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克服超低价手机的设计挑战
 

【作者: Sanjay Noronha】2008年03月25日 星期二

浏览人次:【4541】

前言

超低价(Ultra-Low Cost;ULC)手机是近三年来的热门话题。目前ULC手机系指成本低于20美元的手机,ULC形成一个独特的手机市场,因此只有采用特殊的市场策略,才能确保成功。


市场动态

ULC消费者的消费习惯

一般ULC手机消费者平均可支配的收入有限,同时由于缺乏通讯基础建设与相关系统,大多数购买ULC手机的消费者都难以追踪。因此,如果电信系统营运商提供大量补贴给低价手机,而期望从服务费中获益,这种想法既不可行、也不具有经济效益。此外,ULC手机市场上的获利来源,主要为利润相对较低的纯语音和简讯服务,而不是具有较高每用户平均收入(ARPU)值的数据业务,因此电信营运商也不愿意采用补贴模式。


《图一 》
《图一 》

所以,一般 ULC 手机客户在购买手机时,还需要筹措资金。尽管ULC市场具有「低价」本质,消费者也绝不愿意接受一支性能很差的手机。此外ULC用户也不会频繁更换手机,因此希望手机能在可接受的价格范围内,具有更多的应用功能。


电信营运商的态度

电信营运商一般认为,ULC手机收入和利润的两大主要动力,是来自于用户数量和使用手机的频率。电信服务市场竞争激烈,用户很容易更换本身电信营运商的服务,只需简单地将新的SIM卡换到手机内即可。因此对于电信系统营运商来说,如何为用户提供优质服务并延续使用体验,便成为关键。优质服务意味着网路要能支援更多的用户同时使用,而不会产生中断等情况;良好的网路覆盖率是优质服务的重要一环,满足只要有需要,用户即可在任何地点使用手机。由此可见,优质服务主要以网路为中心,然手机本身在提升服务品质上亦有可改善空间。


《图二 》
《图二 》

ULC手机组合要素

手机的核心是手机晶片组,手机晶片组的选择便成为ULC手机能否在市场脱颖而出的关键。成功ULC手机产品必须注意四大要素。


射频性能

IOT测试

在新兴市场上,2.5G(GSM/GPRS/EDGE)行动通讯基础建设,通常借镜西方国家,而西方国家正朝向3G等下一代技术移转当中。因此,ULC市场基础设施的架构过程,便产生一个有趣的现象,亦即不同电信营运商之间所采用的GSM规格,略有差异。于是,互通性测试(Interoperability Testing;IOT)就必须成为确保手机能够在不同电信基地台之间无缝地切换的关键。在处理各种不同基础设施时,IOT要求射频收发器具备强健灵活的特性。此外,IOT还要求包括软体协定堆叠整个系统须坚固耐用,同时要求对系统处理不同基础设施之间细微时序偏差的能力进行测试。


射频灵敏度的规划使用

新兴市场的网路存在很多问题,例如由于管理机关分发的频谱有限,都市区域网路用户过多、农村区域覆盖不足等。为解决都市区域用户过多问题,每支手机都必须在特定网路规格范围内作业,不能在发射射频(transmitting)时干扰网路上其它正在接收射频(receiving)的使用者。乡村地区由于网路覆盖不足,手机在网路讯号弱的地区、接收讯号并正常工作的灵敏度便成为关键。


《图三 》
《图三 》

由于网路规划尚未完善,因此射频性能需要在连续变化的强、弱电场环境中保持良好状态。同时在可能分配给手机的每个网路频道上,手机的灵敏度品质也必须得到保障。由于设计出一种能在每个可能射频频道上良好工作的射频技术,还面临着许多挑战,因此在规格方面,应该给予手机晶片组供应商一些特权;多数晶片组供应商只能确保射频在低、中和高端频段的稳健性能。


温度与电压环境控制

同时,性能在各种温度和电压环境下也要保持一致。 「各种温度」系指UL 市场要考虑到全球最热的热带地区,即使环境温度上升,射频也应保持在与通常是摄氏25度理想环境下相同的性能。 「各种电压」意味着射频性能可不随手机电池电量的变化而改变。以最低程度而言,晶片组产品内射频等各项性能必须完全通过全球认证论坛(Global Certification Forum;GCF)测试。



《图四 以NXP PNX4903芯片组为基础的ULC手机产品 》
《图四 以NXP PNX4903芯片组为基础的ULC手机产品 》数据源:NXP

功耗

良好的功耗性能、即一次充电后拥有最长待机时间和通话时间的能力,非常重要,且良好射频性能的需求与电池电量可用压降息息相关。在ULC市场、尤其是对于无法保证电源随时可用的农村地区而言,良好的功耗性能更是关键。良好的功耗指标还具有其它优势,手机中采用mAh值较小的小型电池,可以使手机外形设计更加灵巧时尚,重要的是小型电池也可以降低手机的总成本。


功能与服务补贴

除了语音、简讯和黑白萤幕这些既有功能外,如果ULC手机增加彩色萤幕、FM调频收音机、音乐播放MP3等、甚至数据服务如WAP和MMS等功能,这样超低价手机便不再超级单调乏味。


从电信营运商角度而言,额外功能意味附加ARPU成长的可能性。一些电信营运商正在积极开发行动服务补贴模式,亦即手机只锁定在自家网路上,然后以折扣抵价甚至免费方式提供ULC手机,藉由ARPU获益。


这种商业模式的关键,在于手机服务无法被更改,否则这种模式就会失败。当然,如果手机服务被更改,电信营运商便无法获利;但更重要的是,如果手机服务不能更改,ULC用户将无法透过其它新模式获得手机并从中获益。


因此,手机晶片组解决方案要提供一种强化而灵活的硬体加密机制,确保电信营运商可以自由开发新的商业模式,这一点非常重要。在ULC手机市场中增加并整合所有上述功能,同时维持低成本和高性能要求,在设计上是很大的挑战。


《图五 》
《图五 》

总成本

因此总成本便能计算技术能否达到市场要求。高度混合讯号整合与低成本半导体制程的相互结合,将现有手机晶片组单晶片解决方案带入一个新阶段。


一支手机内所有主要子系统,除了功率放大器和非挥发性记忆体以外,都整合到单片CMOS核心中。此外,CMOS 整合技术甚至可以整合大部分的电子元件,有别于以往元件散置于手机各处的架构。 IC技术的进步,大大降低单晶片解决方案的成本架构,使真正低于20美元的ULC手机成为可能。


综合来说,ULC手机市场成功的关键,在于具备上述射频性能、功耗和功能,并维持低成本架构。


整合RF功能为首要之务

市场上所推出大多数的单晶片解决方案,或多或少在某些性能上有所妥协,比较常见的是在RF性能上妥协。部分原因在于在手机基频处理器中整合RF功能困难重重,同时由于以往RF多数由专业的晶片供应商提供,因此大多数基频厂商在设计完成后才会考虑RF问题。


《图六 NXP推出ULC Plus单芯片PNX4902 》
《图六 NXP推出ULC Plus单芯片PNX4902 》数据源:NXP

现在手机单晶片设计便改变以往的架构模式。例如去年收购Silicon Labs行动通讯事业部门后,NXP便推出单晶片产品,采用不同的设计方案,形成完整的产品系列,既包含功能极其简单的手机,也涵盖具备FM调频收音机、MP3播放器和支援SD卡功能的音乐手机。这个单晶片产品整合ARM9微处理器核心,与其他竞争产品一般采用ARM7或专有微处理器核心相比,后者仍有不能充分利用产业知识和现有code base等缺点。在设计相关产品时,RF设计团队兼具GSM RF CMOS设计经验,对于解决各种混合讯号整合的挑战经验相当丰富。


混合讯号兼顾电源管理

从混合讯号创新模式来看,在RF与基频所在的同一CMOS核心整合电源管理单元(PMU),会是不错的设计方向。由于需要接入8V电池充电器,对于次微米CMOS解决方案的设计是一大挑战;此外,为了给众多晶片子系统所需的不同电压标准,有效的方法会是采用DC/DC转换器(DC /DC converter)设计。但是,DC/DC转换器会产生更多的电噪声(electrical noise),这也是为什么大多数单晶片供应商都不愿意将PMU整合到RF与基频所在核心的缘故。例如在所有非NXP所提供解决方案中,唯一整合PMU的方案,也没有采用DC/DC转换器,而是采用线性调节器的折衷方法,其缺点便是耗电指标较差,导致电池寿命缩短60 %。


NXP是目前唯一在RF与数据基频所在单一核心上、能整合完整包括DC/DC转换器和电池充电器PMU的单晶片产品。借着各种系统设计技术与创新技术,单晶片解决方案因为功耗性能的进步,使小型电池的应用成为可能。



《图七 》
《图七 》

降低系统级成本

这种整合设计也有助于降低系统级成本。与多晶片解决方案相比,晶片数量的减少会导致内部空间压缩大约65%,而所需分立元件数量也减少50%以上,进而大幅改善手机的产量和测试时间,还可以透过低成本电池而进一步降低总成本。 NXP相关产品是目前第一个采用高成本效益4层PCB板的手机平台,不仅降低总成本,更能确保ULC可在众多地区制造完成。因为新兴市场的PCB制造厂,一般都支援简单的4层设计,而6层设计比较复杂昂贵,仍然局限于较先进的制造中心。


在软体工程占研发预算70%的晶片设计环境中,参考设计进一步降低将真正ULC产品推向市场的成本。拥有这种能力的ODM厂商,已在全球不同地区的市场销售数百万支手机,并正积极参与印度、拉丁美洲、中国等新兴市场上的各类ULC产品招标作业。


总结

未来高阶手机功能将继续渗透ULC手机市场,市场上会继续推出整合度更高、多媒体应用更丰富、传输流量更快的ULC创新产品,不过其所面临的挑战,依旧是如何在维持性能的同时、积极整合功能并降低成本。


在竞争激烈的ULC市场,成功的产品需要适当组合射频性能、功耗指标、功能和总成本。虽然价格是驱动此一分众市场最大原因之一,然而精明的手机制造商不会在重要的ULC功能方面作出妥协,而会同时积极降低总成本及缩短上市时间。


(作者为NXP Semiconductor恩智浦半导体产品经理)


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