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3G手机市场日益增温，让手机芯片业者无不加紧投资相关产品技术的研发，包括基频处理器、射频收发器(RF Transceiver)、电源管理芯片(PMIC)、应用处理器、通讯协议堆栈(Protocol Stack)等，均是手机芯片商立足3G市场的必备条件。其中，射频技术更是未来发展高整合、低成本3G芯片，甚至多频多模(Multiband/Multimode)解决方案时，不可或缺的关键技术。  
根据市场研究机构的数据指出，2008年开始，全球GSM手机出货量将逐渐下滑，反观3G手机则节节攀升，并将在2011年达到全球手机整体出货量的一半以上(图1)，显见3G手机时代已然到来。



数据源：Strategy Analytics(07/2007)、ABI Research(Q1/2007)、WCIS(04/2007)，高通整理(12/2007)
图1　2001～2011年全球GSM及CDMA/WCDMA手机出货量预估


为了在3G市场抢占一席之地，手机芯片业者除透过整并方式壮大产品线与客户基础外，更不断研发创新技术，以因应未来不断变化的技术标准，特别是射频技术方面，更是决胜3G市场的重要利器。  
以英飞凌为例，该公司日前即发表全球首款支持3GPP长期演进计划(LTE)的高整合射频收发器SMARTi LTE，巩固其在射频市场的地位。  

英飞凌表示，SMARTi LTE系以RF CMOS制程制造，芯片尺寸为5毫米×5毫米，并采用WFSGA-81封装。不仅为LTE应用提供良好的误差向量振幅(EVM)与低功耗性能，且涵盖LTE所分配的频段I至频段X的所有频段，还可提供高达5MHz、10MHz和20MHz可交换基频滤波(Switchable Baseband Filtering)功能，可在手机制造商进行LTE网络场测(Field Trial)时，提供高速的上行和下行链结。据了解，该款芯片样品已提供给特定客户使用，预计将于2010年时大量供货。  

除持续朝向下一代3G技术发展外，有助提高3G芯片整合度并降低成本的DigRF标准接口与数字射频处理器(Digital RF Processor, DRP)，以及可支持多频多模的软件定义无线电(Software Defined Radio, SDR)等创新技术，亦是手机芯片商布局重点。  

DigRF有助芯片整合　推动3G手机大众化  

受惠于RF CMOS制程技术的提升，现今2G/2.5G/2.75G手机芯片解决方案均为整合基频、射频、电源管理芯片或多媒体处理功能的单芯片解决方案；反观3G的UMTS或HSDPA市场，碍于技术复杂度较高，多半仍为分布式芯片方案(图2)。因此，为改善3G芯片方案的成本结构，提高产品整合度，DigRF标准接口技术已逐渐受瞩目。



数据源：英飞凌
图2　英飞凌HSDPA平台解决方案，包含基频、射频、电源管理三颗芯片。


DigRF系由DigRF工作小组所制订的接口标准，主要规范手机基频处理器与射频芯片间的数据传输接口。传统上，此一接口功能是透过模拟I/Q接口来达成，因此必须额外使用一颗模拟基频，而DigRF接口则是透过标准的数字式串行接口(Digital Serial Interface)让数字基频与射频芯片直接沟通，以节省组件数目和功能，从而提升整合度并降低成本。  
由于在3G系统中，接收讯号种类相当多样，而每个接收链就需要一个模拟I/Q接口，因此DigRF接口对3G芯片的发展而言别具意义。iSuppli资深无线通信分析师Francis Sideco表示，在HSPA和EDGE等应用中，只须使用一个DigRF接口就可支持多个接收链，可大幅缩减接口数量至原有的三分之一(图3)。


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数据源：飞思卡尔
图3　基频与射频芯片间使用DigRF接口的情形


目前包括英飞凌、博通与飞思卡尔(Freescale)均已将DigRF接口导入其手机芯片产品中，其中，英飞凌所推出的SMARTi UE更已获得手机大厂摩托罗拉(Motorola)采用。该款组件使用0.13微米的RF CMOS制程，整合WCDMA与GSM/EDGE射频电路、模拟基频电路，以及模拟数字转换器(ADC)和数字模拟转换器(DAC)，并支持DigRF 3.09版标准，可透过数字元讯号方式与基频芯片沟通。  
英飞凌射频引擎业务处总经理Stefan Wolff指出，SMARTi UE能获得摩托罗拉青睐的主要原因在于尺寸、性能与功耗效率的表现，可有效缩减下一代3G芯片的尺寸与电路板占用空间。  

此外，飞思卡尔也利用DigRF标准进一步精简3G解决方案，该公司所推出的多频带射频子系统RFX300-30是其第一款内建开放标准数字接口的3G组件，可让手机制造商灵活运用来自不同供货商的组件组合，不必担心无法运作。此外，该方案还将已通过测试的飞思卡尔EDGE与UMTS方案整合在单一封装中，以精简电路板尺寸并降低成本(图3)。飞思卡尔射频产品事业部门总经理Klaus Buehring表示，藉由这款3G子系统方案的提供，将可协助客户达成高整合、低成本及多频多模的功能需求；此外，RFX300-30也将该公司独创的第一层程序(Layer-one Programming)功能大幅简化，有助加快3G产品开发速度。  

有别于DigRF开放式的技术标准，德州仪器(TI)则是透过自行研发的DRP专利技术，来强化芯片整合度。德州仪器亚洲区无线终端事业部市场总监宋国璋强调，DRP是该公司发展手机单芯片解决方案的核心技术，其最大优势在于提高手机芯片整合度，甚至达成单芯片的终极理想。除此之外，射频电路数字化也让手机的射频子系统能够享受到制程技术精进所带来的低功耗与低成本优势。  

目前德州仪器已将DRP技术应用于LoCosto与eCosto超低价手机单芯片方案，以及蓝牙、行动电视、辅助型全球卫星定位系统(A-GPS)等解决方案。宋国璋表示，未来德州仪器还将推出以DRP技术为基础的单芯片3G解决方案。该公司预计至2007年底，基于DRP技术的芯片出货量可望突破两亿颗。  

显而易见的，由于DigRF接口为开放标准且有助减少组件数量和功耗，因而成为手机芯片业者成本微缩的最佳武器，同时也让3G手机得以迈向大众市场，加快普及速度。  

不过，也有部分市场人士指出，系统单芯片(SoC)依旧是手机芯片业者终极的发展目标，因此DigRF接口恐怕只是现阶段过渡型技术，最终仍须仰赖更先进的RF CMOS制程来达成如2G方案一样的高度整合。博通与高通(Qualcomm)的发展即为最好证明。  

2007年8月，博通采用65奈米制程推出一款内建DigRF接口的EDGE射频收发器BCM2085，透过整合压控振荡器(VCO)、合成器(Synthesizer)与回路滤波器(Loop Filter)，缩减电路板面积与外部组件。然而，同年10月，该公司随即发表一款采用65奈米CMOS制程、低功耗的高速封包接取(HSPA)处理器BCM21551，整合HSUPA 3G基频、多频射频收发器、蓝牙芯片、FM无线电接收/发射器，以及多媒体处理器，成为业界首款3G手机单芯片(图4)。


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数据源：博通
图4　博通采用65奈米CMOS制程制造的高整合3G手机单芯片方案


不旋踵，3G芯片龙头高通也于2007年11月一口气推出三款采用台积电45奈米CMOS制程的3G单芯片解决方案(表1)，整合最新基频、多频射频收发器、应用处理器、蓝牙、FM无线电与GPS，瞄准大众化智能型手机市场，为其所推广的「3G for All」计划树立新的里程碑。


表1　高通采45奈米CMOS制程的3G手机单芯片方案特色

产品型号＼规格 支持系统 主要功能特色
QSC7230 支援UMTS Release 7(HSPA+)与Cat. 9 UMTS系统，可提供下载10.2Mbit/s及上传5.76Mbit/s的数据传输率。
1. ARM11应用处理器，最高可达600MHz指令周期。
2.支持5百万画素照相功能、VGA显示分辨率及TV-out功能。
3.支持第三方合作伙伴操作系统，如Windows Mobile与Linux。
4.采用45奈米CMOS制程。
5.支持2D与3D硬件加速绘图功能。
6.整合GPS、FM、蓝牙，减少外部组件使用。
7.支持全球手机通讯频段。

QSC7830 CDMA2000 1xEV-DO Rev. B，可提供下载14.7Mbit/s与上传5.4Mbit/s的数据传输率。
QSC7630 同时支持HSPA+与CDMA2000 1xEV-DO Rev. B双模
数据源：高通

高通营运长暨CDMA技术部门总裁Sanjay K. Jha表示，此系列方案是基于高通先前双核心(Dual-core)芯片组的成功基础，可协助客户快速开发出低成本并具独特功能的下一代智能型手机，从而推动整体智能型手机市场的成长。  

高通近期已开始投产(Tape-out)此款优化低功耗的45奈米芯片，并采用先进的浸润式微影(Immersion Lithography)和Low-k金属间介电质材料，不仅整合度高、效能极具竞争力，更可大幅降低成本及漏电流(Leakage Current)，预计于2008年第四季开始提供芯片样品。据了解，该公司也已投入40奈米制程的研发，将为未来3G手机芯片的效能、成本与效率带来更多好处。  

除持续提高整合度、降低芯片成本外，3G手机芯片的另一个重要发展趋势，则是朝向多频多模目标迈进，尤其在后3G时代，各种无线通信技术百家争鸣，如何在确保技术投资风险之余，兼顾消费者对多频多模的需求，即成为相关业者努力的目标。因此，具有可重配置弹性的SDR技术遂逐渐受到市场重视。  

软件定义无线电　迎接多频多模时代来临  

事实上，SDR技术已在业界发展10多年，已往多半用于军用通讯系统，近几年来随着固网与行动网络汇聚(FMC)潮流兴起，部分市场先驱业者已开始将此一技术导入无线基地台的商用设计中。  

SDR技术的主要原理是利用软件来定义实现无线电的各项功能，包括前端接收、中频处理与讯号的基频处理等，其核心精神是希望在靠近天线的位置，利用高取样率模拟数字转换器(ADC)尽早将无线的模拟讯号转换成数字讯号，以便利用软件来定义和实现无线电的功能，并交由基频来进行处理(图5)。



数据源：CSDR
图5　传统硬件无线电与软件定义无线电设计架构的差异


而SDR最大优点则是让相关设计业者可在不增加庞大成本的情形下，持续满足各种无线技术标准的演进。研究机构预估，随着LTE、超行动宽带(Ultra Mobile Broadband, UMB)与全球微波存取互通接口(WiMAX)等新兴技术的崛起，2010年将是SDR技术发展的重要转折点，主要原因在于主流标准仍未底定前，业者可藉SDR软件配置与升级弹性来因应市场变化。  
以手机芯片业者为例，包括德州仪器、恩智浦(NXP)、英飞凌与意法半导体(STMicroelectronics)均已投入SDR技术研发。其中，德州仪器与恩智浦虽未正式加入SDR论坛组织，但已陆续发表相关成果，如德州仪器推出一套小型SDR开发平台，协助业者设计波形并开发和测试单协议或多协议无线电，应用范围包括军事、公共安全、商用、专业行动无线电(PMR)和地面行动无线电(LMR)通讯系统，以及无线射频辨识(RFID)读取器等。  

德州仪器表示，此一平台系与赛灵思(Xilinx)、Lyrtech、Green Hills、Objective Interface Systems与加拿大通讯研究中心(Communications Research Centre Canada)等业者共同开发，除包含从天线到基频的完整讯号链硬件外，其软件电路板支持套件还能在单一整合开发平台上支持所有的软件开发工具。此外，由于该平台还能搭配以模型为基础的Simulink设计工具，设计者可选用C/HDL或MATLAB Simulink迅速测试概念并验证设计，以便将架构的成本与功耗优化。  

另一方面，恩智浦日前也发表一项创新的SDR技术--可编程向量式处理器(Vector Processor)，可用于解决行动通讯的整合性、灵活性及标准问题。恩智浦半导体技术长Rene Penning de Vries表示，行动通讯市场正处于从3G演进至4G的发展历程，各种无线通信频道的组合日新月异，这些射频接收模块的持续累积将使系统芯片无法负荷，不仅模块尺寸难以容纳，整合后的功耗也会降低电池使用寿命，而芯片容量的增加亦将对成本造成冲击。  

为满足终端用户希望尽可能保持联系畅通的需求，因此单一手机必须支持包括GSM、EDGE、UMTS、HSDPA、蓝牙、WiMAX、超宽带(UWB)、FM、无线局域网络(WiFi)、近距离无线通信(NFC)等多种标准，不仅要容纳更广的频率与更多的标准，还须具备可支持宽带应用的多重输入多重输出(MIMO)天线。这种整合意味着每支手机中的射频组件数与天线数均不断增加，因而带来体积、功耗和共存方面难题。  

为解决这些问题，恩智浦根据数据速率划分出三类射频电路，例如低端射频电路包括一颗处理NFC、蓝牙、ZigBee、Wibree和UWB的联合射频芯片；中级射频电路(Middle-tier)是一个用于蜂巢通讯的可重配置射频信道；而对高速数据速率则采用可重配置的射频信道，处理WiFi、WiMAX和LTE等高宽带应用。而此一方案的核心关键是让高度并联的嵌入式向量处理器(EVP)成为可编程的调制解调器提供运算资源，让系统更瑧完善。  

虽然产业界已可体认SDR技术的优点，但SDR仍旧面临灵敏度、功耗、安全性、认知无线电(Cognitive Radio)等诸多挑战。而手机芯片业者若想在多频多模潮流中脱颖而出，SDR将是不可忽视重要技术。