从电信公司到OEM和ODM厂商到芯片组供应商，手机价值链的所有业者都在努力提高功能整合度，它是手机降低成本和节省电路板面积给其它功能的重要关键。自从20年前出现以来，手机就以循序渐进的方式逐步提高功能整合，在此过程中并没有任何一种技术能够实现功能整合的大跃进。

但到了去年，单芯片手机这个业界期盼已久的终极设计方式终于在市场上出现。由于它将为手机功能整合画下完美句点，因此自然如预期般在业界引起极大骚动。本文将探讨单芯
片整合的真正优点、单芯片手机设计的各项挑战和它们所能达到的射频效能水平。为了探讨这些问题并提供相关数据，文中将以一种单芯片手机做为简单范例。

单芯片集成的优点将手机主要子系统集成为单芯片可为手机制造商带来极大好处。图1是理想单芯片手机的基本功能方块图，它已将射频收发器(XCVR)、数字基带(DBB)、模拟基带(ABB)和电源管理(PMU或PMIC)集成到同一颗芯片。

单芯片手机可用一颗单晶元集成电路取代手机内的多个重要子系统。由于这些子系统间的通信量极为庞大，单芯片设计还能省下原本所需的多颗分立元件和无源元件。目前最先进
的单芯片手机解决方案只需58颗元器件就能组成完整的四频带GSM/GPRS调制解调器，采用独立基带芯片和收发器芯片的传统解决方案则需要约200到250颗元器件。这表示手机制造商将会省下可观元器件、生产、插件、采购和库存成本。库存元器件数目和种类的大量减少不但让供应链运作更顺畅，还能大幅降低元器件短缺导致的生产线停工风险。除此之外，单芯片手机还能免除元器件绕线作业，使得电路板从传统八层板简化为六层板或四层板，电路板制造成本最多则能节省三成到五成。

除此之外，由于许多调制解调器功能都整合到一颗芯片，半导体供货商将能针对系统规格进行更完整的测试和保证，其范围远超过单独供应的多颗元器件。对手机而言，这能缩短
工厂测试时间、提高测试效率和减少顾客退货率。追求利润是所有手机制造商都要面对的重大挑战之一，其中又以ODM厂商承受的压力最大。单芯片手机只要让手机制造商的产品良率提高1%，就表示他们的利润最高会增加两成五。

真正单芯片解决方案的另一优点是厂商只需采购一颗器件，而不是由多颗元器件构成的调制解调器芯片组。厂商若采用调制解调器芯片组或需要另一颗电源管理器件的某些所谓“单芯片解决方案”，那么只要芯片组有任何元器件缺货，手机生产线就会停摆。不幸的是，竞争激烈的市场环境迫使厂商必须严格控制库存，因此元器件缺货在手机产业经常出现。

随着电路板所需元器件大幅减少，所有子系统又都集成至一颗芯片，系统最佳化过程所需的硬件和软件调校工作将变得更简单。单芯片手机还应整合所有系统频率功能，并将它实
作成只需搭配一颗26MHz石英晶体的数控石英振荡器(DCXO)。厂商甚至还能将数控石英振荡器与数字基带器件和相关软件整合在一起，使得研发过程中只要执行最少的调校程序就能完成石英晶体频率校准。这能省下繁复的电路板修改或工厂校准作业，进而大幅缩短新手机上市所需时间。

除此之外，由于单芯片手机将全部功能整合至一颗芯片，设计人员还能将多项系统效能指针最佳化，例如利用基带单元的DSP将射频接收机最佳化以提供最理想的灵敏度、线性操作和相邻信道效能组合。发射机也能实现效能最佳化，因为从音讯到射频的所有功能方块已在相同芯片上。只要所有子系统集成至单颗芯片，温度和半导体工艺变异等效应都能获得补偿。最后，由于需要互传讯息的所有功能方块全部紧密集成至同一颗芯片，系统时序也能最佳化以提供效率最高的全系统耗电控制，这能延长手机的通话时间和待机时间。

市场需求

单芯片手机的诸多优点使它特别适合手机市场的入门和低成本产品。这些市场的多数产品都是GSM/GPRS 手机，其销售量至少在未来四年内会很强劲。此市场的调制解调器需求已到成熟阶段，多媒体功能需求虽不如高端手机市场，但重复性较高。它们还需要GPRS 功能支持中等速率数据服务，例如WAP上网、多媒体短信以及和弦铃声下载。这些手机在成本限制下不可能采用应用导向的数字基带或外部硬件协同处理器来支持相机JPEG 编码等市场标准的多媒体功能，这使得具备GPRS功能的单芯片手机成为入门市场的最佳选择。

除此之外，以巴西、俄国、印度和中国大陆等新兴经济体为目标的超低成本手机市场正是单芯片手机的理想支持对象。这些增长快速的手机主要仍采用成熟的GSM技术，功能规格定义也相当明确(基本语音和短信功能)，它们使得单芯片手机成为超低成本移动电话市场的最佳选择。成本对于这类应用尤其重要，因为消费者负担能力正是超低成本手机市场的成败关键。超低成本手机市场必须大幅降低元器件用料成本，效能则不可受任何影响。比较令人意外的是，超低成本手机市场对于射频效能的要求比高端市场产品还严苛，原因就在于这些新兴经济体的电信基础设施仍不够完善。不仅如此，降低测试成本以及提高生产良率、可靠性和售后服务对于这些新兴经济体都极为重要，手机制造商必须达到这些要求才能在超低成本手机市场获得成功。这些要求正是单芯片手机的拿手好戏，因为超高功能集成度让它们在这方面具有极大优势。

GSM/GPRS手机射频效能

用户感受是全球电信业者的竞争焦点，收讯范围和通话稳定性(以断线次数计算) 则是影响用户感受的两大因素，它们最终会受到手机调制解调器的收发器子系统效能影响。本文接着将讨论单芯片手机必须满足的各种射频效能规格。

全球已有超过六成的手机和用户采用GSM/GPRS移动电话标准，且其数目仍在持续攀升中，这使它成为目前最具吸引力的无线市场之一。GSM/GPRS标准还包含最严格的调制解调器芯片组接收与发射功能射频规格，GSM/GPRS手机能否达到这些重要的射频要求不但会直接影响使用者感受，电信业者名声也会受到波及。本文后面所定义的重要规格包括接收灵敏度、噪声阻隔和调幅抑制能力以及接收频带的发射调变屏蔽频谱和发射功率(亦即20MHz相位噪声)。

接收机规格包含灵敏度、噪声阻隔和调幅抑制，它们会影响使用者对于手机的感受。接收灵敏度是手机正确接收和处理小信号的能力，高灵敏度不但让距离基站较远的使用者仍能收到信号，电信业者也能减少基础设施建置和降低资本支出。想要提高灵敏度，就必须将低噪声放大器和射频混波器等接收机前端器件的噪声效能最佳化。接收阻隔能力代表手机处理干扰信号的能力，它们会影响收讯质量或造成断线。这些干扰信号可能是来自相同或其它电信网络的接收信号，或者是用户附近手机发出的信号。接收机需要良好的噪声效能和线性操作能力才能提高阻隔效能，尤其是低噪声放大器和射频混波器等前端电路的影响更大。调幅抑制的功能和噪声阻隔非常类似，只不过它所处理的是动态干扰信号，而不是固定或静态干扰信号。接收机在通话或波串(burst)刚开始时所做的校准程序都可能因为动态效应而毁于一旦(亦即干扰源在波串传送到一半时突然改变)。调幅抑制的效果主要由接收机架构决定，直接转换架构最容易受到影响，低中频架构则最不容易发生断线或收讯质量下降现象。基带滤波功能对于效能也有影响。

发射规格则会影响相同或不同电信网络上其它手机使用者的操作。发射信号频谱必须限制在所要求的频谱屏蔽范围内。在距离目标信号中心400kHz处会有另一个通道(相距两个通道)，然而要准确实现400kHz偏移却最为困难。手机的发射机如会产生很大噪声，就可能影响正在使用相邻通道的其它手机使用者。400kHz频谱屏蔽效能是由发射机架构以及整个发射链的噪声管理效果所决定。手机对于发射频谱中会落在其它用户接收频带内的噪声有着极为严格的要求。由于发射和接收频带相距仅约20MHz，只要发射机使用靠近频带上方的通道，那么靠近频带下方的目标信号就可能被此噪声淹没而造成断线。

功能整合的最大挑战– 维持射频效能

要让调制解调器芯片组满足严格的GSM/GPRS规格要求是极大挑战。业界多年来都在努力让敏感的射频电路与高噪声数字电路、高功率电源管理单元和音讯电路一起工作，甚至在使用分立解决方案时也是如此。当这些子系统全部集成到单颗芯片时，这个问题还会变得更严重。基本上，DSP和微处理器等数位子系统的操作频率都很高，有可能干扰射频和模拟电路并透过某些耦合机制使得射频效能衰退，这会造成混附噪声、阻隔效果变差、灵敏度下降、输出调变频谱失真和音讯效能减退等其它问题。单芯片手机设计的最大挑战就是管理这种数字干扰，同时将非常敏感的小信号射频电路与高速数字基带子系统集成在一起。

AeroFONE单芯片手机

Silicon Laboratories的AeroFONE GSM/GPRS四频带单芯片手机就是功能完整和效能强大的单芯片手机，目前唯有它才能将射频收发器、基带和电源管理单元等所有主要子系统集成到一颗芯片。AeroFONE单芯片手机利用Silicon Laboratories已经考验的Aero II技术提供Aero II收发器水平的先进效能。领先市场的Aero II收发器不但获得全球手机制造商采用，实际结果也证明它能提高通话质量，同时让手机制造商轻松达到世界各地电信业者的严苛效能要求。在所有的接收和发射指标上，AeroFONE解决方案都能提供卓越不凡的强大效能，其杰出表现丝毫不输给领先业界的Aero II收发器。

AeroFONE架构在设计之初就是要将高速数字、高电压模拟和高敏感性射频功能等三种截然不同的电路集成至单颗芯片。

Silicon Laboratories利用多种专属系统和电路设计技术来解决射频、音讯、基带和电源管理电路的集成问题。在AeroFONE解决方案的发展过程中，Silicon Laboratories还运用它在研发Aero II收发器时累积的许多电路设计与布局技术，这使得公司能够充份发挥它在射频CMOS设计和系统工程领域的核心竞争优势。这套专利的系统架构会将容易受到噪声影响的电路与会产生噪声的电路隔离，使得整个系统能够发挥最强大的射频效能。在子系统层级，以Aero II收发器为基础的射频核心则是利用独特的数字低中频收发器架构提供无与伦比的接收机效能；除此之外，第三代压控振荡器与合成器技术还能提供更强大的接收与发射效能，AeroFONE单芯片手机还将公司大约10年的数字噪声管理知识融入设计中。为了将敏感的模拟和射频电路以及高噪声的数字电路集成在一起，公司已开发出好几代的最佳化程序，这些优点都为AeroFONE工程团队充份利用。慎密的频率规划和频率管理也是避免效能下降的重要关键。

结语

业界多年前就知道降低手机成本的关键是透过单芯片手机将功能整合发挥到极限，本文也讨论了这种做法带来的诸多优点。然而要将高速和高噪声的数字基带电路以及敏感的射频电路集成到同一颗芯片却是极为艰巨的工程，这也是业界等了这么久才推出单芯片手机的主要原因。真正的单芯片手机可以将射频、数字基带、模拟基带和电源管理单元集成到一颗芯片而不影响效能，这样才会让功能整合发挥最大效益。
 
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