fā)出的信號。接收機(jī)需要良好的噪音效能和線性操作能力才能提高阻隔效能，尤其是低噪音放大器和射頻混波器等前端電路的影響更大。調(diào)幅抑制的功能和噪音阻隔非常類似，只不過它所處理的是動態(tài)干擾信號，而不是固定或靜態(tài)干擾信號。接收機(jī)在通話或波串 (burst) 剛開始時所做的校準(zhǔn)程序都可能因?yàn)閯討B(tài)效應(yīng)而毀于一旦 (亦即干擾源在波串傳送到一半時突然改變)。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)生斷線或接收信號品質(zhì)下降現(xiàn)象?；l濾波功能對于效能也有影響。

發(fā)射規(guī)格則會影響相同或不同電信網(wǎng)路上其它手機(jī)使用者的操作。發(fā)射信號頻譜必須限制在所要求的頻譜遮罩范圍內(nèi)。在距離目標(biāo)信號中心400 kHz處會有另一個通道 (相距兩個通道)，然而要準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)400 kHz偏移卻最為困難。手機(jī)的發(fā)射機(jī)如會產(chǎn)生很大噪音，就可能影響正在使用相鄰?fù)ǖ赖钠渌謾C(jī)使用者。400 kHz頻譜遮罩效能是由發(fā)射機(jī)架構(gòu)以及整個發(fā)射鏈的噪音管理效果所決定。手機(jī)對于發(fā)射頻譜中會落在其它用戶接收頻帶內(nèi)的噪音有著極為嚴(yán)格的要求。由于發(fā)射和接收頻帶相距僅約20 MHz，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)信號就可能被此噪音淹沒而造成斷線。
 
功能整合的最大挑戰(zhàn) – 維持射頻效能
要讓數(shù)據(jù)機(jī)晶片組滿足嚴(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音數(shù)字電路、高功率電源管理單元和音頻電路一起工作，甚至在使用離散解決方案時也是如此。當(dāng)這些子系統(tǒng)全部整合到單顆晶片時，這個問題還會變得更嚴(yán)重?；旧?，DSP和微處理器等數(shù)字子系統(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，這會造成混附噪音、阻隔效果變差、靈敏度下降、輸出調(diào)變頻譜失真和音頻效能減退等其它問題。單晶片手機(jī)設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)就是管理這種數(shù)字干擾，同時將非常敏感的小信號射頻電路與高速數(shù)字基頻子系統(tǒng)整合在一起。
 
AeroFONE單晶片手機(jī)
我們以Silicon Laboratories將射頻收發(fā)器、基頻和電源管理單元等所有主要子系統(tǒng)整合到一顆晶片的AeroFONE GSM/GPRS四頻帶單晶片手機(jī)為例。表1是AeroFONE手機(jī)平臺與使用獨(dú)立式基頻元件和收發(fā)器晶片組的典型手機(jī)在各種指標(biāo)的比較結(jié)果，可以看出單晶片手機(jī)顯然享有巨大的領(lǐng)先優(yōu)勢。
 

表1：典型產(chǎn)品手機(jī)與AeroFONE解決方案的比較
　

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整合至單顆晶片。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、音頻、基頻和電源管理電路的整合問題。在AeroFONE解決方案的發(fā)展過程中，Silicon Laboratories還運(yùn)用研發(fā)Aero II收發(fā)器時累積的許多電路設(shè)計(jì)與佈局技術(shù)，這套專利的系統(tǒng)架構(gòu)會將容易受到噪音影響的電路與會產(chǎn)生噪音的電路隔離，使得整個系統(tǒng)能夠發(fā)揮最強(qiáng)大的射頻效能。在子系統(tǒng)層級，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)位低中頻收發(fā)器架構(gòu)提供無與倫比的接收機(jī)效能；除此之外，第三代壓控振盪器與合成器技術(shù)還能提供更強(qiáng)大的接收與發(fā)射效能，AeroFONE單晶片手機(jī)還將公司大約10年的數(shù)位雜訊管理知識融入設(shè)計(jì)中。