原创 2008技术展望之一：DTV 多功能融合和电池使用寿命是3G/智能手机面临的最大设计挑战

图1：Broadcom公司 Michael Civiello

例如，Broadcom公司的BCM21551 HSPA SOC将高速HSUPA 3G基带、多频带射频收发器、支持增强数据速率(EDR)技术的蓝牙2.1版、调频收音机接收器和调频收音机发射器(用于汽车立体声音乐播放)集于一身。该器件还具有先进的多媒体处理、支持高达500万像素相机以及带有电视信号输出端的每秒30帧视频功能，并且支持HSUPA、HSDPA、WCDMA和EDGE蜂窝协议。BCM21551还可以与其他Broadcom器件配合使用，如Wi-Fi和GPS器件、PMU或新的VideoCore III移动多媒体处理器。同类蜂窝基带芯片没有一个达到了这么高的集成度，高集成度既降低了成本和功耗、减小了尺寸，又可实现先进的功能。这使得BCM21551同时成为面向大众市场批量生产的3G手机和运行Symbian、Windows Mobile或Linux等开放操作系统的智能手机的理想选择。消费者能直接用基于BCM21551的手机以高达7.2Mbps的速率下载内容，并以高达5.8Mbps的速率上传照片、视频等内容。

通过将这些功能集成到单个器件中，设计工程师可以完全控制优化各个不同的无线子系统。这可以允许采用非常智能的无线控制，将干扰降到最小并解决共存问题。该方案允许某些无线模块的共享，从而使总体方案更小、成本更低、功效更高。

但TI公司亚洲区无线终端事业部市场总监宋国璋指出：“对要求高性能的手机制造商而言，高度优化的独立解决方案是更好的选择。特别是随着消费者要求更出色的移动多媒体体验，应用处理器不仅需要满足全球消费者的需求，还要符合性能、响应速度、电池使用寿命以及多操作系统支持方面的严格要求。”

在智能手机上，应用处理器的效能是一大重点，TI推出的OMAP 3架构实现了很大的突破，将手机转变为不可或缺的工作和生活工具，使工作与娱乐融为一体。TI的OMAP3430主要针对支持娱乐与工作的高端3G智能手机，能够提供堪比消费类电子的使用体验，如独立数码相机、掌上游戏机、MP3播放器以及便携式摄像机。该处理器能够理想地满足市场对功耗和性能的要求，尤其是在移动因特网设备日益兴盛的情况下。

NXP手机及个人移动通信事业部大中华区副总裁兼总经理林博文也表示TD-SCDMA智能手机的架构在前期主要是通信基带芯片外加应用处理器的架构。对于TD-SCDMA/GSM自动双模手机，L2/L3协议栈基本都是用ARM9实现，其中L3 NAS都已经融合在一起、L2接入层是分离的、L1C控制部分使用ARM9、L1物理层数字信号处理处理使用DSP+ASIC实现。

在移动电视功能集成方面，是否将移动电视接收功能集成到应用处理器中也成为业界关注的焦点。针对“调谐器和解调器未来将集成到应用处理器中”的说法，Siano公司中国区总经理王渭认为：“把调谐器集成在应用处理器中的可能性比较小，因为两者采用的工艺不同。在应用处理器中集成解调器的可能性还是有的，但这要看这个移动电视功能在手机中的普及性有多大，因为这涉及成本上的考虑。此外，各个移动电视标准对解调器的要求不一样，因此最好的办法将是采用“chip on board”的方案，将集成了调谐器、解调器和相关电路的单芯片移动电视器件直接放置在手机电路板上。”

王渭看好中国的CMMB(SiTimi)标准，目前Siano公司正在开发相应的解决方案。该公司将在2008年1月份发布第2代移动电视芯片还将增加对日本标准的支持。王渭坦言，目前手机设计工程师在设计移动电视子系统时还存在两方面的挑战，一是设计工程师还需进一步深入了解数字电视系统的要求，包括接收器、后端解码、ESD要求等；二是射频电路的布板。

他建议设计工程师要从系统角度看数字电视的各个组成部分，而不是局限某一个器件；除了硬件，还要考虑软件和产品的成熟性；此外，不仅要参考器件数据表中的指标，而是更要关注器件的实际应用效果，比如量产的移动电视手机在实际应用中表现和现场抗干扰能力等，以便对不同厂商提供的器件和方案有更真实的认识。

创毅视讯的车玲芳也认为，在智能手机、3G手机实现移动电视功能对芯片的低功耗要求很高，同时还要求芯片的体积要尽可能的小、移动性接收能力强，即在高速移动的情况下不影响芯片的接收能力。这些特性对于设计移动电视是必要考虑的关键。

此外，集成更多的多媒体功能的3G手机和智能手机的操作系统和软件开发平台也提出了更高的要求。风河系统公司中国区总经理韩青表示：“从使用者的角度来看，新一代手机的功能特性应该具有两个特点：第一是功能多样化，第二是功能可裁剪。从软件设计开发的角度来看，开放的软件平台、对多核处理器的支持、设备全生命周期内的管理将成为应对上述挑战最主要的方法和工具。”

图2：风河系统公司 韩青。

风河公司将自己在设备软件开发领域20多年的经验与广受业界关注的开放源代码平台Linux相结合，推出了商业级Linux平台，已经在手机市场显示出越来越重要的地位。特别是前不久Google牵头成立了OHA(Open Handset Alliance, 开放手机联盟)，而Wind River是其中唯一一家商业化Linux成员，负责开发和商业化OHA提供的手机软件平台Android。

OHA成员的手机设备制造商以及其他的OEM制造商都可以采用Wind River的解决方案来把Android平台移植到自己的硬件平台中，并根据自己各自不同的需求来进行优化，以便获得最佳的性能。而且，Wind River将会为OEM和ISV利用Linux开发自己的产品提供一切必要的支持，帮助他们快速有效地完成集成工作，极大地简化他们的移动应用的开发与布署。这样一来，他们就可以更快的速度、更低的成本向市场上推出基于Linux的手机。

多模设计要求灵活的基带架构和SiP前端

在双模/多模手机中，“WEDGE”仍是目前最为流行的配置之一。WEDGE支持宽带CDMA、EDGE及其传统模式，已是全球新型手机的事实标准。如今的手机已从双频带和三频带发展到四频带，此外多频带手机还能为蓝牙、Wi-Fi和GPS等多种外设无多线技术处理各种信号。由于WiMAX和LTE(4G)的加入，预计双模/多模的趋势还将继续。

多模多频带3G手机的最大设计挑战是如何在单个设备中实现多个标准并快速支持不断演进的标准，延长产品平台生命周期，与此同时还不降低手机的性能、不增加手机的成本和功耗。由于GSM、CDMA和3G各自使用不同的频率资源，多模手机需要多个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。

Coresonic公司的CTO、共同创始人Dake Liu博士表示：“对这些手机而言，最重要的要求是灵活性。如果在所有功能实现方面没有灵活性，则不可能满足用户需求，并跟上市场需求的变化。”从多模设计的角度来，解决这些挑战需要软件的可编程性，以便能即时进行功能升级，允许无线系统级芯片(SoC)设计工程师快速将单个或多个调制解调器集成在他们的设计中，而不牺牲功耗、增加芯片面积。传统的解决方法意味着必须利用可编程方案对每个标准进行硬件设计，然而，功能固定的解决方案不具有这些新要求所需的灵活性，并且可编程方案要消耗很大功率，从而大大缩短电池寿命。”

Coresonic公司的方法是采用完全可编程可配置的基带处理器内核，仅需通过加载所需的合适软件来解决支持多个标准的问题。该公司的LeoCore技术采用独特的专利架构，具有支持多个无线标准的灵活可编程方案，但功率效率和空间效率与硬连接方案一样。利用LeoCore能在一个移动设备内支持多个无线标准，包括WiMAX、LTE、UMB、DVB-T/H、ISDP-T、T-DMB、DAB、HD-radio、WLAN 802.11a/b/g、GSM/GPRS/EDGE、3G/4G、蓝牙Class 1及蓝牙EDR等。这种对多标准的支持能力还受益于能降低程序大小的LeoCore指令集，从而能在存储器内保存实现多个标准的程序代码，以便设备快速地在不同标准之间转换。

Skyworks公司亚太区副总裁Vincent Wang认为3G/3.5G手机和智能手机的最大设计挑战是RF信号路径的复杂性。如今的三频带WCDMA和更受欢迎的四频带EDGE平台要求在一个手机内至少有7个RF路径。最有可能的是，市场标准要求是支持至少7个频带，并可能要求支持第8个频带(LTE)。这对手机的功率放大器(PA)级的线性性能和效率就提出了苛刻要求。

其它的设计挑战将取决于频带配置。例如，WCDMA比EDGE更难实现，因为WCDMA对功率放大器的线性度要求更高，对功耗和散热也有很高要求。功率放大器要消耗很大的功率，多频带手机要求多个不同的功率放大器。过去用一个PA的手机现在必须用几个PA，每个PA都消耗功率并产生热。在集成多个PA的同时如何解决小尺寸、具有成本效益的封装内的噪声干扰、功效和发热问题，对设计工程师是一个很大的挑战。

此外，向多频带、多模手机发展的趋势带来了集成方面的挑战和发热、功率消耗和噪声等问题。随着硅几何尺寸的缩小和电压下降，这些问题将更严重，而实现与多频带手机相关的复杂模拟功能也变得更困难。这促使手机的RF前端采用系统级封装(SiP)，以便在单个模块内集成3或4个放大器。SiP技术对前端模块(FEM)开发变得日益重要，特别是对高复杂度的多频带手机而言。对多功能、多频带手机的设计工程师而言，SiP技术的进步将有助于在成本和性能间取得最佳平衡，同时适应不断缩短的产品生命周期和更苛刻的集成要求。SiP方案可用于集成开关、滤波器、双工机、功率放大器和各种其它控制电路和无源元件。

图3：Skyworks公司 Vincent Wang。

Skyworks用于WCDMA应用的Intera系列前端模块(FEM)支持频带I、II、IV、V和VI。WCDMA FEM简化了RF设计，通过更高水平的集成减少了电路板面积，延长了电池寿命，并且可以在任何基带架构内方便实现。Skyworks的体声波(BAW)滤波器(已为不同的多模手机客户提供样品)也能用在个人通信系统(PCS)频带I、II和IV上，当它与Skyworks的开关、功率放大器、前端模块和收发器结合使用时，便构成一个完整的手机RF方案。

为实现多频带的3G手机，前端发射模块必须控制手机内的噪声和信号干扰，并同时保持小尺寸、低材料成本和高效率。除了支持多频带外，如今的手机还必须能在不同网络间进行切换。手机通常要包括工作在2.1GHz频带的WCDMA PA，以及一个三频带或四频带GSM/GPRS/EDGE PA或FEM。根据必须支持的3G频带数，这些手机可能包含两个到四个WCDMA PA，以便符合运营商的各种网络技术规范，并同时满足漫游需求。

对于2GHz频段，滤波器常常选择BAW滤波器，它被用作保护所有无线设备的前端不受干扰的第一道防线。对于1GHz频段，滤波器常常选择SAW滤波器。通过在发射定义的频带信号时阻止不期望的频率发射，滤波器确保具有多个相互靠近的频带的系统不互相干扰。这些滤波器必须有匹配各种载波频率的带通特性，必须能处理手机能发射的最大RF功率。

随着用户开始发现更高数据率所带来的实际增值意义，他们对3G业务提出了更高要求，从而也给3.5G、最终4G网络提出了挑战，以满足安全性要求和支持例如T-DMB、ISDP-T、DVB-H、DAB和HD-Radio等移动媒体广播标准的需求。HSDPA手机由于能被用来高速实时数据业务，特别是流音频和视频业务而广被看好。

Broadcom高级营销总监Civiello对《电子系统设计》表示：“HSDPA手机将在2008年得到广泛使用，预计到2009年，HSUPA手机将成为主流。”目前HSPA网络已经拥有9亿多用户，而且很多网络运营商正计划未来几年内在全球大规模部署HSUPA网络。

英飞凌科技股份有限公司通信系统解决方案事业部集团营销高级副总裁Dominik Bilo也认为支持HSDPA将成为手机的标准特性，主流数据率为3.6Mbps。未来WEDGE技术将主要用来实现以语音业务为主的低成本3G手机。

“不过，所有基于CDMA的技术都无法提供足够的数据传输率来支持无线多媒体服务，而这正是WiMAX的价值所在，它可以通过单个移动信息娱乐设备从家里或办公室宽带接入互联网。”SiGe半导体的Brewer说：“预计手机生产商将从2009年开始把WiMAX整合在智能手机中，从2010年开始将WiMAX整合在多功能手机中。”

但Broadcom高级营销总监Civiello则对WiMAX技术在手机上应用短期内并不看好，他认为WiMAX在固定无线领域有成功的应用案例，但仍没有见到在多模手机上的使用需求。

“集成WiMAX功能的多模手机是否能得到大规模应用，依赖于是否能简单、快捷地在高度集成、低功耗调制解调器中实现WiMAX、LTE、UMB、DVB-T/H以及传统单芯片2G/3G标准。”Coresonic公司的CTO、共同创始人Dake Liu博士表示。

在中国，TD-SCDMA将成为主要的3G技术，以作为现有GSM/GPRS/EDGE基础架构的扩展。2008年主流的TD-SCDMA双模手机是GSM/GPRS/EDGE+TD-SCDMA双模手机，并且是支持双模单待自动切换。此外，还有会有少量手机支持GSM/TD-SCDMA双模双待。

同时本刊编辑对业界著名厂商高管进行了采访，以下是他们的看法和见解：

•Broadcom：将应用处理和基带处理集成在同一芯片上是实现低成本智能手机的关键

•德州仪器：应用处理器的效能对智能手机设计很重要

•恩智浦半导体：主流的TD-SCDMA双模手机将支持双模单待自动切换

•SiGe：功能性的融合与电池使用寿命是下一代智能手机的两大挑战

•Coresonic公司：解决多模手机设计的这些挑战需要软件的可编程性

•Skyworks：SiP封装的RF前端应对多模手机的RF信号路径复杂性问题

•风河系统：开放的软件平台成为应对新一代3G手机软件设计挑战的最主要方法

作者：张郴莉

栏目编辑

《电子系统设计》