越來越多電子產品提供3G寬頻分碼多重存取(WCDMA)通訊功能，由於實現直接板載WCDMA晶片入門費較高，開發週期長，利用WCDMA模組實現無線通訊功能就成為更好的選擇。本文選用芯訊通(SIMCom)的WCDMA/高速下行封包存取(HSDPA)模組SIM5320，從功能和硬體設計角度闡述模組在手持消費類終端、車載通訊系統、行動電話和全球衛星定位系統(GPS)追蹤器等方案中的應用，以方便工程師進行快速的硬體設計與開發。
目前平板類消費性裝置風靡全球，相較於直接將晶片焊於電路板(Chip on Board)的設計方案而言，平板裝置廠家採用WCDMA模組可以降低開發成本與風險，加速產品研發進程，縮短產品上市時間。例如芯訊通推出的WCDMA/HSDPA模組SIM5320尺寸小、厚度薄，低功耗，內嵌GPS和行動電話輔助型GPS(A-GPS)功能，非常適合平板類的裝置需求，具體應用如圖1所示。
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| 圖1 手持消費類裝置應用功能區塊圖 |
開發手持消費類裝置
SIM5320在手持消費終端裝置上的應用，其硬體介面涉及電源與充電介面、通用序列匯流排(USB)、用戶識別模組(SIM)卡介面、音訊介面、天線介面，控制介面等。應用處理器(AP)可以選擇飛思卡爾(Freescale)的i.MX51、i.MX53和德州儀器(TI)OMAP系列。
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手持消費終端裝置基本上由鋰電池供電，所以必須要設計電池充電電路。SIM5320模組註冊網路和射頻(RF)多時間槽發送的耗流峰值可能會達到2安培(A)，這必然會導致電壓下降，所以電源系統一般要求2安培以上的電流供電能力，一般建議選用直流對直流(DC-DC)，效率比較高。如果電源系統供電能力較低，需要大電容補償，以免電壓下降造成模組重啟。建議2,000微法(μF)以上容量電容和一些納法(nF)、皮法(pF)級電容並聯，靠近電源入口放置，濾除干擾。同時建議在模組電源入口加100微法電容。為減少線路阻抗，增強VBAT穩定性，VBAT走線盡量寬、盡量短，要有大面積鋪地。圖2為鋰電池充電和模組供電電路。 |
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| 圖2 鋰電池充電和模組供電電路 |
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AP與模組SIM5320透過USB通訊，SIM5320 USB介面須按照90歐姆(Ω)差分走線。走線盡可能短、直接、盡量不要換層。 |
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SIM5320支援1.8伏特(V)和3伏特的通用用戶識別模組(USIM)卡。圖3為SIM卡建議電路。電路中33皮法和100納法可以分別濾除干擾和穩定SIM卡電壓；22R電阻可以改善波形質量，增強電磁相容(EMC)性能；由於經常觸摸到SIM卡座，靜電釋放(ESD)保護就顯得格外重要，建議增加瞬態電壓抑制器(TVS)保護SIM卡介面。此外，該款SIM晶片適合車載系統震動的環境。圖4為SIM晶片建議電路。電路中33皮法和100納法可以穩定SIM卡電壓；22R電阻可以改善波形質量，增強電磁相容性能。 |
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| 圖3 SIM卡電路 |
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| 圖4 SIM晶片應用電路 |
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SIM5320提供Handset手持和喇叭(Speaker)免持兩個類比語音通道。在布線(Layout)時須要注意：Handset線寬最小10密爾(mil)，Speaker線寬最小20密爾；音訊走線按差分，盡可能短，強烈建議安全走線(Guard Trace)；音訊走線要避開天線、電源區、液晶顯示(LCD)、時鐘(Clock)及其他高速訊號，否則干擾雜波訊號會耦合進音訊線路。而對車載系統來說，音訊的回音抑制演算法比較重要。SIM5320模組提供七種回音抑制演算法，如Handset、Hand-free、PCM、Speaker phone等，可以透過AT命令，選擇其中的一種。如果使用AP的回音演算法，可將模組內部的回音演算法關閉。 |
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模組有RF和GPS兩個天線介面。手持消費類裝置一般使用內置天線，所以RF和GPS天線在設計時需要遵循以下一些規則：RF和GPS天線走線須要50歐姆阻抗控制，線盡可能短、走直線、不要換層；RF和GPS天線走線要安全走線，遵循3瓦(W)規則設計。走線(Trace)兩邊要多打地孔；布線和天線遠離馬達、AP、記憶體(Memory)、LCD、軟性電路板(FPC)、石英振盪器(XO)、喇叭、DC-DC等元件和區域；走線下面禁止布線，尤其是高速訊號線，否則會造成串擾和阻抗不連續；天線要有足夠的淨空區域；天線走線可以走微帶線或者帶狀線。此外，RF天線匹配網路和建議電路如圖5所示，而GPS建議使用陶瓷天線，圖6為天線匹配網路和建議電路。就車載應用而言，建議使用車載天線，其布線規則與手持消費終端相同。RF天線匹配網路和建議電路為一般使用同步多重存取(SMA)介面，方便連接車載天線。GPS建議使用車載有源GPS天線。圖7為GPS天線匹配網路和建議電路。 |
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| 圖5 RF匹配電路 |
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| 圖6 GPS匹配電路 |
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| 圖7 GPS有源天線匹配電路 |
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手持消費終端必須支援休眠功能，延長裝置待機時間。只要主機AP支援USB休眠(Suspend)模式，模組在沒有語音和資料工作時，就會進入休眠模式，以節省電源消耗。此外，模組處於休眠模式下，語音電話、視訊電話、簡訊都能自動喚醒模組。模組也提供喚醒輸入GPIO，由AP喚醒。 |
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系統如果存在電磁干擾(EMI)，不但給認證帶來困難，也會影響到RF和GPS的接收靈敏度，因此須要注意以下一些規則：AP、記憶體、晶體振盪器等基頻電路建議加遮罩；印刷電路板(PCB)要有完整的地平面。注意高速訊號線回流路徑，不能被割裂；馬達、喇叭、LCD等元件保證良好接地，防止成為電磁波發射源；高速線路需要考慮阻抗匹配；注意電源完整性，避免產生電源環路，適當增加去耦及旁路電容，必要時須要串接電感或磁珠；SIM卡走線盡可能短，走內層。建議加電阻-電容(RC)濾波電路，增強電磁相容性能。 |
設計車載通訊系統
SIM5320模組支援溫度範圍寬泛，可以工作在環境溫度要求嚴格的車載環境，內嵌GPS與A-GPS功能，也可以用於實現對車輛的定位追蹤功能。並且支援歐盟的eCall標準，可以將事故資訊及時傳遞到緊急事故處理中心。另外，SIM5320也支援設計管理(DM)和空中傳輸韌體更新(FOTA)功能，實現韌體的遠程升級。圖8為SIM5320車載通訊系統示意圖。
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| 圖8 車載通訊系統 |
SIM5320在車載通訊系統設計時，模組的大部分硬體介面設計和手持消費類裝置相同，在此不贅述。下面主要講車載方面應用的不同點。
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車載電源有瞬斷現象，模組VBAT上必須加大量電容補償，保證系統能正常工作。車載環境比較惡劣，外部電源輸入端加一些壓敏電阻、共模電感、TVS管等元件，可以增強模組電源抗干擾能力(用於抗浪湧，脈衝群，靜電等)。圖9是模組電源供電電路。因採用直流對直流電源方案，存在開關雜訊(Nosie)，建議使用磁珠濾出雜訊。 |
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| 圖9 模組電源供電電路 |
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| 圖10 模組自動開機電路 |
該模組提供POWER_ON用於開機和關機。建議使用AP的GPIO來控制模組的POWER_ON接腳，實現模組開關機。SIM5320有個自動開機的功能，只要將POWER_ON透過電阻接地，即可實現模組啟動自動開機。此時，建議使用AP的GPIO來控制電源供電電路LM2596的ON/OFF端，以便控制模組上下電(圖10)。 |
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若要確保汽車安全，就必須對汽車事故快速處理。有了eCall系統，當汽車發生重大交通事故而擊發安全氣囊時，系統能自動撥打統一的急救電話112(或其他號碼)，將急救呼叫訊號以及事故車輛所在位置資訊(GPS)透過無線通訊網路以最快的速度傳送給最接近出事地點的緊急事故處理中心。對於那些事故發生時不清楚事發位置或受傷不能打電話的人來說，這個系統的好處顯而易見。圖11為eCall處理示意圖。 |
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| 圖11 eCall處理示意 |
研發WCDMA行動電話
行動電話與傳統公用交換電話網路(PSTN)網路電話類似，都具有語音電路、電源電路、免持電路、外圍LCD及鍵盤等。普通行動電話方案採用微控制器(MCU)和無線模組配合實現無線存取和音訊功能。圖12為建議的單模組行動電話方案，省掉MCU的使用，可以有效節省客戶的成本。
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| 圖12 SIM5320行動電話方案 |
SIM5320無線模組內嵌LUA腳本(Script)，單模組可以作為自主系統。該模組可以直接外掛LCD、鍵盤等外設，並且提供大量的GPIO用於控制。SIM5320 Current_sink作為LCD背光控制，透過LUA腳本控制電流，即可調整LCD背光亮度。另外，還提供即時時脈(RTC)功能，實現時鐘功能。而類比數位轉換器(ADC)可以檢測電源電壓，確保系統運行穩定。
設計GPS追蹤器系統
SIM5320無線模組提供GPS和GSM/WCDMA無線功能，模組內嵌LUA腳本，單模組可以作為自主系統，模組各種功能和外設均可由LUA腳本配置。採用SIM5320模組的GPS追蹤器，將GPS獲得的定位資料透過GSM/WCDMA傳至後台服務器上，從而可以實現在服務器端查詢終端位置。服務器也可以將追蹤對象的位置資訊透過簡訊方式告知查詢者。
圖13為SIM5320 GPS追蹤器系統示意圖。GPS追蹤器廣泛用於兒童和老人的行蹤掌握、貴重物品追蹤、寵物追蹤、貨運與物流、汽車防盜等場合。GPS追蹤器功能和警告特性如下所述：
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| 圖13 SIM5320 GPS追蹤器系統框圖 |
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可設定授權號碼，當按下按鍵就可撥打授權號碼，用於緊急呼救。 |
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緊急警告、遠程式控制警告、越界警告、低電壓警告、防盜警告。 |
在GPS追蹤器系統圖中，系統直接由鋰電池供電。在鋰電池電量耗盡時，可以透過USB和充電電路替鋰電池充電。麥克風(MIC)和喇叭為可選功能，如果GPS追蹤器具備語音介面，可實現緊急呼叫功能。
只要按下開機鍵200毫秒(ms)左右，即可打開模組。功能按鍵可以實現一些特殊功能，例如呼叫特定號碼、模式設置等，可由LUA腳本設定。而網路狀態發光二極體(LED)用於指示網路和GPS狀態。模組狀態LED用於指示模組運行狀態：低壓狀態、充電狀態、充電完成等。狀態LED也可由LUA腳本設定。
GPS追蹤器對功耗要求很高，在設計和使用時要注意下面幾點：軟體關閉不需要的功能，以降低模組工作時功耗；可以啟用定時追蹤，例如模組先設定好追蹤時間，透過LUA關閉RF發射。到了追蹤時間點，模組再自動打開RF功能。
總歸來說，在WCDMA無線應用蓬勃發展的今天，將模組嵌入到無線產品中，將可以快速搶占市場。
(本文作者任職於芯訊通)