為了讓消費者能在任何地方上網連線，行動通訊網路是其中一項關鍵要素。3G與4G網路功能，初期僅局限於手機領域，如今已廣泛延伸到各種可攜式電腦。行動通訊上網在初期是鎖定行動商務人士客群的利基市場，然而如今透過行動通訊上網的筆記型電腦卻呈現爆炸性成長，主要客群包括大學學生以及在咖啡館隨時辦公的新世代員工。
行動數據機介面水漲船高
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資料來源：The Linley Group
圖1 2005～2012年全球行動網卡出貨情形 |
這些讓筆記型電腦透過行動通訊上網的裝置有許多稱呼，包括行動寬頻裝置、筆記型電腦上網數據卡等，各家電信業者都有不同的稱謂。本文將它們統稱為行動數據機介面(Cellar Modem Dongles, CMD)。隨著數據服務占每家電信業者整體營收的比重攀高，行動數據機介面普及的程度也因而水漲船高(圖1)。目前每家手機電信大廠都銷售這類型裝置，這些行動數據機介面從最簡單的3G上網，一直涵蓋到搭載額外功能的數據機，例如SD記憶卡擴充，甚至是雙模數據機等。
現今市面上最簡單的3G行動數據機裝置，是單模全球行動通訊系統(GSM)或分碼多重存取(CDMA)行動數據機介面。這些行動數據機裝置僅提供連至手機網路的功能，滿足數據傳輸的需求。這些裝置專為資料傳輸設計，接收端裝置內部搭載一個射頻(RF)晶片、一個基頻(Baseband)數據機及一個電源管理IC。
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| 圖2 傳統數據機架構 |
隨著數據機介面市場持續加溫，許多製造商著手推出獨家產品。要突顯產品特色，最簡單的方法就是加入一個SD記憶卡插槽，用來儲存資料(圖2)。這項功能通常會用在數據機的基頻處理器，因此須要投入些許的設計工作。除了加入SD記憶卡外，現今的數據機研發業者還致力在行動數據機介面中加入各種新功能，特別是雙模數據機功能。
認識雙模行動數據機介面模組
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| 圖3 雙模數據機架構 |
雙模行動數據機介面模組包括GSM＋CDMA數據機、3G＋4G行動通訊數據機、行動通訊數據機＋無線區域網路(Wi-Fi)三種(圖3)，以下分別加以說明。
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現今大多數行動通訊市場中的產品，都混用多種技術標準。其中兩項主要行動通訊標準為GSM與CDMA，對於為用戶提供功能有限網路服務的電信業者而言，這兩種標準已經足夠。但消費者卻受到拘束，特別是在開發中國家，各家電信業者在自己經營的地區，訊號覆蓋率通常較為理想。因此，雙模手機在這些國家興起，雙模行動數據機介面也相對成長。 |
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現今另一種受歡迎的行動數據機裝置設計，是結合3G與4G數據機。這些設計能運用高規格4G手機數據服務，以及更為普及的3G數據服務。現今大多數電信業者多是選擇全球微波存取互通介面(WiMAX)或長程演進計畫(LTE)作為首選的4G方案，許多行動數據機介面開始結合這些技術，同時也支援較為普及的3G連線技術。 |
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第三種設計選項是行動數據機結合Wi-Fi介面模組。雖然在現今許多筆記型電腦中，Wi-Fi是標準的配備，但新推出的802.11n標準仍尚未整合至桌上電腦。此外，由於電信業者採取不同規格，以致許多小筆電僅能使用特定電信業者的網路，這些機種卻沒有內建Wi-Fi功能。這將衍生出產品需求--具備Wi-Fi功能的額外裝置，並且讓電信業者在數據傳輸方面的營收不受影響。 |
衝破技術關卡 產品方能問世
這類雙模行動數據機雖然有明確的需求，但至今仍沒有看到這類產品問世。延遲問世其中的一個主要原因，是這類裝置的設計極為複雜。舉例來說，雙模行動數據機介面必須具備以下幾個細節，包括須支援兩種模式、運作功耗500毫安培(mA)、能在兩種模式間快速切換與通用序列匯流排(USB)效能。
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為了讓一個雙模行動數據機介面能夠支援兩種模式，兩個處理器必須能連結到一個集線器(Hub)或橋接晶片。有些研發業者選擇採用一個交換器，但這種作法無法符合現今顧客的雙模規格。因此，針對行動數據機介面，橋接晶片及Hub晶片為兩個內建處理器與個人電腦(PC)上USB介面連接時，主要的內部互連晶片選項。 |
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現今要連結至行動PC或任何PC最普及的連結選項就是USB，因此，行動數據機介面大多也採用此標準，然數據機從USB連結埠得到的資料流量也就面臨限制。USB 2.0標準讓連結至一個USB埠的裝置能汲取500毫安培的電力。因此在運作時，行動數據機介面僅能從USB獲得500毫安培的電力。這對許多數據機介面的設計人員是一個難題，因為光是主處理器在運作時就會耗用400毫安培的電力。 |
此外，工程師還必須考量兩個處理器之間與USB埠的互連，且須考慮系統在全速運作下的整體功耗。當兩端數據機都在運作時，數據機本身會耗用超過800毫安培的電力，這已超過USB 2.0能夠提供的最高上限。然而，許多研發業者了解到，不論在任何情況下，兩端數據機都不可能同時在全速模式下運作，因此最高的耗電量，會是其中一個數據機保持運作，再加上互連晶片在加總後的耗電，這正是橋接晶片優於Hub晶片的地方，假使一個數據機僅耗用400毫安培的電力，只要超過100毫安培的耗電，都會讓裝置停擺，雙模行動數據機介面因此無法使用Hub晶片。橋接晶片僅耗用約80～100毫安培的電力，能讓系統維持在額定的電流範圍內。
在兩種模式間快速切換
就雙模數據機而言，另一項重要因素是能以最快的速度在不同數據機之間切換。依據研發業者的要求，有些設計須要在數微秒內切換，有些則必須在數毫秒內切換。搭配Hub晶片的雙模數據機，其切換速度遠遠不及搭載橋接晶片的數據機。這是因為Hub晶片僅有轉傳的功能，所有指令都交給數據機連結的PC去處理。在橋接器架構中，切換時間相當短，因為數據機能夠直接執行通訊，不須先把資料傳到PC。即使資料被傳送到PC，所有通訊作業都能以無縫的模式同時進行，如此即可把兩種模式的切換時間減至最低。
USB效能攸關系統效能
就雙模數據機的設計而言，USB的效能是另一項重要因素。USB是數據機與PC之間的主流互連介面，系統要充分發揮性能，USB功能是重要的關鍵。如果系統中USB的效能局限在80Mbit/s，數據機何必提供超過100Mbit/s的資料傳輸率。
也因為USB效能的關係，所以在這些系統的前端配置橋接晶片。有別於Hub晶片僅傳遞從數據機傳來的USB資料，橋接晶片能連結至其他效能更高的數據機介面如記憶體介面，這讓數據機能輸出最大量的資料，不會受限於數據機內建USB元件的效能。
橋接器設計具明顯優勢
除了滿足雙模行動數據機介面的主要要求外，橋接器架構亦能為數據機設計帶來更多的利益，以下分成獨立資料通道、彈性的介面、尺寸等三項進行說明。
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對於雙模行動數據機介面而言，這項特色相當實用，因為裝置的功耗限制相當嚴苛。在500毫安培的功耗限制下，數據機必須能在各種功耗模式下不斷切換，讓系統維持在平衡的狀態。獨立的資料通道讓通訊與資料傳輸能同時進行，不必把資料儲存在佇列中。如此即可持續不斷地切換，不會破壞系統脆弱的平衡，也不會干擾資料傳輸流。 |
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橋接晶片也為設計提供更具彈性的介面，讓研發業者能擴增SD記憶卡或切換記憶體介面。這種彈性讓研發業者能自由更換系統的功能，並讓產品能快速問世。 |
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許多橋接晶片特別針對行動裝置量身設計。這些橋接晶片的尺寸，遠小於專為電腦周邊設備設計的Hub晶片。對於如USB數據機介面這類要求小巧的行動裝置來說，這又多帶來一項好處。行動數據機介面的體積越小，就更方便攜帶。 |
價廉省電/橋接器帶來大利多
便宜又省電的雙數據機介面，能夠同時滿足消費者與電信業者的需求。而運用橋接器架構，研發業者可開發出理想的天線，滿足雙模行動數據機介面所有的規格需求，並帶來額外的改良與功能。
(本文作者任職於賽普拉斯)