3G手機技術(shù)發(fā)展與設計架構(gòu)(5)

　　在3G手機的應用時代，其基本的改變包括能提供更高的傳輸速率，以及同時提供既有的「電路交換模式」（Circuit Switch Mode）和可移動上網(wǎng)的「封包交換模式」（Packet Switch Mode），進而能打打影像電話、使用多媒體短信服務（Multimedia Message Service；MMS），或是收發(fā)電子郵件、上網(wǎng)瀏覽等網(wǎng)際網(wǎng)路服務。這些應用我們早已知道的很清楚了。

　　然而，在寬頻和互動性的基礎下，進入3G時代還意味著更廣泛的通信技術(shù)將在一臺手機中產(chǎn)生匯流。目前在發(fā)生中的，首先是藍牙（Bluetooth），再來會是WLAN，以及接下來的GPS/A-GPS和移動電視（Mobile TV），更長遠一些，則需注意WiMAX、UWB的發(fā)展。這些不同通信技術(shù)的整合，將推動多模手機的發(fā)展，而每整合一種新的通信功能，就代表著3G手機具備了更豐富的應用性，并可望創(chuàng)造全新的服務與收益模式。

　　以3G結(jié)合A-GPS為例，3G網(wǎng)路的輔助定位資訊，可以大幅縮短GPS的首次定位時間（Time to First Fix；TTFF），從原先的數(shù)分鐘縮短為一分鐘以內(nèi)；如果基地臺的佈建夠密，也能有效提升定位的準確度。當手機有了定位資訊，再加上地圖資訊、導航引擎與位置服務（LBS）應用軟件，一臺手機就能夠用于緊急救難追蹤或提供所謂的「興趣點」（point of interest；POI）加值服務，也就是為行人提供所在環(huán)境附近的加油站、推薦餐廳、旅館等資訊。

　　■3G手機＝高階手機？

　　對于用戶來說，在其隨身的輕巧手機中能具有更多樣的實用或娛樂功能，當然是何樂而不為，但為了滿足這些整合需求，3G手機的開發(fā)其實面臨了不少的挑戰(zhàn)。

　　先來看看手機的類型，大致可以分為初階的語音手機（Voice Phone）、中階的功能手機（Feature Phone）和高階的智能型手機（Smart Phone）。3G手機可以是其中的任何一種，但目前看來，最早在市場上量產(chǎn)銷售的，會是智慧型手機。這和3G目前的定位有關，它畢竟是新興的應用，會先吸引到對高階產(chǎn)品有興趣的玩家（Power User）；而且3G標榜的是它在多媒體傳輸及移動網(wǎng)路方面的能力，這和語音手機大異其趣。

　　不過，高階手機畢竟是金字塔的頂端，使用族群受限，要讓3G手機更為普及，勢必得往功能手機發(fā)展。在系統(tǒng)的開發(fā)上，智慧型手機因採用高階作業(yè)系統(tǒng)（High-level OS；HLOS），具有完善的功能模組，因此讓手機業(yè)者能加速設計的時程，目前主流的HLOS包括Symbian、Windows Mobile和Linux等；相較之下，功能手機為讓手機功能更為精簡，因此得針對內(nèi)部的軟、硬件系統(tǒng)進行量身定制的工作，這也讓3G功能手機推出市場的時間會較為落后。

　　當然，如果3G能順利成為市場上的主流行動通訊規(guī)格，最低階的單純3G語音手機也會順勢推出。對于電信業(yè)者來說，3G系統(tǒng)能提供更高的頻寬，讓業(yè)者得到更佳的頻寬運用狀況，因此3G語音電話也具有其推廣的利基。不過，3G的市場雖有起色，但是否能普及或何時會普及，仍然頗為值得觀察。

　　■應用處理架構(gòu)剖析

　　我們再進一步來看3G手機的應用功能開發(fā)。如上所述，大部分的3G手機不會是單純的語音手機，這類新興手機所比拼的，正是其多媒體功能的多樣性。在應用功能愈來愈復雜的趨勢下，以單一基頻涵蓋所有數(shù)字邏輯運算需求的手機系統(tǒng)規(guī)劃已不敷需求，現(xiàn)在主流的設計趨勢是采通信（數(shù)據(jù)機）與應用分流的開發(fā)架構(gòu)。

　　這樣做的好處很明顯，因為應用功能與通信功能的發(fā)展腳步并不同調(diào)，應用功能日新月異，而數(shù)據(jù)機的通信系統(tǒng)卻有較長的生命週期。兩者分流后，各自可以依市場的需要而改朝換代，不再需要受到另一方的牽制。例如數(shù)據(jù)機可以從GSM/GPRS加上3G/WCDMA的雙頻或三頻模式，逐步升級到純粹的3G或下一代的HSDPA/HSUPA；應用處理單元則能因應視頻、音頻、影像、繪圖等需求的改變而擴充其功能，例如支援高達每秒30訊框的VGA解碼和H.264/VC-1視頻編碼、VGA彩色顯示、Q-VGA輔助顯示以及多達5M畫素的數(shù)字照相機功能、2D/3D圖形、3D聲音和立體聲喇叭等。

　　為滿足應用處理功能，在功能手機中多半採用一至數(shù)顆專屬的多媒體處理晶片來做為協(xié)同處理器（Co-processor）；在智慧型手機中則會采用一顆功能強大且完整的應用處理器（Application Processor）。不論是多媒體處理晶片或應用處理器，都能有效加速視頻、音頻、動畫／游戲、影像的處理效率。兩者最大的差異在于，在功能手機中是以基頻為主，協(xié)同處理器為輔的架構(gòu)；而在智能型手機中，應用處理器則成了整個系統(tǒng)的主處理器（master processor），而基頻則只扮演無線數(shù)據(jù)機的附屬角色。多媒體處理晶片的進入門檻較低，市場上的提供者眾；應用處理器則是一顆將所有應用功能都整合在一起的系統(tǒng)單晶片（SoC），有能力設計制造的廠商并不多。

　　在應用處理器之處理器核心的架構(gòu)上，可以是單一強大的核心，或採RISC加DSP的雙核心平行架構(gòu)，但目前看來是以ARM為主處理器搭配多顆多媒體加速器的分散式處理架構(gòu)為主流，請參考（圖一）。

　　▲圖一：應用處理器采用加速器的分散式處理架構(gòu)。

　　這些加速器可以單獨的工作，也能同時多工處理音、視頻的即時編解碼功能。這些加速器會以最佳化的軟、硬件技術(shù)來進行規(guī)劃，例如在音頻上可能采用可采C語言程式化的多媒體VLIW DSP，并搭配硬件線路運算器（hardwired operator）及更高效率的演算法，請參考（圖二）。

　　▲圖二：以最佳化架構(gòu)規(guī)劃應用處理器中的加速器來提升效能，此圖為Nomadik音頻加速器的架構(gòu)。

　　採用應用處理器能有效降低應用功能的開發(fā)難度，因為此類處理器往往具備了豐富的週邊介面，能夠滿足3G多媒體應用上的各種需求，包括照相CMOS感測器、彩色顯示的LCD面板、TV輸出、IrDA、Bluetooth、Wi-Fi、USB2.0/OTG、音頻和多種型式的存儲器、ATA硬碟介面及DDR、SDRAM、NAND Flash、NOR Flash等存儲器型式，以及傳統(tǒng)式鍵盤和復雜的無線數(shù)據(jù)機等廣泛的介面，此外，還會支援A-GPS和DVB-H或DMB等移動電視功能。請參考（圖三）。

　　▲圖三：支援豐富周邊介面的應用處理器。

　　■多模應用開發(fā)挑戰(zhàn)

　　即使采用了應用處理器來提供了高效能的多媒體運算及豐富的周邊介面，但這仍不保證一支3G手機就具備了完善且強大的應用功能，需要考慮的因素還有很多，尤其是多頻多模下，各個子系統(tǒng)該如何妥善規(guī)劃的議題。以Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、FM/DAB和Mobile TV等功能來說，都會涉及射頻通信及數(shù)據(jù)處理的整合問題，技術(shù)難度上的挑戰(zhàn)相當?shù)母摺?/P>

　　以射頻部分來說，首先遇到的就是小型化天線的規(guī)劃問題。由于這些無線技術(shù)多半采用不同的頻譜（除Bluetooth和Wi-Fi同採2.4GHz外），因此一臺手機中往往得想辦法建置多組天線，這就得克服機構(gòu)與隔離性的議題。在射頻系統(tǒng)方面，也有很大的挑戰(zhàn)，多頻的GSM/GPRS/3G在共用射頻電路的情況下，在濾波器、嵌入式L, C等射頻被動元件得朝切換型式發(fā)展，放大器方面也得支援寬頻及高線性度設計，此外還有很多EMI/EMC的問題得解決。

　　Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、Mobile TV與應用處理器或基頻的整合上，則有多種架構(gòu)的選擇。最常見的方式是採用一顆專屬的前端（Front End；FE）模組，以Mobile TV的DVB-H前端模組為例，就提供了從諧調(diào)器（Tuner）到解調(diào)器（Demodulator）的完整功能，直接將處理好的IP datagram和TS packet分流送到應用處理器或音、視頻解碼晶片做進一步運算，最后才將電視節(jié)目的影音內(nèi)容傳送到螢幕上播放，如（圖四）。

　　▲圖四：移動電視應用中FE與處理器、解碼器的運作流程示意圖。

　　另一種架構(gòu)則是將數(shù)字的功能都整合到應用處理單元中，并以軟件方式來驅(qū)動該項應用功能，此架構(gòu)只需搭配特定功能的RF晶片即可執(zhí)行，但這會佔用掉主處理器極大的運算資源，而且需投入較大的時間精力去移植和調(diào)校此種軟件。以A-GPS為例，就有所謂的軟件式GPS，但其功能只適用于單點的定位，而不適合用在更復雜的導航或LBS應用之上。

　　■多媒體處理議題

　　隨著3G頻寬的增加，以及整合Wi-Fi而獲得更大的網(wǎng)路頻寬，都讓3G手機可以朝視頻電話、2D/3D網(wǎng)路游戲或提供Hi-Fi音效的多媒體應用發(fā)展，未來再結(jié)合數(shù)字電視廣播網(wǎng)路，還可收看廣播式串流視頻節(jié)目。因此，在一臺多媒體手機上要處理的媒體類型，除照相功能的靜態(tài)影像外，還有視頻（動態(tài)影像）、音頻（聲音、音樂及音效）和繪圖（2D/3D）功能。

　　視頻內(nèi)容是占用頻寬最大的內(nèi)容，因此有必要採用最新的壓縮格式。H.264是多數(shù)移動電視服務所中意的新一代規(guī)格，它能將壓縮率大幅提升，卻又不影響視頻品質(zhì)，因此只需有限的無線頻寬（約500Mbps）即能播放視頻節(jié)目。試驗顯示，在相同視頻品質(zhì)情況下，與MPEG-4 Advanced Simple Profile壓縮協(xié)議相較，H.264可以把位元率降低35％～50％，而與MPEG-2相較可降低40％～65％。不過，由于H.264的演算技術(shù)更為復雜，需要采用更高效能的編解碼技術(shù)。

　　在音頻方面的設計挑戰(zhàn)并非頻寬，而是整體的系統(tǒng)規(guī)劃。目前音訊處理的內(nèi)容相當多元，在內(nèi)容格式上包括聲音的LPC、CELP與ACELP等編解碼格式；在音效格式上更包括AMR、ACC、MP3/MP3Pro、WMA、OGG等。過去手機只要處理單聲道的低階電話語音即可，而今還得應付和絃鈴聲、音樂檔案播放和FM或DAB的廣播收聽，有些手機甚至內(nèi)建答錄機的功能。要提供Hi-Fi立體音效，手機得同時建立16-bit、以44.1kHz取樣的音頻系統(tǒng)，而且必須設置兩臺揚聲器，并透過如Audistry的后制音效技術(shù)來達成3D效果。

　　在繪圖技術(shù)上，3D可望成為下一代高階手機中必備的功能。由于3D的運算需求極大，市場上已逐步從軟件方案轉(zhuǎn)為硬件的專屬加速器作法。此外，為了讓手機制造商、晶片供應商、繪圖引擎及軟體供應商、游戲開發(fā)商以及基礎設備開發(fā)企業(yè)等相關3D游戲業(yè)者能廣泛的合作，Open GL-ES已成為行動繪圖產(chǎn)業(yè)的共同標準，目前已開發(fā)到2.0的版本；此外，在Java部分則有Mobile 3D Graphics API for J2ME（JSR 184）的標準在審定中。

　　■結(jié)論

　　如果以語音通信功能來看待3G手機，那顯然是太狹礙了。3G手機意味著更豐富的多媒體通信服務將會出現(xiàn)，這除了需重新考量內(nèi)部系統(tǒng)的建置架構(gòu)外，也得在輸出介面上有所提升，特別是在顯示技術(shù)上，不但要求更大的螢幕，在解析度上從qQVGA、QCIF，一路往QVGA升級；面板技術(shù)上則從CSTN、A-TFT、LTPS，逐步升級到OLED；此外，MVA、IPS等寬視角技術(shù)也成了必要的技術(shù)。

　　此外，更多樣的內(nèi)容，也難免涉及對內(nèi)容取得的認證、授權(quán)和付費機制，以及內(nèi)容的數(shù)字版權(quán)管理（DRM），還有個人資料的保密等的議題，這些議題足以形成一個圍繞著行動應用功能的安全性生態(tài)體系，如（圖五）。此外，在移動電視和A-GPS/LBS的服務上，還有很多待建立的服務模式，以及提供足夠且吸引人的內(nèi)容，才能讓3G手機真正成為多元服務的行動式中心?！?

　　▲圖五：圍繞著應用處理器所形成的安全性生態(tài)體系。