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探討低成本GSM手機(jī)的解決之道
蜂窩手機(jī)日漸成熟,2005年銷售量超過7.5億部。整個(gè)手機(jī)市場可分為兩類,一類是發(fā)達(dá)國家中購買升級換代手機(jī)的老用戶,另一類是發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家中購買第一部手機(jī)的新用戶。升級換代的市場要求手機(jī)具有更多的新功能,包括增強(qiáng)的音頻和視頻功能,以便利用先進(jìn)的空中接口,因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)從GSM演變到GPRS、EDGE,一直到3G。這個(gè)市場還需要多模功能的手機(jī)——在一個(gè)手機(jī)中包括多種蜂窩標(biāo)準(zhǔn)或者集成不同的無線通信技術(shù)。據(jù)GSM協(xié)會(GSMA)分析,手機(jī)是影響新興(新用戶)市場購買力的最大障礙。為了應(yīng)對新興市場的巨大需求,GSMA于2005年2月發(fā)布了新興市場手機(jī)(EMH)計(jì)劃。EMH計(jì)劃試圖利用GSM的全球化來推動(dòng)新的超低成本手機(jī)市場細(xì)分,目標(biāo)就是以30美元甚至更低的成本提供具備基本功能的GSM手機(jī)。
實(shí)際上,這個(gè)市場可能會成為蜂窩業(yè)界的焦點(diǎn)。Merril Lynch分析公司已經(jīng)詳細(xì)說明了他們稱之為八個(gè)新興的國家的E-8 group。這些國家包括孟加拉國、中國、埃及、印度、印度尼西亞、尼日利亞、巴基斯坦和越南,各國都超過7千萬,但是移動(dòng)電話普及率不到30%。據(jù)Merrill Lynch估計(jì),這些國家從2005年到2010年將為全球蜂窩手機(jī)市場貢獻(xiàn)7億多新用戶。
服務(wù)于這個(gè)超低成本市場的手機(jī)要求有成熟的并且經(jīng)過驗(yàn)證的技術(shù)。這些手機(jī)需要具有適合本地制造的現(xiàn)成解決方案,并且考慮到多種市場的本地化需求。
支持GSMA的EMH計(jì)劃的愿望引起了蜂窩業(yè)界的強(qiáng)烈關(guān)注,解決超低成本市場問題對業(yè)界的半導(dǎo)體廠商影響最大。實(shí)際上,好幾家半導(dǎo)體公司為了迎接提供30美元手機(jī)這個(gè)挑戰(zhàn),都正在嘗試修改其蜂窩手機(jī)體系結(jié)構(gòu)以便優(yōu)化成本和性能。
1、典型的蜂窩手機(jī)體系結(jié)構(gòu)
在EMH計(jì)劃出臺之前,低成本蜂窩電話的半導(dǎo)體器件通常由5個(gè)關(guān)鍵元件組成,如圖1所示,包括射頻(RF)收發(fā)器、功率放大器(PA)、模擬基帶、數(shù)字基帶和系統(tǒng)存儲器。
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圖1 2005年典型低成本蜂窩手機(jī)的半導(dǎo)體器件組成
射頻(RF)收發(fā)器的功能是運(yùn)用適當(dāng)?shù)男盘柼幚韺τ商炀�檢測到信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理。收發(fā)器通常采用直接變頻或者低中頻(IF)體系結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。它還要對信號進(jìn)行調(diào)理以便發(fā)送到天線上。PA將發(fā)射信號放大到適當(dāng)?shù)姆?以便將信號從手機(jī)發(fā)送到基站。
模擬基帶部分完成接收信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換和發(fā)射信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換。另外手機(jī)中音頻處理和電源通常也在這里實(shí)現(xiàn)。
數(shù)字基帶部分包括一個(gè)數(shù)字信號處理器(DSP)、微控制器(MCU)、片上存儲器和片上外圍設(shè)備,包括液晶顯示器、鍵盤和SIM卡接口等等。
這部分還包括容量適中的閃存和靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)。圖1所示的帶通濾波器 (BPF)和收發(fā)(T/R)開關(guān)模塊為RF信號處理提供適當(dāng)?shù)膸V波和收發(fā)開關(guān)。
為了降低圖1所示系統(tǒng)的成本,各半導(dǎo)體公司研究了各種不同成度的系統(tǒng)集成。至少有一家公司試圖將RF收發(fā)器、模擬基帶和數(shù)字基帶功能集成到單個(gè)硅片上。
與這種方法相關(guān)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)是巨大的。其中有兩大難題需要解決。第一是集成電路對射頻性能的影響。RF電路處理的是從天線上接收的微伏級(μV)信號。當(dāng)電壓相對較高的高頻時(shí)鐘信號和數(shù)字基帶部分中其它信號都與RF電路集成在同一個(gè)硅片中時(shí),要充分隔離RF信號會是很大的挑戰(zhàn)。RF信號的惡化會影響射頻信號的靈敏度,此外,任何數(shù)字開關(guān)噪聲耦合到射頻發(fā)射部分都會導(dǎo)致發(fā)射噪聲增加,它會干擾其它的手機(jī)用戶,并且這是一項(xiàng)嚴(yán)格控制的指標(biāo)。這些關(guān)鍵參數(shù)受到干擾的結(jié)果將直接影響到用戶的音頻質(zhì)量,或者會妨礙手機(jī)獲得認(rèn)證機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn)。無論哪種情況,芯片中存在上述問題的手機(jī)都不可能得到市場的認(rèn)可。
第二個(gè)需要解決的難題就是要應(yīng)對半導(dǎo)體芯片封裝的散熱需求。在單芯片內(nèi)具有如此多的信號處理活動(dòng),產(chǎn)生的熱量可能會超過芯片可靠工作的程度。正是因?yàn)檫@個(gè)原因,有些半導(dǎo)體公司已經(jīng)從芯片中去掉了電源管理功能。因此,他們已經(jīng)將單芯片解決方案增加為雙芯片解決方案。
這種雙芯片解決方案雖然解決了散熱問題,但是,仍然存在著如何實(shí)現(xiàn)最佳RF功能的問題。
2、一種低風(fēng)險(xiǎn)、低成本的解決方案
美國模擬器件公司已經(jīng)推出了一種不同的體系結(jié)構(gòu),在解決了上述兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難題的同時(shí),也是一種高度集成解決方案。RF功能保持獨(dú)立,采用的是獲獎(jiǎng)的AD6548 Othello-G RF收發(fā)器。該芯片是ADI公司創(chuàng)建的Othello?誖直接變頻系列RF收發(fā)器IC中的最新一代產(chǎn)品。ADI公司的AD6720將數(shù)字基帶和包括電源管理功能的模擬基帶處理器集成到單芯片中。
采用這種方法就消除了上述體系結(jié)構(gòu)中存在的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也解決了對超低成本市場至關(guān)重要的成本問題。這種采用兩顆芯片實(shí)現(xiàn)的手機(jī)體系結(jié)構(gòu)方框圖如圖2所示。
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圖2 基于ADI公司Othello-G收發(fā)器和AD6720模擬基帶和數(shù)字基帶處理器的超低成本手機(jī)
3、 ADI公司的
AD6548 Othello-G RF收發(fā)器
如果運(yùn)用恰當(dāng)?shù)牟季�方法和最高集成度的元件,采用Othello-G收發(fā)器就可以實(shí)現(xiàn)有效面積僅為1.5 cm2的RF電路。Othello-G解決方案實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的雙頻、三頻甚至四頻RF電路僅需26個(gè)元件,其中大多數(shù)都是去耦電容。此設(shè)計(jì)僅需要3個(gè)關(guān)鍵元件:Othello-G收發(fā)器,一個(gè)集成的收發(fā)開關(guān)和PA,以及一個(gè)集成匹配功能的聲表(SAW)濾波器模塊。
Othello-G收發(fā)器采用5 mm×5 mm的32引腳架構(gòu)芯片級封裝(LFCSP)。它包含一個(gè)直接變頻的接收器部分、一種平移環(huán)路發(fā)射器體系結(jié)構(gòu)、一個(gè)小數(shù)N分頻鎖相環(huán)頻率合成器、集成的電源管理部分和內(nèi)置晶體振蕩器以及校準(zhǔn)系統(tǒng)。該體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。
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圖3 ADI公司的AD6548 Othello-G框圖
選擇直接變頻接收器體系結(jié)構(gòu), 將RF信號直接轉(zhuǎn)換到基帶,無需在中頻進(jìn)行信號處理和濾波,這樣有很多的好處。首先,中頻的消除降低了接收器路徑的復(fù)雜度和成本,因?yàn)槿∠酥蓄l濾波和增益電路。其次,由于只有一次頻率轉(zhuǎn)換,所以僅僅需要一個(gè)本地振蕩器,從根本上避免了鏡像頻率。最后,當(dāng),基帶增益和濾波電路的工作電流要低于采用中頻和片上濾波器的電路。接收器體系結(jié)構(gòu)集成了四個(gè)低噪聲放大器,可支持全球GSM系統(tǒng)所采用的全部四個(gè)頻帶——850,900,1800和1900 MHz。
獨(dú)立收發(fā)器的一個(gè)主要優(yōu)勢就是極高的靈敏度。Othello-G射頻電路能達(dá)到-110 dBm的靈敏度(在天線端口測得),優(yōu)于手機(jī)通過認(rèn)證所需的最低指標(biāo)-105 dBm整整5 dB。這在低成本手機(jī)中是一個(gè)巨大的優(yōu)勢,因?yàn)殇N售此類產(chǎn)品的許多國家都布署為數(shù)不多的基站,優(yōu)良的靈敏度使用戶在遠(yuǎn)離基站的地方也可以保證通話質(zhì)量。
發(fā)射體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵要求就是手機(jī)不應(yīng)該降低其它用戶頻譜的質(zhì)量。因此,發(fā)射器必須嚴(yán)格遵循GSM頻譜模板要求,這樣才能避免接收頻帶中出現(xiàn)不必要的雜散輸出或噪聲。Othello-G收發(fā)器中采用的平移環(huán)路體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了上述目標(biāo),而且在發(fā)射電路部分無需外部濾波器。
Othello-G體系結(jié)構(gòu)還采用了一個(gè)小數(shù)N分頻頻率合成器以便產(chǎn)生發(fā)射和接收本振信號。它利用其全集成的環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和陣列電路,可以快速鎖定頻率。它還在片內(nèi)集成了一個(gè)晶體振蕩器和陣列系統(tǒng),從而無需傳統(tǒng)的外部壓控溫度補(bǔ)償晶體振蕩器。Othello-G收發(fā)器中集成了完整的電源管理功能,可以直接連接電池并且無需外部元件,降低了復(fù)雜度。對該器件的控制,是通過一個(gè)通用串行接口總線來實(shí)現(xiàn)的。
4、ADI公司的AD6720集成的
模擬和數(shù)字基帶處理器
AD6720是一個(gè)完全集成的基帶處理器芯片,實(shí)現(xiàn)了典型的分立的模擬基帶和數(shù)字基帶處理器的全部功能。其高度可編程的體系結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的通信電路為系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師提供了充分的靈活性。它可以通過修改軟件以適應(yīng)由于標(biāo)準(zhǔn)的變化和多種標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)應(yīng)用引起的嚴(yán)格要求。它采用一種先進(jìn)的289球形焊點(diǎn)的12 ×12 mm的球柵陣列(BGA)封裝。
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圖4 AD6720集成模擬和數(shù)字基帶處理器框圖
AD6720的數(shù)字基帶功能繼承了ADI公司提供的受到業(yè)界公認(rèn)和經(jīng)過現(xiàn)場認(rèn)證的SoftFone體系結(jié)構(gòu),目前有上百款手機(jī)在全世界網(wǎng)絡(luò)中使用。它包括DSP,MCU,片上SRAM存儲器,I/O控制和外圍設(shè)備子系統(tǒng)。模擬基帶功能包括控制、基帶和話音ADC和DAC,以及音頻子系統(tǒng)和時(shí)鐘,還有電源和電池管理。
數(shù)字基帶部分采用ADSP218x DSP內(nèi)核,這在ADI公司前幾代的AD20msp430 SoftFone系列GSM數(shù)字基帶處理器中是很普遍的。在1.8 V電源條件下,DSP工作的時(shí)鐘速率可以高達(dá)91 MHz,從而可支持全速率(FR)、增強(qiáng)全速率(EFR)、半速率(HR)和自適應(yīng)多速率(AMR)語音的編碼和解碼算法。ARM7內(nèi)核的MCU子系統(tǒng)支持GSM協(xié)議棧軟件、MMI軟件以及測試和維護(hù)等業(yè)務(wù)。
存儲器子系統(tǒng)包括1 Mb的片上SRAM存儲器。這個(gè)相對較小的存儲器對于支持新興手機(jī)市場的低成本需求是至關(guān)重要的。外圍設(shè)備子系統(tǒng)包括帶有鬧鐘的實(shí)時(shí)時(shí)鐘,支持諸如鍵盤、閃存接口、1.8 V和3 V SIM卡接口以及并行和串行顯示器接口等主要外圍設(shè)備。
模擬基帶部分實(shí)現(xiàn)可編程背光燈控制、可編程電源和時(shí)鐘管理。音頻部分實(shí)現(xiàn)8 kHz和16 kHz的話音編解碼、麥克風(fēng)偏置和音頻PA,這些功能對正常的語音操作都是必不可少的。電源管理部分包括蜂窩終端工作所需要的電壓調(diào)節(jié)器和先進(jìn)管理算法以便保證好的待機(jī)和通話時(shí)間——一般情況下待機(jī)時(shí)間為350小時(shí),通話時(shí)間為4小時(shí)或者更長。
為了幫助手機(jī)供應(yīng)商解決面市時(shí)間問題,ADI公司提供一個(gè)完整的開發(fā)平臺———帶有GSM協(xié)議棧Mercury參考平臺,。該平臺是一種功能完整的入門級手機(jī),支持黑白或彩色顯示屏。開發(fā)商可以按照要求修改并定制該平臺。
5、靈活性是關(guān)鍵
AD6548 Othello-G RF收發(fā)器和AD6720基帶處理器的結(jié)合具有極大的靈活性,可以開發(fā)出能支持多樣化市場的手機(jī)。只要一個(gè)黑白顯示屏,就可以成為一個(gè)支持話音和短信息業(yè)務(wù)(SMS)功能的低成本手機(jī)。如果再在這個(gè)基本的平臺上增加外部存儲器,就可以開發(fā)出一個(gè)適合發(fā)達(dá)國家的支持彩色顯示屏以及話音和SMS功能的入門級手機(jī),。如果有更多的外部存儲器,除了支持上述功能以外,還可以支持GPRS(達(dá)到多時(shí)隙12級)和WAP瀏覽器,從而能支持運(yùn)營商增值業(yè)務(wù),例如下載鈴聲、墻紙等等。增加一個(gè)應(yīng)用處理器,以及一個(gè)高級操作系統(tǒng)(例如Symbian,Microsoft Windows Mobile或Linux操作系統(tǒng)),就能實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)的全部功能,如圖5所示。
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圖5 適合發(fā)展中國家的超低成本手機(jī)(滿足GSMA的EMH計(jì)劃)
手機(jī)開發(fā)商一直試圖以最小的開發(fā)解決多種終端市場的需求。為滿足這種需求,一個(gè)具有很強(qiáng)適應(yīng)能力的平臺允許手機(jī)開發(fā)商重復(fù)利用其硬件和軟件投資。Othello-G和AD6720平臺的使用靈活性有助于手機(jī)開發(fā)商很好地滿足這種需求。
6、結(jié)論
低端手機(jī)市場為蜂窩手機(jī)市場提供了巨大的增長機(jī)遇。為了降低手機(jī)的成本結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體芯片供應(yīng)商需要系統(tǒng)集成度高的低風(fēng)險(xiǎn)解決方案。將RF收發(fā)器功能和數(shù)字基帶及模擬基帶功能集成在一起,要獲得滿意的性能水平會帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)。ADI公司已經(jīng)開發(fā)出了一種高集成度的RF解決方案并且集成了模擬基帶和數(shù)字基帶處理器,從而使得手機(jī)開發(fā)商能夠以低風(fēng)險(xiǎn)、高度的靈活性和快速的面市時(shí)間滿足低成本手機(jī)市場的需求。
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