通訊技術搶進行動裝置化　多頻多模應用抬頭

隨著各式通訊技術如雨後春筍般相繼問世，在單一終端設備上同時進行多種無線訊號傳送與接收的多頻多模(Multi-band, Multi-mode)設計概念漸趨風行，如高階智慧型手機(Smart Phone)中同時整合GSM、GPRS、EDGE、WCDMA、高速封包接取(HSPA)等通訊系統，以及無線區域網路(WLAN)如WiFi或無線廣域網路(WWAN)等網路聯結技術；或是近期大為風行的超級行動電腦(UMPC)與筆記型電腦功能不斷延伸，除了網路與通訊技術之外，也積極吸納無線個人區域網路(WPAN)如藍牙(Bluetooth)等，讓辦公室生產力工具的通訊技術持續累加，成為一機多工的高度通訊化集中裝置。  

多模手機市場成長迅猛  

在一般的定義，所謂的雙模手機是指可以任意選擇使用兩套不同行動網路的手機，這兩種行動網路既可以是GSＭ和CDMA，也可以是2G、2.5G、3G，更可以是兩種不同的3G標準，如中國自有標準TD-SCDMA與北美通行的CDMA2000。而除了語音網路之外，WLAN或是全球微波存取互通介面(WiMAX)等數據網路的出現，也同樣帶動雙模手機的發展，更進而刺激多模手機的商機。  

至於多頻手機，則是在單一手機上可運行GSM900、GSM1800或是GSM1900等不同頻道，在須要時常出國旅行的商務人士中，也獲得不少好評。  

根據工研院IEK的統計數據顯示，結合2.5G/3G與WLAN的雙模手機，已從2005年780萬支成長至2009年的7,200萬支，複合年成長率(CAGR)達74%。工研院認為，隨著新興市場逐漸飽和，將難再見雙位數爆發性成長榮景，而以換機潮的穩定逐步成長取而代之。IEK認為，要加速激起換機潮，也就需要不同應用的刺激，雙模手機就是其中翹楚。  

尤在企業市場，隨著筆記型電腦內建WiFi成為必備條件，以及手機朝向3G之路邁進，IEK認為，雙模手機在智慧型手機或高階手機市場出現將是必然之路，因而雙模手機將依此趨勢快速崛起。而今日通訊技術也從語音業務逐漸邁向數據業務，因此多模手機將有助電信產業從2G過渡至3G，讓終端產品製造商與營運商得以順利進展。  

從晶片業者的角度來看，對多頻多模手機的開發也同樣極為熱衷。除了高通(Qualcomm)已著手研發CDMA2000、WCDMA、GSM、GPRS等2G、3G共通的晶片產品，2007年9月聯發科購併亞德諾(ADI)手機晶片部門後，也在其既有的2.5Ｇ及2.75Ｇ的GPRS/EDGE外，加入WCDMA及TD-SCDMA等3Ｇ晶片專利及技術，同樣看好多模手機後勢發展。  

劍橋半導體(CSR)也看好相關市場，在2008年2月時宣布推出相關參考設計，可協助製造商為大眾市場開發雙模VoIP行動手機。據悉，該參考設計包含能夠將一支行動電話轉換成可以收發無線網路語音電話(Voice over WiFi, VoWiFi)無線手機所需的所有額外軟硬體。  

根據市場研究公司ABI Research的報告，VoIP行動手機市場將在未來5年成長至超過三億支手機的規模。  

資料來源：宏達電 圖1　宏達電推出的HTC Touch Cruise，除了提供多模GSM/GPRS/EDGE、多頻GSM 850/900/1800/1900的通訊功能外，也支援高速下載網路HSDPA/UMTS，集多種天線、通訊技術於一身。

至於手機製造商，國外業者如三星(Samsung)、摩托羅拉(Motorola)及諾基亞(Nokia)都已先後宣布加速WiMAX手機的研發，國內業者包含宏達電、華碩、明基、英華達等也投入WiMAX手機研發。資策會認為，由於出現時間較晚，因此未來WiMAX將以雙模手機形式呈現，包括與GSM、CDMA、PHS的搭配皆為可行方向，最快在2009年下半年就會看到商機。圖1為宏達電稍早推出之多頻多模手機。  

也因看到潛藏商機，東訊已經搶先進入WiMAX雙模手機研發。據悉，東訊的雙模手機可能是結合WiFi與WiMAX，也可能是GSM與CDMA搭配WiMAX，並將在2009年正式推出產品。其他如啟碁，也繼過去發展網路語音通訊協定(VoIP)以後，進軍WiFi、GSM及PHS、GSM雙模手機領域。  

在電信營運商端，如Sprint Nextel計畫於4月時於美國推出名為X-ohm的WiMAX計畫，推出CDMA搭配WiMAX雙模手機，可望引起市場討論，勢將進一步掀起WiMAX結合GSM、PHS雙模手機之商機。  

然而，既然面臨一機多工的挑戰，如何在愈趨輕薄短小的裝置中置入大量的無線通訊模組。加上手機中的射頻訊號通道越來越擁擠，也就更加需要量測儀器針對此項議題加以協助。  

多模應用開發挑戰多  

如前所述，近期手機功能愈趨豐富，除了需要強大的應用處理器來提供高效能的多媒體運算外，在多頻多模的環境下，各子系統如何適當分配，以避免互相干擾將是一大考驗。尤其隨著藍牙、WiFi、輔助式全球衛星定位系統(A-GPS)、廣播(FM)、數位音訊廣播(DAB)和行動電視(Mobile TV)的進一步成熟，都將納入下一代手機的應用功能中，也將帶來射頻通訊及數據處理的整合問題，成為設計人員面臨的技術挑戰。  

此外，光是在GSM系列，為了支援網際網路、數據存取、多媒體、Web 2.0與視訊應用，3G行動技術已朝向WCDMA發展，並演進為GSM/WCDMA雙模技術。目前GSM手機已達四個發送(Tx)和四個接收(Rx)通道，因此目前的行動手機設計傾向於採用850、900、1800、1,900MHz的4xGSM，或是850、1,900、2,100MHz的3xWCDMA，手機設計的複雜度升高已經不在話下。再加上須與藍牙耳機等連結，更是考驗設計者的技術能力。  

再看射頻(RF)部分，既然無線技術所在多有，也就會遇到天線的規畫問題。一般來說，除了藍牙與WiFi同為2.4GHz之外，其他無線技術由於採用不同的頻譜，也就需要多組天線才能順利收發訊號，進而衍生出訊號隔離性的議題。其他在電磁干擾(EMI)與電磁相容(EMC)等問題也須一併解決。而由於空間、成本與耗電的限制，要為每個不同的通訊模式，在單一裝置上安裝獨立的無線收發器元件已經越來越不可行，也因此帶來RF電路整合度的高度需求。  

天線設計決定訊號效能勝負  

在多模手機中，其天線的設計直接影響訊號的效能與彼此干擾程度，也因此，在終端產品正式問世前，即須要從增益、效率、方向圖等天線的輻射參數方面評估手機的輻射性能，進而考慮整體環境如天線周圍器件、開蓋和閉蓋對天線性能的影響。反之，設計人員也必須從手機整機的發射功率和接收靈敏度方面，評估手機的輻射性能，以考慮天線與整機配合之後最終的輻射發射功率(TRP)和接收靈敏度(TIS)如何。  

近期大行其道的多重輸入多重輸出(MIMO)技術，就與智慧型天線(Smart Antenna)密切相關，並已發展出在多模手機上的高效能運作技術。簡言之，可稱為可適性天線(Adaptive Antenna System, AAS；Adaptive Antenna Array, AAA)的智慧型天線，有別於過去用單一天線進行收發，而是同時動用多組天線來強化收發效果。因此可以拓增頻寬、強化訊號或進行方位判斷應用。  

而利用多根發射天線與多根接收天線以提升無線通訊系統效率的MIMO，由於可在不增加頻寬或總發送功率耗損(Transmit Power Expenditure)的情況下大幅增加資料吞吐量(Throughput)及傳送距離，因此在近年頗受矚目，包括WiMAX、3.5G與IEEE 802.11n中都能見到其身影。  

軟體管控有助避免干擾  

圖2　安立知藍牙及無線網路產品製造市場業務經理苗偉倫(圖中)認為，儘管多頻多模帶來不少量測挑戰，不過仍可透過分時的方式進行隔，避免訊號干擾。左一為安立知應用工程師吳錫坤、右一為安立知行動通訊產品技術副理呂玉玲。

雖然訊號干擾是影響通訊品質的一大問題所在，不過，業界倒也已經找到因應之道。安立知(Anritsu)藍牙及無線網路產品製造市場業務經理苗偉倫(圖2)指出，雖然從射頻端無法直接針對兩者的訊號進行區隔，不過仍可從通訊協定(Protocal)與媒體存取控制(MAC)層進行改進。舉例來說，透過軟體進行發送時間的落差管理，就是方法之一。苗偉倫說，在部分產品中已可看到，設計人員將軟體分時(Software Time Sharing)的功能納入其中，錯開訊號收發時間，即可大幅避免訊號干擾的問題。  

另外，苗偉倫也說，在藍牙1.2版本中以後，就已經新增適應性跳頻技術(Adaptive Frequency Hopping, AFH)，同樣可避免與其他技術的訊號干擾問題。根據工研院IEK的報告，所謂的適應性跳頻技術，主要是用來減少藍牙產品與其他無線通訊裝置之間所產生的干擾問題。為改善此一問題，藍牙特別技術聯盟(Bluetooth SIG)特別在1.2版本中加入適應性跳頻技術，透過傳輸通道的偵測與區隔，以有效避免藍牙與其他無線通訊技術之間的干擾。  

圖3　耕興華亞營運處協理黃武宗透露，在大談高功率高效能訊號的同時，產品本身仍不應忽視對人體的影響，否則仍可能無法正式問世。

舉例來說，若在一台筆記型電腦中同時具備藍牙與WLAN傳輸功能，適應性跳頻機制即可藉由WLAN所提供的資訊來分配藍牙傳輸所能使用的通道數；或是當消費者同時使用獨立運作的藍牙耳機麥克風與WLAN上網時，則由藍牙耳機麥克風自動偵測並避開WLAN所使用的通道範圍，以減少干擾的產生。  

不過，與日俱增的高效能與高傳輸量通訊訊號，也就需要強大的功率才能發射，更可能潛藏對人體的危機，這是在大談多頻多模時不能忽略的議題。耕興華亞營運處協理黃武宗(圖3)透露，TRP反映的是天線遠場的輻射性能，而手機輻射值(SAR)反映出天線的近場輻射性能，但是一般在OTA中，TRP多希望愈大愈好，如此從功率放大器(PA)中出來的天線功率才能有效輻射，並帶來較佳的無線介面連接性。然而，在SAR測試中，則希望TRP數值較小，這樣才不至於影響人體健康。黃武宗認為，未來的手機或其他通訊裝置發展將陷入兩難，因為隨著今日的通訊頻帶愈趨擁擠，勢必會朝更高的頻段邁進，也就需要更高的功率，以及更強的輻射率，如何維持兩者間的平衡，會是系統開發人員與製造業者的一大考驗。