微型技術(shù)革命的產(chǎn)物智能型電話

蜂窩式移動電話及智能型手機已成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧＿@些手機推出不久即大受歡迎，速度之快著實令人驚異。自從數(shù)字傳輸技術(shù)面世以來，移動電話不斷推陳出新，功能也不斷多樣化，其變化之大并非今日所能想象。

移動電話市場的蓬勃發(fā)展，吸引了不少跨國公司。即使目前經(jīng)濟低迷，預(yù)計移動電話市場的全球銷量仍將高達(dá) 4.7億部，是迄今最大的單一消費市場。

由于通信頻道越來越多，服務(wù)也由簡單的短信傳送 (SMS)，發(fā)展至包括 EMS、MMS、WAP、視頻串流以至其他更先進的服務(wù)，而移動電話也不斷自我完善，以便可以支持這些服務(wù)。

但能夠利用這些服務(wù)的移動電話卻日趨笨重。移動電話必須采用更先進、更復(fù)雜的技術(shù)，才可支持網(wǎng)絡(luò)運營商提供的服務(wù)。例如，移動電話必須添加更多硬件，加強音頻處理能力，才可處理不同的音頻信號，也需要添加更多硬件，才可捕捉及顯示高清晰度的圖像。由于添加了更多硬件，電池便需要為這些新加的外圍設(shè)備模塊供電，令電池壽命受到一定的影響。要滿足這些要求，移動電話便無法又輕又薄。

這些新加的功能特色成為新一代智能型手機所特有的基本功能。對于移動電話市場的未來發(fā)展，制造商都各有自己的一套看法。高檔智能型手機必須具有極高的通信能力，以及能夠支持多種不同的高檔應(yīng)用，而高度集成的低檔移動電話則必須符合成本效益，以及實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

以下將詳細(xì)介紹高、低檔移動電話的不同設(shè)計取向，并以音頻、圖像處理及電源管理等方面的設(shè)計為例作進一步的解釋，從中顯示為何美國國家半導(dǎo)體一直能夠為移動電話制造商提供最切合他們需要的芯片產(chǎn)品。

音頻芯片——采用子系統(tǒng)的取向

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舊式移動電話基本上只有兩個音頻信號源，它們分別是來自語音通道的語音以及振鈴。

美國國家半導(dǎo)體一直致力為高檔及低檔的電話產(chǎn)品開發(fā)各種不同的芯片，以滿足這兩個市場的需求。

以大眾消費市場來說，美國國家半導(dǎo)體有專為低檔電話而開發(fā)的最新產(chǎn)品 LM4906。這款芯片是 Boomero 系列的最新型號，可為標(biāo)準(zhǔn)型號移動電話提供基本的音頻功能，而且采用這款芯片無需加設(shè)旁路電容器，有助節(jié)省成本，縮小印刷電路板面積，以及確保廠商可以更快將產(chǎn)品推向市場。需要添加的外置零部件不超過三個，其中包括揚聲器。

至于需要支持更多先進功能的新一代智能型電話，美國國家半導(dǎo)體便特別為這類電話提供了一套音頻子系統(tǒng)。美國國家半導(dǎo)體的這套型號為 LM4930 的音頻子系統(tǒng)在功能方面向前邁進了一大步，可滿足更多輸入輸出裝置的要求。

采用這款芯片的高檔智能型電話一般都采用通信與應(yīng)用互相分離的結(jié)構(gòu)，例如不同處理器負(fù)責(zé)不同的工作，而其中一個會指定為主處理器，負(fù)責(zé)控制電話的其他子系統(tǒng)，例如通過 I2C 兼容的總線控制音頻子系統(tǒng)。

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LM4930 芯片的輸入端 (左邊) 設(shè)有兩個接口。其中一個是 I2S 輸入接口，負(fù)責(zé)為 MP3 播放、FM 廣播及復(fù)音振鈴等內(nèi)容提供經(jīng)過應(yīng)用程序處理器處理、并適用于整個頻率范圍的數(shù)字音頻信號。另一接口是連接通信引擎的雙向 PCM 接口，專門負(fù)責(zé)傳送語音信號。

輸出端 (右邊) 設(shè)有多個輸出，其中包括立體聲耳機輸出以及無需電容器的揚聲器輸出，另外還有專為麥克風(fēng)而設(shè)的直接輸入。因此，只需一顆集成電路便能支持蜂窩式移動電話所需的所有音頻功能。

所選用的芯片封裝是否合適是決定移動電話成敗的關(guān)鍵。先進封裝技術(shù)——例如美國國家半導(dǎo)體的 micro SMD 封裝——可以確保芯片能夠執(zhí)行更多功能。圖2 所示的 LM4930 芯片便采用這種封裝，面積雖然只有 3.2mm x 3.4mm，但足可容納 36個焊球。

圖像處理

由于數(shù)字相機市場不斷茁壯成長，因此數(shù)字圖像處理技術(shù)便在強大需求的支持下發(fā)展迅速。具備拍照功能的移動電話好像在不多久之前還只是一種甚為稀有的產(chǎn)品。移動電話近年來的發(fā)展可說一日千里，初時照相機只夾附在手機外面，現(xiàn)在已發(fā)展成為內(nèi)置的模式，甚至越來越多高檔手機產(chǎn)品都以照相機作為必備的功能特色之一。

手機內(nèi)置的圖像處理模塊由圖像傳感器與圖像處理器兩個部分組成，兩個部分都各有特點與要求。

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圖像傳感器可以采用電荷耦合器件 (CCD) 或互補金屬氧化的半導(dǎo)體 (CMOS) 技術(shù)。但對于移動電話來說，CMOS 技術(shù)比 CCD 更優(yōu)勝，例如 CMOS 技術(shù)的供電電壓及功耗都較低，而技術(shù)集成度也較高。以下便以 CMOS 技術(shù)作為范例詳細(xì)討論這個問題。

CMOS 傳感器負(fù)責(zé)捕捉圖像，辦法是將投射在一列列光二極管上的光線轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">電子信號，然后傳送給圖像處理器，由圖像處理器先將這些信號校正，再轉(zhuǎn)為格式化的數(shù)據(jù)，以供電話的其他子系統(tǒng)使用。結(jié)構(gòu)框圖所示的便是典型的圖像處理器子系統(tǒng)。這個功能塊所執(zhí)行的功能包括鏡頭陰影校正、劣質(zhì)像素校正、顏色內(nèi)插校正、伽馬線校正、顏色空間轉(zhuǎn)換、飽和調(diào)節(jié)及視覺效果處理。有關(guān)信號經(jīng)過以上的處理，最后才以確認(rèn)的格式如 YUV 4:2:2 輸出。

電源管理

有了圖像處理功能，移動電話的功能便更為多樣化，也為用戶添加更多生活情趣。但若要確保電話能永遠(yuǎn)留住用戶的難忘經(jīng)歷，電池便必須能夠應(yīng)付這些新服務(wù)及新功能的額外用電要求。

其實電話的用途一直在變。例如，電話最初只用來傳送語音。我們講完電話后，電話便會處于低功耗狀態(tài)，直至需要接聽另一來電，或再打電話，低功耗狀態(tài)才會改變。SMS 及 EMS 等功能將電話的用途徹底改變。為了傳送 SMS 及 EMS等信息，電話用戶必須將電話長期保持在運作狀態(tài)之中，以便輸入短信。照目前情況看，我們將會繼續(xù)利用電話進行長時間通話或傳送信息，可見功耗將會不斷增加，這樣下去，電話的電池始終會不勝負(fù)荷。也許更重要的一點是，上文所提及的新功能遠(yuǎn)比單純的語音傳送功能耗用的功率多。

目前，電池技術(shù)的發(fā)展雖然已相當(dāng)快，但仍然追趕不上外型更小巧、功能更齊備的新一代電話。電話上的彩色顯示屏幕耗用很多電能，要延長這類移動電話的電池壽命確是一個大挑戰(zhàn)，尤其是電池體積反而越趨細(xì)小。

像美國國家半導(dǎo)體這類芯片廠商一直致力為市場提供各式各樣的電源管理芯片，確保移動電話的電池可以充分發(fā)揮其能源效益及運作效率。

美國國家半導(dǎo)體有一系列出類拔萃的電源管理產(chǎn)品，其中包括 LP398x 與 LP399x 系列低壓降穩(wěn)壓器芯片以及 LM260x/1x 系列直流/直流轉(zhuǎn)換器芯片。這些穩(wěn)壓器芯片輸出 300mA 電流時，其典型電壓只有 120mV。這些芯片還有另一特色，若依靠電池供電的某一區(qū)域/子系統(tǒng)無需在某一運作模式中執(zhí)行工作，這一區(qū)域/子系統(tǒng)的供電便會自動關(guān)閉，而低壓降芯片的典型停機電流不會超過幾毫微安 (nA)。

許多移動電話都采用彩色顯示屏幕，這是一個非常明顯的發(fā)展趨勢。超扭曲型 (STN) 或薄膜晶體管 (TFT) 顯示技術(shù)都要依靠白色的發(fā)光體提供光源，才可確保顯示器能執(zhí)行正常功能。此外，手機的互動能力、電子游戲的內(nèi)容及視頻的傳送都要求屏幕有較大的清晰度及色深。

白色發(fā)光二極管是成本較低而又性能可靠的發(fā)光體。但發(fā)光二極管必須由大小相同的電流驅(qū)動，亮度才可保持均勻。美國國家半導(dǎo)體的 LM35xx系列開關(guān)電容穩(wěn)壓器芯片以及 LM27xx 系列開關(guān)電感穩(wěn)壓器芯片為系統(tǒng)設(shè)計工程師提供了更多選擇，讓他們可以按照顯示屏幕的結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計合適的電源供應(yīng)系統(tǒng)。

圖4 所示的是 LM2794 一類的新一代發(fā)光二極管控制器。

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電話網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以至手機結(jié)構(gòu)不斷引進新的技術(shù)，而支持這些新技術(shù)不斷向前發(fā)展的動力卻來自手機用戶，每一手機網(wǎng)絡(luò)用戶的月平均消費越高，便越能支持更多新技術(shù)的開發(fā)。目前英國的網(wǎng)絡(luò)運營商正為其 3G網(wǎng)絡(luò)新用戶提供三個月的優(yōu)惠，讓他們免費收看英國超級足球聯(lián)賽的精選片段。此外，英國網(wǎng)絡(luò)運營商來自出售振鈴音調(diào)的收入已超過出售圖像的收入。

若將手機的通信帶寬進一步提高，手機甚至可以收發(fā)要求更高的多媒體內(nèi)容。雖然隨著業(yè)界普遍采用 H.263 及 MPEG4 第 4部分 (AVC) 的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)之后，壓縮技術(shù)已不斷改善，但這方面的發(fā)展也令基站的編碼器變得更為復(fù)雜。手機接收器的譯碼器也越趨復(fù)雜，成本也不斷上升。對于開發(fā)手機及相關(guān)零部件的設(shè)計工程師來說，這是他們最感頭痛的問題。

經(jīng)過多年的發(fā)展，舊式的電話已漸漸被智能型電話取代，整個轉(zhuǎn)變過程可以說是一場科技的革命。今后，智能型電話也會隨著時代的進步不斷演變。但有一點可以肯定，那就是移動電話的功能會日趨多樣化，像美國國家半導(dǎo)體這類公司將會在這個發(fā)展過程中扮演一個重要的角色，并會隨著市場的發(fā)展，為移動電話開發(fā)更多芯片產(chǎn)品，滿足移動電話各種最新的要求。