超低成本手机发展和射频接收器所扮演的角色

超低成本手机发展和射频接收器所扮演的角色GaryLevySiliconLaboratoriesInc.手机销售前景日益看好，行动终端装置在大众市场的复合年成长率又很惊人，这两项因素让超低成本手机市场近来突然成为当红炸子鸡。超低成本手机的主要销售对象是现虽已在无线通讯涵盖范围内，却缺少适当产品来享受无线通讯好处的全球近30亿使用者。手机设计人员或许认为只要牺牲部份的效能、功能或质量来换取低成本零件，就能发展出超低成本手机满足这些使用者的要求，但超低成本手机的产品定义其实没那么简单，例如无线电芯片组就可能因为降低成本要求而受到某些意外影响。事实上，手机射频电路虽占整体零件用料不到一成，射频技术最近的许多进步却为GSM/GPRS超低成本手机市场带来直接好处，其它领域的手机设计也能利用这些优点。因此设计人员应进一步了解射频电路在超低成本手机产品定义中所扮演的角色，并且掌握射频前端和参考频率界面的发展趋势以及收发器组件的效能、制造和良率等相关特性。GSM/GPRS技术是当前最主要的行动电话标准，全球GSM用户总数现已成长超过13亿人，其余大约还有50亿人至今没有行动电话，40亿人无法享受固定线路通讯服务。根据GSM协会的研究，全球虽有八成人口已在无线讯号涵盖范围，却只有两成五有能力使用无线通讯，这表示尚未获得适当支持的市场就有将近30亿人。就发展中市场而言，消费者有无能力负担手机是未来用户成长的最大关键。消费者对于行动电话的负担能力是由手机成本(包含经销费用)、服务内容、法规环境和税制结构决定，业界根据这些要求将超低成本手机定义为：提供双频GSM语音和SMS服务、没有封包数据功能、功能最精简和零售价格低于30美元；除此之外，手机的某些效能还必须在设计时预留适当空间，例如灵敏度就很重要。制造商对于手机的质量和良率也要特别注意，确保其成本结构符合长期量产要求。根据预测，EDGE和W-CDMA手机销售量在2007年到2009年间将以每年3亿只的速度成长，GSM/GPRS手机则会以每年2亿只的速度成长直到2008年，且其整体销售量的很大一部份会来自新兴市场的低成本手机。除了市场成长预测外，GSM协会的研究还显示一旦业者解决了消费者对于手机负担能力的问题，2007年到2009年间的用户成长速度就会从每年1.81亿人增加为3.21亿人；换言之，超低成本手机市场的出现有可能大幅改变手机产业的整个生态。超低成本手机并非以特定技术或方法来解决消费者对于手机负担能力的问题，而是透过多种策略构成的一套程序来加速降低手机的总持有成本，例如选择用料成本最低、整合度最高和外部零件最少的无线电就是显而易见的做法。从系统角度分析消费者对于手机的负担能力也很重要，此时灵敏度就是会受到收发器效能影响的超低成本手机参数，这是因为系统灵敏度会直接冲击网络基础设施和效率、使用者的实际感受以及包含无线电前端组件选择和成本在内的手机设计考虑。电信业者和手机制造商都重视灵敏度，因为它直接影响手机通话质量。就理论而言，可持续接收微弱讯号的手机将能提供优于其它产品的话质，通话中断现象也会变得更少，例如服务供应以及断线等问题都会减少。就实际而言，更良好的灵敏度让手机拥有更宽广的收讯范围，就算在基地台涵盖区边界亦复如此，它对讯号衰弱的现象也具有更良好的抵抗能力。随着手机灵敏度增加，电信业者将能以更低的基础设施成本提供所要求的通讯覆盖范围，这对超低成本手机市场的电信公司尤其重要，因为他们可以将基地台和相关基础设施的投资减至最少，藉以弥补这个市场不算太高的用户平均营收(ARPU)。就产品层级而言，灵敏度也是手机制造商的关注焦点，因为它与制造设计和生产余幅(productionmargin)以及手机通话质量息息相关，例如天线设计就会对等向接收灵敏度产生很大影响。内建天线的做法虽日益收到欢迎，但它们也让设计更困难，天线的位置、体积、造型和效能通常必须做出某些牺牲才能达到手机的机械结构要求。图1所示的GSM无线电讯号流程可以说明收发器对于超低成本手机设计的影响。执行接收作业时，天线开关(ASM)将输入讯号转送至适当的SAW滤波器以便选择频带，ASM和SAW滤波器都会对接收讯号造成插入损耗(IL)，故须将其列入考虑。在SAW和收发器之间有个输入匹配电路，用来让SAW输出将最大电压或功率送至收发器的低噪声放大器输入端，收发器会将射频讯号降频转换至中频，再混波降频转换成为基频(另一种做法是直接转换至直流)，然后选择适当的接收频带。在这个过程里，收发器和输入匹配电路都会造成接收讯号劣化，其程度就定义为噪声指数(NF)。收发器和基频系统还会透过基频界面相互传送语音和数据信息。了解超低成本手机的操作原理和系统影响后，设计人员为这类产品或其它任何手机选择收发器时就应寻找噪声指数最低的收发器。收发器若能预留充分的噪声指数空间，手机设计人员就能选择适当的前端零件以及包括ASM和SAW在内的接收讯号链以便在成本和插入损耗之间取得最佳平衡，这能进一步减少手机的零件用料。PASi4210GSM/GPRSXCVRBASEBANDDCXOVCO+FREQUENCYSYNTHESIZERXTAL1XTAL2AFCANTENNASWITCH85090018001900RFIERFIDRFIPRFIA19001800900850LNALNALNALNADIGITALFILTERDETLOW-IFIADCQADCPGAPGASYSCLKRFOLRFOH0/90PGAPGAIQDigitalSAWsINPUTMATCHDACREFERENCEOSCILLATORANALOGINTERFACESPIminlog103.52174NSNFLLdBHzdBmySensitivitXCVRSAWASM图1：GSM无线电的灵敏度计算把两个SAW滤波器整合在一起的双SAW模块不但能取代两颗SAW滤波组件，成本也比它们降低大约两成，这是因为双SAW模块所消耗的生产材料比较少。双SAW模块虽能将电路板使用面积减少四成五(从两颗1.4×2.0毫米的滤波器变为一颗1.6×2.0毫米的滤波器)，但某些厂商进行整合时也可能造成滤波器效能略为下降，例如插入损耗或涟波都可能增加，这会影响系统灵敏度和降低阻隔讯号衰减能力，进而对GSM手机的全型认证产生冲击。收发器若能提供足够的噪声指数余幅(NFmargin)和强大的阻隔效能，这些潜在影响对于系统层级的冲击就会变得微不足道。改善噪声指数效能后，设计人员就能以成本较低的多层陶瓷电感做为低噪声放大器的输入阻抗匹配。工程师过去大都以线绕或线圈电感做为输入阻抗匹配，因为它们的高Q值提供最好的阻抗匹配效果。多层陶瓷电感的成本虽比线绕电感减少七成五，但是Q值也比较低，通常这会造成收发器的噪声指数增加。专为低Q值输入阻抗匹配而设计的低噪声指数收发器则能将噪声指数劣化程度限制在容忍范围内，同时让客户享受电感成本降低的好处。收发器会将参考振荡器界面的频率讯号与外部石英晶体产生的频率讯号同步，同时将系统频率提供给基频单元。多年来，设计人员都是利用成本昂贵的电压控制型温度补偿式石英振荡器(VC-TCXO)来维持目标振荡频率，但现在越来越多手机开始采用成本更低和体积更小的替代方案，像是包含电压控制型石英振荡器(VCXO)或者完全整合式数控石英振荡器(DCXO)的收发器。VCXO可以利用标准AT-cut石英晶体、变容器和电容器取代成本约0.95美元的VC-TCXO振荡器，整合式DCXO电路则把3.2×2.5毫米石英晶体(售价0.35美元)以外的所有外部零件整合在一起，这不但让零件用料减至最少，也不必在生产在线校准变容器。如图2所示，整合这些功能虽不是新想法，但目前只有少数收发器厂商成功量产这类组件。图2：参考振荡器界面的整合趋势概念图收发器若采用已经考验的DCXO振荡器，内建电容调整范围又很宽广，则可考虑搭配体积较大的3.2×5.0毫米石英晶体，这能在短期内省下10%的石英晶体成本。由于超低成本手机已将功能减至最少，体积略增的石英晶体应不会造成任何困扰。值得注意的是，体积较大的石英晶体虽然成本较低，但这只是厂商为了回收技术投资成本和转移生产线所造成的短暂现象。大陆和台湾虽有许多新进石英晶体厂商，但他们的产品体积比主要石英晶体厂商落后一个世代，故须为其3.2×5.0毫米石英晶体提供更大折扣才能抢攻市场。就长期而言，体积更大的封装必然需要更高的材料成本，这将使得3.2×5.0毫米和3.2×2.5毫米石英晶体之间的价差出现反转。不管石英晶体体积的供需关系为何，只要让收发器搭配成功量产的DCXO振荡器就能节省电路板面积，同时将产品的零件用料减至最少。就收发器的生产而言，各种制程技术都应列入选择以确保获得可行的商业模式，同时满足超低成本手机市场的成本要求。在这场角逐中，CMOS如预期般成为最适合手机组件的制程技术，这是因为CMOS采用更精密的微影制程，所以CMOS收发器的晶粒面积和生产成本都小于硅锗BiCMOS和硅晶BiCMOS技术。不幸的是，CMOS有时也会造成某些设计困难，例如实作某些复杂系统时可能无法提供所要求的Q值、无法针对基材耦合提供最佳隔离效果或减少寄生参数导致的高频讯号衰减，这些问题在需要强大射频效能和大规模数字功能整合的设计中特别严重。然而在过去几年里，已有某些CMOSGSM收发器克服这些设计困难将许多功能整合在一起，并在市场上成功销售和创造可观利润。由于手机基频功能也采用CMOS技术，这种创新方式将能为射频、基频和电源管理功能的真正单芯片整合奠定基础。超低成本手机市场需求也对使用者满意度和手机质量造成挑战，这是因为电信业者必须使用翻修过的电信设备、缩减基础设施建置规模和减少售后服务来压低营运成本。由于报酬率很低，业者需要质量更高和效能更强大的手机来弥补不足，这在手机制造商和第一层供货商继续运用其品牌优势时尤为重要。举例来说，假设采用某种收发器的手机良率可达到94%，另一种收发器则能将良率提高为95%，若这款超低成本手机的售价为30美元，就表示两种收发器的良率差异可能造成每只手机损失或省下0.30美元，这对利润本来就很微薄的超低成本手机是极大区别。采用高产量制造设计和CMOS高整合度的收发器在这场竞赛中将享有最大优势，因为高整合度不但减少外部零件数目，还能让手机避免10%至15%的零件公差以及电路导线和电路板误差。厂商若能将所有射频系统整合在一起，即可执行完整的系统测试以确保他们销售的零件都符合最严苛的效能和质量要求，不会给手机制造商带来任何困扰。要让GSM手机用户人数增加10亿，关键就在于消费者对于手机的负担能力以及电信网络的效率。在这个新浮现的超低成本手机市场里，射频收发器效能、无线电解决方案的零件用料和可靠性都能加快市场成长，同时为供货商和最终用户带来经济上的好处。