超低成本手機發(fā)展和射頻接收器所扮演的角色

1、超低成本手機發(fā)展和射頻接收器所扮演的角色Gary LevySilicon Laboratories Inc.手機銷售前景日益看好，行動終端裝置在大眾市場的復(fù)合年成長率又很驚人，這兩項因素讓超低成本手機市場近來突然成為當紅炸子雞。超低成本手機的主要銷售對象是現(xiàn)雖已在無線通訊涵蓋范圍內(nèi)，卻缺少適當產(chǎn)品來享受無線通訊好處的全球近30億使用者。手機設(shè)計人員或許認為只要犧牲部份的效能、功能或質(zhì)量來換取低成本零件，就能發(fā)展出超低成本手機滿足這些使用者的要求，但超低成本手機的產(chǎn)品定義其實沒那么簡單，例如無線電芯片組就可能因為降低成本要求而受到某些意外影響。事實上，手機射頻電路雖占整體零件用料不到一成，射頻技

2、術(shù)最近的許多進步卻為GSM/GPRS超低成本手機市場帶來直接好處，其它領(lǐng)域的手機設(shè)計也能利用這些優(yōu)點。因此設(shè)計人員應(yīng)進一步了解射頻電路在超低成本手機產(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)是當前最主要的行動電話標準，全球GSM用戶總數(shù)現(xiàn)已成長超過13億人，其余大約還有50億人至今沒有行動電話，40億人無法享受固定線路通訊服務(wù)。根據(jù)GSM協(xié)會的研究，全球雖有八成人口已在無線訊號涵蓋范圍，卻只有兩成五有能力使用無線通訊，這表示尚未獲得適當支持的市場就有將近30億人。就發(fā)展中市場而言，消費者有無能力負擔手機是未來

3、用戶成長的最大關(guān)鍵。消費者對于行動電話的負擔能力是由手機成本 (包含經(jīng)銷費用)、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定義為：提供雙頻GSM語音和SMS服務(wù)、沒有封包數(shù)據(jù)功能、功能最精簡和零售價格低于30美元；除此之外，手機的某些效能還必須在設(shè)計時預(yù)留適當空間，例如靈敏度就很重要。制造商對于手機的質(zhì)量和良率也要特別注意，確保其成本結(jié)構(gòu)符合長期量產(chǎn)要求。根據(jù)預(yù)測，EDGE和W-CDMA手機銷售量在2007年到2009年間將以每年3億只的速度成長，GSM/GPRS手機則會以每年2億只的速度成長直到2008年，且其整體銷售量的很大一部份會來自新興市場的低成本手機。除了市場成

4、長預(yù)測外，GSM協(xié)會的研究還顯示一旦業(yè)者解決了消費者對于手機負擔能力的問題，2007年到2009年間的用戶成長速度就會從每年1.81億人增加為3.21億人；換言之，超低成本手機市場的出現(xiàn)有可能大幅改變手機產(chǎn)業(yè)的整個生態(tài)。超低成本手機并非以特定技術(shù)或方法來解決消費者對于手機負擔能力的問題，而是透過多種策略構(gòu)成的一套程序來加速降低手機的總持有成本，例如選擇用料成本最低、整合度最高和外部零件最少的無線電就是顯而易見的做法。從系統(tǒng)角度分析消費者對于手機的負擔能力也很重要，此時靈敏度就是會受到收發(fā)器效能影響的超低成本手機參數(shù)，這是因為系統(tǒng)靈敏度會直接沖擊網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和效率、使用者的實際感受以及包含無線電

5、前端組件選擇和成本在內(nèi)的手機設(shè)計考慮。電信業(yè)者和手機制造商都重視靈敏度，因為它直接影響手機通話質(zhì)量。就理論而言，可持續(xù)接收微弱訊號的手機將能提供優(yōu)于其它產(chǎn)品的話質(zhì)，通話中斷現(xiàn)象也會變得更少，例如服務(wù)供應(yīng)以及斷線等問題都會減少。就實際而言，更良好的靈敏度讓手機擁有更寬廣的收訊范圍，就算在基地臺涵蓋區(qū)邊界亦復(fù)如此，它對訊號衰弱的現(xiàn)象也具有更良好的抵抗能力。隨著手機靈敏度增加，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，這對超低成本手機市場的電信公司尤其重要，因為他們可以將基地臺和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的投資減至最少，藉以彌補這個市場不算太高的用戶平均營收 (ARPU)。就產(chǎn)品層級而言，靈敏度也

6、是手機制造商的關(guān)注焦點，因為它與制造設(shè)計和生產(chǎn)余幅 (production margin) 以及手機通話質(zhì)量息息相關(guān)，例如天線設(shè)計就會對等向接收靈敏度產(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到手機的機械結(jié)構(gòu)要求。圖1所示的GSM無線電訊號流程可以說明收發(fā)器對于超低成本手機設(shè)計的影響。執(zhí)行接收作業(yè)時，天線開關(guān) (ASM) 將輸入訊號轉(zhuǎn)送至適當?shù)腟AW濾波器以便選擇頻帶，ASM和SAW濾波器都會對接收訊號造成插入損耗 (IL)，故須將其列入考慮。在SAW和收發(fā)器之間有個輸入匹配電路，用來讓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)器會將射頻訊號降頻轉(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?shù)慕邮疹l帶。在這個過程里，收發(fā)器和輸入匹配電路都會造成接收訊號劣化，其程度就定義為噪聲指數(shù) (NF)。收發(fā)器和基頻系統(tǒng)還會透過基頻界面相互傳送語音和數(shù)據(jù)信息。了解超低成本手機的操作原理和系統(tǒng)影響后，設(shè)計人員為這類產(chǎn)品或其它任何手機選擇收發(fā)器時就應(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，手機設(shè)計人員就能選擇適當?shù)那岸肆慵约鞍ˋSM和SAW在內(nèi)的接收訊號鏈以便在成本和插入損耗之間取得最佳平衡，這能進一步減少手機的零件用料。圖1：GSM無線電的靈敏

8、度計算把兩個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，這是因為雙SAW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)，但某些廠商進行整合時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，這會影響系統(tǒng)靈敏度和降低阻隔訊號衰減能力，進而對GSM手機的全型認證產(chǎn)生沖擊。收發(fā)器若能提供足夠的噪聲指數(shù)余幅 (NF margin) 和強大的阻隔效能，這些潛在影響對于系統(tǒng)層級的沖擊就會變得微不足道。改善噪聲指數(shù)效能后，設(shè)計人

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。工程師過去大都以線繞或線圈電感做為輸入阻抗匹配，因為它們的高Q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)，同時讓客戶享受電感成本降低的好處。收發(fā)器會將參考振蕩器界面的頻率訊號與外部石英晶體產(chǎn)生的頻率訊號同步，同時將系統(tǒng)頻率提供給基頻單元。多年來，設(shè)計人員都是利用成本昂貴的電壓控制型溫度補償式石英振蕩器 (VC-TCXO) 來維持目標振蕩頻率，但現(xiàn)在越來越多手機開始采用成本更

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可以利用標準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)在線校準變?nèi)萜鳌Ｈ鐖D2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概念圖收發(fā)器若采用已經(jīng)考驗的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。由于超低成本手機已將功能減至最少，體積略增的石英晶體應(yīng)不會造成任何困擾。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。大陸和臺灣雖有許多新進石英晶體廠商，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。就長期而言，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，同時滿足超低成本手機市場的成本要求。在這場角逐中，CMOS如預(yù)期般成為最適合手機組件的制程技術(shù)，這是因為CMOS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有時也會造成某些設(shè)計困難，例如實作某些復(fù)雜系統(tǒng)時可能無法提供所要求的Q值、無法針對基材耦合提供最佳隔離效果或減少寄生參數(shù)導(dǎo)致的高頻訊號衰減，這些問題在需要強大射頻效能和大規(guī)模數(shù)字功能整合的設(shè)計中特別嚴重。然

13、而在過去幾年里，已有某些CMOS GSM收發(fā)器克服這些設(shè)計困難將許多功能整合在一起，并在市場上成功銷售和創(chuàng)造可觀利潤。由于手機基頻功能也采用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)。超低成本手機市場需求也對使用者滿意度和手機質(zhì)量造成挑戰(zhàn)，這是因為電信業(yè)者必須使用翻修過的電信設(shè)備、縮減基礎(chǔ)設(shè)施建置規(guī)模和減少售后服務(wù)來壓低營運成本。由于報酬率很低，業(yè)者需要質(zhì)量更高和效能更強大的手機來彌補不足，這在手機制造商和第一層供貨商繼續(xù)運用其品牌優(yōu)勢時尤為重要。舉例來說，假設(shè)采用某種收發(fā)器的手機良率可達到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的售價為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損失或省下0.30美元，這對利潤本來就很微薄的超低成本手機是極大區(qū)別。采用高產(chǎn)量制造設(shè)計和CMOS高整合度的收發(fā)器在這場競賽中將享有最大優(yōu)勢，因為高整合度不但減少外部零件數(shù)目，還能讓