原创 智能手机发展趋势及设计中需要注意的问题

智能手机如今已成为人们必备的数码设备，以智能手机为中心日益繁多的应用，也在逐渐丰富着人们的生活。作为使用者，手机用户希望有更好的应用体验，更多的应用选择。从iPhone6、华为MATE7、三星GALAXY Note 4、S6及努比亚Z9等几款较新的机型可以看出，手机厂商在采用更高性能的处理器以提升整机性能的同时，也更加注重向用户提供新的应用体验。一些新的应用如健康及医疗相关的功能、移动支付、无线充电等新功能成为设计的趋势。

首先我们回顾一下手机厂商展现的一些新的技术和应用以及所涉及的技术。

1 健康及医疗相关的功能

三星GALAXY Note 4可监测除了运动方式和距离、消耗热量等常规指标外，还提供Cinga专业的教练服务、心率监测、UV指数监测等功能。Apple也提供了HealthKit,可以和健康及健身APP密切配合，提供心率、燃烧的卡路里、血糖、胆固醇等指标。

可穿戴的智能健康设备和智能手机连接大多采用BLE作为无线传输的方式。BLE具有低功耗、低成本、连接快速、兼容性好的特点，很适合手机附件和其他智能设备对于低功耗、高兼容性的要求。而且蓝牙组织新发布的BLE4.1标准对BLE4.0标准进行了升级，提高了传输速率，支持Slave和Master角色的转换，改进配对方式使BLE4.1更适合可穿戴智能设备。

2 硬件支持移动支付

移动钱包被认定为是一种将能够取代大量信用卡以及现金的新的支付方式。Apple推出了Apple pay，Google推出了Google Wallet，Softcard也提供了类似的支付方式。Apple Pay、Google Wallet和Softcard都采用了NFC技术作为支付时身份认证、数据交换的数据通道。NFC由非接触式射频识别（RFID）及互联互通技术整合演变而来，是一种用于近距离无线通信的技术。三星是推动NFC技术在手机应用中最积极的手机厂商，其多款手机使用了NFC技术，如三星Galaxy S5采用NXP PN547，苹果也后来跟上在iPhone6中采用了NXP PN65V。
而且NFC不仅可用在智能手机端作为支付手段，现在也常在智能设备的蓝牙和wifi的配对中得到应用。

3 更佳的音频特性

智能手机越来越成为多媒体应用的平台，所以对智能手机音频特性的需求也越来越高。比如从只支持8bit、8KHz的语音服务到支持16bit、44.1KHz的Hi-Fi服务。而且随着音频特性的提升，对硬件的调校的要求也越来越高。因此，音频特性的提升成为手机厂商关注的焦点之一。

4 无线充电技术

智能手机耗电量大，“一天一充”几乎是每个智能手机使用者吐槽的热点。无线充电技术将大大提高智能手机的便捷性。Qi的无线充电标准是目前应用最广泛的标准。其低功率标准使用电感传输5W或以下的功率，以电感耦合方式传输能量，两电感（线圈）之间的距离可达5mm，也可视需要而增至40mm。三星的S6支持基于Qi标准的无线充电设备。

下面我们针对BLE、NFC及无线充电和手机音频放大器的设计注意的问题及选型做一些讨论。

1 BLE
市面上现在常见的几款BLE芯片有NXP的QN902x（QN902x之前是昆天科产品，后昆天科被NXP收购）、TI的CC254x及新发布的CC2640等。

比较常见的问题是相同的程序，在原厂提供的开发板上工作正常，但是在客户自己制作的电路板上不是连接不到手机就是连接一段时间后中断，但测试供电电压符合要求，这时可能就一筹莫展了。其实这两个问题很大可能都和采用的晶体偏差有关，这还要从BLE的协议标准说起和晶体选择说起。

BLE芯片通常要求提供2个晶体，一个高频晶体负责给射频部分的锁相环提供时钟，一个低频的32.768KHz晶体负责提供进入低功耗模式后的唤醒时钟。

一个Slave设备在上电后会进入广播状态，在37、38、39信道上发送广播帧，Master设备如果扫描到Slave设备会进行连接，进行数据的交互。

一个Slave设备在广播状态时，如果此时手机或者包嗅探器监听不到广播帧，很有可能是发射的中心频点出现了偏差。BLE协议中规定调制的频偏不会大于150KHz，如果中心频点的频偏大于50KHz就有可能通信不上了，如下图所示。

而中心频点的偏差是和高频晶体的偏差相关的，也就是说高频晶体的偏差越大，中心频点的偏差就会越大。

在Slave和Master连接后如果过一定时间连接会断开，此问题很可能是地频晶体的偏差造成的。在进入连接状态后，每过一段时间，Master会发送CONNECT_REQ以维持连接状态，这个时间叫connInterval（connSlaveLatency=0）。在两个connInterval间，Slave使处于休眠状态的（毕竟是低功耗的设备嘛，如果老是处在接受模式下，功耗怎么可能降下去呢）。如果低频晶体的频率不准，会造成唤醒的时间出现偏差，错过CONNECT_REQ，造成连接失败。当然也可以加大Slave唤醒的时间窗口，不过肯定会造成功耗的加大。

QN9021内置了32.768KHz的RC振荡器，用户也可使用外部高精度的32.768KHz晶体，这样给低功耗的设计提供较灵活的选择。

2 NFC

在NFC系统设计中，天线设计是一个难点，设计者只能在天线尺寸和通信距离间做平衡。如果想在不增加天线尺寸的情况下增加通信距离，只能加大驱动端的信号强度。

NXP的PN66T模块内置有5V驱动器可将天线减小25%，在卡模式下，天线尺寸减小3倍以上。能很好地实现天线尺寸和通信距离间的平衡。

3 音频放大器

手机音频硬件方面，主要包括DSP（数字信号处理器）、Codec（编解码器，包括DAC和ADC）和放大器等。其中DSP一般都集成在手机处理器SoC中，Codec也有被集成在套片内，放大器都是在主芯片外。

为实现更佳的音质和更大的输出音量，提高用于驱动扬声器的驱动电压一直是设计的要求。TFA9890扬声器驱动器IC，可升压到9.5V，可为放大器提供更大的电压裕量，防止放大器削顶。

智能手机厂商已经从单纯的关注提高硬件性能，发展到在关注提高硬件性能的同时更关注提供更多贴近生活的应用，以提高用户的应用体验。而作为产业链上游的传统的IC厂商也适应了这一变化，力求提供完整的解决方案，帮助智能手机厂商简化设计流程，缩短上市时间，也给APP的开发者提供了更大的想象空间。NXP也提供了配套的MIFARE SDK，可在Java级实现对所有硬件特性的访问，优化了与NTAG设备交互的Android应用的开发过程，可简化手机厂商的系统设计流程和周期。