下一代多功能/多媒体手机的差异化设计

灵敏度和低功耗是GPS/Wi-Fi/RFID手机设计的要点

根据In-Stat对北美移动用户的调查，高质量的地图和导航服务是3G用户最渴望的功能之一。与独立的GPS设备相比，整合GPS功能的手机提供了更具经济效益的解决方案。目前很多高端手机已经具备了GPS导航功能，诺基亚甚至还为此收购了德国的定位软件公司Gate5。

“GPS是CDMA手机的标准功能，也正在成为UMTS手机的标准功能，并且GPS正在与主芯片组集成，不再只是增加的模块。”Avago的Philip Gadd表示。

手机中实现GPS可以采用硬件、软件或者两者相结合的办法。SiRF公司的行销副总裁Kanwar Chadha介绍说：“按照和手机主处理器的依赖程度将其分为四种：1. 不依赖主机的模块化GPS引擎：位置计算不依赖主机；2. 依赖主机的松耦合：一定程度的主机依赖性；3. 依赖主机的紧密耦合：极强的主机依赖性；4. 完全集成的IP解决方案：GPS IP集成到主机平台中。”SiRF针对每一种方法都有相应的解决方案。

但恩智浦(NXP)半导体公司的蜂窝系统产品市场经理Carsten Schimanke则认为结合了软硬件方法的智能分区方案最具成本效益。这种方案将对需要大量MIPS处理能力和对时间要求高的部分交由相关器这类专门硬件进行处理，其它操作则由主机处理。在纯软件的处理方案中，主芯片要消耗大量的功率和MIPS处理资源，可能与手机的低功耗和多任务要求产生矛盾。

GPS手机设计最大问题是手机射频信号对灵敏度要求极高的GPS信号的干扰。为解决这个问题，首先要从设计能够耐受其它RF系统干扰的鲁棒产品开始。适当地滤波、布局和屏蔽是构建一个鲁棒的GPS蜂窝手机设计的极其重要的因素。除了干扰问题，任何GPS系统都面临提高接收灵敏度，以及实现在建筑物密集的城市街道以及楼宇中有效接收的问题。Carsten Schimanke指出：“实现良好的室内接收效果的关键是要实现结合了优异的机械和电器设计的天线，以及与之相关联的具有优异灵敏度的GPS接收机。”

对于这些问题，SiRF公司推出了如下解决方案：1. SiRF高性能多模AGPS定位平台SiRFLoc可以借助蜂窝手机或蜂窝手机网络中任何可以获得的辅助功能来实现高灵敏度。2. 复杂的GPS信号处理架构和专有算法可以提高在障碍环境中采集和跟踪GPS信号的潜能。3. SiRF的RF前端和信号处理引擎旨在最大限度地降低实现损耗和干扰信号的影响。4. 以上各项再结合SiFR复杂的导航算法可使SiRF产品在包括室内的各种环境中实现鲁棒的定位。

Wi-Fi也已经进入到了少量的手机当中，预计在未来几年内，Wi-Fi手机可能会成为一种相当普通的手机，并且可能同时提供其他一些空中接口，如WiMAX、802.20、802.11a等。但不是所有的地区都实现了移动通信网和Wi-Fi网络之间的完全切换，而提供网络连接功能的运营商和提供移动网络的供应商之间的矛盾也为该应用的前景增加了变数。

“切换问题取决于VoWiFi使用的是基于哪种协议的标准，是UMA还是IMS，前者已经定义了切换的机制，而后者的切换方法还在制定过程当中。”Broadcom公司的Wi-Fi电话产品市场总监Monika Gupta表示。

图4：Broadcom公司的Monika Gupta。

将Wi-Fi功能整合到在手机中的其他问题是功耗、尺寸限制和EMI。飞兆半导体公司(Fairchild)的现场应用工程师Brian Law认为精心设计系统架构及其相关元件对减少干扰十分重要，因此建议采用定制解决方案。比如，NXP公司也已采用领先的算法和智能化的射频设计，使GPS、BT、Wi-Fi、NFC、UMTS和EDGE等空中接口可以很好地共存于同一个平台上，彼此干扰非常小。而Broadcom公司的BCM4325芯片将蓝牙、FM广播和802.11a/b/g Wi-Fi功能集成在一个芯片上，尺寸较蓝牙/Wi-Fi分立的解决方案小30%以上，支持IEEE PS、WMM-UAPSD等最新标准，满足超低功耗的要求。

非接触支付和购票(比如用手机充当信用卡)以及服务驱动型应用(比如读取电影海报信息)这两大新应用将推动RFID手机市场的发展。从技术角度看，RFID手机设计还面临降缩小体积、降低功耗、提高互操作性等问题。

“手机是电池供电的设备，因此其最重要的一个特性就是需要低功耗。增加RFID功能要尽可能小的影响手机的电池使用时间。”WJ Communications公司的全球市场经理Prashant Upreti表示，“RFID手机的另外一个必须特性是RFID阅读器要被缩小进一个芯片即RFID阅读器IC中，以缩小体积，第三个重要的特性是简化用户界面以便于使用。”WJ Communications公司已推出业界第一个多协议UHF RFID阅读器IC，该公司已经和SK电信公司合作在移动电话里提供RFID功能。

图5：WJ Communications公司的Prashant Upreti。

复旦微电子的技术总监李蔚进一步解释道：“RFID手机应该支持掉电模式，即手机电池没电时，仍可以作为卡片进行刷卡操作，这要求RFID器件必须在天线感应的能量下继续工作，这对芯片提出了低功耗设计要求。此外，不同的RFID供应商在保持天线规格、谐振频率、通信灵敏度和抗干扰性的一致性方面存在困难，很容易出现RFID在场区发生死区现象甚至无法读写操作，因此互操作性将是RFID手机推广的核心技术难点。”

实际上，除了技术难题，RFID手机商务模式的实现可能更加困难。面对缺乏成熟的商务模式对RFID应用造成的困扰，复旦微电子开发了智能移动应用平台(SMAP)，该方案针对面向移动运营商的移动增值服务应用和面向行业应用运营商的移动互联网应用，分别提出解决方案，有效保障了不同运营商的利益。

低成本手机应采用谁家的方案？

以往的低成本手机往往只具备简单的话音功能和文字短消息功能，现在越来越多的低成本手机也具备了MP3、拍照、蓝牙等功能。LSI的Roman Polz表示：“超低成本产品(ULC)只能提供基本的电话功能。ULC级以上的产品功能逐渐增多，包括彩色显示屏、GPRS数据功能等。高于ULC级的入门级产品可以获得更强的通信功能，支持GPRS乃至EDGE，而且现在还增加了音乐和拍照功能。”

那么通过什么样的方式才可以不断地推出满足市场要求的低成本手机呢？Polz认为：“就一系列既定的功能而言，可以通过对目标市场领域进行平台优化来确保手机价位易于接受。性能过高会使解决方案过于昂贵，而性能太低又会降低手机的级别，这两种情况都会造成性价比的不匹配。”ADI的Doug Grant则认为：“通过新的基带处理器获得更多的功能，从而省略不再需要的协处理器，中端和低成本手机将能够以较低的成本增加功能。”

事实上，实现高性能的低成本手机不外乎三种办法。第一种方法是通过使用针对目标市场进行了优化的平台来实现低成本手机设计，做到“好钢用在刀刃上”，不闲置任何处理器资源，比如LSI的HPU平台针对WCDMA和EDGE市场进行了精心优化，能以极低成本实现多模调制解调器功能。第二种方法是使用将射频和基带进行集成的单芯片方案，比如英飞凌科技有限公司(Infineon)的第二代ULC单芯片解决方案集成了数字、模拟基带、射频、电源管理、SRAM等，完整的手机模块仅需50颗外围器件。第三种方法是优化整个系统的结构，在基带中集成更多的功能，省去不必要的协处理器，比如ADI公司的AD6721 "Atlas-2H" GPRS基带处理器就具有足够的处理速度，以便能用软件方式，以较低成本处理VGA摄像头和MP3音频回放。而在低成本手机方面，德州仪器(TI)有集成了基带加射频的LoCosto方案、集成了基带加应用处理器的OMAP-Vox方案、集成了基带加射频加应用处理器的eCosto平台提供。

目前很多供应商都提供完整的解决方案，但英飞凌公司认为方案的灵活性对低成本手机也极为重要。方案的完整性能保证客户的研发成本低、上市时间短，而灵活性则以便于客户开发个性化功能，提供附加值给最终用户。

在设计低成本手机时，设计工程师必须确保尽可能多的软件和硬件开发可以被再次使用。如果由于集成度和成本的原因而牺牲灵活性，将导致为某一款低成本手机进行的开发几乎不可能被用于不同价位点上的其它型号上，从而造成设计上的浪费。因此在低成本手机设计上选择具有延续性和复用性的架构非常重要。

另外，鲁棒的射频和功耗性能也是低成本手机设计的关键，因为低成本手机的消费者最看重的依然是高质量的通话功能和优异的射频与功耗特性。可以采用恩智浦半导体等公司经过优化的芯片来实现这些性能，如Nexperia蜂窝系统解决方案5000系列，以及特别适合入门级手机的AeroFONE单芯片方案等。

此外，设计工程师还应注意保持产品的整个生命周期内各个环节的低成本，而不仅仅是单机的低成本。恩智浦半导体的相关人员就表示：“最合适的低成本手机方案应该是最成熟和最稳定的，因为产品的成本不单单取决于硬件成本，更取决于产品生命周期内的整体成本。”