探讨低成本GSM手机的解决之道
蜂窝手机日渐成熟,2005年销售量超过7.5亿部。整个手机市场可分为两类,一类是发达国家中购买升级换代手机的老用户,另一类是发达国家和发展中国家中购买第一部手机的新用户。升级换代的市场要求手机具有更多的新功能,包括增强的音频和视频功能,以便利用先进的空中接口,因为网络从GSM演变到GPRS、EDGE,一直到3G。这个市场还需要多模功能的手机——在一个手机中包括多种蜂窝标准或者集成不同的无线通信技术。据GSM协会(GSMA)分析,手机是影响新兴(新用户)市场购买力的最大障碍。为了应对新兴市场的巨大需求,GSMA于2005年2月发布了新兴市场手机(EMH)计划。EMH计划试图利用GSM的全球化来推动新的超低成本手机市场细分,目标就是以30美元甚至更低的成本提供具备基本功能的GSM手机。
实际上,这个市场可能会成为蜂窝业界的焦点。Merril Lynch分析公司已经详细说明了他们称之为八个新兴的国家的E-8 group。这些国家包括孟加拉国、中国、埃及、印度、印度尼西亚、尼日利亚、巴基斯坦和越南,各国都超过7千万,但是移动电话普及率不到30%。据Merrill Lynch估计,这些国家从2005年到2010年将为全球蜂窝手机市场贡献7亿多新用户。
服务于这个超低成本市场的手机要求有成熟的并且经过验证的技术。这些手机需要具有适合本地制造的现成解决方案,并且考虑到多种市场的本地化需求。
支持GSMA的EMH计划的愿望引起了蜂窝业界的强烈关注,解决超低成本市场问题对业界的半导体厂商影响最大。实际上,好几家半导体公司为了迎接提供30美元手机这个挑战,都正在尝试修改其蜂窝手机体系结构以便优化成本和性能。
1、典型的蜂窝手机体系结构
在EMH计划出台之前,低成本蜂窝电话的半导体器件通常由5个关键元件组成,如图1所示,包括射频(RF)收发器、功率放大器(PA)、模拟基带、数字基带和系统存储器。
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图1 2005年典型低成本蜂窝手机的半导体器件组成
射频(RF)收发器的功能是运用适当的信号处理对由天线检测到信号进行模数转换和数字处理。收发器通常采用直接变频或者低中频(IF)体系结构来实现。它还要对信号进行调理以便发送到天线上。PA将发射信号放大到适当的幅度,以便将信号从手机发送到基站。
模拟基带部分完成接收信号的模数转换和发射信号的数模转换。另外手机中音频处理和电源通常也在这里实现。
数字基带部分包括一个数字信号处理器(DSP)、微控制器(MCU)、片上存储器和片上外围设备,包括液晶显示器、键盘和SIM卡接口等等。
这部分还包括容量适中的闪存和静态随机存储器(SRAM)。图1所示的带通滤波器 (BPF)和收发(T/R)开关模块为RF信号处理提供适当的带通滤波和收发开关。
为了降低图1所示系统的成本,各半导体公司研究了各种不同成度的系统集成。至少有一家公司试图将RF收发器、模拟基带和数字基带功能集成到单个硅片上。
与这种方法相关的技术风险是巨大的。其中有两大难题需要解决。第一是集成电路对射频性能的影响。RF电路处理的是从天线上接收的微伏级(μV)信号。当电压相对较高的高频时钟信号和数字基带部分中其它信号都与RF电路集成在同一个硅片中时,要充分隔离RF信号会是很大的挑战。RF信号的恶化会影响射频信号的灵敏度,此外,任何数字开关噪声耦合到射频发射部分都会导致发射噪声增加,它会干扰其它的手机用户,并且这是一项严格控制的指标。这些关键参数受到干扰的结果将直接影响到用户的音频质量,或者会妨碍手机获得认证机构的批准。无论哪种情况,芯片中存在上述问题的手机都不可能得到市场的认可。
第二个需要解决的难题就是要应对半导体芯片封装的散热需求。在单芯片内具有如此多的信号处理活动,产生的热量可能会超过芯片可靠工作的程度。正是因为这个原因,有些半导体公司已经从芯片中去掉了电源管理功能。因此,他们已经将单芯片解决方案增加为双芯片解决方案。
这种双芯片解决方案虽然解决了散热问题,但是,仍然存在着如何实现最佳RF功能的问题。
2、一种低风险、低成本的解决方案
美国模拟器件公司已经推出了一种不同的体系结构,在解决了上述两个关键的技术难题的同时,也是一种高度集成解决方案。RF功能保持独立,采用的是获奖的AD6548 Othello-G RF收发器。该芯片是ADI公司创建的Othello?誖直接变频系列RF收发器IC中的最新一代产品。ADI公司的AD6720将数字基带和包括电源管理功能的模拟基带处理器集成到单芯片中。
采用这种方法就消除了上述体系结构中存在的风险,同时也解决了对超低成本市场至关重要的成本问题。这种采用两颗芯片实现的手机体系结构方框图如图2所示。
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图2 基于ADI公司Othello-G收发器和AD6720模拟基带和数字基带处理器的超低成本手机
3、 ADI公司的
AD6548 Othello-G RF收发器
如果运用恰当的布线方法和最高集成度的元件,采用Othello-G收发器就可以实现有效面积仅为1.5 cm2的RF电路。Othello-G解决方案实现一个完整的双频、三频甚至四频RF电路仅需26个元件,其中大多数都是去耦电容。此设计仅需要3个关键元件:Othello-G收发器,一个集成的'收发开关和PA,以及一个集成匹配功能的声表(SAW)滤波器模块。
Othello-G收发器采用5 mm×5 mm的32引脚架构芯片级封装(LFCSP)。它包含一个直接变频的接收器部分、一种平移环路发射器体系结构、一个小数N分频锁相环频率合成器、集成的电源管理部分和内置晶体振荡器以及校准系统。该体系结构如图3所示。
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图3 ADI公司的AD6548 Othello-G框图
选择直接变频接收器体系结构, 将RF信号直接转换到基带,无需在中频进行信号处理和滤波,这样有很多的好处。首先,中频的消除降低了接收器路径的复杂度和成本,因为取消了中频滤波和增益电路。其次,由于只有一次频率转换,所以仅仅需要一个本地振荡器,从根本上避免了镜像频率。最后,当,基带增益和滤波电路的工作电流要低于采用中频和片上滤波器的电路。接收器体系结构集成了四个低噪声放大器,可支持全球GSM系统所采用的全部四个频带——850,900,1800和1900 MHz。
独立收发器的一个主要优势就是极高的灵敏度。Othello-G射频电路能达到-110 dBm的灵敏度(在天线端口测得),优于手机通过认证所需的最低指标-105 dBm整整5 dB。这在低成本手机中是一个巨大的优势,因为销售此类产品的许多国家都布署为数不多的基站,优良的灵敏度使用户在远离基站的地方也可以保证通话质量。
发射体系结构的一个关键要求就是手机不应该降低其它用户频谱的质量。因此,发射器必须严格遵循GSM频谱模板要求,这样才能避免接收频带中出现不必要的杂散输出或噪声。Othello-G收发器中采用的平移环路体系结构实现了上述目标,而且在发射电路部分无需外部滤波器。
Othello-G体系结构还采用了一个小数N分频频率合成器以便产生发射和接收本振信号。它利用其全集成的环路滤波器、压控振荡器和阵列电路,可以快速锁定频率。它还在片内集成了一个晶体振荡器和阵列系统,从而无需传统的外部压控温度补偿晶体振荡器。Othello-G收发器中集成了完整的电源管理功能,可以直接连接电池并且无需外部元件,降低了复杂度。对该器件的控制,是通过一个通用串行接口总线来实现的。
4、ADI公司的AD6720集成的
模拟和数字基带处理器
AD6720是一个完全集成的基带处理器芯片,实现了典型的分立的模拟基带和数字基带处理器的全部功能。其高度可编程的体系结构和先进的通信电路为系统设计工程师提供了充分的灵活性。它可以通过修改软件以适应由于标准的变化和多种标准手机应用引起的严格要求。它采用一种先进的289球形焊点的12 ×12 mm的球栅阵列(BGA)封装。
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图4 AD6720集成模拟和数字基带处理器框图
AD6720的数字基带功能继承了ADI公司提供的受到业界公认和经过现场认证的SoftFone体系结构,目前有上百款手机在全世界网络中使用。它包括DSP,MCU,片上SRAM存储器,I/O控制和外围设备子系统。模拟基带功能包括控制、基带和话音ADC和DAC,以及音频子系统和时钟,还有电源和电池管理。
数字基带部分采用ADSP218x DSP内核,这在ADI公司前几代的AD20msp430 SoftFone系列GSM数字基带处理器中是很普遍的。在1.8 V电源条件下,DSP工作的时钟速率可以高达91 MHz,从而可支持全速率(FR)、增强全速率(EFR)、半速率(HR)和自适应多速率(AMR)语音的编码和解码算法。ARM7内核的MCU子系统支持GSM协议栈软件、MMI软件以及测试和维护等业务。
存储器子系统包括1 Mb的片上SRAM存储器。这个相对较小的存储器对于支持新兴手机市场的低成本需求是至关重要的。外围设备子系统包括带有闹钟的实时时钟,支持诸如键盘、闪存接口、1.8 V和3 V SIM卡接口以及并行和串行显示器接口等主要外围设备。
模拟基带部分实现可编程背光灯控制、可编程电源和时钟管理。音频部分实现8 kHz和16 kHz的话音编解码、麦克风偏置和音频PA,这些功能对正常的语音操作都是必不可少的。电源管理部分包括蜂窝终端工作所需要的电压调节器和先进管理算法以便保证好的待机和通话时间——一般情况下待机时间为350小时,通话时间为4小时或者更长。
为了帮助手机供应商解决面市时间问题,ADI公司提供一个完整的开发平台———带有GSM协议栈Mercury参考平台,。该平台是一种功能完整的入门级手机,支持黑白或彩色显示屏。开发商可以按照要求修改并定制该平台。
5、灵活性是关键
AD6548 Othello-G RF收发器和AD6720基带处理器的结合具有极大的灵活性,可以开发出能支持多样化市场的手机。只要一个黑白显示屏,就可以成为一个支持话音和短信息业务(SMS)功能的低成本手机。如果再在这个基本的平台上增加外部存储器,就可以开发出一个适合发达国家的支持彩色显示屏以及话音和SMS功能的入门级手机,。如果有更多的外部存储器,除了支持上述功能以外,还可以支持GPRS(达到多时隙12级)和WAP浏览器,从而能支持运营商增值业务,例如下载铃声、墙纸等等。增加一个应用处理器,以及一个高级操作系统(例如Symbian,Microsoft Windows Mobile或Linux操作系统),就能实现智能手机的全部功能,如图5所示。
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图5 适合发展中国家的超低成本手机(满足GSMA的EMH计划)
手机开发商一直试图以最小的开发解决多种终端市场的需求。为满足这种需求,一个具有很强适应能力的平台允许手机开发商重复利用其硬件和软件投资。Othello-G和AD6720平台的使用灵活性有助于手机开发商很好地满足这种需求。
6、结论
低端手机市场为蜂窝手机市场提供了巨大的增长机遇。为了降低手机的成本结构,半导体芯片供应商需要系统集成度高的低风险解决方案。将RF收发器功能和数字基带及模拟基带功能集成在一起,要获得满意的性能水平会带来很大的风险。ADI公司已经开发出了一种高集成度的RF解决方案并且集成了模拟基带和数字基带处理器,从而使得手机开发商能够以低风险、高度的灵活性和快速的面市时间满足低成本手机市场的需求。
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