超低成本手機(jī)發(fā)展和射頻接收器所扮演的角色

1、超低成本手機(jī)發(fā)展和射頻接收器所扮演的角色Gary LevySilicon Laboratories Inc.手機(jī)銷售前景日益看好，行動(dòng)終端裝置在大眾市場(chǎng)的復(fù)合年成長(zhǎng)率又很驚人，這兩項(xiàng)因素讓超低成本手機(jī)市場(chǎng)近來(lái)突然成為當(dāng)紅炸子雞。超低成本手機(jī)的主要銷售對(duì)象是現(xiàn)雖已在無(wú)線通訊涵蓋范圍內(nèi)，卻缺少適當(dāng)產(chǎn)品來(lái)享受無(wú)線通訊好處的全球近30億使用者。手機(jī)設(shè)計(jì)人員或許認(rèn)為只要犧牲部份的效能、功能或質(zhì)量來(lái)?yè)Q取低成本零件，就能發(fā)展出超低成本手機(jī)滿足這些使用者的要求，但超低成本手機(jī)的產(chǎn)品定義其實(shí)沒(méi)那么簡(jiǎn)單，例如無(wú)線電芯片組就可能因?yàn)榻档统杀疽蠖艿侥承┮馔庥绊?。事?shí)上，手機(jī)射頻電路雖占整體零件用料不到一成，射頻技

2、術(shù)最近的許多進(jìn)步卻為GSM/GPRS超低成本手機(jī)市場(chǎng)帶來(lái)直接好處，其它領(lǐng)域的手機(jī)設(shè)計(jì)也能利用這些優(yōu)點(diǎn)。因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)進(jìn)一步了解射頻電路在超低成本手機(jī)產(chǎn)品定義中所扮演的角色，并且掌握射頻前端和參考頻率界面的發(fā)展趨勢(shì)以及收發(fā)器組件的效能、制造和良率等相關(guān)特性。GSM/GPRS技術(shù)是當(dāng)前最主要的行動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)，全球GSM用戶總數(shù)現(xiàn)已成長(zhǎng)超過(guò)13億人，其余大約還有50億人至今沒(méi)有行動(dòng)電話，40億人無(wú)法享受固定線路通訊服務(wù)。根據(jù)GSM協(xié)會(huì)的研究，全球雖有八成人口已在無(wú)線訊號(hào)涵蓋范圍，卻只有兩成五有能力使用無(wú)線通訊，這表示尚未獲得適當(dāng)支持的市場(chǎng)就有將近30億人。就發(fā)展中市場(chǎng)而言，消費(fèi)者有無(wú)能力負(fù)擔(dān)手機(jī)是未來(lái)

3、用戶成長(zhǎng)的最大關(guān)鍵。消費(fèi)者對(duì)于行動(dòng)電話的負(fù)擔(dān)能力是由手機(jī)成本 (包含經(jīng)銷費(fèi)用)、服務(wù)內(nèi)容、法規(guī)環(huán)境和稅制結(jié)構(gòu)決定，業(yè)界根據(jù)這些要求將超低成本手機(jī)定義為：提供雙頻GSM語(yǔ)音和SMS服務(wù)、沒(méi)有封包數(shù)據(jù)功能、功能最精簡(jiǎn)和零售價(jià)格低于30美元；除此之外，手機(jī)的某些效能還必須在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留適當(dāng)空間，例如靈敏度就很重要。制造商對(duì)于手機(jī)的質(zhì)量和良率也要特別注意，確保其成本結(jié)構(gòu)符合長(zhǎng)期量產(chǎn)要求。根據(jù)預(yù)測(cè)，EDGE和W-CDMA手機(jī)銷售量在2007年到2009年間將以每年3億只的速度成長(zhǎng)，GSM/GPRS手機(jī)則會(huì)以每年2億只的速度成長(zhǎng)直到2008年，且其整體銷售量的很大一部份會(huì)來(lái)自新興市場(chǎng)的低成本手機(jī)。除了市場(chǎng)成

4、長(zhǎng)預(yù)測(cè)外，GSM協(xié)會(huì)的研究還顯示一旦業(yè)者解決了消費(fèi)者對(duì)于手機(jī)負(fù)擔(dān)能力的問(wèn)題，2007年到2009年間的用戶成長(zhǎng)速度就會(huì)從每年1.81億人增加為3.21億人；換言之，超低成本手機(jī)市場(chǎng)的出現(xiàn)有可能大幅改變手機(jī)產(chǎn)業(yè)的整個(gè)生態(tài)。超低成本手機(jī)并非以特定技術(shù)或方法來(lái)解決消費(fèi)者對(duì)于手機(jī)負(fù)擔(dān)能力的問(wèn)題，而是透過(guò)多種策略構(gòu)成的一套程序來(lái)加速降低手機(jī)的總持有成本，例如選擇用料成本最低、整合度最高和外部零件最少的無(wú)線電就是顯而易見(jiàn)的做法。從系統(tǒng)角度分析消費(fèi)者對(duì)于手機(jī)的負(fù)擔(dān)能力也很重要，此時(shí)靈敏度就是會(huì)受到收發(fā)器效能影響的超低成本手機(jī)參數(shù)，這是因?yàn)橄到y(tǒng)靈敏度會(huì)直接沖擊網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和效率、使用者的實(shí)際感受以及包含無(wú)線電

5、前端組件選擇和成本在內(nèi)的手機(jī)設(shè)計(jì)考慮。電信業(yè)者和手機(jī)制造商都重視靈敏度，因?yàn)樗苯佑绊懯謾C(jī)通話質(zhì)量。就理論而言，可持續(xù)接收微弱訊號(hào)的手機(jī)將能提供優(yōu)于其它產(chǎn)品的話質(zhì)，通話中斷現(xiàn)象也會(huì)變得更少，例如服務(wù)供應(yīng)以及斷線等問(wèn)題都會(huì)減少。就實(shí)際而言，更良好的靈敏度讓手機(jī)擁有更寬廣的收訊范圍，就算在基地臺(tái)涵蓋區(qū)邊界亦復(fù)如此，它對(duì)訊號(hào)衰弱的現(xiàn)象也具有更良好的抵抗能力。隨著手機(jī)靈敏度增加，電信業(yè)者將能以更低的基礎(chǔ)設(shè)施成本提供所要求的通訊覆蓋范圍，這對(duì)超低成本手機(jī)市場(chǎng)的電信公司尤其重要，因?yàn)樗麄兛梢詫⒒嘏_(tái)和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的投資減至最少，藉以彌補(bǔ)這個(gè)市場(chǎng)不算太高的用戶平均營(yíng)收 (ARPU)。就產(chǎn)品層級(jí)而言，靈敏度也

6、是手機(jī)制造商的關(guān)注焦點(diǎn)，因?yàn)樗c制造設(shè)計(jì)和生產(chǎn)余幅 (production margin) 以及手機(jī)通話質(zhì)量息息相關(guān)，例如天線設(shè)計(jì)就會(huì)對(duì)等向接收靈敏度產(chǎn)生很大影響。內(nèi)建天線的做法雖日益收到歡迎，但它們也讓設(shè)計(jì)更困難，天線的位置、體積、造型和效能通常必須做出某些犧牲才能達(dá)到手機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)要求。圖1所示的GSM無(wú)線電訊號(hào)流程可以說(shuō)明收發(fā)器對(duì)于超低成本手機(jī)設(shè)計(jì)的影響。執(zhí)行接收作業(yè)時(shí)，天線開(kāi)關(guān) (ASM) 將輸入訊號(hào)轉(zhuǎn)送至適當(dāng)?shù)腟AW濾波器以便選擇頻帶，ASM和SAW濾波器都會(huì)對(duì)接收訊號(hào)造成插入損耗 (IL)，故須將其列入考慮。在SAW和收發(fā)器之間有個(gè)輸入匹配電路，用來(lái)讓SAW輸出將最大電壓或功率送至

7、收發(fā)器的低噪聲放大器輸入端，收發(fā)器會(huì)將射頻訊號(hào)降頻轉(zhuǎn)換至中頻，再混波降頻轉(zhuǎn)換成為基頻 (另一種做法是直接轉(zhuǎn)換至直流)，然后選擇適當(dāng)?shù)慕邮疹l帶。在這個(gè)過(guò)程里，收發(fā)器和輸入匹配電路都會(huì)造成接收訊號(hào)劣化，其程度就定義為噪聲指數(shù) (NF)。收發(fā)器和基頻系統(tǒng)還會(huì)透過(guò)基頻界面相互傳送語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信息。了解超低成本手機(jī)的操作原理和系統(tǒng)影響后，設(shè)計(jì)人員為這類產(chǎn)品或其它任何手機(jī)選擇收發(fā)器時(shí)就應(yīng)尋找噪聲指數(shù)最低的收發(fā)器。收發(fā)器若能預(yù)留充分的噪聲指數(shù)空間，手機(jī)設(shè)計(jì)人員就能選擇適當(dāng)?shù)那岸肆慵约鞍ˋSM和SAW在內(nèi)的接收訊號(hào)鏈以便在成本和插入損耗之間取得最佳平衡，這能進(jìn)一步減少手機(jī)的零件用料。圖1：GSM無(wú)線電的靈敏

8、度計(jì)算把兩個(gè)SAW濾波器整合在一起的雙SAW模塊不但能取代兩顆SAW濾波組件，成本也比它們降低大約兩成，這是因?yàn)殡pSAW模塊所消耗的生產(chǎn)材料比較少。雙SAW模塊雖能將電路板使用面積減少四成五 (從兩顆1.4 × 2.0毫米的濾波器變?yōu)橐活w1.6 × 2.0毫米的濾波器)，但某些廠商進(jìn)行整合時(shí)也可能造成濾波器效能略為下降，例如插入損耗或漣波都可能增加，這會(huì)影響系統(tǒng)靈敏度和降低阻隔訊號(hào)衰減能力，進(jìn)而對(duì)GSM手機(jī)的全型認(rèn)證產(chǎn)生沖擊。收發(fā)器若能提供足夠的噪聲指數(shù)余幅 (NF margin) 和強(qiáng)大的阻隔效能，這些潛在影響對(duì)于系統(tǒng)層級(jí)的沖擊就會(huì)變得微不足道。改善噪聲指數(shù)效能后，設(shè)計(jì)人

9、員就能以成本較低的多層陶瓷電感做為低噪聲放大器的輸入阻抗匹配。工程師過(guò)去大都以線繞或線圈電感做為輸入阻抗匹配，因?yàn)樗鼈兊母逹值提供最好的阻抗匹配效果。多層陶瓷電感的成本雖比線繞電感減少七成五，但是Q值也比較低，通常這會(huì)造成收發(fā)器的噪聲指數(shù)增加。專為低Q值輸入阻抗匹配而設(shè)計(jì)的低噪聲指數(shù)收發(fā)器則能將噪聲指數(shù)劣化程度限制在容忍范圍內(nèi)，同時(shí)讓客戶享受電感成本降低的好處。收發(fā)器會(huì)將參考振蕩器界面的頻率訊號(hào)與外部石英晶體產(chǎn)生的頻率訊號(hào)同步，同時(shí)將系統(tǒng)頻率提供給基頻單元。多年來(lái)，設(shè)計(jì)人員都是利用成本昂貴的電壓控制型溫度補(bǔ)償式石英振蕩器 (VC-TCXO) 來(lái)維持目標(biāo)振蕩頻率，但現(xiàn)在越來(lái)越多手機(jī)開(kāi)始采用成本更

10、低和體積更小的替代方案，像是包含電壓控制型石英振蕩器 (VCXO) 或者完全整合式數(shù)控石英振蕩器 (DCXO) 的收發(fā)器。VCXO可以利用標(biāo)準(zhǔn)AT-cut石英晶體、變?nèi)萜骱碗娙萜魅〈杀炯s0.95美元的VC-TCXO振蕩器，整合式DCXO電路則把3.2 × 2.5毫米石英晶體 (售價(jià)0.35美元) 以外的所有外部零件整合在一起，這不但讓零件用料減至最少，也不必在生產(chǎn)在線校準(zhǔn)變?nèi)萜?。如圖2所示，整合這些功能雖不是新想法，但目前只有少數(shù)收發(fā)器廠商成功量產(chǎn)這類組件。圖2：參考振蕩器界面的整合趨勢(shì)概念圖收發(fā)器若采用已經(jīng)考驗(yàn)的DCXO振蕩器，內(nèi)建電容調(diào)整范圍又很寬廣，則可考慮搭配體積較大的3.

11、2 × 5.0毫米石英晶體，這能在短期內(nèi)省下10%的石英晶體成本。由于超低成本手機(jī)已將功能減至最少，體積略增的石英晶體應(yīng)不會(huì)造成任何困擾。值得注意的是，體積較大的石英晶體雖然成本較低，但這只是廠商為了回收技術(shù)投資成本和轉(zhuǎn)移生產(chǎn)線所造成的短暫現(xiàn)象。大陸和臺(tái)灣雖有許多新進(jìn)石英晶體廠商，但他們的產(chǎn)品體積比主要石英晶體廠商落后一個(gè)世代，故須為其3.2 × 5.0毫米石英晶體提供更大折扣才能搶攻市場(chǎng)。就長(zhǎng)期而言，體積更大的封裝必然需要更高的材料成本，這將使得3.2 × 5.0毫米和3.2 × 2.5毫米石英晶體之間的價(jià)差出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。不管石英晶體體積的供需關(guān)系為何，只

12、要讓收發(fā)器搭配成功量產(chǎn)的DCXO振蕩器就能節(jié)省電路板面積，同時(shí)將產(chǎn)品的零件用料減至最少。就收發(fā)器的生產(chǎn)而言，各種制程技術(shù)都應(yīng)列入選擇以確保獲得可行的商業(yè)模式，同時(shí)滿足超低成本手機(jī)市場(chǎng)的成本要求。在這場(chǎng)角逐中，CMOS如預(yù)期般成為最適合手機(jī)組件的制程技術(shù)，這是因?yàn)镃MOS采用更精密的微影制程，所以CMOS收發(fā)器的晶粒面積和生產(chǎn)成本都小于硅鍺BiCMOS和硅晶BiCMOS技術(shù)。不幸的是，CMOS有時(shí)也會(huì)造成某些設(shè)計(jì)困難，例如實(shí)作某些復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)可能無(wú)法提供所要求的Q值、無(wú)法針對(duì)基材耦合提供最佳隔離效果或減少寄生參數(shù)導(dǎo)致的高頻訊號(hào)衰減，這些問(wèn)題在需要強(qiáng)大射頻效能和大規(guī)模數(shù)字功能整合的設(shè)計(jì)中特別嚴(yán)重。然

13、而在過(guò)去幾年里，已有某些CMOS GSM收發(fā)器克服這些設(shè)計(jì)困難將許多功能整合在一起，并在市場(chǎng)上成功銷售和創(chuàng)造可觀利潤(rùn)。由于手機(jī)基頻功能也采用CMOS技術(shù)，這種創(chuàng)新方式將能為射頻、基頻和電源管理功能的真正單芯片整合奠定基礎(chǔ)。超低成本手機(jī)市場(chǎng)需求也對(duì)使用者滿意度和手機(jī)質(zhì)量造成挑戰(zhàn)，這是因?yàn)殡娦艠I(yè)者必須使用翻修過(guò)的電信設(shè)備、縮減基礎(chǔ)設(shè)施建置規(guī)模和減少售后服務(wù)來(lái)壓低營(yíng)運(yùn)成本。由于報(bào)酬率很低，業(yè)者需要質(zhì)量更高和效能更強(qiáng)大的手機(jī)來(lái)彌補(bǔ)不足，這在手機(jī)制造商和第一層供貨商繼續(xù)運(yùn)用其品牌優(yōu)勢(shì)時(shí)尤為重要。舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)采用某種收發(fā)器的手機(jī)良率可達(dá)到94%，另一種收發(fā)器則能將良率提高為95%，若這款超低成本手機(jī)的售價(jià)為30美元，就表示兩種收發(fā)器的良率差異可能造成每只手機(jī)損失或省下0.30美元，這對(duì)利潤(rùn)本來(lái)就很微薄的超低成本手機(jī)是極大區(qū)別。采用高產(chǎn)量制造設(shè)計(jì)和CMOS高整合度的收發(fā)器在這場(chǎng)競(jìng)賽中將享有最大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楦哒隙炔坏珳p少外部零件數(shù)目，還能讓