从混合信号集成角度分析单芯片手机设计

目前市场上售出的每部数字蜂窝电话(手机)的基带和射频部分都非常依赖于模拟子系统。尽管号称数字电话，但就电话设计而言，距离纯粹的数字系统仍然很遥远。例如，电源仍须管理，电话输入/输出的音频信号本质上属于模拟范畴，而射频发射和接收仍然采用模拟方案，来对数据进行调制，或对已被进行数字编码的数据进行解调。

因此，在更低成本集成这个总体需求的驱动下，蜂窝电话芯片组供应商必须努力采取精巧的平衡措施，因为制造数字和模拟系统内容的最佳方法可能完全不同。即便在模拟部分，电源管理的最经济方法也可能不同于RF电路所采用的电源管理方法。在数字域也一样，高端DSP核就可能不会采用系统存储器所采用的理想的制造工艺。

在如今这个大家都希望拥有一部“单芯片蜂窝电话”的时代，有必要在朝单芯片目标迈进的过程中，对蜂窝电话中的混合信号集成问题进行深入的研究。为了阐明其基本原理，下面以索尼爱立信面向低端市场的J200i手机为研究案例，揭示硅片上数字和模拟系统功能的划分方法。

在基带部分，通过射频部分处理的接收信号产生一对最后被DSP处理的、表现为模拟信号的同相和四相(I&Q)调制比特流。与此相似，DSP还在输出端(发射端)产生射频部分要用到的调制I&Q数字比特流。在这两种情形下，都有必要对射频和基带(信号)进行模拟和数字域之间的转换，特别是接收端的A/D转换和发射端的D/A转换。

此外，语音频段设计是另一个需要D/A和A/D转换的领域。扬声器需要来自DSP的模拟音频；在DSP开始对语音进行压缩和编码之前，麦克风输入必须被数字化。从历史来看，主流供应商提供的电话芯片组已经将用于模拟和语音频段编解码器的A/D和D/A转换集成到一个共享的“模拟ASIC”之中，这种“模拟ASIC”也常常支持工艺互补的电源管理功能。从芯片的经济性考虑，大多数供应商得将数字逻辑设计到同一颗芯片之中，而模拟功能则设计到另一颗芯片之中。与此相似，射频芯片和存储器也相继被设计为第三和第四颗芯片，因为每颗芯片都需要独特的优化工艺技术。

可是，在J200i设计中，Broadcom公司的BCM2121基带芯片把基带和语音编解码功能都集成到同一个配备DSP的芯片中。进一步看，该芯片包含用于参考频率控制及各种模拟监测功能的附加A/D和D/A转换器。飞利浦公司的PCF50603则在一个专用芯片中处理大多数电源管理功能。而裸片原型清晰地显示：Broadcom的BCM2121芯片的裸片面积的25%以上分配给了模拟部分。

Silicon Labs公司的Si4206收发器也是一款包含混合电路的器件，因为这种收发器设计采用了“数字低IF”接收架构，A/D和D/A转换器位于IF部分的两侧，以便分别集成第一级下变频转换和模拟I/Q输出。然而，在单一封装内，Si4206实际上采用了三颗CMOS硅片，它们都被优化为收发器方案的子单元。

因此，从微观层面说，我们看到了一家公司对硅片(很大程度上是模拟部分)的划分方法，以期优化总成本。在基带之外，元器件的划分再次回归更为传统的方法。来自Spansion公司的双芯片式存储器封装提供代码存储功能，其中最少有一些工作存储空间是用于Broadcom的通信DSP和控制器。

用于振铃的Yamaha FM音频芯片(YMU762)是一颗独立的器件，原因有两方面：一是混合信号芯片具有独特的属性；二是只有在需要的地方或需要的时候，才有必要灵活地添加成本稍高的功能。RFMD公司的RF3133 RF功率放大器采用GaAs芯片，提供最终的输出放大功能；Epcos制造的模块用于处理信号滤波以及射频收发路径的切换。这种功能划分真可谓是：功能独特、工艺独特且部件独特。

Broadcom的芯片是迈向单芯片手机的第一步的一个代表，该芯片的一些模拟子系统与数字处理部分一起被安排在电路板上。尽管如此，系统半导体中的平衡显然已被打破，在工艺技术、功能灵活性和供应商方面提供更加优化的选择。对于半导体行业来说，集成可能是业内的一项通用准则，其中对于蜂窝电话的混合信号世界而言犹为如此，事情也正在变得越来越复杂。

由于各种电话芯片组竞相追逐低成本“单芯片”方案，就需要对集成度进行权衡。其他从事低成本蜂窝电话方案研究的公司有TI、英飞凌、Silicon Labs和飞利浦，但在他们的文档资料中，单芯片指的是配备片外存储器和RF功率放大器的方案。即便如此，现正准备投产的平台(仍然)针对简单的电话(嵌入式蜂窝通信)做了很好的定义并限定了功能。

图1：J200i手机为数字和模拟电路的单片集成提供了例证。

对于更为复杂的电话设计，必须对成本、灵活性和增加的功能集进行平衡。在这个领域，将来某个时间有望看到集成度略低的解决方案。

简介：

索尼爱立信公司的J200i移动电话为对数字和模拟电路进行单片集成提供了一项有用的例证，可视为通往单芯片移动电话的一个先驱。但是，出于对不同混合信号系统的考虑，在蜂窝电话设计中必须审视(单芯片)集成的经济性问题。在这方面，又会遇到到有关在芯片中集成更多晶体管的摩尔定律的制约，使得在一段时期内，包含多个元器件的电话实现方案更为现实。但是，即便现有的所谓“单芯片电话”平台并非真正意义上的“单芯片电话”平台，一旦把最适合的工艺技术的独特属性与其它电话设计考虑结合起来，用不了多长时间，单芯片电话就会走进我们的生活。