這些采用多種RF技術的手機在給消費者提供“無線”便利的同時，也使手機的系統設計變得愈加復雜。設計工程師不僅要在輕薄短小的手機里放置更多的天線、RF開關、功率放大器(PA)、濾波器，還要處理更加嚴峻的功耗問題，并要面臨如何解決多模手機的切換和射頻隔離、如何提高手機GPS功能的接收靈敏度、如何以方式實現低成本手機等問題。本文將重點關注雙模/多模手機、GPS手機、Wi-Fi手機、RFID手機以及低成本手機的技術發展趨勢和設計挑戰，討論下一代手機對操作系統以及用戶界面的新要求，并與大家分享的半導體廠商和軟件供應商的解決方案。
無縫切換和射頻隔離是WCDMA/EDGE雙模手機的設計關鍵
對于哪種形式的雙模或者多模手機將主導市場的問題，針對不同地域有不同的答案，但業界普遍認為WCDMA/EDGE有望在未來幾年成為主流。“目前的雙模方式是GSM/GPRS和WCDMA，但WCDMA結合EDGE的方式未來有很大市場，預計80%的雙模手機將采用這種組合方式。”LSI公司的移動業務部市場經理Roman Polz表示。
ADI SoftFone-LCR+基帶芯片組包括了數字和模擬基帶處理功能，以及針對TD-SCDMA/GPRS雙模手機的音頻和功率控制。
圖1：LSI公司的Roman Polz。
安華高(Avago)科技有限公司無線半導體事業部市場總監Philip Gadd也持同樣觀點：“GPRS/EDGE和WCDMA雙模將成為主流，當GSM運營商邁向3G時，這些手機已經得到廣泛使用。”
美國模擬器件公司(ADI)射頻和無線部門的業務總監Doug Grant則認為除了WCDMA/EDGE多模外，未來也會存在一些其他的多模方式，比如在中國可能出現TD-SCDMA/EDGE的多模手機，也有些CDMA運營商會引入CDMA+EDGE的雙模手機。
圖2：安華高科技的Philip Gadd。
既然是多模手機，實現不同模式之間的無縫切換就成為基本的要求。目前大多數雙模手機都采用兩套通信系統，用戶通過手動切換選擇使用哪個網絡，這種手動切換的優勢技術實現起來比較容易，成本低、用戶可以自由選擇，特別適合兩個網絡都覆蓋良好的地方。自動切換是指手機將根據信號的強弱在待機和通話狀態下自動切換至信號強的網絡，可以實現兩個網絡之間的無縫切換和漫游，但這種方法對手機和網絡的要求都比較高，目前較少采用。不過，ADI通過在SoftFone-LCR+芯片組中支持多模協議，已經可以實現TD-SCDMA和GPRS之間的自動切換，且不需要任何單獨的基帶處理器。大唐和T3G公司已經推出了多模手機，能實現T網和G網的無縫切換。
“實際上，不同模式之間的切換是一個軟件問題。各種標準都定義了相當清楚的切換過程，只是要求從芯片制造者到軟件提供者都要執行這個協議。當然，在測試環境和實際網絡中都去對參考手機設計進行測試，以確保具有魯棒性的協同工作能力也是十分必要。”Doug Grant表示。
除了網絡間切換問題外，雙模/多模手機設計還面臨其它方面的設計難題。正如銳迪科微電子的副總裁張亮指出的，由于GSM、CDMA和3G各自使用不同的頻率資源，多模手機需要2個或3個RF電路以對應不同的頻帶，但是射頻電路的集成難度較高，這就要解決如何降低射頻電路間干擾、優化共用模塊設計、簡化外圍器件、降低功耗等問題。因此，設計工程師必須從架構選擇、天線設計，以及RF開關、RF功率放大器(PA)、收發器、基帶芯片等器件的選擇及布局布線等方面入手來解決這些問題。
對基帶芯片而言，必須確保架構足夠靈活，能支持的連接技術和具有足夠強大的處理功能，并避免電池耗電過大。Roman Polz還特別指出：“基帶部分必須支持與不同RF技術的連接，從而允許手機制造商能夠自行選擇合適的射頻供應商。”
天線的設計和位置對避免不同模式之間的RF干擾非常重要。支持不同的頻段手機大都需要單獨的天線，即使有幾個天線可以共享，仍需要采用多個濾波器，以防止一些頻段的信號發射對另一些頻帶上高度靈敏的信號接收前端造成干擾。
圖3：ADI公司Doug Grant。
RF開關的實現難點在于線性、隔離和損耗三者之間的權衡。此外，構建T/R開關(強調快速開關和諧波)和構建頻帶選擇開關(強調線性，某些情況下隔離度也很關鍵)兩者之間存在差異，挑戰性的一種開關要同時支持多頻帶、多模EDGE/WCDMA手機。“為解決雙模/多模手機給RF開關帶來的難題，要求將智能電路設計和先進制造工藝巧妙地結合起來。”Skyworks公司的大中華區銷售總監Vincent Wang表示。該公司在集成到其Helios和Intera方案的RF開關中，采用了一種高線性、低插入損耗的偽形態高電子遷移率晶體管(pHEMT)射頻開關工藝，使開關能以很低的插入損耗切換射頻信號。
多模工作方式對PA提出了新的要求，因為不同模式對PA的功率和線性度有不同要求。目前用于EDGE的PA要求高功率、準線性，用于WCDMA PA則要求低功率和高線性度。如果使用線性PA，則在高功率、非線性模式下將損失不少效率。如果嘗試調節極化PA，則因環路帶寬不同，使設計非常困難。Avago使用一種被稱為CoolPAM的架構來優化PA的效率，該架構能使PA根據所需輸出功率調節傳輸路徑，保持極好的線性及很高的效率。
由于目前PA的價格相對便宜，如果要使手機保持小型化，并且電池壽命長，使用獨立優化的PA似乎是方案。但如果使用多個PA，成本和尺寸是必須要考慮的問題，因此的途徑是采用高度集成、高效率的解決方案支持所有關鍵的空中接口和頻段。Skyworks傾向于將PA和RF開關集成到單個、緊湊的前端模塊(FEM)中，并與一個多頻帶收發器組合，構成一個完整的解決方案。該SKY74210收發器采用一種創新的軟件配置架構，能有效實現Tx EGPRS和WCDMA模式共享。
在濾波方面，首先需要考慮手機是采用時分雙工(TDD使用T/R開關)還是頻分雙工(FDD需要一個雙工器)。如果使用多種FDD頻帶，則每一個頻帶都需要一個雙工器，這樣前端走線和降低損耗都比較困難。Doug Grant認為：“在物理層面還是電子層面上保持無線隔離度都是十分重要，濾波器可以起到作用，但更好的方法是采用低輸出噪聲的無線接收裝置，同時保持用于不同業務的天線盡可能遠。”例如，AD6551 Othello-3 CMOS收發器在發射機架構上采用了的低噪聲架構，可節省聲表面濾波器，而運用一個高動態范圍的接收器前端可省略了接收通路上的射頻聲表面濾波器。
靈敏度和低功耗是GPS/Wi-Fi/RFID手機設計的要點
根據In-Stat對北美移動用戶的調查，高質量的地圖和導航服務是3G用戶渴望的功能之一。與獨立的GPS設備相比，整合GPS功能的手機提供了更具經濟效益的解決方案。目前很多高端手機已經具備了GPS導航功能，諾基亞甚至還為此收購了德國的定位軟件公司Gate5。
“GPS是CDMA手機的標準功能，也正在成為UMTS手機的標準功能，并且GPS正在與主芯片組集成，不再只是增加的模塊。”Avago的Philip Gadd表示。
手機中實現GPS可以采用硬件、軟件或者兩者相結合的辦法。SiRF公司的行銷副總裁Kanwar Chadha介紹說：“按照和手機主處理器的依賴程度將其分為四種：
1. 不依賴主機的模塊化GPS引擎：位置計算不依賴主機；
2. 依賴主機的松耦合：一定程度的主機依賴性；
3. 依賴主機的緊密耦合：極強的主機依賴性；
4. 完全集成的IP解決方案：GPS IP集成到主機平臺中。”SiRF針對每一種方法都有相應的解決方案。
但恩智浦(NXP)半導體公司的蜂窩系統產品市場經理Carsten Schimanke則認為結合了軟硬件方法的智能分區方案成本效益。這種方案將對需要大量MIPS處理能力和對時間要求高的部分交由相關器這類專門硬件進行處理，其它操作則由主機處理。在純軟件的處理方案中，主芯片要消耗大量的功率和MIPS處理資源，可能與手機的低功耗和多任務要求產生矛盾。
GPS手機設計問題是手機射頻信號對靈敏度要求極高的GPS信號的干擾。為解決這個問題，首先要從設計能夠耐受其它RF系統干擾的魯棒產品開始。適當地濾波、布局和屏蔽是構建一個魯棒的GPS蜂窩手機設計的極其重要的因素。除了干擾問題，任何GPS系統都面臨提高接收靈敏度，以及實現在建筑物密集的城市街道以及樓宇中有效接收的問題。Carsten Schimanke指出：“實現良好的室內接收效果的關鍵是要實現結合了優異的機械和電器設計的天線，以及與之相關聯的具有優異靈敏度的GPS接收機。”
對于這些問題，SiRF公司推出了如下解決方案：1. SiRF高性能多模AGPS定位平臺SiRFLoc可以借助蜂窩手機或蜂窩手機網絡中任何可以獲得的輔助功能來實現高靈敏度。2. 復雜的GPS信號處理架構和專有算法可以提高在障礙環境中采集和跟蹤GPS信號的潛能。3. SiRF的RF前端和信號處理引擎旨在限度地降低實現損耗和干擾信號的影響。4. 以上各項再結合SiFR復雜的導航算法可使SiRF產品在包括室內的各種環境中實現魯棒的定位。
Wi-Fi也已經進入到了少量的手機當中，預計在未來幾年內，Wi-Fi手機可能會成為一種相當普通的手機，并且可能同時提供其他一些空中接口，如WiMAX、802.20、802.11a等。但不是所有的地區都實現了移動通信網和Wi-Fi網絡之間的完全切換，而提供網絡連接功能的運營商和提供移動網絡的供應商之間的矛盾也為該應用的前景增加了變數。
“切換問題取決于VoWiFi使用的是基于哪種協議的標準，是UMA還是IMS，前者已經定義了切換的機制，而后者的切換方法還在制定過程當中。”Broadcom公司的Wi-Fi電話產品市場總監Monika Gupta表示。
圖4：Broadcom公司的Monika Gupta。
將Wi-Fi功能整合到在手機中的其他問題是功耗、尺寸限制和EMI。飛兆半導體公司(Fairchild)的現場應用工程師Brian Law認為精心設計系統架構及其相關元件對減少干擾十分重要，因此建議采用定制解決方案。比如，NXP公司也已采用的算法和智能化的射頻設計，使GPS、BT、Wi-Fi、NFC、UMTS和EDGE等空中接口可以很好地共存于同一個平臺上，彼此干擾非常小。而Broadcom公司的BCM4325芯片將藍牙、FM廣播和802.11a/b/g Wi-Fi功能集成在一個芯片上，尺寸較藍牙/Wi-Fi分立的解決方案小30%以上，支持IEEE PS、WMM-UAPSD等標準，滿足超低功耗的要求。
非接觸支付和購票(比如用手機充當信用卡)以及服務驅動型應用(比如讀取電影海報信息)這兩大新應用將推動RFID手機市場的發展。從技術角度看，RFID手機設計還面臨降縮小體積、降低功耗、提高互操作性等問題。
“手機是電池供電的設備，因此其重要的一個特性就是需要低功耗。增加RFID功能要盡可能小的影響手機的電池使用時間。”WJ Communications公司的全球市場經理Prashant Upreti表示，“RFID手機的另外一個必須特性是RFID閱讀器要被縮小進一個芯片即RFID閱讀器IC中，以縮小體積，第三個重要的特性是簡化用戶界面以便于使用。”WJ Communications公司已推出業界個多協議UHF RFID閱讀器IC，該公司已經和SK電信公司合作在移動電話里提供RFID功能。
圖5：WJ Communications公司的Prashant Upreti。
復旦微電子的技術總監李蔚進一步解釋道：“RFID手機應該支持掉電模式，即手機電池沒電時，仍可以作為卡片進行刷卡操作，這要求RFID器件必須在天線感應的能量下繼續工作，這對芯片提出了低功耗設計要求。此外，不同的RFID供應商在保持天線規格、諧振頻率、通信靈敏度和抗干擾性的一致性方面存在困難，很容易出現RFID在場區發生死區現象甚至無法讀寫操作，因此互操作性將是RFID手機推廣的核心技術難點。”
實際上，除了技術難題，RFID手機商務模式的實現可能更加困難。面對缺乏成熟的商務模式對RFID應用造成的困擾，復旦微電子開發了智能移動應用平臺(SMAP)，該方案針對面向移動運營商的移動增值服務應用和面向行業應用運營商的移動互聯網應用，分別提出解決方案，有效保障了不同運營商的利益。
低成本手機應采用誰家的方案？
以往的低成本手機往往只具備簡單的話音功能和文字短消息功能，現在越來越多的低成本手機也具備了MP3、拍照、藍牙等功能。LSI的Roman Polz表示：“超低成本產品(ULC)只能提供基本的電話功能。ULC級以上的產品功能逐漸增多，包括彩色顯示屏、GPRS數據功能等。高于ULC級的入門級產品可以獲得更強的通信功能，支持GPRS乃至EDGE，而且現在還增加了音樂和拍照功能。”
那么通過什么樣的方式才可以不斷地推出滿足市場要求的低成本手機呢？Polz認為：“就一系列既定的功能而言，可以通過對目標市場領域進行平臺優化來確保手機價位易于接受。性能過高會使解決方案過于昂貴，而性能太低又會降低手機的級別，這兩種情況都會造成性價比的不匹配。”ADI的Doug Grant則認為：“通過新的基帶處理器獲得更多的功能，從而省略不再需要的協處理器，中端和低成本手機將能夠以較低的成本增加功能。”
事實上，實現高性能的低成本手機不外乎三種辦法。種方法是通過使用針對目標市場進行了優化的平臺來實現低成本手機設計，做到“好鋼用在刀刃上”，不閑置任何處理器資源，比如LSI的HPU平臺針對WCDMA和EDGE市場進行了精心優化，能以極低成本實現多模調制解調器功能。第二種方法是使用將射頻和基帶進行集成的單芯片方案，比如英飛凌科技有限公司(Infineon)的第二代ULC單芯片解決方案集成了數字、模擬基帶、射頻、電源管理、SRAM等，完整的手機模塊僅需50顆外圍器件。第三種方法是優化整個系統的結構，在基帶中集成更多的功能，省去不必要的協處理器，比如ADI公司的AD6721 "Atlas-2H" GPRS基帶處理器就具有足夠的處理速度，以便能用軟件方式，以較低成本處理VGA攝像頭和MP3音頻回放。而在低成本手機方面，德州儀器(TI)有集成了基帶加射頻的LoCosto方案、集成了基帶加應用處理器的OMAP-Vox方案、集成了基帶加射頻加應用處理器的eCosto平臺提供。
目前很多供應商都提供完整的解決方案，但英飛凌公司認為方案的靈活性對低成本手機也極為重要。方案的完整性能保證客戶的研發成本低、上市時間短，而靈活性則以便于客戶開發個性化功能，提供附加值給終用戶。
在設計低成本手機時，設計工程師必須確保盡可能多的軟件和硬件開發可以被再次使用。如果由于集成度和成本的原因而犧牲靈活性，將導致為某一款低成本手機進行的開發幾乎不可能被用于不同價位點上的其它型號上，從而造成設計上的浪費。因此在低成本手機設計上選擇具有延續性和復用性的架構非常重要。
另外，魯棒的射頻和功耗性能也是低成本手機設計的關鍵，因為低成本手機的消費者看重的依然是高質量的通話功能和優異的射頻與功耗特性。可以采用恩智浦半導體等公司經過優化的芯片來實現這些性能，如Nexperia蜂窩系統解決方案5000系列，以及特別適合入門級手機的AeroFONE單芯片方案等。
此外，設計工程師還應注意保持產品的整個生命周期內各個環節的低成本，而不僅僅是單機的低成本。恩智浦半導體的相關人員就表示：“合適的低成本手機方案應該是成熟和穩定的，因為產品的成本不單單取決于硬件成本，更取決于產品生命周期內的整體成本。”
下一代手機的操作系統需要支持多核
越來越多的應用對手機的操作系統和軟件開發平臺提出了更高的要求，這體現在操作系統及其開發平臺需要支持復雜的上層應用和常見的多處理器系統，應具備以下特性：
1. 可以幫助實現智能手機的功能特性；
2. 滿足3G手機對非常復雜的上層應用的支持；
3. 對多處理器系統的支持；
4. 具有優良的電源管理功能。
5. 支持靈活的用戶界面。
“由于3G的出現，智能手機代表了移動設備的未來。軟件將一直在智能手機技術開發中發揮關鍵作用，因為只有通過軟件才能實現智能手機的功能和特性。”微軟移動通信事業部亞太及大中國區主任產品經理宋煒柯表示。該公司Windows Mobile是一個完美的、功能強大的平臺，它不僅在智能手機中實現了PC的功能與特性，還提供了一整套工具和一致、靈活、強大的開發環境，從而幫助在各種設備上開發創新的應用與服務。
3G手機必須支持非常復雜的上層應用，如高速數據下載、手機電視等。針對這些要求，Enea(中國)技術市場經理張永軍表示：“這要求操作系統平臺不僅要可靠、容易使用，還要具備良好的電源管理機制、完善的調電保護機制、支持空中下載(OTA)等，同時要非常容易地和第三方的上層應用軟件集成。另外，隨著手機中多CPU/DSP的增加，對多核系統的支持也成為必然。”
Enea公司OSE的內核可以同時支持ARM和DSP，兩個版本的API幾乎一樣，從而使ARM上的代碼和DSP上的代碼可以非常容易地相互移植。OSE支持分布式系統的模塊LINX使用戶非常容易地對多核系統進行編程，如同在一個CPU里編程一樣。針對智能手機的應用，該公司還推出了單CPU方案：即1個ARM內核同時運行OSE和Linux兩個操作系統，其中協議棧等對實時性能要求高的部分運行在OSE RTOS上，其它的對實時性能要求不高的應用運行在Linux上，這樣即解決了Linux的GPL問題(如果協議棧直接運行在Linux內核上，GPL要求公開協議棧)，又使客戶節省了1個內核或芯片，大大降低了成本。
圖6：奇趣科技的Benoit Schillings。
多核技術可以提供更高的處理器性能、更有效的電源利用率，并且占用更少的物理空間，因而具有許多單核處理器無法具備的優勢。但多核與多處理技術的引入為系統調試帶來了許多新的挑戰，因為系統復雜度不斷增加，要通過優化硬件和軟件來充分發揮其中的性能潛力，難度就更大了。
“為充分發揮多核以及多處理解決方案的潛能，僅僅依靠強有力的芯片是不夠的，還需要采用新的編程方法和調試工具，確保軟件和硬件開發人員在完整的多核系統環境中展開調試工作，同時對‘編譯—編輯—調試’的流程進行優化。”風河系統公司中國區總經理韓青說。該公司的JTAG解決方案，即Workbench On-Chip Debugging，是以集中化的方式來實現多核和多處理的調試功能，這個解決方案可以在單一掃描鏈(Scan Chain)中同時調試多達8個內核。
當選擇平臺設計操作系統時，必須要考慮平臺的可移植性和靈活性。奇趣科技的Qtopia支持ARM、SH、MIPS和其他硬件架構，只需要很少的資源便可使Qtopia運行于新的硬件平臺上。如果平臺足夠靈活，還可以方便地替換掉不具競爭力的應用，以更好滿足客戶需求，降低開發成本和生產成本。
“為滿足不同運營商需求以及進行客戶細分，支持靈活的用戶界面(UI)的解決方案非常重要。”奇趣科技的首席技術官Benoit Schillings表示。用戶可能要求在內有不同的用戶界面，比如工作時間一個用戶界面，工作外時間是另外一個用戶界面，因此運營商和手機銷售商要求一個開放、靈活、易用、易開發的軟件平臺。具有本地瀏覽器引擎，從而使用戶界面、應用和服務成為手機的一部分，將成為基本需求。