從混合信號集成角度分析單芯片手機(jī)設(shè)計

目前市場上售出的每部數(shù)字蜂窩電話(手機(jī))的基帶和射頻部分都非常依賴于模擬子系統(tǒng)。盡管號稱數(shù)字電話，但就電話設(shè)計而言，距離純粹的數(shù)字系統(tǒng)仍然很遙遠(yuǎn)。例如，電源仍須管理，電話輸入/輸出的音頻信號本質(zhì)上屬于模擬范疇，而射頻發(fā)射和接收仍然采用模擬方案，來對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，或?qū)σ驯贿M(jìn)行數(shù)字編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)。

因此，在更低成本集成這個總體需求的驅(qū)動下，蜂窩電話芯片組供應(yīng)商必須努力采取精巧的平衡措施，因為制造數(shù)字和模擬系統(tǒng)內(nèi)容的最佳方法可能完全不同。即便在模擬部分，電源管理的最經(jīng)濟(jì)方法也可能不同于RF電路所采用的電源管理方法。在數(shù)字域也一樣，高端DSP核就可能不會采用系統(tǒng)存儲器所采用的理想的制造工藝。

在如今這個大家都希望擁有一部“單芯片蜂窩電話”的時代，有必要在朝單芯片目標(biāo)邁進(jìn)的過程中，對蜂窩電話中的混合信號集成問題進(jìn)行深入的研究。為了闡明其基本原理，下面以索尼愛立信面向低端市場的J200i手機(jī)為研究案例，揭示硅片上數(shù)字和模擬系統(tǒng)功能的劃分方法。

在基帶部分，通過射頻部分處理的接收信號產(chǎn)生一對最后被DSP處理的、表現(xiàn)為模擬信號的同相和四相(IQ)調(diào)制比特流。與此相似，DSP還在輸出端(發(fā)射端)產(chǎn)生射頻部分要用到的調(diào)制IQ數(shù)字比特流。在這兩種情形下，都有必要對射頻和基帶(信號)進(jìn)行模擬和數(shù)字域之間的轉(zhuǎn)換，特別是接收端的A/D轉(zhuǎn)換和發(fā)射端的D/A轉(zhuǎn)換。

此外，語音頻段設(shè)計是另一個需要D/A和A/D轉(zhuǎn)換的領(lǐng)域。揚(yáng)聲器需要來自DSP的模擬音頻；在DSP開始對語音進(jìn)行壓縮和編碼之前，麥克風(fēng)輸入必須被數(shù)字化。從歷史來看，主流供應(yīng)商提供的電話芯片組已經(jīng)將用于模擬和語音頻段編解碼器的A/D和D/A轉(zhuǎn)換集成到一個共享的“模擬ASIC”之中，這種“模擬ASIC”也常常支持工藝互補(bǔ)的電源管理功能。從芯片的經(jīng)濟(jì)性考慮，大多數(shù)供應(yīng)商得將數(shù)字邏輯設(shè)計到同一顆芯片之中，而模擬功能則設(shè)計到另一顆芯片之中。與此相似，射頻芯片和存儲器也相繼被設(shè)計為第三和第四顆芯片，因為每顆芯片都需要獨(dú)特的優(yōu)化工藝技術(shù)。

可是，在J200i設(shè)計中，Broadcom公司的BCM2121基帶芯片把基帶和語音編解碼功能都集成到同一個配備DSP的芯片中。進(jìn)一步看，該芯片包含用于參考頻率控制及各種模擬監(jiān)測功能的附加A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。飛利浦公司的PCF50603則在一個專用芯片中處理大多數(shù)電源管理功能。而裸片原型清晰地顯示：Broadcom的BCM2121芯片的裸片面積的25%以上分配給了模擬部分。

Silicon Labs公司的Si4206收發(fā)器也是一款包含混合電路的器件，因為這種收發(fā)器設(shè)計采用了“數(shù)字低IF”接收架構(gòu)，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器位于IF部分的兩側(cè)，以便分別集成第一級下變頻轉(zhuǎn)換和模擬I/Q輸出。然而，在單一封裝內(nèi)，Si4206實際上采用了三顆CMOS硅片，它們都被優(yōu)化為收發(fā)器方案的子單元。

因此，從微觀層面說，我們看到了一家公司對硅片(很大程度上是模擬部分)的劃分方法，以期優(yōu)化總成本。在基帶之外，元器件的劃分再次回歸更為傳統(tǒng)的方法。來自Spansion公司的雙芯片式存儲器封裝提供代碼存儲功能，其中最少有一些工作存儲空間是用于Broadcom的通信DSP和控制器。

用于振鈴的Yamaha FM音頻芯片(YMU762)是一顆獨(dú)立的器件，原因有兩方面：一是混合信號芯片具有獨(dú)特的屬性；二是只有在需要的地方或需要的時候，才有必要靈活地添加成本稍高的功能。RFMD公司的RF3133 RF功率放大器采用GaAs芯片，提供最終的輸出放大功能；Epcos制造的模塊用于處理信號濾波以及射頻收發(fā)路徑的切換。這種功能劃分真可謂是：功能獨(dú)特、工藝獨(dú)特且部件獨(dú)特。

Broadcom的芯片是邁向單芯片手機(jī)的第一步的一個代表，該芯片的一些模擬子系統(tǒng)與數(shù)字處理部分一起被安排在電路板上。盡管如此，系統(tǒng)半導(dǎo)體中的平衡顯然已被打破，在工藝技術(shù)、功能靈活性和供應(yīng)商方面提供更加優(yōu)化的選擇。對于半導(dǎo)體行業(yè)來說，集成可能是業(yè)內(nèi)的一項通用準(zhǔn)則，其中對于蜂窩電話的混合信號世界而言猶為如此，事情也正在變得越來越復(fù)雜。

由于各種電話芯片組競相追逐低成本“單芯片”方案，就需要對集成度進(jìn)行權(quán)衡。其他從事低成本蜂窩電話方案研究的公司有TI、英飛凌、Silicon Labs和飛利浦，但在他們的文檔資料中，單芯片指的是配備片外存儲器和RF功率放大器的方案。即便如此，現(xiàn)正準(zhǔn)備投產(chǎn)的平臺(仍然)針對簡單的電話(嵌入式蜂窩通信)做了很好的定義并限定了功能。

圖1：J200i手機(jī)為數(shù)字和模擬電路的單片集成提供了例證。

對于更為復(fù)雜的電話設(shè)計，必須對成本、靈活性和增加的功能集進(jìn)行平衡。在這個領(lǐng)域，將來某個時間有望看到集成度略低的解決方案。

簡介：

索尼愛立信公司的J200i移動電話為對數(shù)字和模擬電路進(jìn)行單片集成提供了一項有用的例證，可視為通往單芯片移動電話的一個先驅(qū)。但是，出于對不同混合信號系統(tǒng)的考慮，在蜂窩電話設(shè)計中必須審視(單芯片)集成的經(jīng)濟(jì)性問題。在這方面，又會遇到到有關(guān)在芯片中集成更多晶體管的摩爾定律的制約，使得在一段時期內(nèi)，包含多個元器件的電話實現(xiàn)方案更為現(xiàn)實。但是，即便現(xiàn)有的所謂“單芯片電話”平臺并非真正意義上的“單芯片電話”平臺，一旦把最適合的工藝技術(shù)的獨(dú)特屬性與其它電話設(shè)計考慮結(jié)合起來，用不了多長時間，單芯片電話就會走進(jìn)我們的生活。