基于功能的集成可豐富手持終端的功能與接口

眾多復雜的空中接口與晶片工藝技術以及高級應用處理給高級無線手持終端的集成帶來了巨大的挑戰(zhàn)。不過，新的晶片處理與設計技術能夠把模擬和無線電子連同數(shù)字處理功能一起集成到CMOS。這些技術可實現(xiàn)基于功能的集成策略，從而克服基于技術集成本身的不足。這是一種設計人員此前從未遇到過的全新集成策略。

在過去十年中，無線電話設計人員依靠半導體行業(yè)的支持，通過不斷提高設備集成已在小巧、精致的低成本無線手持終端中集成了越來越多的功能。總的來說，他們的集成策略是為適合特定功能的IC技術而量身定制的。高性能 BiCMOS、硅鍺（SiGe）、甚至砷化鎵均已成為無線設備的標準。模擬特性良好的高電壓晶片工藝已經(jīng)應用于模擬與電源管理領域。致密邏輯和專用存儲器技術也已經(jīng)用于數(shù)據(jù)處理功能。

這種基于技術的策略在整個二十世紀九十年代都能使無線設計人員感到得心應手，當時的大多數(shù)手持終端只具備單頻道操作模式，一般為800～900MHz，部分也提供模擬（AMPS）和數(shù)字調制支持。到九十年代末期，盡管雙頻手持終端已經(jīng)流行，但是支持多種多址技術的多模式手持終端開始浮出水面。今天的挑戰(zhàn)已變成集成藍牙、GPS、WLAN乃至多模式無線電子產(chǎn)品。隨著支持越來越多的空中接口及與此相伴而來的復雜性，這些技術提供的應用帶來了新一輪的高性能數(shù)據(jù)處理需求。

隨著無線手持終端繼續(xù)朝多媒體通訊應用方向發(fā)展，基于半導體技術等的集成策略還能繼續(xù)揮灑自如嗎？隨著 OEM 廠商們利用細分的功能集開發(fā)更為豐富的產(chǎn)品，他們還能夠依賴這種集成嗎？基于技術的集成能夠把我們帶入真正片上系統(tǒng)（system-on-chip）無線手持終端的時代嗎？本文將探討這些問題，探討基于技術集成的局限性，同時研究目前可行的替代集成方法：基于功能的集成。

當今的無線手持終端必須包含高性能無線電子，以便能夠處理來自從800MHz GSM信號到支持藍牙與無線廣域網(wǎng)（WLAN）的2.4GHz工業(yè)、科研及醫(yī)療無線頻道的信號。

系統(tǒng)要求

手持終端中的電源管理電子路必須提供幾倍于電池電壓的高電壓支持，這樣就不會在充電期間出現(xiàn)損壞。模擬電子路需要提供高質量音頻信道以及無線信道信號的A/D及D/A轉換。另外還需要超高性能邏輯和致密存儲器，以便處理基帶信號，支持運行協(xié)議軟件并處理用戶應用，如：游戲、視頻、音樂以及定位服務。

從晶片工藝的角度而言，似乎最直接的方法就是采用諸如晶片工藝技術等把所有設備一股腦集成到通用的集成電路。這種方法的產(chǎn)物很顯然是：采用SiGe工藝、提供多頻道、多模式無線支持的無線接口IC；模擬CMOS中為整個系統(tǒng)提供模擬及電源管理支持的模擬/電源管理IC；以及提供處理器、邏輯及存儲器等以便滿足全系統(tǒng)需求的大型邏輯功能。

這也正是過去幾年無線手持終端設計人員和芯片制造商所走過的路。但是，隨著我們不斷前進，這種策略出現(xiàn)內在局限性，使其變得不合時宜。

首先，它需要大量介于IC間的接口，以容納信號路由。另外，沒有任何創(chuàng)新，這包括靠近無線前端的邏輯處理，能夠降低功率或減少外部無源設備，因為無線、模擬、電源管理和邏輯已經(jīng)被分割到不同的IC。

對于OEM廠商來說，方法缺乏靈活性就意味著巨大缺陷。例如，由于無線設備依賴晶片技術，集成所有無線設備事實上就是把固定功能集成到每個手持終端。如要生產(chǎn)功能有限的低端手持終端――如：帶GSM和藍牙功能，但是不帶WLAN的設備――就需要開發(fā)人員避開設備上提供的無線設備。不僅如此，當新興技術要求 OEM 廠商增加無線設備以保持競爭力時，還會出現(xiàn)更大的缺陷。許多情況下，隨著事情的發(fā)展，會要求重新設計整個系統(tǒng)，而不僅僅是集成的無線IC。

這種策略的最大缺陷可能在于其不可避免地會把集成帶入死胡同。隨著向真正片上系統(tǒng)方面的不斷發(fā)展，不兼容的晶片技術根本就不允許進一步的集成。這就需要對主系統(tǒng)進行大檢查，以便將器件從一個晶片技術移植到另一晶片技術，這樣可以在同一設備上提供無線、邏輯、存儲、模擬和電源管理支持以及數(shù)據(jù)處理。

克服這些局限性就需要與眾多半導體設計人員所采用的集成策略完全不同的新的集成策略。

功能集成

最有希望的方法是在COMS硅中集成特定功能所需要的全部操作。例如，其中包含全部模擬基帶與RF功能的一個完整四頻帶通用分組無線業(yè)務收發(fā)機可以被集成到單個芯片上。一個GSM模塊包含GSM操作所需要的所有無線、邏輯、A/D和D/A轉換器以及其他功能。類似，利用單芯片解決方案也可提供藍牙、WLAN以及GPS支持。

這種方法的集成可提供巨大的優(yōu)勢。首先，其克服了基于技術的策略中固有的接口復雜性和電源管理問題。在每個IC中，邏輯和無線功能非常接近，因此數(shù)字處理的優(yōu)勢就可以應用到無線，從而降低其功率與面積。所有信號接口連同信號處理鏈都包含在每個IC中。IC的引腳計數(shù)合情合理，而且只有很少幾個敏感的外部節(jié)點。

由于功能完全包含在單個IC中，因此產(chǎn)品供應是模塊化的。在無需不必要成本和浪費任何功能的情況下就可實現(xiàn)各種手持終端配置。每個設計中只包含所需要的功能。

可以在出現(xiàn)有保證的大量市場時通過例行方式實現(xiàn)下一步集成，即將功能集成IC融合到完整的系統(tǒng)IC中。一旦支持CMOS功能集成所需的技術已經(jīng)到位，就不再需要任何新的基本技術。

基于通用功能集成手持終端電子設備的主要挑戰(zhàn)在于開發(fā)能高效實現(xiàn)此類高級集成的晶片工藝技術與電路技術。晶片標線計數(shù)必須與基線邏輯CMOS非常接近，才能避免過高的晶片成本。同時，電路技術必須充分利用CMOS邏輯功能來滿足模擬和RF性能要求。這是不能小覷的挑戰(zhàn)，因為確切的說，必須要詳細處理幾百個無線性能要求。

不過，最近的電路設計創(chuàng)新――0.13微米晶片處理及系統(tǒng)架構――已經(jīng)可以實現(xiàn)這種集成。電源、性能和成本都有利于當今市場多IC的實施。

憑借基于功能的集成，將會很快實現(xiàn)眾多可提供空中接口和用戶功能不同組合的手持終端。隨著電子產(chǎn)品集成的不斷發(fā)展進步，將會為在單個硅IC上進一步集成全面融合的功能找到大規(guī)模市場。