3G手機花樣百出　類比元件躍居關鍵地位

在手機系統中，除了基頻處理器、多媒體應用處理器、以及記憶體之外，幾乎所有元件都算是類比與混合訊號元件。近年來許多手機的創新功能，例如觸控、聲控、乃至加速度感應等，無不與類比電路的設計應用有關。因此類比元件的規格變化，對於手機市場的未來發展亦具備決定性的影響力。  

多重輸出創造音訊次系統需求  

從和弦鈴聲、MP3鈴聲、到MP3播放功能幾乎成為所有3G手機的標準功能，手機系統的音樂表現能力正面臨嚴苛的考驗。在手機應用環境中，使用者可以透過耳機聆聽音樂，也可能透過手機內建的喇叭直接播放MP3音樂。對一般使用者而言稀鬆平常的選擇，卻是系統設計者的一大考驗。以耳機輸出為例，即使D類音訊放大器的成本已與傳統AB類放大器價格相當接近，在考量到D類放大器的電磁干擾(EMI)及所能節省的電力有限等因素之後，AB類放大器仍是工程師的首選；但若以喇叭來輸出音訊，D類音訊放大器的高效率將轉化成顯著的電池壽命延長(相較於AB類放大器)，因而成為手機喇叭輸出上最流行的選擇。  

在MP3播放尚未成為手機的行銷訴求之前，為了節省系統成本與印刷電路板空間，手機設計團隊或許還可以透過手機電源管理晶片內建的放大器來執行全部或部分音訊放大功能。事實上，此一作法在今日的低階手機中仍非常普遍。但在MP3播放功能變成手機的賣點之後，消費者開始對手機的音質有更高的期待，設計團隊便宜行事的空間因而受到壓縮。為了協助手機設計團隊降低印刷電路板布局的複雜度、降低系統成本，音訊次系統(Audio Subsystem)的概念遂應運而生。  

美國國家半導體(National Semiconductor, NS)亞太區聲頻產品資深產品應用工程師郭俊傑表示，隨著音訊功能成為3G手機的主要行銷訴求，手機設計團隊一方面必須提升系統的輸出音質表現，另一方面又必須支援多重輸出。這些規格需求導致系統所使用的音訊元件數量增加，同時也讓手機的印刷電路板布局更為複雜。NS認為，將原本由獨立晶片所構成的晶片組整合成音訊次系統將是這些問題的最佳解答，例如NS所推出的LM49250便是一款整合了兩顆D類放大器與兩顆AB類放大器，可支援立體聲喇叭與耳機輸出的音訊次模組。對手機設計團隊而言，只要在系統設計中導入這顆晶片，就可以省去許多電路板布局上的麻煩，進而加速產品的上市時程。  

在整體D類音訊放大器應用領域占有40%市場的德州儀器(Texas Instruments, TI)同樣看見市場對多重輸出功能的需求，預定將推出具備類似功能的D類音訊放大器TPA2050D4。此元件目前仍有許多細節尚未對外透露，但TPA2050D4採用在輸出級部分做出切割的做法，使同一顆D類放大器可以支援喇叭輸出，也可以支援耳機輸出。TI認為，在手機的使用情境中，使用者不會一邊戴著耳機聽音樂，同時又用喇叭來播放音樂，因此只要在輸出級部分將耳機輸出與喇叭輸出切割開，即可以更經濟的方式支援耳機與喇叭多重輸出。但不可否認的是，AB類放大器在底噪部分仍然較具優勢，這也是許多手機系統設計者選擇耳機輸出放大器時的考量，畢竟相較於喇叭，耳機的噪訊更容易為使用者的耳朵發覺。  

智慧型增益為D類放大器創造更多價值  

圖1　德州儀器類比音頻/視頻訊號產品行銷經理梁逢烈認為，DRC會成為TI得以迴避D類音訊放大器價格戰的獨門特色。

除了多重輸出能力顯然將成為3G手機音訊放大器的標準功能之外，元件供應商亦試圖在手機音訊放大器產品中增加更多新功能，以避開標準型D類音訊放大器的價格戰場。TI類比音頻/視頻訊號產品行銷經理梁逢烈(圖1)表示，D類音訊放大器市場在過去幾年搭著手機、個人多媒體播放器等可攜式產品的風潮而快速成長，但在市場規模擴張的同時，競爭也變得更加激烈。在此一趨勢下，元件供應商必須在自家的產品中添加更多附加價值，否則就只能打價格戰。  

為了提升產品的附加價值，TI最近發表一款標榜具備動態範圍壓縮(Dynamic Range Compression, DRC)功能的D類音頻放大器TPA2016D2。透過可編程的自動增益控制(Automatic Gain Control, AGC)，此款元件可以在播放到有超過喇叭額定輸出功率之虞的音樂片段時，瞬間將增益值降低以保護喇叭，亦允許設計者自行定義一個臨界閾值，當輸出超過閾值時，此元件即可自動依先前設定的比例來壓縮聲音的輸出功率。這兩個功能搭配運用之後，可以讓消費者的聽覺不至於因為動態範圍壓縮而感到突兀，同時也讓手機設計團隊可以更大膽地提升手機音訊的平均輸出功率，以便讓消費者聽見更多原本聽不到的聲音細節。  

梁逢烈信心滿滿地認為，在3G手機普遍內建MP3音樂播放功能的趨勢發展下，DRC將成為未來D類音訊放大器的重要功能，有幾款先前所推出的手機音訊放大器也很有可能會被新元件所取代。從TI開出的參考報價來看，也可以嗅出TI確實有將DRC拱成D類音訊放大器主流的企圖。  

抗雜訊與陣列需求推動微機電麥克風起飛  

圖2　樓氏電子產品應用經理吳漢傑(左)表示，微機電麥克風憑藉其優異的抗干擾特性，在天線林立的3G手機中已經成為麥克風元件的首選，但業界在選擇解決方案時仍須從更全面的角度來評估元件是否適合自己的系統設計需求。右為樓氏電子亞太區業務協理何美靜。

除了音樂播放帶來音訊輸出端的變革之外，3G手機的多功整合特性也對音訊輸入端帶來許多新挑戰。樓氏電子(Knowles)產品應用經理吳漢傑(圖2左)表示，以目前典型的3G手機設計來看，一支手機中至少內建四根天線(三頻GSM、WCDMA、藍牙)。為了避免麥克風受到射頻訊號干擾，設計工程師除了可以在麥克風外面加上一層金屬屏蔽，以提升元件的抗干擾能力。事實上，站在射頻接收的角度，加上金屬屏蔽之後的麥克風若是距離天線過近，本身也會造成射頻接收的干擾，因此系統設計工程師以往會刻意讓麥克風與天線保持安全距離。但在3G手機應用中，由於射頻天線數量大增，因此麥克風位置的選定變成設計者的一大挑戰。而先天抗干擾能力較佳的微機電麥克風，遂成為工程師在進行應用設計時的首選。  

除了抗干擾能力之外，微機電麥克風的小尺寸優勢也允許設計者發揮更多創意應用。例如在手機的喇叭旁邊放置麥克風來監聽喇叭所播放的音訊波形，即可讓手機數位訊號處理器在執行回聲消除演算法時有更精確的參考訊號，進而提升通話品質。另外一個應用情境則是麥克風陣列。對於個人導航設備這類最好可用聲控方式操作的系統而言，要提升系統對語音指令辨識精準度的方式之一就是透過麥克風陣列，讓系統能抵抗更強的背景噪音(如汽車發動時的引擎聲與震動噪音)。  

事實上，目前已有許多智慧型手機與個人數位助理(PDA)手機內建全球衛星定位系統(GPS)導航功能，也開始有如台灣國際航電(Garmin)、宇達電通(Mio)等GPS導航設備廠商挾其定位技術專業跨界投入手機市場，因此，在市場競爭趨向白熱化之際，原本只被運用在筆記型電腦、個人衛星導航設備上的麥克風陣列技術，或許也將很快出現在主打定位功能的手機機種上。但吳漢傑也指出，麥克風陣列技術要被運用在手機上，除了手機的系統尺寸所帶來的設計挑戰之外，麥克風元件本身的公差也是一個不可忽視的問題。目前業界最普遍的元件公差約為正負3dB，有些公司可以提供正負2dB的元件方案，樓氏電子本身則有幾款麥克風的公差為正負1dB，若要組成麥克風陣列，元件的公差應盡可能縮小，否則軟體演算法將淪為英雄無用武之地。  

吳漢傑也提醒，目前市場上對微機電麥克風仍有許多迷思，例如元件尺寸越小越好等等，卻忽略了元件本身的可靠度也是一大關鍵。曾經有客戶評估試用一款他廠牌標榜當時業界尺寸最小的麥克風元件，但在進行摔落測試時卻發現該元件不耐摔，幾乎完全無法通過高度30公分以上的摔落測試。除此之外，微機電麥克風以往的最大賣點之一就是可以用表面黏著技術(Surface Mount Technology, SMT)導入系統量產，不像過去電容式麥克風只能採用手焊製程，因此客戶在選用元件時，也應該把自家生產設備或協力代工廠的SMT機台處理能力納入考量。  

三軸加速度感測器為手機帶來更多樂趣  

除了時下最流行的多點觸控以及可望乘個人導航功能而起的聲控之外，原本被應用在汽車安全配備中的加速度感測器也試圖搶進手機市場，為手機帶來更多新花樣。  

事實上，手機採用加速度感應器的歷史最早可追溯到2005年夏普(Sharp)為日本沃達豐(Vodafone)所設計的V603SH客製化手機，其所內建的二軸加速度感應器允許使用者透過將手機直擺、橫擺、或傾斜的方式來操作選單或游標，同時也內建兩款讓使用者透過揮舞手機來進行操作的Java遊戲，可說是目前風靡全球的任天堂(Nintendo)Wii遊戲機的概念始祖。至於最近的例子，則是蘋果(Apple)所推出的iPhone(圖3)。在第一代iPhone中，三軸加速度感應器可透過偵測手機擺放角度的方式來旋轉相片的方向，讓使用者可以更直覺地瀏覽存放在iPhone中的相片；在iPhone 3G中，蘋果對外公開此一功能的應用程式介面(API)，並立刻引起遊戲開發社群的興趣，許多遊戲開發商已經利用此一API開發出創新的遊戲，讓使用者可以透過搖動、傾斜的方式來玩iPhone手機遊戲。

資料來源：蘋果 圖3　手機內建三軸加速度感應器的案例目前仍僅見於有意整合掌上型遊戲機功能的手機系統中，因此是否能成為趨勢，還有待電玩產業的投入與力挺。

但不可否認的是，內建加速度感測器是否能成為手機設計的新趨勢，還必須仰賴手機遊戲的發展。若是以遊戲功能作為訴求的機種數量無法成長，再加上遊戲開發者的投入不足的話，手機內建加速度感應器所能提供的價值將相對有限。此外，目前市場上針對手機應用開發三軸加速度感測器的三家主要供應商亞德諾(Analog Devices, ADI)、飛思卡爾(Freescale)、與意法半導體(STMicroelectronics, ST)，能否持續降低元件的封裝厚度以及晶片成本，將是加速度感測器能否普及到多媒體手機的關鍵。  

混合式行動電視捲土重來  

雖然除了在日本與韓國兩個市場之外，2007年對手機電視而言可說是相對黯淡的一年(圖4)，但手機電視背後所代表的龐大商機，仍驅使業界幾家投入行動電視市場的廠商持續為手機接收應用開發新的解決方案，也為手機電視的成熟普及奠定基礎。

資料來源：索尼愛立信 圖4　行動電視在經過一年的沉澱與洗牌之後，將以更成熟的技術重新挑戰市場接受度。

「對行動電視產業而言，2007年確實是相當沉寂的一年。」DiBcom技術長Khaled Maalej說。但市場面的沉寂並不影響行動電視朝更成熟的方向發展。事實上，過去這一年行動電視正朝向一個新的階段發展。例如在德國，最近包含T-Mobile、沃達豐等電信業者，在DVB-H頻譜分配遲遲未能塵埃落定的情況下，為了吸引更多用戶，甚至推出了內建DVB-T接收功能的手機，並且比照一般手機銷售做法向消費者提供購機補貼。Maalej指出，這個現象表示即使行動電視服務本身無法創造直接營收，仍然看好這項服務所能帶來的用戶數增長以及其他間接效益。但不可諱言的是，DVB-T不管在移動接收能力或功耗方面，仍然不如專為行動裝置設計的DVB-H，因此在手機平台上使用DVB-T終究是個過渡性的做法。  

除了DVB-T之外，原本設計給衛星接收用的DVB-S在2007年也衍生出針對手機所定義的DVB-SH這個新標準。Maalej認為，訊號覆蓋率對於行動電視服務的推廣速度有著決定性的影響力。若是訊號覆蓋率不足，電信營運商很難推展其服務，這也是德國的營運商之所以選擇先推廣DVB-T行動電視手機的原因。DVB-SH與DVB-T相比，雖然兩種廣播技術的訊號涵蓋範圍都比DVB-H廣，但由於DVB-SH吸收了許多DVB-H的特點，例如時間切片(Time Slicing)等，因此DVB-SH的移動性與省電能力比DVB-T還要優異許多。根據DiBcom在實驗室裡測量的結果，DiBcom自家的DVB-SH接收器雖然整合了兩組調諧器電路以接收VHF、UHF、L-Band、S-Band四頻訊號，但功耗只比DVB-H接收器功耗增加5%。  

由於手機終端只須多增加一些功耗預算，就可讓營運商的訊號涵蓋範圍即刻擴充到近乎無死角的地步，因此DVB-SH規格甫一制定完成，便有許多業者宣布將進行現場測試，例如在歐洲目前推展DVB-H服務最成功的義大利3 Italia；原本在北美市場鎩羽而歸的DVB-H，也可望在Dish Network宣布將採用DVB-SH後，與高通(Qualcomm)主導的MediaFLO展開第二回合競逐。換言之，DVB、MediaFLO、與T-DMB三大國際行動電視標準間，仍有一番龍爭虎鬥。  

類比世界無限精彩  

相較於緊緊跟隨著摩爾定律腳步發展的處理器與記憶體元件，類比/混合訊號元件的發展方向，顯然有更多科技始終來自於人性的味道。  

不管是觸控/聲控操作模式，還是更好的視聽效果，都必須仰賴類比元件設計應用上的創新才有可能達成。對系統產品而言，這些能直接提升使用者體驗的新功能，同時也是產品差異化所在，類比元件所扮演的角色也因而更為吃重。