緊湊的模塊方案有利于無線產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造

從芯片組開始開發(fā)一種新手機(jī)通常要花費(fèi)18個(gè)月的時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)公司必須承擔(dān)所有的開發(fā)費(fèi)用，而產(chǎn)品在這段時(shí)間內(nèi)又可能會經(jīng)歷價(jià)格下調(diào)，使公司預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益減少。采用模塊方案可以使產(chǎn)品提前面市，不僅獲利機(jī)會增多，而且利潤空間也變得更大。

盡管蜂窩技術(shù)已開始向遠(yuǎn)程信息處理、移動計(jì)算、設(shè)備對設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域拓展，但數(shù)量最多的應(yīng)用依然是移動電話，語音服務(wù)在未來一段時(shí)間內(nèi)可能還是會占據(jù)移動通訊的主導(dǎo)地位。即便如此，隨著高帶寬數(shù)據(jù)服務(wù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，手機(jī)的本質(zhì)也在改變，可以實(shí)現(xiàn)很多新的功能和應(yīng)用。畢竟，語音服務(wù)留給為只能打電話的手機(jī)實(shí)現(xiàn)更多個(gè)性化設(shè)計(jì)的機(jī)會越來越少，但增加數(shù)據(jù)性能后，一系列特性、功能和外形就可以進(jìn)行各種變化，這樣一來制造商將有很多機(jī)會針對特定的用戶群來設(shè)計(jì)他們的產(chǎn)品，特殊的生活方式、地區(qū)或文化差異、垂直分布的市場等使用戶的需求都不盡相同。

然而要充分利用這些新的機(jī)會也不那么容易，手機(jī)制造商通常會設(shè)計(jì)那些市場規(guī)模大的產(chǎn)品，這樣基于一種設(shè)計(jì)就可以進(jìn)行大批量的生產(chǎn)，只有產(chǎn)量上去了，才會有充足的財(cái)力和工程資源來開發(fā)最先進(jìn)的無線產(chǎn)品。制造商尋求將蜂窩技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品中，或?yàn)橄鄬Ω〉氖袌鲩_發(fā)一些產(chǎn)品時(shí)，會面臨一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

集成蜂窩無線部分

傳送語音或數(shù)據(jù)的數(shù)字蜂窩無線電話本身是一個(gè)集成了微波、混合信號和數(shù)字硬件技術(shù)以及一些復(fù)雜軟件的系統(tǒng)，圖1顯示了在PDA上加蜂窩無線模塊的應(yīng)用實(shí)例。由于蜂窩技術(shù)的復(fù)雜性，因此不管采用GSM還是CDMA作為子系統(tǒng)，都需要將RF器件與其它元器件隔離開來，以免相互干擾，所以蜂窩子系統(tǒng)通常會用一塊獨(dú)立的電路板實(shí)現(xiàn)，或在主板上定義好一部分作為蜂窩子系統(tǒng)。

即使不考慮由于微波頻率引起的電路設(shè)計(jì)和電路板布局布線的復(fù)雜性，蜂窩子系統(tǒng)的復(fù)雜程度也不比PDA系統(tǒng)低，加上需要開發(fā)或集成基帶軟件以及與主控設(shè)備的接口，這種開發(fā)項(xiàng)目就越發(fā)不能被小覷。

假設(shè)完全不考慮開發(fā)定制的RF和基帶IC，那么大部分設(shè)計(jì)人員傾向于采用市面上芯片組和芯片制造商提供的參考設(shè)計(jì)來開始他們的設(shè)計(jì)。采用芯片組，尤其是完整的解決方案(包括無線通訊、基帶處理器以及諸如功率放大等所有???持元件)可以大大減少蜂窩系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)。但芯片組只能提供核心的器件，而要使蜂窩產(chǎn)品能工作并投入生產(chǎn)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)組還要做很多工作。

怎樣才能將無線和基帶IC、其它硬件元件及軟件結(jié)合起來組成一個(gè)執(zhí)行恰當(dāng)功能的系統(tǒng)，并與主控設(shè)備相連且滿足目標(biāo)應(yīng)用需求呢？這一過程主要包括以下幾個(gè)方面的工作：

1．RF線路設(shè)計(jì)和PCB布局布線：盡管芯片組可以減少功能設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)，但并不能完全予以排除。生產(chǎn)PDA和便攜式PC的公司通常不具備RF電路設(shè)計(jì)專長，此外這類設(shè)計(jì)所需的測試設(shè)備也很昂貴，交貨期很長。芯片制造商的參考設(shè)計(jì)會有幫助作用，但要讓RF電路正常工作通常需要好幾次設(shè)計(jì)反復(fù)，即使對很有經(jīng)驗(yàn)的RF工程師也不例外。

2．一般電路的設(shè)計(jì)和布局布線：RF和基帶IC需要???持電路，例如電源電壓調(diào)節(jié)器、電源管理電路和晶體振蕩器等，這部分電路的PCB設(shè)計(jì)要考慮RF元件與其它元件的屏蔽和電?隔離，以免產(chǎn)生干擾和輻射問題。由于帶有RF電路，因此要達(dá)到滿意的性能，PCB設(shè)計(jì)可能也要反復(fù)好幾次。

3．軟件集成和測試：雖然可從芯片組供應(yīng)商那里得到協(xié)議堆棧，軟件開發(fā)人員也還是必須要對它進(jìn)行修改，以便適應(yīng)特定的系統(tǒng)以及與主機(jī)相連。然后就是測試，確保符合規(guī)定的通訊標(biāo)準(zhǔn)。軟件集成通常要花3到6個(gè)月的時(shí)間。

4．IP許可：開發(fā)人員還不得不為取得參考設(shè)計(jì)和其它IP的使用許可進(jìn)行談判，例如GSM或CDMA主要技術(shù)。

5．通過測試：所有蜂窩設(shè)備的發(fā)射功率、輻射和特定的吸收率(SAR，度量電磁波輻射被人體吸收的比率)都要符合政府管理機(jī)構(gòu)的限制。除此之外，每一部設(shè)備還必須滿足應(yīng)用通訊技術(shù)(如GSM、CDMA)標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體制定的規(guī)范。如果集成了蜂窩系統(tǒng)的產(chǎn)品要在好幾個(gè)國家銷售，它必須接受測試，遵從每個(gè)國家的相關(guān)規(guī)定。

從上面的設(shè)計(jì)和測試任務(wù)可以看出，就算從芯片組開始，從提出概念到投入生產(chǎn)，開發(fā)一種蜂窩子系統(tǒng)所需的資源相當(dāng)可觀。根據(jù)所需軟件數(shù)量的不同，通常一個(gè)典型的開發(fā)過程可能需要50到100個(gè)工程師，歷時(shí)18個(gè)月的時(shí)間才能完成。配備一個(gè)無線開發(fā)實(shí)驗(yàn)室非常昂貴，而測試設(shè)備一般都要幾十萬美元，生產(chǎn)用測試設(shè)備還需要更多的資金投入。

由于不同地區(qū)市場或運(yùn)營商的要求可能不同，如果產(chǎn)品要???持多個(gè)通訊標(biāo)準(zhǔn)(GSM、CDMA或多個(gè)頻段)，那么所需的資源、成本和風(fēng)險(xiǎn)就更難估計(jì)。

阻礙更小型制造商尋求在其產(chǎn)品中增加蜂窩通訊功能的另一個(gè)因素是部分用戶的期望值。大型制造商提供的產(chǎn)品(主要是手機(jī))很先進(jìn)，這使得用戶現(xiàn)在都期望無線產(chǎn)品要小而輕，且功能豐富，只有領(lǐng)先公司才能承受滿足這些期望所需的復(fù)雜設(shè)計(jì)和制造技術(shù)投入。

無線產(chǎn)品開發(fā)需要的資源廣泛，回報(bào)周期長，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的風(fēng)險(xiǎn)很高，這些因素使得很多產(chǎn)品開發(fā)對集成蜂窩數(shù)據(jù)性能“敬而遠(yuǎn)之”，盡管它們本可以從這一性能中受益。

無線模塊方案

對于芯片組解決方案，含有完整蜂窩系統(tǒng)的模塊將是一種很受歡迎的替代方案。不幸的是，模塊通常體積較大、功能不完善或者很難用于大批量的自動化生產(chǎn)。不過新的封裝技術(shù)和對便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)人員需求的關(guān)注，已經(jīng)促使具備完整蜂窩通訊功能(語音和數(shù)據(jù))子系統(tǒng)的模塊出現(xiàn)在市面上。此類模塊體積小，可看作一個(gè)元件，適合自動表面貼裝設(shè)備，采用這種模塊可以大大地減少無線產(chǎn)品開發(fā)的成本、風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間。

選擇蜂窩模塊解決方案從根本上省去了蜂窩子系統(tǒng)的所有設(shè)計(jì)工作以及許多規(guī)定測試和標(biāo)準(zhǔn)測試過程，它使產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以將主要精力放在為產(chǎn)品增值和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品個(gè)性化的特性和功能上，而不用操心那些復(fù)雜的無線和基帶硬件設(shè)計(jì)以及軟件開發(fā)。

也許采用模塊方案的最大好處就是能更快地獲利。要在一個(gè)產(chǎn)品中增加蜂窩通訊功能或開發(fā)一種手機(jī)通常要花費(fèi)18個(gè)月的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，公司必須承擔(dān)所有的開發(fā)費(fèi)用。此外該產(chǎn)品在這段時(shí)間內(nèi)可能要經(jīng)歷價(jià)格下調(diào)，從而減少了增加新功能的經(jīng)濟(jì)效益，或者說新產(chǎn)品投資回報(bào)降低了。采用模塊方案可以使產(chǎn)品提前面市，相對于采用芯片組的解決方案要少用一年的時(shí)間。結(jié)果由于產(chǎn)品更早上市，不僅獲利機(jī)會增多，而且利潤空間也變大(圖2)。

采用模塊解決方案的另一個(gè)好處是能迅速地將???持無線的產(chǎn)品推向多個(gè)地區(qū)市場，那些???持不同無線通訊標(biāo)準(zhǔn)的模塊如果外形尺寸一致則尤其如此。采用此類模塊，手機(jī)、PDA或遙測裝置不需要重新設(shè)計(jì)主控板就可以與GSM/GPRS或CDMA技術(shù)相適應(yīng)，并且只需增加少許設(shè)計(jì)費(fèi)用就可以了。

使增加無線功能更為簡單

與從芯片組開始開發(fā)無線子系統(tǒng)的復(fù)雜過程相比，將蜂窩模塊集成到現(xiàn)有產(chǎn)品或新設(shè)計(jì)中是一件很簡單的事情。而獲得成功的關(guān)鍵是供應(yīng)商的選擇。供應(yīng)商不僅要提供一系列合適的模塊(最好能???持所有主要的蜂窩標(biāo)準(zhǔn))，而且還要為集成過程提供協(xié)助。雖然模塊從根本上省去了RF電路設(shè)計(jì)的工作，但在任何設(shè)備上增加無線功能都需要天線和屏蔽技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)，特別是當(dāng)產(chǎn)品必須符合嚴(yán)格的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)組織的規(guī)范時(shí)。愿意與設(shè)計(jì)人員一起在這方面努力的供應(yīng)商能夠真正地解除設(shè)計(jì)過程中的風(fēng)險(xiǎn)，使無線產(chǎn)品開發(fā)又快又輕松。

理想的模塊其實(shí)就是一個(gè)電話，只不過沒有麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、鍵盤和顯示屏等這些外設(shè)，它可以通過簡單、最好是標(biāo)準(zhǔn)化的接口(如頗為流行的為調(diào)制解調(diào)器開發(fā)的“AT”命令組)與主控設(shè)備通訊。這些模塊還有一個(gè)好處就是適用于表面貼裝技術(shù)，這在大批量生產(chǎn)時(shí)具有成本效益。

從一個(gè)好的“啟動開發(fā)套件”開始工作也很重要，這會使模塊更容易集成到產(chǎn)品中。這種套件應(yīng)該包括模塊、開發(fā)板、軟件及附件，如線纜、電源等。開發(fā)板用來放置模塊并提供外部電源和數(shù)據(jù)的連接，軟件包括合適的協(xié)議堆棧、固件及AT命令接口。啟動開發(fā)套件實(shí)際上就是一個(gè)完整的蜂窩系統(tǒng)，可以用它來打電話，并且通過AT命令集接口與主控板通訊。

如果對系統(tǒng)性能和AT命令集接口感到滿意，開發(fā)人員就可以設(shè)計(jì)定制的人機(jī)接口(MMI)PCB，該P(yáng)CB很大程度上是對模塊的機(jī)???封裝，它提供電源連接和板對板連接器，以便與產(chǎn)品主板相連。

無線產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員面臨的最大障礙之一是獲得各項(xiàng)規(guī)定代理機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)組織(如FCC、ETSI、GSM、CDMA等)的認(rèn)證。除了各種規(guī)定的測試之外，在運(yùn)營商允許一種產(chǎn)品進(jìn)入他們的網(wǎng)絡(luò)之前，還需要在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場對此產(chǎn)品進(jìn)行測試。因?yàn)槟K可以預(yù)先認(rèn)證，所以新產(chǎn)品只需要進(jìn)行部分測試就可以了。部分測試一般是為了確保產(chǎn)品的輻射符合要求并且驗(yàn)證一下針對運(yùn)營商的空中接口。

本文小結(jié)

設(shè)計(jì)人員不必?fù)?dān)心在產(chǎn)品中加入無線連接功能會很復(fù)雜并且需要投入過多資源。通過仔細(xì)地選擇可用的模塊解決方案而不是由芯片組開始從頭設(shè)計(jì)，開發(fā)人員能夠避免通常的風(fēng)險(xiǎn)和費(fèi)用，設(shè)計(jì)出穩(wěn)定和具備可生產(chǎn)性的產(chǎn)品，并使之快速進(jìn)入市場。