攻克超低成本手機的設計挑戰

     超低成本（ULC）手機是最近三年來(lái)的熱點(diǎn)話(huà)題。目前ULC手機一般指低于20美元的手機，它們形成了一個(gè)獨特的細分市場(chǎng)，需要采用特殊市場(chǎng)策略才能確保成功。 

        市場(chǎng)要求

　　典型ULC手機購買(mǎi)者的平均可支配收入有限。同時(shí)，由于缺乏必需的基礎架構與系統，大多數購買(mǎi)用戶(hù)都難以追蹤。因此，如果運營(yíng)商為手機提供大量補貼，而期望從服務(wù)費中獲得收益的話(huà)，既不可行，也不具有經(jīng)濟效益。此外，ULC手機市場(chǎng)上的收益來(lái)源主要為利潤相對較低的純語(yǔ)音和短信服務(wù)，而不是具有較高單位用戶(hù)平均收益（ARPU）值的數據業(yè)務(wù)，因此運營(yíng)商也不愿意采用補償模式。

　　一般來(lái)說(shuō)，典型的ULC手機客戶(hù)在購買(mǎi)手機時(shí)還需要積攢資金。盡管ULC 市場(chǎng)具有“低價(jià)”特性，用戶(hù)也絕不接受一部?jì)r(jià)格不高但性能很差的手機。此外這些用戶(hù)不會(huì )頻繁更換手機，因此他們希望手機在可接受的價(jià)格范圍內具有盡可能多的功能。

　　現在，讓我們看看運營(yíng)商對ULC手機的要求。運營(yíng)商收入和利潤的兩大主要動(dòng)因是客戶(hù)數量和客戶(hù)使用手機的頻率。在競爭激烈的市場(chǎng)上，用戶(hù)很容易更換為其提供服務(wù)的運營(yíng)商，他們只需要簡(jiǎn)單地將新的SIM卡換到手機里就可以。因此，對運營(yíng)商來(lái)說(shuō)，如何為用戶(hù)提供最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)和體驗成為關(guān)鍵。優(yōu)質(zhì)的服務(wù)意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )要能夠支持盡可能多的用戶(hù)同時(shí)使用，而且不會(huì )產(chǎn)生掉線(xiàn)等情況；良好的網(wǎng)絡(luò )覆蓋是優(yōu)質(zhì)服務(wù)的又一體現，只要有需要，用戶(hù)可以在任何地點(diǎn)使用手機。由此可見(jiàn)，優(yōu)質(zhì)服務(wù)主要以網(wǎng)絡(luò )為中心，但手機本身在提高服務(wù)質(zhì)量上也大有文章可做。

        正確的ULC手機性能

　　手機的核心是手機芯片組。因此，手機芯片組的選擇就成為產(chǎn)品能否在ULC市場(chǎng)上成功的關(guān)鍵。成功的ULC產(chǎn)品需要四大因素：

        1、射頻性能

　　在新興市場(chǎng)上，2.5G（GSM/GPRS/EDGE）蜂窩基礎設施通常借鑒西方國家，而西方國家正在向3G等下一代技術(shù)遷移。因此，ULC市場(chǎng)基礎設施的部署就產(chǎn)生了一個(gè)有趣的現象，即不同供應商采用的GSM規格略有差異。于是，互操作性測試（IOT）就成為確保手機能夠在不同供應商制造的基站之間無(wú)縫切換的關(guān)鍵。在處理各種不同基礎設施時(shí)，IOT 要求射頻收發(fā)器具備強健、靈活的特性。此外，IOT 還要求整個(gè)系統（包括軟件協(xié)議棧）堅固耐用，同時(shí)要求對系統處理不同基礎設施之間細微時(shí)序偏差的能力進(jìn)行測試。

　　新興市場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò )存在很多問(wèn)題，比如城區網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)過(guò)多（歸因于管理機構分配的頻譜有限），農村區域覆蓋不足等。為了解決城區用戶(hù)過(guò)多問(wèn)題，每部手機都必須在特定網(wǎng)絡(luò )規格范圍內工作，不能在發(fā)射射頻時(shí)干擾網(wǎng)絡(luò )上其它正在接收射頻的使用者。鄉村地區由于網(wǎng)絡(luò )覆蓋不足，手機的靈敏度（即在網(wǎng)絡(luò )信號弱的地區接收信號并正常工作的能力）成為關(guān)鍵。由于網(wǎng)絡(luò )規劃遠遠沒(méi)有完善，因此射頻性能需要在連續變化的強、弱電場(chǎng)環(huán)境中保持良好狀態(tài)。同時(shí)在可能分配給手機的每個(gè)網(wǎng)絡(luò )信道上手機的靈敏度也要得到保證。由于設計出一種能在每個(gè)可能射頻信道上工作良好的射頻面臨著(zhù)許多技術(shù)挑戰，手機芯片組供應商在技術(shù)規格方面擁有許多例外。因此，多數芯片組供應商只能確保射頻在低、中和高端頻段的強健性能。與此同時(shí)，性能在各種溫度和電壓環(huán)境下也要保持一致?！案鞣N溫度”意味著(zhù)ULC市場(chǎng)要考慮到全球最熱的熱帶地區，即使環(huán)境溫度上升，射頻也應保持與理想環(huán)境（通常是25攝氏度）相同的性能?！案鞣N電壓”意味著(zhù)射頻性能不隨手機電池電量的變化而改變。最低程度上，也要采用射頻等各項性能完全通過(guò) GCF（全球認證論壇）測試的芯片組。

        2、功耗

　　良好的功耗性能（即一次充電后擁有最長(cháng)待機時(shí)間和通話(huà)時(shí)間的能力）極其重要。上面已經(jīng)解釋了良好射頻性能的需求與電池電量（即可用壓降）相關(guān)。這一需求在ULC市場(chǎng)上被進(jìn)一步放大，尤其對于無(wú)法保證電源隨時(shí)可用的農村地區。良好的功耗指標還具有其它優(yōu)勢。手機中采用mAh（毫安時(shí)）值較小的小型電池，可以促進(jìn)手機的外形設計更加小巧、時(shí)尚。此外，小容量電池也可以降低手機的總成本。

       3、功能

　　除了語(yǔ)音、短信和黑白屏幕這些固定的功能以外，如果ULC手機增加彩屏、調頻收音機、音樂(lè )播放（MP3 等）、甚至數據業(yè)務(wù)（如WAP 和 MMS）等功能，超低價(jià)手機將不再超級單調乏味。

　　另外從運營(yíng)商的角度看，額外功能意味著(zhù)附加ARPU的可能性。一些運營(yíng)商正在試驗更積極的移動(dòng)服務(wù)補貼模式，即將手機只鎖定在自己的網(wǎng)絡(luò )上，然后以折扣價(jià)甚至免費向用戶(hù)提供手機，通過(guò)ARPU獲得收益。這種商業(yè)模式的關(guān)鍵是手機服務(wù)無(wú)法被更改，否則這種模式就會(huì )失敗。當然，如果手機服務(wù)被更改，運營(yíng)商就無(wú)法盈利；但更重要的是，如果手機服務(wù)不能更改，ULC用戶(hù)將無(wú)法通過(guò)其它新穎方式獲得手機并從中獲益。因此，手機芯片組解決方案要求提供一種強健而靈活的硬件加密機制，確保運營(yíng)商可以自由創(chuàng )新業(yè)務(wù)模式，這一點(diǎn)極其重要。在這一細分市場(chǎng)中增加并集成所有上述功能，同時(shí)維持低成本和高性能要求，都提出了很大的挑戰。于是我們進(jìn)入討論的最后一點(diǎn)——總成本。 

       4、總成本

　　高度混合信號集成與低成本半導體工藝的結合，將現有“單芯片”手機芯片組解決方案領(lǐng)入一個(gè)新時(shí)代，實(shí)現了一部手機中所有主要子系統（除了功率放大器和非易失存儲器以外）都集成到一片CMOS核心上。另外，CMOS集成技術(shù)甚至可以集成分立電子元件的大部分，而過(guò)去這些元件散置于手機各處。IC技術(shù)的進(jìn)步大大降低了單芯片解決方案的成本結構，使真正低于20美元的ULC手機成為現實(shí)。

　　綜合考慮，ULC手機市場(chǎng)成功的關(guān)鍵是如何在具備上述射頻性能、功耗和功能的同時(shí)，維持低成本結構。市場(chǎng)上推出的大多數單芯片解決方案都或多或少在某些性能上進(jìn)行了折衷。比較常見(jiàn)的是折衷RF性能，部分原因在于在手機基帶處理器中集成RF困難重重。同時(shí)由于過(guò)去 RF由專(zhuān)業(yè)供應商提供，因此大多數基帶廠(chǎng)家在設計完成后才會(huì )考慮RF問(wèn)題。

　　在今年年初收購S(chǎng)ilicon Labs（芯科實(shí)驗室）無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)部后，恩智浦半導體推出了AeroFONE系列單芯片產(chǎn)品。AeroFONE產(chǎn)品采用獨特的設計方案，攻克了上述挑戰，并形成了完整的產(chǎn)品系列，既包含功能極其簡(jiǎn)單的手機，也包含具備調頻收音機、MP3播放器和支持SD卡功能的音樂(lè )手機。AeroFONE產(chǎn)品集成了強大的ARM9微處理器核心，從而實(shí)現了上述功能；與之相比，競爭產(chǎn)品一般采用較低性能的 ARM7或專(zhuān)有微處理器核心。與ARM系列處理器相比，專(zhuān)有微處理器核心還具有不能充分利用行業(yè)知識和現有代碼庫等缺點(diǎn)。

　　AeroFONE系列產(chǎn)品一直保持業(yè)界優(yōu)秀的RF性能。其RF設計團隊曾是GSM RF CMOS設計的先驅?zhuān)瑢τ诮鉀Q各種混合信號集成的挑戰經(jīng)驗豐富。

　　另一混合信號創(chuàng )新方面的出色實(shí)例是：在RF與基帶所在的同一CMOS核心上集成了電源管理單元（PMU）。由于需要接入8V電池充電器，從而對亞微米CMOS解決方案的設計提出了挑戰。此外，為了給多個(gè)片上子系統生成所需的不同電壓標準，有效的方法是采用“直流/直流”轉換器設計。但是，“直流/直流”轉換器會(huì )產(chǎn)生更多的電噪聲，這也是為什么大多數單芯片供應商都不愿將PMU集成到RF與基帶所在的核心上。在所有非恩智浦解決方案中，唯一集成PMU的方案也沒(méi)有采用“直流/直流”轉換器，而是采用了線(xiàn)性穩壓器的折衷方法，但其缺點(diǎn)是耗電指標較差，導致電池壽命縮短 60%。

　　恩智浦的AeroFONE產(chǎn)品是目前唯一在RF與數字基帶所在單一核心上集成完整PMU（包括一個(gè)直流/直流轉換器和電池充電器）的單芯片產(chǎn)品。憑借各種系統設計技術(shù)與創(chuàng )新技術(shù)，AeroFONE單片解決方案擁有目前業(yè)界前列的功耗指標。而一流的功耗性能使小型電池的應用成為可能，不僅顯著(zhù)降低成本，還可以實(shí)現時(shí)尚的外形設計。

　　高水平的集成設計也有助于系統級成本的降低。與多芯片解決方案相比，芯片數量的減少導致板內空間壓縮大約65%，而所需分立元件的數量也減少50%以上，從而極大地改善了手機的最終產(chǎn)量和測試時(shí)間。由于具備出色的能耗指標，總成本還可以通過(guò)低成本的電池而進(jìn)一步降低。AeroFONE PNX 4901是目前第一個(gè)采用高性?xún)r(jià)比4層PCB板的手機平臺，總成本也由此進(jìn)一步下降。采用4 層PCB板確保ULC的制造可以在眾多地區完成，因為新興市場(chǎng)的PCB 制造廠(chǎng)一般都支持簡(jiǎn)單的4層設計，而6層設計則比較復雜和昂貴，仍然局限于較先進(jìn)的制造中心。

　　為了進(jìn)一步降低工程成本，加快上市速度，恩智浦公司動(dòng)用了自己在系統解決方案方面的強大優(yōu)勢，為數量不斷增加的原始設計制造商（ODM）提供完整的軟、硬件參考設計。在軟件工程占研發(fā)預算70%的領(lǐng)域中，參考設計進(jìn)一步降低了將真正ULC產(chǎn)品推入市場(chǎng)的成本。擁有這種能力的ODM已經(jīng)向不同地區的市場(chǎng)交付了數百萬(wàn)部手機，并正在積極參與印度、拉丁美洲、中國等新興市場(chǎng)上的各類(lèi)ULC產(chǎn)品招標活動(dòng)。

　　結束語(yǔ)

　　如果過(guò)去的情況能夠作為對未來(lái)的市場(chǎng)的一種反映或暗示，那么可以預見(jiàn)到高端手機的功能將繼續滲透進(jìn)入ULC手機細分市場(chǎng)，市場(chǎng)也會(huì )繼續推出更高集成度、更豐富多媒體設備甚至更快數據流量的創(chuàng )新產(chǎn)品。而所面臨挑戰依然是維持性能的同時(shí)，積極地整合功能并降低成本。

　　在競爭激烈的ULC市場(chǎng)領(lǐng)域，一種成功的產(chǎn)品需要適當組合射頻性能、功耗指標、功能和總成本。顯然，價(jià)格是這一細分市場(chǎng)最大動(dòng)力之一。然而，精明的手機制造商不會(huì )在重要的 ULC終端的性能方面作出妥協(xié)，同時(shí)還需要積極降低總成本（包括所有系統級成本，如元器件成本、電池成本），縮短上市時(shí)間，使其產(chǎn)品更具競爭力。