快速變動的技術需求促使行動電話的發展。曾經是簡單語音為主的單模式手機已被多模式智慧型手機、無線PDA和多媒體產品所取代，包括藍芽、802.11無線網路以及全球定位服務在內的新一波科技浪潮正匯聚於手機...
快速變動的技術需求促使行動電話的發展。曾經是簡單語音為主的單模式手機已被多模式智慧型手機、無線PDA和多媒體產品所取代，包括藍芽、802.11無線網路以及全球定位服務在內的新一波科技浪潮正匯聚於手機。
然而，要在原有設計上加入新的技術，是一項極具挑戰的任務，手機設計人員不僅要滿足消費者的需求，同時更要面對成本、效能和產品上市時間等市場考驗。因此一套創新完善的匯聚技術更顯得格外重要。
或許是第一波的匯聚技術並未帶來足夠的設計需求，另一波科技浪潮很快又將到來，其中許多都與更強大的射頻功能有關。在世界某些地區，手機已開始提供調頻廣播和類比電視的接收功能，隨著新功能、應用和技術不斷匯聚至無線手機，越來越多的手機設計很快就會採納這些技術，以及超頻寬(UWB)、數位電視、衛星廣播和其它功能。
要把新技術加入現有設計，這項工作本身就很困難，但是手機設計人員還必須克服最嚴苛的限制-由消費者所設下的各種要求。這些要求包括電池壽命、功能效能、產品體積和成本，另外還有產品上市時間。
那麼這幾波匯聚技術的浪潮將對手機設計產生哪些影響？第一波是把藍芽、無線網路和全球定位系統等功能整合至手機，它也引領出許多有趣的問題和設計考慮，而這些問題和設計考慮都將是未來系統層級整合計劃的一部份。
手機製造商已轉向矽晶片層級整合，並以它做為減少晶片數目、用料成本和功耗以及達成縮小體積目標的主要方法，但在步調快速的行動電話市場上，若能把朝向更高階矽晶片整合度的必然趨勢以及模組化架構策略結合在一起，將對手機製造商產生極大助益。
事實上，模組化和矽晶片整合並非水火不容；相反的，只要利用整合型及模組化子系統做為完全整合式系統單晶片的建構方塊，廠商就能以子系統層級的矽晶片整合為基礎，發展出一套模組化的系統設計方法。這種方法可以保持很大彈性，確保製造商獲得他們所需的靈活性，使他們能針對市場需求迅速做出回應這些需求正是促使藍芽和無線網路等新技術加入手機設計的主要因素(圖1)。
藍芽在手機的應用已領先無線網路一步。過去幾年，藍芽的發展不斷成熟，有更多產品問世，而它們之間的互用性也獲得解決。但另一方面，無線上網據點、辦公室大樓和家庭中安裝的802.11無線網路數目已達到一定程度，消費者很快就會期望他們手機也提供無線網路功能；另外，手機無線業者認為無線網路將成為推動許多令人振奮的新資料服務的一項技術。
藍芽和無線網路使用同樣的ISM無需授權頻帶(2.400 GHz至2.4835 GHz)，使它們在無線手機的匯聚更加複雜；把兩組無線電路，一個是802.11無線網路子系統，另一個是藍芽子系統，安排在手機內部的相鄰位置，這兩種技術就很容易產生相互干擾，甚至降低效能。
雖然藍芽和802.11無線網路使用不同的空中傳輸介面(Air Interfaces)，但是彼此的干擾相當嚴重。802.11採用直接序列展頻(DSSS)以及正交分頻多工(OFDM)技術，藍芽則採用跳頻展頻 (FHSS)技術；在寬度為83.5MHz的ISM頻帶中，802.11大約佔用四分之一，而且它只有在傳送資料時才會使用這些頻帶。在透過無線網路通道傳送資料之前，802.11收發器也會檢查通道資料流量，避免發生封包碰撞。
藍芽的FHSS通道則不是採用固定頻率；當藍芽傳輸資料時，它會在79個事先定義的頻道間隨機跳躍，這些頻道的間隔則為1MHz。透過這種方式，藍芽得以利用整個頻帶，只不過在任何一個時間點上，只有很小一部份的頻帶會被使用。藍芽每秒大約會執行1,600次的頻道跳躍，而且不同於802.11在傳送資料前先監測資料流量的做法，藍芽會直接傳送資料，不管通道中是否有其它的訊號或是封包；萬一發生封包碰撞，藍芽會重新傳送遺失的封包，直到對方確認收到這些封包為止(圖2)。
雖然在手機的有限空間內擠進藍芽和802.11功能只會讓EMI共存的問題更嚴重，但它也提供機會為802.11和藍芽發展協作解決方案。某些共存解決方案直接將一定比例的可用頻寬分別指定給無線網路和藍芽，但這種安排有其限制；舉例來說，當無線網路介面需要傳送龐大檔案時，如果藍芽剛好處於閒置狀態，那麼指定給藍芽使用的頻帶也無法轉移給迫切需要頻帶的802.11使用。
TI的藍芽/802.11共存套件，則採用另一種做法，它們可以協調無線網路和藍芽的作業，讓每一種技術都能發揮最大效能，頻帶的使用也最有效率。TI共存解決方案採用的實作方式是將TNETW1100B或TNETW1230等802.11媒體存取控制器(MAC)元件的I/O通道連接到BRF6100或 BRF6150藍芽子系統單晶片的I/O通道，讓這兩種技術得以協調彼此作業，避免相互之間產生任何干擾。
TI的BRF6150單晶片藍芽解決方案(圖3)就是其中的一個例子，它說明在匯聚型手機中，子系統層級的模組整合如何能夠做為系統層級整合的第一步。功能整合，在這個例子中就是藍芽功能，提供了模組化建構方塊，它們能迅速用於手機設計，以便快速回應市場的某些功能需求；此外，做為藍芽子系統單晶片的單顆元件也讓人一窺數位射頻處理器(DRP)的發展藍圖以及這項技術對於手機設計的可能影響。BRF6150採用130奈米的CMOS製程技術，內建藍芽基頻處理器、ARM微處理器核心、智慧型電源管理能力和數位射頻處理器，元件封裝大小只有4.5×4.5釐米(20平方釐米)，使得這套解決方案只需不到50 平方釐米的電路板面積。雖然BRF6150的數位射頻處理器是專為藍芽通訊而設計，但當其它需要射頻功能的技術也想匯聚至手機時，BRF6150所包含的數位射頻處理器就為手機設計指出了未來應走的方向。隨著手機的複雜性不斷增加，數位射頻處理器將是克服體積、效能、成本、功耗和上市時間等市場限制因素的關鍵。
除了共存問題之外，現代手機的體積限制也讓藍芽、無線網路、全球定位系統或其它新技術的加入極為困難，除非它們能夠實現更高階的矽晶片功能整合。當然，有數種方法可能達成此目標，例如利用SiGe BiCMOS之類的高度精密製程來實現基頻和射頻的單晶整合(Monolithic Integration)就是選項之一，但這類製程所帶來的額外成本顯然會造成手機的總系統成本上升。此外，SiGe BiCMOS之類的先進製程通常必須等到微影(Lithography)精密度達到一定水準的先進CMOS製程開始應用後幾年才會出現。由於SiGe BiCMOS製程會導致系統成本增加，又無法提供最先進的技術，因此將SiGe BiCMOS製程用於更高階的手機功能整合並不是很有吸引力的解決方案。
另一種可能是利用先進的數位CMOS製程發展基頻電路，同時利用SiGe BiCMOS製程或射頻技術常用的其它製程來設計無線電路。這種簡單的方法雖然看起來很有吸引力，也很直接，但當元件製造完成並開始接受測試時，問題就會浮現。原因是射頻電路的製造良率通常都不如先進CMOS製程，而這類元件就算只有一項射頻參數不合規格要求，整個模組就必須丟棄不用，這使整體成本將提高很多。不僅如此，無線電路也不能加入先進邏輯功能、自我校準、內建自我測試或為這類元件改善射頻參數良率的其它技術。
另一種看起來很簡單的方法是將多種空中傳輸介面標準的射頻電路整合至一顆元件，然後利用先進CMOS製程把這顆元件和基頻電路整合在一起。由於這種方法缺少系統層級的模組化能力，此策略顯然必須採取一體適用的方法，不允許手機製造商將產品功能特色做彈性的混合搭配，以便支援手機市場的不同領域。在這種方法中，所有手機設計都必須承擔所有空中傳輸介面的基頻和射頻電路成本，就算它們不需要某些空中傳輸介面也是一樣。
這種方法也讓元件的製造過程更複雜，因此每一種空中傳輸介面的認證都無法離開其它標準而獨立進行；元件必須同時符合所有標準的要求，才能算通過完整認證。
另一種代替方法是把基頻和射頻電路整合至單顆元件，這種做法的多項特性使它對於手機製造商極具吸引力。單晶CMOS整合可在系統層級模組化，同時藉由射頻和基頻處理的結合來提供自我校準之類的先進射頻功能。
另外，手機體積也會大幅縮小。當然，傳統無線電架構也是對CMOS整合的挑戰，例如現有的直接轉換或超外差無線電架構就不容易整合至CMOS製程，因為它們包含許多類比電路以及高效能的被動零件。而且就算能夠整合，隨著新世代CMOS製程不斷出現，這種無線電架構的升級也很困難，因為電源供應電壓會隨著新製程而降低，使得類比功能就算在最好情形下也很難正常工作。
儘管如此，利用CMOS製程實作高度數位化的無線電架構不但可能，而且有很大的發展前景，TI數位射頻處理器就是很好的例子。如圖4所示，數位射頻處理器技術不但大量使用數位技術，它還儘可能將最多電路移到取樣資料領域，同時將類比電路減至最少，只有少數幾顆元件會在典型的類比領域工作。這種架構開啟了先進系統整合的大門，並能透過數位校準和自我測試的廣泛應用來改善參數良率，進而降低系統總成本。數位射頻處理器技術還能減少系統的體積、成本、外接零件數目、功耗和矽晶片面積。
就算必要的技術進步和更高階的功能整合都已達成，使後續出現的科技浪潮確實能匯聚於手機中，新設計仍須面對市場必然帶來的許多其它嚴格考驗，包括成本、效能、電路板面積、功耗和產品上市時間。此外，分享某些資源的多功能匯聚型手機只會更突顯其它棘手問題的重要性，例如認證和安全性。不難想像匯聚型手機的使用方式之一是讓行動電話通訊、藍芽和802.11等三種技術同時工作，並讓藍芽和802.11共享數位射頻處理器的資源，例如使用者可以一邊利用手機的無線網路介面收聽線上音樂，一邊利用手機接聽外面打來的行動電話，然後透過藍芽專用耳機接聽。
當然，系統認證向來都是需要克服的困難發展障礙。要讓手機的無線通訊介面通過產品全型認證，其過程不但複雜，而且牽涉到許多測試工作；當多種空中傳輸介面被整合至同一支手機時，整個過程還將變得更繁複，使得廠商必須同時通過多個全球性標準機構所公佈的多種標準認證。
在行動電話的認證程序之外，無線網路和藍芽也有自己的需要，必須通過產品的互用性測試，同時滿足某些法規要求。雖然高階矽晶片整合不會減少認證所需的測試工作，系統複雜性的降低卻讓製造商更有信心，確信在認證過程中不會出現嚴重的問題；舉例來說，半導體廠商可為整合式解決方案所搭配的少數外接零件提供佈局範例。由於整合式解決方案會縮小系統的整體佈局，工程師只需對設計做最小幅度的修改，就能輕易加入這些外接零件。因此高階的矽晶片整合，包括數位射頻處理器在內，會讓整個系統的整合更輕鬆，系統認證過程將變得更簡單，也更容易預測。
安全性一直是今日世界的關心重點，無線手機也不例外。隨著更多技術匯聚於手機，系統的接取點數目將會增加，使得手機更容易受到攻擊，因此手機發展人員必須在手機架構中增加安全保護措施，同時利用無線晶片組所提供的安全功能，例如TI OMAP處理器以硬體為基礎的內建安全保護功能。模組化架構可以提供嚴格的安全保護方法，由於每一個模組都能建立它們自己的安全參數，入侵某個模組就不必然會影響系統的整體安全。在此同時，包含以硬體為基礎的安全開機管理程式(Bootloader)以及先進加密引擎在內的整合式安全功能對於阻擋電腦駭客、電腦病毒、電腦蠕蟲(Worm)和其它類型的有害程式都非常有效。
隨著手機市場延續其快速的成長和創新步調，手機設計人員也將面對挑戰：他們必須控制匯聚過程，而不是被它們控制；這代表謹慎完成架構規劃，與零件供應商緊密合作，還有創新的能力。