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「實現行動裝置設計關鍵任務」研討會實錄
 

【作者: 廖專崇】   2003年04月05日 星期六

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無線通訊之市場及技術趨勢分析

《圖一 講師:工研院經資中心產業分析師王英裕》
《圖一 講師:工研院經資中心產業分析師王英裕》

無線通訊市場的發展,從行動電話出現之後開始出現高度成長,工研院經資中心(IEK)電子資訊研究組,無線通訊服務部產業分析師王英裕,從市場的觀點,分析無線通訊終端市場與技術趨勢,報告的內容分為無線通訊產業概觀、無線通訊市場與產品動向、無線通訊終端關鍵元件發展趨勢、無線通訊終端製造產業發展分析等。


在無線通訊市場概觀部分,無線通訊系統的的演進從類比到數位,數位系統的2G標準在純語音應用下,有很好的市場表現,發展的趨勢則是往高速資料傳輸的方向前進,在整合各種無線終端與技術,包括WLAN與Bluetooth等,以建立無縫接續的無線通訊環境。終端產品的發展,也會在不同的應用訴求下,朝向更多樣化的趨勢發展。


就市場現況而言,目前2.5G的GPRS系統已逐漸成為市場主流,發展多時的3G則會由商業化運轉時程較快的cdma2000 1X系統帶動成長,W-CDMA則在2004年,歐洲、亞洲普遍提供服務後,才會逐漸成長。而手機產品也將走向多功能或外觀多變的細緻化區隔,功能需求則包括強大的資訊處理能力、低耗電、大容量記憶體、多變外觀與彈性價格。


《圖二 全球主要無線通訊終端市場規模》
《圖二 全球主要無線通訊終端市場規模》

整合為最重要趨勢

在關鍵零組件部分,GSM手機零組件價格成本最低約70美元,W-CDMA使用元件數較多所以成本最高,在350~400美元左右,cdma2000 1x價格與GPRS相去不遠,成本約140~150美元左右,這也是cdma2000 1x的利基之一。在製程技術上,不論是手機、WLAN、Bluetooth或GPS,在不同的功能模組上有不同的製程選擇,但是低成本、低功耗與高整合度則為製程技術選用的首要考量,複晶模組(MCM)甚至系統單晶片(SoC)則為元件整合的趨勢。


產業方面,由於低價化的時代來臨,行動電話品牌大廠紛紛將手機製造訂單委外,比重有逐漸提昇的趨勢;零組件廠商的合作情形也日益增加,合作模式包括晶片廠商與被動元件廠商、射頻(RF)與基頻(BB)晶片廠商、模組廠商與晶片廠商、射頻晶片廠商之間、晶片廠商與晶圓代工廠商等等,目標就在於增加客戶擴大市佔率,結合不同專業領域,專注本身專業,加強資源整合運用以增加競爭力。


國內由於上下游產業結構完整、水平分工細緻,所以未來在發展無線通訊產業時還是有不錯的機會,尤其是WLAN產業,國內已經取得相當好的戰略位置,在發展出國產高頻零組件之後,可以有更好的表現;但是相較於歐美先進入此一市場的大廠,國內的技術層次還有待加強,尤其需要面對國際大廠不斷以整合與策略聯盟的手段提高競爭門檻,國內廠商需要以更靈活的策略來與之競爭。


無線通訊技術整合設計趨勢

《圖三 講師:德州儀器TI亞洲區半導體應用技術經理杜王平福》
《圖三 講師:德州儀器TI亞洲區半導體應用技術經理杜王平福》

德州儀器在無線通訊領域在技術方面有許多技術領先的部分,德州儀器TI亞洲區半導體應用技術經理杜王平福就行動裝置之無線通訊技術需求現況與趨勢,GSM/CDMA/WLAN/BT整合設計考量,開放性開發平台之應用等面向,介紹無線通訊技術的整合設計趨勢。


在無線通訊技術需求現況與趨勢部分,過去2G時代的應用環境是相對封閉的,也沒有高階的操作系統,然而邁入2.5G與3G的應用之後,情況將有所改變,彩色螢幕、數位相機、多媒體影音、Java平台、遊戲與其他Bluetooth、WLAN與GPS等應用的需求將大幅增加,所以在技術需求上,將更為強調處理器的運算能力、電池提供的待機時間等,所以高度整合的晶片技術為相當重要的發展趨勢。


高整合設計考量

行動裝置的硬體架構與軟體平台搭配的效能為消費者選擇產品時重要的考量,開放式的架構則有助於製造商在設計產品時,做更區隔化與客製化的設計,市場上一般提到的「殺手級應用」,重點就在於軟體平台的功能,所以整合多項功能的硬體架構,搭配強化的軟體應用平台是2.5G與3G設備製造商所需要追求的方向。


高度整合的硬體架構產品將帶來許多優勢,包括降低成本、強化多媒體處理效能、增長電池待機時間、縮小產品尺寸與降低產品設計難度以加速上市時程等。以TI發展的OMAP平台為例,其一系列的產品發展就是因應市場上不同的需求,提供廠商開放性的整合架構,以節省產品開發與導入市場的時間。功能上能提供8小時的通話時間、490小時的待機時間、12小時的PDA使用時間與超過500MIPS的運算處理能力。


未來結合DSP與ARM架構處理器的平台要能提供影像、繪圖、語音、音樂處理能力,尤其在行動多媒體的發展趨勢之下,MPEG4/H.263編解碼功能為最熱門的技術;另外,由於大量的數據傳輸,能夠保證資料品質的QoS(Quality of Service)功能也變得相當重要。


行動裝置多媒體訊息處理之設計任務

《圖四 講師:傑爾Agere資深無線產品經理鐘坤奇》
《圖四 講師:傑爾Agere資深無線產品經理鐘坤奇》

軟體技術在多媒體行動通訊時代的的重要性日益提昇,從通訊大廠Lucent(朗訊)獨立的傑爾系統沿襲過去的經驗與技術,除了硬體之外,在軟體技術上也有相當傑出的能力,傑爾Agere資深無線產品經理鐘坤奇就多媒體處理系統設計考量,應用軟體發展架構,開放性開發平台之應用的面向,深入介紹軟體平台品質的重要性。


具備良好品質的軟體會為整個產品帶來很好的效益,新的應用可以提供帶來更好的功能並增加消費者的使用意願,相反的軟體的瑕疵(Bugs)將影響消費者對產品的接受度,對廠商來說軟體的應用會是未來關鍵的競爭力所在,好的軟體將讓消費者有更好的使用經驗,未來硬體技術的差異性將越來越低,產品的差異化程度將取決於軟體功能。


軟體技術為競爭力關鍵

對於台灣廠商來說更是如此,國內廠商目前在關鍵零組件上的掌握度不高,硬體的選擇並沒有很的的來源差異,所以軟體的應用往往就會造成不同的結果,不過另一個重點是認證,尤其是歐美市場對軟體的認證越來越重要,隨著應用日趨多元包括Bluetooth與WLAN技術與手機的整合,干擾問題也將很難避免的出現,通過GCF(Global Certification Forum)的無干擾認證未來會是一個產品上市前相當重要的一個驗證重點。


相容性(Interoperability Test;IOT)測試也相當重要,雖然這部分的測試過程不需花費太長的時間,但是不同環境、時間與一個小參數的不同測試的結果就會不同,所以在微調與重複測試部分往往會花費相當多的時間與金錢,所以此時下游的系統廠商需要與軟硬體的原廠做好溝通,作好最好的技術合作與協調,才不會延誤產品上市時程。


實地測試(Field Trials)就是在產品要進入當地市場前,必須要通過當地電信主管單位與業者的實地測試,國內廠商在產品進入歐美市場前通常也會被要求做實地測試,由於地緣關係,國內廠商的產品可能會因為與當地基地台系統溝通產生問題,但這部分可能會產生些許困擾,因為如果是當地的基地台系統出現問題,還是必須要遵守其環境系統,調整自身的手機軟硬體參數,以求符合當地的環境。所以國內廠商如果有意經營該市場,一定要對於軟體架構投注更多心力,也要在相關認證方面做充分的準備。


行動裝置電源管理最佳化策略

《圖五 講師:陞特SEMTECH亞洲區資深系統應用經理嚴宗福》
《圖五 講師:陞特SEMTECH亞洲區資深系統應用經理嚴宗福》

行動裝置的可攜式特性,對於電池耗電量相當敏感,低耗電量與長時間待機功能在該市場是相當重要的,陞特SEMTECH亞洲區資深系統應用經理嚴宗福從行動裝置之低功率設計需求分析,電源管理最佳化策略與實際參考案例等部分,介紹行動裝置電源管理最佳化策略。


電源管理技術重點與趨勢

行動裝置的電源管理需求方面,分成幾個部分包括螢幕的背光模組、數位電路、類比電路與電池應用等,設計的趨勢也走向高度整合,可以減少零件數目,工作與靜止電流越來越小,系統設計上則採用分布式的電源處理,小體積與薄型封裝,MLP式的封裝則是相當主流的封裝,可以忍受85℃以上的工作溫度。目的則是要達成高效能、低干擾與小尺寸。


目前行動裝置的應用需求越來越多,也造成電源管理的重要性不斷提昇,儘管電池技術的發展也朝向高容量的趨勢,但是為了照顧諸多高耗電的應用,電源管理進一步的改善除了增進電池的工作時間外,也進一步提昇整個系統的效能。高效能的電源管理系統,有以個重點就是開關式的設計,不過該設計的缺點就是干擾較大,所以降低開關式設計的干擾就成為此一設計中相當關鍵的技術挑戰。


Charge Pump的電路設計方式已經被越來越多行動行動裝置所採用,其優點就是可以將電流儲存於電容之中,不需要佔據大體積的電感,可以進一步縮小電路的體積,其只需要利用兩顆IC做電流的轉換。不過,該架構也有許多不同的設計,在選擇Charge Pump IC時考慮的重點,最重要的是放大率,不同的放大倍率會出現不同的效能,一般在1倍的放大倍率時效率最好,只需求最小的電流。


另外,在充電時也需要良好的電源管理元件,除了一方面減少元件數目之外,也要能判斷電流的好壞、過壓保護功能、溫度偵測與時間管理功能。在行動裝置上,如果具有良好的電源管理,就可以讓產品的整體效益獲得發揮,甚至進一步提昇產品的整體價值。


高度整合的無線電路量測關鍵

《圖六 講師:安捷倫Agilent電子儀器事業群無線通訊技術應用工程師許仲延》
《圖六 講師:安捷倫Agilent電子儀器事業群無線通訊技術應用工程師許仲延》

高度整合的趨勢為行動通訊裝置的發展趨勢,而該類產品的穩定性要求又較其他資訊裝置來的高,所以產品系統測試就變得相當重要了,安捷倫Agilent電子儀器事業群無線通訊技術應用工程師許仲延針對行動裝置設計制量產之重要測試過程,高度整合的無線電路量測方法與實際參考案例的探討,來介紹高度整合的無線電路量測關鍵。


目前平衡式或差動式(Differential)元件已經越來越普遍為廠商所採用,尤其是基頻元件,平衡式設備元件有幾個特點,包括較高的抗雜訊能力、低發散雜訊與低耗電,目前的趨勢是採用LTCC(低溫共燒陶瓷)模組來製造,進一步將RF的被動元件整合在同一個模組當中。在測試上,當然也有許多廠商需要注意的重點。


由於過去行動裝置的元件多數都是屬於非平衡式的元件,對於RF的設計工程師而言,混合模式的S參數(S-parameters)是一個很重要的參數,但是在使用平衡式的元件設計時也需要透過S參數的觀察,來了解設計中的許多資訊包括重要的平衡度,傳統的S參數可能出現誤導的訊息,進而引導出錯誤的設計,所以能正確量測與判讀S參數,才能讓工程師能對元件的設計做出正確的調整,所以對於混合模式的了解對設計點錄的效能有著重大的影響。


另外,在測試平衡式元件時,有許多不同的測試儀器與方法,選擇良好的儀器與正確的測試方法才能正確的反應產品設計的好壞。而做量測之前也需要注意儀器的校正。行動裝置的新興應用帶來許多設計上的挑戰,連帶也使得量測的重要性與困難度大為提昇,良好的設計必須搭配正確的量測及判讀,才能對元件的效能有所提昇,尤其是平衡式元件的應用已經不再侷限於高頻設計,基頻、微波與高頻寬的傳輸裝置也都有這樣的設計趨勢,廠商在作產品電路設計之前應該多了解相關的技術。


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