3G手机技术发展与设计架构5

在3G手机的应用时代，其基本的改变包括能提供更高的传输速率，以及同时提供既有的「电路交换模式」（Circuit Switch Mode）和可移动上网的「封包交换模式」（Packet Switch Mode），进而能打打影像电话、使用多媒体短信服务（Multimedia Message Service；MMS），或是收发电子邮件、上网浏览等网际网路服务。这些应用我们早已知道的很清楚了。

然而，在宽频和互动性的基础下，进入3G时代还意味着更广泛的通信技术将在一台手机中产生汇流。目前在发生中的，首先是蓝牙（Bluetooth），再来会是WLAN，以及接下来的GPS/A-GPS和移动电视（Mobile TV），更长远一些，则需注意WiMAX、UWB的发展。这些不同通信技术的整合，将推动多模手机的发展，而每整合一种新的通信功能，就代表着3G手机具备了更丰富的应用性，并可望创造全新的服务与收益模式。

以3G结合A-GPS为例，3G网路的辅助定位资讯，可以大幅缩短GPS的首次定位时间（Time to First Fix；TTFF），从原先的数分钟缩短为一分钟以内；如果基地台的佈建够密，也能有效提升定位的准确度。当手机有了定位资讯，再加上地图资讯、导航引擎与位置服务（LBS）应用软件，一台手机就能够用于紧急救难追踪或提供所谓的「兴趣点」（point of interest；POI）加值服务，也就是为行人提供所在环境附近的加油站、推荐餐厅、旅馆等资讯。

■3G手机＝高阶手机？

对于用户来说，在其随身的轻巧手机中能具有更多样的实用或娱乐功能，当然是何乐而不为，但为了满足这些整合需求，3G手机的开发其实面临了不少的挑战。

先来看看手机的类型，大致可以分为初阶的语音手机（Voice Phone）、中阶的功能手机（Feature Phone）和高阶的智能型手机（Smart Phone）。3G手机可以是其中的任何一种，但目前看来，最早在市场上量产销售的，会是智慧型手机。这和3G目前的定位有关，它毕竟是新兴的应用，会先吸引到对高阶产品有兴趣的玩家（Power User）；而且3G标榜的是它在多媒体传输及移动网路方面的能力，这和语音手机大异其趣。

不过，高阶手机毕竟是金字塔的顶端，使用族群受限，要让3G手机更为普及，势必得往功能手机发展。在系统的开发上，智慧型手机因採用高阶作业系统（High-level OS；HLOS），具有完善的功能模组，因此让手机业者能加速设计的时程，目前主流的HLOS包括Symbian、Windows Mobile和Linux等；相较之下，功能手机为让手机功能更为精简，因此得针对内部的软、硬件系统进行量身定制的工作，这也让3G功能手机推出市场的时间会较为落后。

当然，如果3G能顺利成为市场上的主流行动通讯规格，最低阶的单纯3G语音手机也会顺势推出。对于电信业者来说，3G系统能提供更高的频宽，让业者得到更佳的频宽运用状况，因此3G语音电话也具有其推广的利基。不过，3G的市场虽有起色，但是否能普及或何时会普及，仍然颇为值得观察。

■应用处理架构剖析

我们再进一步来看3G手机的应用功能开发。如上所述，大部分的3G手机不会是单纯的语音手机，这类新兴手机所比拼的，正是其多媒体功能的多样性。在应用功能愈来愈复杂的趋势下，以单一基频涵盖所有数字逻辑运算需求的手机系统规划已不敷需求，现在主流的设计趋势是采通信（数据机）与应用分流的开发架构。

这样做的好处很明显，因为应用功能与通信功能的发展脚步并不同调，应用功能日新月异，而数据机的通信系统却有较长的生命週期。两者分流后，各自可以依市场的需要而改朝换代，不再需要受到另一方的牵制。例如数据机可以从GSM/GPRS加上3G/WCDMA的双频或三频模式，逐步升级到纯粹的3G或下一代的HSDPA/HSUPA；应用处理单元则能因应视频、音频、影像、绘图等需求的改变而扩充其功能，例如支援高达每秒30讯框的VGA解码和H.264/VC-1视频编码、VGA彩色显示、Q-VGA辅助显示以及多达5M画素的数字照相机功能、2D/3D图形、3D声音和立体声喇叭等。

为满足应用处理功能，在功能手机中多半採用一至数颗专属的多媒体处理晶片来做为协同处理器（Co-processor）；在智慧型手机中则会采用一颗功能强大且完整的应用处理器（Application Processor）。不论是多媒体处理晶片或应用处理器，都能有效加速视频、音频、动画／游戏、影像的处理效率。两者最大的差异在于，在功能手机中是以基频为主，协同处理器为辅的架构；而在智能型手机中，应用处理器则成了整个系统的主处理器（master processor），而基频则只扮演无线数据机的附属角色。多媒体处理晶片的进入门槛较低，市场上的提供者众；应用处理器则是一颗将所有应用功能都整合在一起的系统单晶片（SoC），有能力设计制造的厂商并不多。

在应用处理器之处理器核心的架构上，可以是单一强大的核心，或採RISC加DSP的双核心平行架构，但目前看来是以ARM为主处理器搭配多颗多媒体加速器的分散式处理架构为主流，请参考（图一）。

▲图一：应用处理器采用加速器的分散式处理架构。

这些加速器可以单独的工作，也能同时多工处理音、视频的即时编解码功能。这些加速器会以最佳化的软、硬件技术来进行规划，例如在音频上可能采用可采C语言程式化的多媒体VLIW DSP，并搭配硬件线路运算器（hardwired operator）及更高效率的演算法，请参考（图二）。

▲图二：以最佳化架构规划应用处理器中的加速器来提升效能，此图为Nomadik音频加速器的架构。

採用应用处理器能有效降低应用功能的开发难度，因为此类处理器往往具备了丰富的週边介面，能够满足3G多媒体应用上的各种需求，包括照相CMOS感测器、彩色显示的LCD面板、TV输出、IrDA、Bluetooth、Wi-Fi、USB2.0/OTG、音频和多种型式的存储器、ATA硬碟介面及DDR、SDRAM、NAND Flash、NOR Flash等存储器型式，以及传统式键盘和复杂的无线数据机等广泛的介面，此外，还会支援A-GPS和DVB-H或DMB等移动电视功能。请参考（图三）。

▲图三：支援丰富周边介面的应用处理器。

■多模应用开发挑战

即使采用了应用处理器来提供了高效能的多媒体运算及丰富的周边介面，但这仍不保证一支3G手机就具备了完善且强大的应用功能，需要考虑的因素还有很多，尤其是多频多模下，各个子系统该如何妥善规划的议题。以Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、FM/DAB和Mobile TV等功能来说，都会涉及射频通信及数据处理的整合问题，技术难度上的挑战相当的高。

以射频部分来说，首先遇到的就是小型化天线的规划问题。由于这些无线技术多半采用不同的频谱（除Bluetooth和Wi-Fi同採2.4GHz外），因此一台手机中往往得想办法建置多组天线，这就得克服机构与隔离性的议题。在射频系统方面，也有很大的挑战，多频的GSM/GPRS/3G在共用射频电路的情况下，在滤波器、嵌入式L, C等射频被动元件得朝切换型式发展，放大器方面也得支援宽频及高线性度设计，此外还有很多EMI/EMC的问题得解决。

Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、Mobile TV与应用处理器或基频的整合上，则有多种架构的选择。最常见的方式是採用一颗专属的前端（Front End；FE）模组，以Mobile TV的DVB-H前端模组为例，就提供了从谐调器（Tuner）到解调器（Demodulator）的完整功能，直接将处理好的IP datagram和TS packet分流送到应用处理器或音、视频解码晶片做进一步运算，最后才将电视节目的影音内容传送到萤幕上播放，如（图四）。

▲图四：移动电视应用中FE与处理器、解码器的运作流程示意图。

另一种架构则是将数字的功能都整合到应用处理单元中，并以软件方式来驱动该项应用功能，此架构只需搭配特定功能的RF晶片即可执行，但这会佔用掉主处理器极大的运算资源，而且需投入较大的时间精力去移植和调校此种软件。以A-GPS为例，就有所谓的软件式GPS，但其功能只适用于单点的定位，而不适合用在更复杂的导航或LBS应用之上。

■多媒体处理议题

随着3G频宽的增加，以及整合Wi-Fi而获得更大的网路频宽，都让3G手机可以朝视频电话、2D/3D网路游戏或提供Hi-Fi音效的多媒体应用发展，未来再结合数字电视广播网路，还可收看广播式串流视频节目。因此，在一台多媒体手机上要处理的媒体类型，除照相功能的静态影像外，还有视频（动态影像）、音频（声音、音乐及音效）和绘图（2D/3D）功能。

视频内容是占用频宽最大的内容，因此有必要採用最新的压缩格式。H.264是多数移动电视服务所中意的新一代规格，它能将压缩率大幅提升，却又不影响视频品质，因此只需有限的无线频宽（约500Mbps）即能播放视频节目。试验显示，在相同视频品质情况下，与MPEG-4 Advanced Simple Profile压缩协议相较，H.264可以把位元率降低35％～50％，而与MPEG-2相较可降低40％～65％。不过，由于H.264的演算技术更为复杂，需要采用更高效能的编解码技术。

在音频方面的设计挑战并非频宽，而是整体的系统规划。目前音讯处理的内容相当多元，在内容格式上包括声音的LPC、CELP与ACELP等编解码格式；在音效格式上更包括AMR、ACC、MP3/MP3Pro、WMA、OGG等。过去手机只要处理单声道的低阶电话语音即可，而今还得应付和絃铃声、音乐档案播放和FM或DAB的广播收听，有些手机甚至内建答录机的功能。要提供Hi-Fi立体音效，手机得同时建立16-bit、以44.1kHz取样的音频系统，而且必须设置两台扬声器，并透过如Audistry的后制音效技术来达成3D效果。

在绘图技术上，3D可望成为下一代高阶手机中必备的功能。由于3D的运算需求极大，市场上已逐步从软件方案转为硬件的专属加速器作法。此外，为了让手机制造商、晶片供应商、绘图引擎及软体供应商、游戏开发商以及基础设备开发企业等相关3D游戏业者能广泛的合作，Open GL-ES已成为行动绘图产业的共同标准，目前已开发到2.0的版本；此外，在Java部分则有Mobile 3D Graphics API for J2ME（JSR 184）的标准在审定中。

■结论

如果以语音通信功能来看待3G手机，那显然是太狭碍了。3G手机意味着更丰富的多媒体通信服务将会出现，这除了需重新考量内部系统的建置架构外，也得在输出介面上有所提升，特别是在显示技术上，不但要求更大的萤幕，在解析度上从qQVGA、QCIF，一路往QVGA升级；面板技术上则从CSTN、A-TFT、LTPS，逐步升级到OLED；此外，MVA、IPS等宽视角技术也成了必要的技术。

此外，更多样的内容，也难免涉及对内容取得的认证、授权和付费机制，以及内容的数字版权管理（DRM），还有个人资料的保密等的议题，这些议题足以形成一个围绕着行动应用功能的安全性生态体系，如（图五）。此外，在移动电视和A-GPS/LBS的服务上，还有很多待建立的服务模式，以及提供足够且吸引人的内容，才能让3G手机真正成为多元服务的行动式中心。

▲图五：围绕着应用处理器所形成的安全性生态体系。

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