緊湊的模塊方案有利于無線產品設計和制造

緊湊的模塊方案有利于無線產品設計和制造

從芯片組開始開發(fā)一種新手機通常要花費18個月的時間，這段時間內公司必須承擔所有的開發(fā)費用，而產品在這段時間內又可能會經歷價格下調，使公司預期經濟效益減少。采用模塊方案可以使產品提前面市，不僅獲利機會增多，而且利潤空間也變得更大。

盡管蜂窩技術已開始向遠程信息處理、移動計算、設備對設備等應用領域拓展，但數量最多的應用依然是移動電話，語音服務在未來一段時間內可能還是會占據移動通訊的主導地位。即便如此，隨著高帶寬數據服務變?yōu)楝F實，手機的本質也在改變，可以實現很多新的功能和應用。畢竟，語音服務留給為只能打電話的手機實現更多個性化設計的機會越來越少，但增加數據性能后，一系列特性、功能和外形就可以進行各種變化，這樣一來制造商將有很多機會針對特定的用戶群來設計他們的產品，特殊的生活方式、地區(qū)或文化差異、垂直分布的市場等使用戶的需求都不盡相同。

然而要充分利用這些新的機會也不那么容易，手機制造商通常會設計那些市場規(guī)模大的產品，這樣基于一種設計就可以進行大批量的生產，只有產量上去了，才會有充足的財力和工程資源來開發(fā)最先進的無線產品。制造商尋求將蜂窩技術應用到現有產品中，或為相對更小的市場開發(fā)一些產品時，會面臨一系列嚴峻的挑戰(zhàn)。

集成蜂窩無線部分

傳送語音或數據的數字蜂窩無線電話本身是一個集成了微波、混合信號和數字硬件技術以及一些復雜軟件的系統(tǒng)，圖1顯示了在PDA上加蜂窩無線模塊的應用實例。由于蜂窩技術的復雜性，因此不管采用GSM還是CDMA作為子系統(tǒng)，都需要將RF器件與其它元器件隔離開來，以免相互干擾，所以蜂窩子系統(tǒng)通常會用一塊獨立的電路板實現，或在主板上定義好一部分作為蜂窩子系統(tǒng)。

即使不考慮由于微波頻率引起的電路設計和電路板布局布線的復雜性，蜂窩子系統(tǒng)的復雜程度也不比PDA系統(tǒng)低，加上需要開發(fā)或集成基帶軟件以及與主控設備的接口，這種開發(fā)項目就越發(fā)不能被小覷。

假設完全不考慮開發(fā)定制的RF和基帶IC，那么大部分設計人員傾向于采用市面上芯片組和芯片制造商提供的參考設計來開始他們的設計。采用芯片組，尤其是完整的解決方案(包括無線通訊、基帶處理器以及諸如功率放大等所有???持元件)可以大大減少蜂窩系統(tǒng)的開發(fā)費用和風險。但芯片組只能提供核心的器件，而要使蜂窩產品能工作并投入生產，產品設計組還要做很多工作。

怎樣才能將無線和基帶IC、其它硬件元件及軟件結合起來組成一個執(zhí)行恰當功能的系統(tǒng)，并與主控設備相連且滿足目標應用需求呢？這一過程主要包括以下幾個方面的工作：

1．RF線路設計和PCB布局布線：盡管芯片組可以減少功能設計的復雜性和風險，但并不能完全予以排除。生產PDA和便攜式PC的公司通常不具備RF電路設計專長，此外這類設計所需的測試設備也很昂貴，交貨期很長。芯片制造商的參考設計會有幫助作用，但要讓RF電路正常工作通常需要好幾次設計反復，即使對很有經驗的RF工程師也不例外。

2．一般電路的設計和布局布線：RF和基帶IC需要???持電路，例如電源電壓調節(jié)器、電源管理電路和晶體振蕩器等，這部分電路的PCB設計要考慮RF元件與其它元件的屏蔽和電?隔離，以免產生干擾和輻射問題。由于帶有RF電路，因此要達到滿意的性能，PCB設計可能也要反復好幾次。

3．軟件集成和測試：雖然可從芯片組供應商那里得到協(xié)議堆棧，軟件開發(fā)人員也還是必須要對它進行修改，以便適應特定的系統(tǒng)以及與主機相連。然后就是測試，確保符合規(guī)定的通訊標準。軟件集成通常要花3到6個月的時間。

4．IP許可：開發(fā)人員還不得不為取得參考設計和其它IP的使用許可進行談判，例如GSM或CDMA主要技術。

5．通過測試：所有蜂窩設備的發(fā)射功率、輻射和特定的吸收率(SAR，度量電磁波輻射被人體吸收的比率)都要符合政府管理機構的限制。除此之外，每一部設備還必須滿足應用通訊技術(如GSM、CDMA)標準團體制定的規(guī)范。如果集成了蜂窩系統(tǒng)的產品要在好幾個國家銷售，它必須接受測試，遵從每個國家的相關規(guī)定。

從上面的設計和測試任務可以看出，就算從芯片組開始，從提出概念到投入生產，開發(fā)一種蜂窩子系統(tǒng)所需的資源相當可觀。根據所需軟件數量的不同，通常一個典型的開發(fā)過程可能需要50到100個工程師，歷時18個月的時間才能完成。配備一個無線開發(fā)實驗室非常昂貴，而測試設備一般都要幾十萬美元，生產用測試設備還需要更多的資金投入。

由于不同地區(qū)市場或運營商的要求可能不同，如果產品要???持多個通訊標準(GSM、CDMA或多個頻段)，那么所需的資源、成本和風險就更難估計。

阻礙更小型制造商尋求在其產品中增加蜂窩通訊功能的另一個因素是部分用戶的期望值。大型制造商提供的產品(主要是手機)很先進，這使得用戶現在都期望無線產品要小而輕，且功能豐富，只有領先公司才能承受滿足這些期望所需的復雜設計和制造技術投入。

無線產品開發(fā)需要的資源廣泛，回報周期長，在技術和經濟上的風險很高，這些因素使得很多產品開發(fā)對集成蜂窩數據性能“敬而遠之”，盡管它們本可以從這一性能中受益。

無線模塊方案

對于芯片組解決方案，含有完整蜂窩系統(tǒng)的模塊將是一種很受歡迎的替代方案。不幸的是，模塊通常體積較大、功能不完善或者很難用于大批量的自動化生產。不過新的封裝技術和對便攜式設備設計人員需求的關注，已經促使具備完整蜂窩通訊功能(語音和數據)子系統(tǒng)的模塊出現在市面上。此類模塊體積小，可看作一個元件，適合自動表面貼裝設備，采用這種模塊可以大大地減少無線產品開發(fā)的成本、風險和時間。

選擇蜂窩模塊解決方案從根本上省去了蜂窩子系統(tǒng)的所有設計工作以及許多規(guī)定測試和標準測試過程，它使產品設計人員可以將主要精力放在為產品增值和實現產品個性化的特性和功能上，而不用操心那些復雜的無線和基帶硬件設計以及軟件開發(fā)。

也許采用模塊方案的最大好處就是能更快地獲利。要在一個產品中增加蜂窩通訊功能或開發(fā)一種手機通常要花費18個月的時間，在這段時間內，公司必須承擔所有的開發(fā)費用。此外該產品在這段時間內可能要經歷價格下調，從而減少了增加新功能的經濟效益，或者說新產品投資回報降低了。采用模塊方案可以使產品提前面市，相對于采用芯片組的解決方案要少用一年的時間。結果由于產品更早上市，不僅獲利機會增多，而且利潤空間也變大(圖2)。

采用模塊解決方案的另一個好處是能迅速地將???持無線的產品推向多個地區(qū)市場，那些???持不同無線通訊標準的模塊如果外形尺寸一致則尤其如此。采用此類模塊，手機、PDA或遙測裝置不需要重新設計主控板就可以與GSM/GPRS或CDMA技術相適應，并且只需增加少許設計費用就可以了。

使增加無線功能更為簡單

與從芯片組開始開發(fā)無線子系統(tǒng)的復雜過程相比，將蜂窩模塊集成到現有產品或新設計中是一件很簡單的事情。而獲得成功的關鍵是供應商的選擇。供應商不僅要提供一系列合適的模塊(最好能???持所有主要的蜂窩標準)，而且還要為集成過程提供協(xié)助。雖然模塊從根本上省去了RF電路設計的工作，但在任何設備上增加無線功能都需要天線和屏蔽技術方面的經驗，特別是當產品必須符合嚴格的規(guī)定和標準組織的規(guī)范時。愿意與設計人員一起在這方面努力的供應商能夠真正地解除設計過程中的風險，使無線產品開發(fā)又快又輕松。

理想的模塊其實就是一個電話，只不過沒有麥克風、揚聲器、鍵盤和顯示屏等這些外設，它可以通過簡單、最好是標準化的接口(如頗為流行的為調制解調器開發(fā)的“AT”命令組)與主控設備通訊。這些模塊還有一個好處就是適用于表面貼裝技術，這在大批量生產時具有成本效益。

從一個好的“啟動開發(fā)套件”開始工作也很重要，這會使模塊更容易集成到產品中。這種套件應該包括模塊、開發(fā)板、軟件及附件，如線纜、電源等。開發(fā)板用來放置模塊并提供外部電源和數據的連接，軟件包括合適的協(xié)議堆棧、固件及AT命令接口。啟動開發(fā)套件實際上就是一個完整的蜂窩系統(tǒng)，可以用它來打電話，并且通過AT命令集接口與主控板通訊。

如果對系統(tǒng)性能和AT命令集接口感到滿意，開發(fā)人員就可以設計定制的人機接口(MMI)PCB，該PCB很大程度上是對模塊的機???封裝，它提供電源連接和板對板連接器，以便與產品主板相連。

無線產品設計人員面臨的最大障礙之一是獲得各項規(guī)定代理機構和標準組織(如FCC、ETSI、GSM、CDMA等)的認證。除了各種規(guī)定的測試之外，在運營商允許一種產品進入他們的網絡之前，還需要在實驗室和現場對此產品進行測試。因為模塊可以預先認證，所以新產品只需要進行部分測試就可以了。部分測試一般是為了確保產品的輻射符合要求并且驗證一下針對運營商的空中接口。

本文小結

設計人員不必擔心在產品中加入無線連接功能會很復雜并且需要投入過多資源。通過仔細地選擇可用的模塊解決方案而不是由芯片組開始從頭設計，開發(fā)人員能夠避免通常的風險和費用，設計出穩(wěn)定和具備可生產性的產品，并使之快速進入市場。