3G手機技術(shù)發(fā)展與設計架構(5)

　　在3G手機的應用時(shí)代，其基本的改變包括能提供更高的傳輸速率，以及同時(shí)提供既有的「電路交換模式」（Circuit Switch Mode）和可移動(dòng)上網(wǎng)的「封包交換模式」（Packet Switch Mode），進(jìn)而能打打影像電話(huà)、使用多媒體短信服務(wù)（Multimedia Message Service；MMS），或是收發(fā)電子郵件、上網(wǎng)瀏覽等網(wǎng)際網(wǎng)路服務(wù)。這些應用我們早已知道的很清楚了。

　　然而，在寬頻和互動(dòng)性的基礎下，進(jìn)入3G時(shí)代還意味著(zhù)更廣泛的通信技術(shù)將在一臺手機中產(chǎn)生匯流。目前在發(fā)生中的，首先是藍牙（Bluetooth），再來(lái)會(huì )是WLAN，以及接下來(lái)的GPS/A-GPS和移動(dòng)電視（Mobile TV），更長(cháng)遠一些，則需注意WiMAX、UWB的發(fā)展。這些不同通信技術(shù)的整合，將推動(dòng)多模手機的發(fā)展，而每整合一種新的通信功能，就代表著(zhù)3G手機具備了更豐富的應用性，并可望創(chuàng )造全新的服務(wù)與收益模式。

　　以3G結合A-GPS為例，3G網(wǎng)路的輔助定位資訊，可以大幅縮短GPS的首次定位時(shí)間（Time to First Fix；TTFF），從原先的數分鐘縮短為一分鐘以?xún)?；如果基地臺的佈建夠密，也能有效提升定位的準確度。當手機有了定位資訊，再加上地圖資訊、導航引擎與位置服務(wù)（LBS）應用軟件，一臺手機就能夠用于緊急救難追蹤或提供所謂的「興趣點(diǎn)」（point of interest；POI）加值服務(wù)，也就是為行人提供所在環(huán)境附近的加油站、推薦餐廳、旅館等資訊。

　　■3G手機＝高階手機？

　　對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，在其隨身的輕巧手機中能具有更多樣的實(shí)用或娛樂(lè )功能，當然是何樂(lè )而不為，但為了滿(mǎn)足這些整合需求，3G手機的開(kāi)發(fā)其實(shí)面臨了不少的挑戰。

　　先來(lái)看看手機的類(lèi)型，大致可以分為初階的語(yǔ)音手機（Voice Phone）、中階的功能手機（Feature Phone）和高階的智能型手機（Smart Phone）。3G手機可以是其中的任何一種，但目前看來(lái)，最早在市場(chǎng)上量產(chǎn)銷(xiāo)售的，會(huì )是智慧型手機。這和3G目前的定位有關(guān)，它畢竟是新興的應用，會(huì )先吸引到對高階產(chǎn)品有興趣的玩家（Power User）；而且3G標榜的是它在多媒體傳輸及移動(dòng)網(wǎng)路方面的能力，這和語(yǔ)音手機大異其趣。

　　不過(guò)，高階手機畢竟是金字塔的頂端，使用族群受限，要讓3G手機更為普及，勢必得往功能手機發(fā)展。在系統的開(kāi)發(fā)上，智慧型手機因採用高階作業(yè)系統（High-level OS；HLOS），具有完善的功能模組，因此讓手機業(yè)者能加速設計的時(shí)程，目前主流的HLOS包括Symbian、Windows Mobile和Linux等；相較之下，功能手機為讓手機功能更為精簡(jiǎn)，因此得針對內部的軟、硬件系統進(jìn)行量身定制的工作，這也讓3G功能手機推出市場(chǎng)的時(shí)間會(huì )較為落后。

　　當然，如果3G能順利成為市場(chǎng)上的主流行動(dòng)通訊規格，最低階的單純3G語(yǔ)音手機也會(huì )順勢推出。對于電信業(yè)者來(lái)說(shuō)，3G系統能提供更高的頻寬，讓業(yè)者得到更佳的頻寬運用狀況，因此3G語(yǔ)音電話(huà)也具有其推廣的利基。不過(guò)，3G的市場(chǎng)雖有起色，但是否能普及或何時(shí)會(huì )普及，仍然頗為值得觀(guān)察。

　　■應用處理架構剖析

　　我們再進(jìn)一步來(lái)看3G手機的應用功能開(kāi)發(fā)。如上所述，大部分的3G手機不會(huì )是單純的語(yǔ)音手機，這類(lèi)新興手機所比拼的，正是其多媒體功能的多樣性。在應用功能愈來(lái)愈復雜的趨勢下，以單一基頻涵蓋所有數字邏輯運算需求的手機系統規劃已不敷需求，現在主流的設計趨勢是采通信（數據機）與應用分流的開(kāi)發(fā)架構。

　　這樣做的好處很明顯，因為應用功能與通信功能的發(fā)展腳步并不同調，應用功能日新月異，而數據機的通信系統卻有較長(cháng)的生命週期。兩者分流后，各自可以依市場(chǎng)的需要而改朝換代，不再需要受到另一方的牽制。例如數據機可以從GSM/GPRS加上3G/WCDMA的雙頻或三頻模式，逐步升級到純粹的3G或下一代的HSDPA/HSUPA；應用處理單元則能因應視頻、音頻、影像、繪圖等需求的改變而擴充其功能，例如支援高達每秒30訊框的VGA解碼和H.264/VC-1視頻編碼、VGA彩色顯示、Q-VGA輔助顯示以及多達5M畫(huà)素的數字照相機功能、2D/3D圖形、3D聲音和立體聲喇叭等。

　　為滿(mǎn)足應用處理功能，在功能手機中多半採用一至數顆專(zhuān)屬的多媒體處理晶片來(lái)做為協(xié)同處理器（Co-processor）；在智慧型手機中則會(huì )采用一顆功能強大且完整的應用處理器（Application Processor）。不論是多媒體處理晶片或應用處理器，都能有效加速視頻、音頻、動(dòng)畫(huà)／游戲、影像的處理效率。兩者最大的差異在于，在功能手機中是以基頻為主，協(xié)同處理器為輔的架構；而在智能型手機中，應用處理器則成了整個(gè)系統的主處理器（master processor），而基頻則只扮演無(wú)線(xiàn)數據機的附屬角色。多媒體處理晶片的進(jìn)入門(mén)檻較低，市場(chǎng)上的提供者眾；應用處理器則是一顆將所有應用功能都整合在一起的系統單晶片（SoC），有能力設計制造的廠(chǎng)商并不多。

　　在應用處理器之處理器核心的架構上，可以是單一強大的核心，或採RISC加DSP的雙核心平行架構，但目前看來(lái)是以ARM為主處理器搭配多顆多媒體加速器的分散式處理架構為主流，請參考（圖一）。

　　▲圖一：應用處理器采用加速器的分散式處理架構。

　　這些加速器可以單獨的工作，也能同時(shí)多工處理音、視頻的即時(shí)編解碼功能。這些加速器會(huì )以最佳化的軟、硬件技術(shù)來(lái)進(jìn)行規劃，例如在音頻上可能采用可采C語(yǔ)言程式化的多媒體VLIW DSP，并搭配硬件線(xiàn)路運算器（hardwired operator）及更高效率的演算法，請參考（圖二）。

　　▲圖二：以最佳化架構規劃應用處理器中的加速器來(lái)提升效能，此圖為Nomadik音頻加速器的架構。

　　採用應用處理器能有效降低應用功能的開(kāi)發(fā)難度，因為此類(lèi)處理器往往具備了豐富的週邊介面，能夠滿(mǎn)足3G多媒體應用上的各種需求，包括照相CMOS感測器、彩色顯示的LCD面板、TV輸出、IrDA、Bluetooth、Wi-Fi、USB2.0/OTG、音頻和多種型式的存儲器、ATA硬碟介面及DDR、SDRAM、NAND Flash、NOR Flash等存儲器型式，以及傳統式鍵盤(pán)和復雜的無(wú)線(xiàn)數據機等廣泛的介面，此外，還會(huì )支援A-GPS和DVB-H或DMB等移動(dòng)電視功能。請參考（圖三）。

　　▲圖三：支援豐富周邊介面的應用處理器。

　　■多模應用開(kāi)發(fā)挑戰

　　即使采用了應用處理器來(lái)提供了高效能的多媒體運算及豐富的周邊介面，但這仍不保證一支3G手機就具備了完善且強大的應用功能，需要考慮的因素還有很多，尤其是多頻多模下，各個(gè)子系統該如何妥善規劃的議題。以Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、FM/DAB和Mobile TV等功能來(lái)說(shuō)，都會(huì )涉及射頻通信及數據處理的整合問(wèn)題，技術(shù)難度上的挑戰相當的高。

　　以射頻部分來(lái)說(shuō)，首先遇到的就是小型化天線(xiàn)的規劃問(wèn)題。由于這些無(wú)線(xiàn)技術(shù)多半采用不同的頻譜（除Bluetooth和Wi-Fi同採2.4GHz外），因此一臺手機中往往得想辦法建置多組天線(xiàn)，這就得克服機構與隔離性的議題。在射頻系統方面，也有很大的挑戰，多頻的GSM/GPRS/3G在共用射頻電路的情況下，在濾波器、嵌入式L, C等射頻被動(dòng)元件得朝切換型式發(fā)展，放大器方面也得支援寬頻及高線(xiàn)性度設計，此外還有很多EMI/EMC的問(wèn)題得解決。

　　Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、Mobile TV與應用處理器或基頻的整合上，則有多種架構的選擇。最常見(jiàn)的方式是採用一顆專(zhuān)屬的前端（Front End；FE）模組，以Mobile TV的DVB-H前端模組為例，就提供了從諧調器（Tuner）到解調器（Demodulator）的完整功能，直接將處理好的IP datagram和TS packet分流送到應用處理器或音、視頻解碼晶片做進(jìn)一步運算，最后才將電視節目的影音內容傳送到螢幕上播放，如（圖四）。

　　▲圖四：移動(dòng)電視應用中FE與處理器、解碼器的運作流程示意圖。

　　另一種架構則是將數字的功能都整合到應用處理單元中，并以軟件方式來(lái)驅動(dòng)該項應用功能，此架構只需搭配特定功能的RF晶片即可執行，但這會(huì )佔用掉主處理器極大的運算資源，而且需投入較大的時(shí)間精力去移植和調校此種軟件。以A-GPS為例，就有所謂的軟件式GPS，但其功能只適用于單點(diǎn)的定位，而不適合用在更復雜的導航或LBS應用之上。

　　■多媒體處理議題

　　隨著(zhù)3G頻寬的增加，以及整合Wi-Fi而獲得更大的網(wǎng)路頻寬，都讓3G手機可以朝視頻電話(huà)、2D/3D網(wǎng)路游戲或提供Hi-Fi音效的多媒體應用發(fā)展，未來(lái)再結合數字電視廣播網(wǎng)路，還可收看廣播式串流視頻節目。因此，在一臺多媒體手機上要處理的媒體類(lèi)型，除照相功能的靜態(tài)影像外，還有視頻（動(dòng)態(tài)影像）、音頻（聲音、音樂(lè )及音效）和繪圖（2D/3D）功能。

　　視頻內容是占用頻寬最大的內容，因此有必要採用最新的壓縮格式。H.264是多數移動(dòng)電視服務(wù)所中意的新一代規格，它能將壓縮率大幅提升，卻又不影響視頻品質(zhì)，因此只需有限的無(wú)線(xiàn)頻寬（約500Mbps）即能播放視頻節目。試驗顯示，在相同視頻品質(zhì)情況下，與MPEG-4 Advanced Simple Profile壓縮協(xié)議相較，H.264可以把位元率降低35％～50％，而與MPEG-2相較可降低40％～65％。不過(guò)，由于H.264的演算技術(shù)更為復雜，需要采用更高效能的編解碼技術(shù)。

　　在音頻方面的設計挑戰并非頻寬，而是整體的系統規劃。目前音訊處理的內容相當多元，在內容格式上包括聲音的LPC、CELP與ACELP等編解碼格式；在音效格式上更包括AMR、ACC、MP3/MP3Pro、WMA、OGG等。過(guò)去手機只要處理單聲道的低階電話(huà)語(yǔ)音即可，而今還得應付和絃鈴聲、音樂(lè )檔案播放和FM或DAB的廣播收聽(tīng)，有些手機甚至內建答錄機的功能。要提供Hi-Fi立體音效，手機得同時(shí)建立16-bit、以44.1kHz取樣的音頻系統，而且必須設置兩臺揚聲器，并透過(guò)如Audistry的后制音效技術(shù)來(lái)達成3D效果。

　　在繪圖技術(shù)上，3D可望成為下一代高階手機中必備的功能。由于3D的運算需求極大，市場(chǎng)上已逐步從軟件方案轉為硬件的專(zhuān)屬加速器作法。此外，為了讓手機制造商、晶片供應商、繪圖引擎及軟體供應商、游戲開(kāi)發(fā)商以及基礎設備開(kāi)發(fā)企業(yè)等相關(guān)3D游戲業(yè)者能廣泛的合作，Open GL-ES已成為行動(dòng)繪圖產(chǎn)業(yè)的共同標準，目前已開(kāi)發(fā)到2.0的版本；此外，在Java部分則有Mobile 3D Graphics API for J2ME（JSR 184）的標準在審定中。

　　■結論

　　如果以語(yǔ)音通信功能來(lái)看待3G手機，那顯然是太狹礙了。3G手機意味著(zhù)更豐富的多媒體通信服務(wù)將會(huì )出現，這除了需重新考量?jì)炔肯到y的建置架構外，也得在輸出介面上有所提升，特別是在顯示技術(shù)上，不但要求更大的螢幕，在解析度上從qQVGA、QCIF，一路往QVGA升級；面板技術(shù)上則從CSTN、A-TFT、LTPS，逐步升級到OLED；此外，MVA、IPS等寬視角技術(shù)也成了必要的技術(shù)。

　　此外，更多樣的內容，也難免涉及對內容取得的認證、授權和付費機制，以及內容的數字版權管理（DRM），還有個(gè)人資料的保密等的議題，這些議題足以形成一個(gè)圍繞著(zhù)行動(dòng)應用功能的安全性生態(tài)體系，如（圖五）。此外，在移動(dòng)電視和A-GPS/LBS的服務(wù)上，還有很多待建立的服務(wù)模式，以及提供足夠且吸引人的內容，才能讓3G手機真正成為多元服務(wù)的行動(dòng)式中心?！?

　　▲圖五：圍繞著(zhù)應用處理器所形成的安全性生態(tài)體系。