手機整合式測試儀器助陣　多模晶片設計事半功倍

多模(Multiple Mode)通訊以往只是一個夢想，但隨著整合型晶片技術的急速發展，現今已經變成無線通訊裝置的主流。例如在一支手機上會具有全球行動通訊系統(GSM)/整體封包無線電服務(GPRS)/寬頻分碼多重存取(WCDMA)/高速下行封包存取(HSDPA)等主要通訊系統；在附加功能上面，很多的手機也同時具有藍牙(Bluetooth)、全球衛星定位系統(GPS)、無線區域網路(WLAN)與調頻廣播(FM)等功能。  

無線技術愈趨複雜 整合式量測系統受重視  

為配合此一趨勢，新一代無線通訊裝置的設計將越來越複雜，須要提供更多高頻寬、多頻段、多模式的技術支援，除了GSM、GPRS至3G/3.5G/4G手機的通訊技術整合之外，在同一裝置上也必須同時整合藍牙、GPS、WLAN、FM等功能。  

就研發設計而言，同一裝置上含括了許多的系統，將會增加設計上的複雜和困難，因為一些系統彼此之間就有微波的干擾，例如藍牙和WLAN。而對於測試工程師而言，也必須同時熟悉多種儀器的的操作及量測概念，困難度自然不在話下

圖1　各自獨立的量測儀器，對設計人員來說，可說是弊多於利。

而就公司成本的考量，同時購置多種量測儀器，也自然是沉重的負擔(圖1)。

為解決上述問題，目前已經有儀器業者整合相關的測試系統，集合於一台儀器上(圖2)。該儀器可同時支援GPS、FM、藍牙、WLAN、全球微波存取互通介面(WiMAX)與近距離無線通訊(NFC)等系統的量測在同一台儀器上，若再加上手機綜合測試儀，則不論是在研發或是生產上，都可輕鬆完成多模無線通訊裝置的量測工作，大幅縮短量測時間，及減少購置多台儀器所必須花費的昂貴費用。

圖2　若能善用多合一整合式量測解決方案，將可事半功倍。

至於如何架構多模無線通訊裝置的量測，若採用多個硬體模組(圖3)來提供多工測試的功能，讓GSM與FM兩種無線標準群組可與WLAN、WiMAX、藍牙與NFC標準進行平行測試。多個向量訊號產生器(VSG)能針對FM、GPS、WiFi、藍牙、WiMAX及NFC等傳輸測試作業提供傳輸訊號。多個向量訊號分析器(VSA)則提供比對功能，讓系統進行接收測試。此外，透過多工測試模式，此類儀器在依序測試WiFi與藍牙通訊功能的同時，亦能平行進行GPS與FM的序列式測試模式。這種功能可降低高達75%的整體測試時間。

圖3　平行串列的量測硬體，讓三種以上的無線通訊標準可同時進行。

針對WiFi測試採用序列式測試模式，使用者可縮短傳送多重資料率誤差向量幅度(EVM)/功率量測，以及接收封包錯誤率所耗費的時間。在第一個情況中，整合式測試系統配合待測物(DUT)，以不同資料傳輸率送出訊號。再加上元件驅動器及測試程序的支援能力，整合式測試系統能一次擷取多個資料率突波，且減少本身與待測物之間的通訊時間，進而縮短數倍的傳送測試與校正時間(圖4)。

圖4　適合的量測儀器，可爲設計人員減短測試流程。

在執行接收封包錯誤率測試時，整合式測試會運用特殊的內建電路來偵測裝置的接收訊號，將封包傳送至待測物。這些訊號可用來確認系統收到資料的正確性，毋須透過待測物再進行通訊，進而縮短數倍的測試時間。  

當工程師們想要測試一支多模手機時，可選擇透過具有多模功能之測試儀器(圖5)來與手機綜合測試儀整合，可在同一平台上以最短的時間內量測多個通訊系統。可免除工程師學習操作數種儀器的問題，同時也可避免在量測多重系統時，因為複雜的環境架設，而產生路徑損失(Path Loss)，或者是其他不確定因素(Uncertain Issue)造成量測結果的誤差。

圖5　善用多模測試儀器，也是提升設計正確性的絕佳助力。

智慧型手機功能多樣　設計挑戰升溫

圖6　今日的GPS手機已極為普遍。

目前電信服務已進入戰國時代，消費者除了重視通訊品質外，也越來越重視手機的所有功能。為了因應此一趨勢，手機製造業者多數也已發展出相關通訊技術，除了藍牙，其餘技術如WiFi、GPS、FM、數位DVB也已經是中高階手機必備的功能，並成為終端消費者在採購需求上必選的選項。  

不過就現階段而言，隨著晶片整合技術不斷進步，內建許多無線通訊技術的成本將快速下滑，加上市場的需求逐漸增溫，多模手機的前景依舊十分看好。就未來內建多種無線通訊技術手機的預測來觀察，因為晶片成本低廉，因此現階段手機擁有藍牙技術的滲透率最高，其次則為GPS，今日GPS技術已經被大量應用於手機之上，目前高階手機有70%以上皆具備GPS定位功能(圖6)。  

WiFi手機的發展是所有無線通訊技術中相對較慢的，雙網手機整合難度較高是主要因素之一。不過隨著消費者對於上網需求快速增加，目前在高階手機上，WiFi已經是標準功能。特別是強調商務型的智慧型手機(Smart Phone)。又因為手機對這些無線通訊技術具有如此高滲透率，因此整合多模通訊技術的手機就有其市場必要性，而消費者只要一支手機就可以擁有數種無線通訊技術功能。  

在手機中整合WiFi，電信系統業者的態度無疑地為多模手機發展的最主要關鍵，尤其是整合WiFi功能可能會讓固網業者原本固話業務量下滑，甚或取代長途固話業務。不過隨著電信系統的多樣化服務發展，將有機會讓固網業者增加一些新業務，以降低對固話影響之衝擊，特別是與無線電信系統業者的合作，如此固網業者才會更有意願推動WiFi服務，結合WiFi功能的手機需求才會增加(圖7)。

圖7　WiFi手機傳輸速率已經直逼有線傳輸。

而就終端產品之技術問題而言，在系統整合的同時必須克服的問題包括：功耗、干擾、天線放置、晶片功能整合等。多模手機未來必須能提供多模通訊技術，卻不能彼此干擾，也必須隨時平順的在多種模式中相互切換。另外，通話品質也不能因為多模設計而退步，這些都是必須在手機整合過程中一一解決的挑戰。

多模手機門檻雖高　業者投資不手軟  

目前各大手機業者都有推出內建雙網或是多模手機之計畫，其中由於WLAN所帶來的風潮，各大業者幾乎都有內建WiFi模組的手機發表，其中日本的NTT DoCoMo及Au KDDI等皆有推出一系列的WiFi+3G的雙模手機。這些手機通常也都有內建藍牙，不過在GPS的整合上卻顯得緩慢，但未來在日本政府強力主導GPS手機的政策下，應會陸續有相關整合產品推出。  

至於國際手機製造大廠如諾基亞(Nokia)及摩托羅拉(Motorola)已有3G、3.5G+WiFi+GPS/AGPS之手機發表，索尼愛立信(Sony Ericsson)則有一款產品整合了3G、WiFi、GPS及藍牙等無線通訊技術。台灣業者雖在手機製造發展進程已能與國際同步，如智慧型手機龍頭宏達電、華碩與宏碁等業者都陸續展出數款多模手機，展現出堅強的研發實力。但多模手機晶片的發展當然也無法跳脫系統單晶片(SoC)的議題。就目前來看，德州儀器(TI)在2005年初發表全球第一顆手機單晶片解決方案後，便將手機推向高度整合的單晶片時代。  

單晶片手機對於手機成本的降低有很大的幫助，不過因為多模晶片在射頻部分將面臨較大的整合難度，德州儀器的系統單晶片產品並未包含多模無線通訊技術。但該公司仍持續計畫推出整合WiFi、GPS及通用行動通訊系統(UMTS)等無線通訊技術的單晶片產品，朝多模手機單晶片邁進。  

其他如博通(Broadcom)、聯發科、ST-Ericsson及劍橋無線半導體(CSR)等晶片業者對於晶片整合技術的研究也未曾稍歇。劍橋無線半導體的Blue Core 06晶片已可提供GPS、WLAN、藍牙與FM等無線通訊技術的連接功能。可以看出，未來多模手機晶片的發展趨勢，初期將以基頻與射頻雙晶片為主，而重點將在於多模射頻晶片的整合(圖8)。

圖8　射頻整合勢在必行，而系統單晶片的設計更是至關重要。

提高射頻晶片整合度　射頻前端子系統成關鍵

由於手機上的射頻晶片占整個電路板面積的30～40%，而藍牙、GPS和WLAN等新功能的增加，還會進一步增加空間。在手機體積小、低耗電的趨勢下，整合射頻晶片除了降低成本外，還能夠符合手機未來發展的功能性需求，因此射頻晶片的整合為多模手機設計的主要方向(圖9)。

圖9　高度整合後，系統單晶片可較前期尺寸大幅減少，尤其適合手機產品。

基於目前市場上更多手機功能的需求，對一般GSM手機提出了能支援多達四個頻段的要求。因此，四頻段GSM手機可能含有多達四個發射通道及四個接收通道。若再加上接收通道所需的濾波器及被動元件，則一共有六個通道，因而增加了設計複雜性及使用元件數量。  

再將諸如3G、WiFi、GPS等第二、第三個無線系統添加到同一平台上以構成多模設備時，既能提供更多功能又不增加設計複雜性及元件成本，但挑戰也將更為全面。由於GSM、3G及IEEE 802.11b等多樣無線技術作業於不同的頻段，因此其前端元件無法共用，也就是最終兩種模式都要在印刷電路板(PCB)上擁有一組自己的功率放大器、開關網路、接收器匹配電路及濾波器。因此若要實現這些前端功能，現階段最佳方法就是採用整合模組與封裝。  

以包含功率放大器及功率控制邏輯功能的多晶片模組為形式的放大器模組，已經用於多頻段手機及多模IEEE 802.11a/g等WLAN手機應用中。同樣地，包含開關網路及接收濾波器的射頻前端模組也已經逐漸克服。未來只要市場有所需要，也有機會出現整合GSM與3G、WLAN、GPS等多模技術的射頻前端子系統。  

CMOS帶來開發優勢　多模手機更進一步  

為了實現多種無線電整合，業界在晶圓製程、系統設計及電路設計層面必須有顯著的技術進步才能達成。如近期普遍採用SoC設計，也就成為許多技術挑戰的開始，因為它們決定了實際元件的能力與局限。譬如，使用雙極化合物半導體(BiPolar)或雙極互補式金屬氧化半導體(BiCMOS)製程整合射頻在技術上是可行的，但是測試元件時的良率限制及高昂成本使得這些元件未必能實現大量生產或商業化。  

整合矽鍺(SiGe)的BiCMOS技術也是可能的做法。但SiGe技術一般比先進的數位CMOS製程落後一或兩個製程節點。由於手機需要越來越多的處理資源，因此SiGe製程無法使數位部分的晶粒成本保持在相對優勢狀態。  

所以對於多模整合來說，CMOS不失為一種理想的製程技術，因為它能在單晶片上有效地實現數位訊號處理與射頻/混合訊號電路。CMOS收發器可利用摩爾定律帶來的更低成本及更高性能的優勢，而這是BiCMOS或SiGe製程所不能提供的。  

CMOS收發器可提供能與BiCMOS元件相比擬的IC性能及功能，與其他數位CMOS產品相較，還能提供更低的元件成本、更低的功耗及更高的生產穩定性。許多商用GSM/GPRS、WLAN或藍牙的CMOS收發器，都證明用於大量無線收發器產品生產的CMOS製程優勢。  

無論如何，從無線通訊技術的發展來觀察，未來的無線通訊市場在消費者需求、終端產品及電信系統業者尋求進一步成長的帶動下，新的多樣化無線通訊技術將快速出現，在每個不同無線通訊技術皆有其應用市場，且市場都具一定規模時，多模手機的需求就應運而生。就手機製造業者而言，在多模整合技術上的挑戰，除了技術問題外，成本、低功耗、微小化及可靠度，才是主要決定其發展的關鍵因素。  

現階段手機的發展已成為手持式產品的主流，在消費者無止境慾望的要求下，幾乎所有可持式設備的功能在未來都將結合至手機之中，而這些功能勢必需要不同的通訊介面及技術，所以必須依靠多模組手機才能解決這些問題。未來只要射頻晶片整合問題可以解決，整合3G、4G、WiFi、GPS及藍牙等無線通訊技術的多模組手機將是各家業者競相發展的目標。  

(本文作者為筑波科技資深專案經理)