手機應用影響內部元件 分析手機射/基頻關鍵元件發展趨勢

2005-04-26
以目前手機的發展趨勢來看,是以「3M」為主,所謂的「3M」為Multi-System、Multi-Media、Multi-Mode,也就是多系統、多媒體、多模,合稱為「三多」...
以目前手機的發展趨勢來看,是以「3M」為主,所謂的「3M」為Multi-System、Multi-Media、Multi-Mode,也就是多系統、多媒體、多模,合稱為「三多」。多系統指得是手機必須能同時在不同的頻段中運作;多媒體的發展以影音為主,大幅改變手機的造型、鈴聲,讓消費者容易看到手機在應用上的變化;多模指得是一手機可同時支援兩種或兩種以上不同通訊協定系統。在不同的應用發展下,造成手機所需求的零組件也略有不同。  

 

射頻零組件的發展趨勢,由過去的離散式設計朝向模組化設計,目前射頻零組件可分為四大塊,分別為天線、射頻收發器、功率放大器、被動元件,未來射頻收發器與功率放大器會再被整合成射頻模組,並走向單一晶片的設計(圖1)。  

而基頻零組件的發展趨勢,由過去的類比基頻、數位基頻及電源管理,演進到基頻IC平台,而外加在手機上的應用也越來越多,包含相機功能、支援藍芽及Wi-Fi無線傳輸等,這些應用進一步也會影響到基頻零組件的設計(圖2)。  

整體來看手機射、基頻零組件的發展趨勢,可由圖1、圖2看出,但手機針對「3M」不同應用趨勢的發展,對於射、基頻零組件上的影響也略有不同,進一步的分析如下。  

手機發展趨勢帶動零組件變化  

手機應用朝向「3M」發展趨勢下的系統架構,對於相關無線通訊零組件的影響,如表1所示。  

表1中,打圈的部分代表主要,三角形代表次要,以Multi-System(多系統趨勢)為例,手機架構對射頻的影響較大,主要是手機射頻必須針對每一個不同的操作頻段做設計。而Multi-Media(多媒體趨勢)不論主要在影音的傳送與接收上,必須處理大量的資料量,這部分的處理皆是落在手機基頻部分。  

Multi-Mode(多模趨勢)為一手機可同時支援兩種或兩種以上不同通訊系統,多模趨勢可視為將不同的通訊系統整合在一起,當然各通訊系統的射、基頻部分也得整合,由於各通訊系統在射頻的發射功率不盡相同,所以多模趨勢對手機射頻影響較大,而對基頻會有部分的影響,主要是因為除了處理通訊外,還得處理不同通訊系統的資料。  

射頻與基頻 關鍵零組件與功能  

若以射頻零組件的整合趨勢來看,射頻最重要的元件為功率放大器與射頻收發器,其射頻功能的好壞就是由這兩大元件所決定;基頻零組件在手機功能不斷的擴充下,零組件的數目也逐漸地變多,但真正用來處理通訊訊號的核心元件,還是數位訊號處理器。  

射頻元件以功率放大器/射頻收發器為主  

2004年全球射頻零組件產值約為33億美元,較2003年的33.4億美元略微下降1.2%,但2004年功率放大器與射頻收發器的產值與市佔率卻較2003年成長,再加上其他射頻零組件(如RF Front End、Synths)佔射頻零組件的比例越來越低,可看出射頻零組件的整合趨勢(圖3)。  

手機射頻關鍵零組件中的功率放大器用於射頻發射器前端,作用在放大將要由天線發送出去的資料訊號,以防止通道對資料訊號的干擾,同時它也是系統中最消耗功率的電路元件;而射頻收發器現在大多整合低雜訊放大器、混波器、濾波器等,形成射頻收發器模組,常見的架構有超外差(Super-heterodyne)架構及零中頻(Zero-IF)架構。  

射頻元件產品在開發的時候必須考量許多因素,以設計出效能良好的元件,其中靈敏度(Sensitivity)、雜訊值(Noise Figure)、增益(Gain)、線性度(Linearity)、供應電壓、頻率及功率等參數皆是無線通訊射頻元件設計時要考慮的重點,而評比射頻元件的效能好壞,主要以前四項參數為主。  

基頻零組件以數位訊號處理器/應用處理器為主  

2004年全球基頻零組件的總產值為176.1億美元,較2003年的150.6億美元成長16.9%,2004年數位訊號處理器的佔有率較2003年略微下滑,為35.2%,應用處理器則成長到3.8%。影音相關的零組件(CMOS/CCD感光元件、影像處理器、多媒體處理器、應用處理器)佔基頻零組件的比例越來越高,2004年影音相關零組件佔了9.9%,較2003年成長了3.1%(圖4)。  

基頻關鍵零組件中的數位訊號處理器會將所有的語音訊號、文字、圖片等資料,先轉換成0與1所組成的數列,再交由數位訊號處理器進行處理,當傳送的資料越多,所編碼出的資料量就越大。隨著手機應用的多元化,為了減輕數位訊號處理器的負擔,加速手機推出的時程,應用處理器的概念因而產生,此概念讓數位訊號處理器負責原有的語音訊號,應用處理器處理影音多媒體及多模系統的資料。  

數位訊號處理器的選擇應考量到處理速度、記憶體的安排及電源控制三項因素,處理速度必須建立在即時性與正確性的考量下,記憶體的安排與處理速度相關,而電源控制則可思考休眠模式的建立與週邊單元的控制。  

手機射、基頻 關鍵零組件市場規模  

手機功率放大器與射頻收發器的產值與產量在2003年到2008年大體維持一個穩定的成長,2004年全球功率放大器的總產量約為9.6億顆,產值達到11.4億美元。而全球射頻收發器的總產量約為7.9億顆,產值達到14億美元(圖5)。  

手機數位訊號處理器在2004年的產值成長率約為11.6%,預估到2005年擴大到19.7%,這波成長趨力主要是反應3G手機成長,由於3G手機傳輸頻寬較大,將會有更多的資料訊號需要數位訊號處理器來處理。2006年數位訊號處理器的產值成長率下滑到8.5%,主要是預估系統單晶片產品的大量推出,造成成本變低所致。而應用處理器的概念在2003年被提出後,2004年的成長率驚人,預估到2008年,仍可保持20%以上的成長率(圖6)。  

對於手機射、基頻零組件的發展,元件整合是一個不變的趨勢。以射頻來說,功率放大器整合RF Front End,射頻收發器整合Synths、Switchs、Switchplexers,以基頻來說,Image Processor、Multimedia Processor等影音元件整合進應用處理器,都是未來發展的趨勢。  

而手機「3M」發展趨勢對於手機射、基頻零組件的需求略有不同,其中,Multi-System(多系統趨勢)對於射頻零組件的影響較大,這類型手機多半是屬於低階機種,僅提供通話及簡訊的服務,在射頻零組件上,部分機種已開始採用單一晶片的射頻模組。Multi-Media(多媒體趨勢)對於基頻零組件的影響較大,而Multi-Mode(多模趨勢)對於射頻零組件的影響較大,對基頻零組件會有部分的影響。上述兩類型手機多半是屬於中、高階機種,提供影音多媒體服務及不同的無線傳輸方式,在射頻零組件上,多半採用功率放大器、射頻收發器模組的設計,而基頻零組件上,部分高階機種開始採用數位訊號處理器+應用處理器雙處理器架構。  

(本文作者任職於工研院IEK)  

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