3G從2000年前後即以明日之星的姿態登場，頗有山雨欲來的態勢。不過，這股熱潮逐漸消退，取而代之的是各種批判、質疑的聲浪，普遍認為3G的投資過鉅，而且很可能被後起之秀的技術給替代掉，成為另一波的泡沫投資。

不過，不論是從投資回收的角度，或是技術演進的驅動力，都讓3G以穩健的腳步走了下來。目前看起來，2.5G已是今日的主流技術，並一步步過渡到3G的時代。依研究機構iSuppli的統計，目前全球已有105家電信服務商提供商業化的WCDMA/HSDPA網路服務，另有49家服務商提供CDMA2000-1x-EV-DO網路服務。

以手機來看，現在全球總計22.85億支手機，已經有500萬支使用3G服務；預計到了2010年時，3G手機將佔所有手機一半以上的數量，真正取得市場主宰的地位。而身為手機龍頭的Nokia更是力拱3G手機，該公司預計在今（2006）年生產的新機種中，有一半會是3G手機。再加上Symbian作業系統與3G相關晶片的價格下滑，都有助於3G手機市場的起飛。

3G能夠取得市場的認同，一方面來自於用戶對無線數據網路的需求，另一方面則是3G技術的前瞻性。3G能讓手機成為名副其實的行動網路平台，用戶能透過手機進行目前只能在連上有線網路的電腦上才能做的事，如收發信件、查看新聞或氣象、連結企業內部資料庫，並發展出新的應用模式，如隨身攜帶的電子錢包或身份證。

在技術的演進上，從2G的9.6Kbps，到2.5G的56Kbps，3G標榜的是能將傳輸速度提升到384Kbps，在此速度下，已足以傳輸基本的視訊多媒體內容。到了3.5G的HSDPA技術，將進一步能提供下行達14Mbps的寬頻傳輸，而未來還有3.9G的LTE-HSOPA和以OFDMA為架構的4G。在無線頻寬不斷提升的情況下，更多元的Mobile VOD、Mobile TV、線上3D遊戲等影音串流多媒體服務將成為手機應用的主流，以下將探討3G多媒體手機的設計開發議題。

多媒體功能處理需求

目前的手機依功能性大致可以分為語音手機（Voice phone）、功能手機（Feature phone）和智慧型手機（Smart phone）。理論上來說，只要其RF及基頻段具備3G通訊的功能，即可屬於3G手機，不過，由於數據網路及多媒體才是採用3G的主要誘因，要達成這些訴求，一般的入門級語音電話是做不到的，因此3G手機不論是處理效能或應用功能，都會要求高階的配備，這也讓智慧型手機成了3G手機的主要選擇。

在3G手機上需處理的多媒體功能，包括音訊（Audio）、視訊（Video）的動態影像、相片的靜態影像（Image）、2D或3D的圖形（Graphic）。這些功能的處理技術都不斷地在進步，手機的應用平台也得與時俱進，請參考(圖一)。以音訊為例，目前把手機當成MP3播放器已愈來愈流行，而且要求不只是用耳機聽，還要能用揚聲器播放出來，這時就形成了對Hi-Fi立體聲的設計需求。這是很大的設計挑戰，由於手機的體積太小，若僅是採用兩個外部揚聲器是不夠的，還得搭配特殊的3D音效處理功能來做到臨場感的效果。

《圖一　手機多媒體格式的應用市場趨勢》

目前主流的音訊格式包括AMR、ACC和MP3，其中最新的高階音訊格式為Enhanced aacPlus（HE AAC v.2）和AMR WB+；在靜態影像的格式上，由於 JPEG2000 的高效率壓縮與多功能的特性，能夠以1.2－50Mbps速度傳送，而且可提供DVD（720 x 480）的高解析度和單張影像即時編輯的功能，因此成為下一代高階手機必須支援的重要規格。

為了滿足行動市場對更複雜的3D互動遊戲的需求，Open GL-ES已成了行動3D繪圖的一套API產業標準，包括手機製造商、核心元件供應商、繪圖引擎、遊戲開發商和作業系統供應商都已支援這套標準。Open GL-ES 1.1已被市場所採用，它包括用於浮點與定點系統的公用類（Common profile）與精簡公用類（Common-Lite profile），以及用於與本地視窗系統手持連接的EGL規格；下一代的OpenGL-ES 2.0也已公布，它改進了原有的1.1版，為OpenGL Shader語言（OGSL）的支援提供了條件。

在手機的多媒體功能中，最消耗軟硬資源的，當屬視訊內容的編/解碼處理。由於手機的頻寬及記憶體有限，舊一代的MPEG-2視訊壓縮格式雖然仍會存在，但難以滿足需求，因此下一代的MPEG-4、H.264和WMV9/VC-1等高階視訊壓縮格式會成為手機應用平台支援的重點。

若以手機螢幕的顯示品質來看，從低往高可以分為QVGA、CIF、VGA、SDTV/D1，視訊訊息（Video Messaging）、錄影（Camcorder）、行動電視（Mobile TV）、視訊電話（Video Telephony）和媒體播放器（Media Player）等不同的視訊應用會有不同的顯示品質需求，也會隨著市場需求及技術成熟度而演進，請參考(圖二)，不同世代的應用處理器也會隨著這種演進而提出支援。

《圖二　不同視訊應用對顯示畫質需求的演進》

3G多媒體處理平台技術架構

上文中我們可以知道，手機多媒體功能的處理已成了一項繁重的任務，因此有必要採用高效率的專屬系統架構。目前市場上的應用平台大致可分為兩大架構：一是採用通訊數據機（modem）與應用處理功能整合的單一晶片；一是採用分離式的架構，以一顆基頻處理器應付通訊功能（GPRS/EDGE/WCDMA/HSDPA），其他的多媒體功能則交給應用處理器核心來執行。還有折衷的作法，即是再以上兩種架構之外，再搭配可程式化的DSP或硬體加速器來執行專屬的功能，如視訊、音訊編解碼或3D處理功能。

在開發架構上，數據機與應用處理平台分離是比較理想的架構，因為在此架構下，通訊與應用功能可以分別發展，這是一種「獨立於數據機」（modem-agnostic）的處理架構，一方面讓應用處理器能充分發揮Symbian、Windows Mobile或Linux等高階作業系統的應用能力，另一方面也能確保各種服務與應用不會受到無線技術的影響，進而賦與產品更高的可攜性。

API介面標準化

另一個角度則是在通訊與應用分離的情況下，如何讓兩者保有良好的溝通性。我們提出的觀點是基於硬體抽象（hardware abstraction）的開放性介面作法，此架構同時提供上層和下層的觀點，上層的觀點提供應用程式撰寫者一套針對特定作業系統的統一軟體介面，並對底層的處理器設計加以抽象化；底層觀點是針對LCD控制器、影像感測器或照相機等一般性應用週邊的一組標準硬體介面。

在這種標準化的介面架構下，系統中個別單元的技術就能透過一致性的API來進行上層作業系統與下層硬體的溝通，讓應用軟體從底層的平台架構給分離出來，開發者只需從上層架構的觀點對應用程式做抽象層級的開發，而不用對底層的實體平台做直接的呼叫，這讓產品能更快速的開發，在平台更新時也不需犧牲效能或程式碼的可互操作性（interoperability），應用功能只需要寫一次就夠了。不僅如此，由於此一架構的平台具有通透性，製造商也很容對硬體和軟體做各種功能升級。

為了達成介面的共通性，有賴手機業界共同的努力來落實標準化的工作。目前業界相當重要的行動產業標準組織，包括3G、MIPI（Mobile Industry Processor Interface）、TCG（Trusted Computing Group）、OMA（Open Mobile Alliance）、OMTP（Open Mobile Terminal Platform）、OpenMAX、Global Platform等。以MIPI來說，其目標就在於推動應用處理器介面的一致性、倡導行動設備間的再利用性和相容性，進而簡化硬體和軟體的設計和建置。

硬體架構剖析

以應用處理平台的硬體架構來看，主要可分為處理器核心與加速器硬體，以下將分別介紹：

處理器核心

在手機的應用處理平台中，ARM幾乎已成了業界共通的處理器核心。以Nomadik平台所採用ARM926EJ-S核心來說，它是一個強大的32位元RISC核心，在ST的0.13微米CMOS製程下能達到350MHz的速度；下一代的Nomadik平台則將採用ARM1176JFZ核心，將可達500MHz的處理效能。

ARM926EJ-S核心包括一個記憶體管理單位（MMU）、32Kbytes指令快取（instruction cache）、16Kbytes資料快取、一個能執行單一循環MAC的16 x 32 bit乘法器（multiplier），以及具有強大的即時除錯支援能力。此外，ARM926EJ-S還包含ARM專門針對Java加速而推出的Jazelle技術，讓絕大多數的Java位元組程式碼可由硬體加速器來執行。

硬體加速器

有些多媒體或應用功能需佔用龐大的運算資源，此時最好採用專屬的硬體加速器來降低系統負荷。這些功能包括音訊、視訊、3D繪圖、資料加解密及生物辨識等等。各家的處理平台作法不一，以下以Nomadik為例來做說明：

視訊處理加速器

不同的視訊壓縮格式，由於規格複雜度不同，需要的運算資源也不同；此外，編碼（encode）又比解碼（decode）需耗用更大的運算資源。今日手機若要支援MPEG-4或H.264，在解碼工作上用軟體來做或許還跑得動，但在加碼工作上就得用硬體來做才不會虛耗太多的系統資源。

Nomadik的STn8810方案，採用視訊加速器，能針對MPEG-4的編解碼提供30fps的CIF畫質、2 fps的VGA畫質和384Kbit/s的傳輸率，也具備圖像前／後處理的能力。在關鍵性的記憶體作法上，Nomadik以48Kbyte的on-chip SRAM來支援VGA視訊編碼，它用在視訊訊框的抓取和搜尋視窗的儲存，外部的記憶體則被用於其餘視訊功能的處理。此一作法降低了記憶處理的延遲，讓效能可以大幅提升，同時也改善了I/O和匯流排的設計，能進一步降低耗電；此外，在成本上也因晶片尺寸的縮小而降低。請參考(圖三)。

《圖三　智慧視訊加速器》

音訊處理加速器

在Nomadik中具有一個音訊加速器，它是一個完全以C語言加以程式化的多媒體DSP（MMDSP）核心，此核心採用採用超長指令集（very-long-instruction-word；VLIW）架構，它的每個指令執行為一個循環，而且完全是由C語言撰寫的程式，適用於與媒體內容相關的處理以及協定、負載平衡和多工架構等用途。此一音訊加速器能夠對包括AAC、MP3、MPEG-1、MPEG-2、MIDI、Dolby Digital等廣泛的數位音訊格式進行加碼或解碼，也支援SRS、WOW等3D音訊環繞效果。請參考(圖四)。

《圖四　智慧音訊加速器》

硬體線路運算器

為了要進一步降低耗電，有必要將硬體線路運算器（hardwired operator）和MMDSP一起使用，這樣能保證即使在最糟的狀況下還有足夠的效能表現。低頻率的硬體負責處理動作估計（motion estimation）、編碼轉換（transform coding）、變數長度解碼（variable length decoding）、圖像過濾（image filtering）和色彩轉換（color conversion）等需要大量MIPS計算的工作。

多層式互連技術

此外，由於行動設備內部的資料傳輸日趨複雜而頻繁，行動平台中的各個硬體單元也得採用理想的互連技術來溝通。以Nomadik來說，它採用了多層式AMBA crossbar互連技術，這能讓在CPU、多媒體加速器、系統記憶體和週邊之間的資料頻寬達到最大；其週邊支援Symbian、Linux和Windows CE.NET等高階作業系統，也支援行動多媒體應用所需要的外部介面，如LCD、MMC和安全性數位介面卡和外部的音訊編解碼器（codecs）。

軟體架構剖析

以3G手機的軟體架構來說，如上所述，透過標準化的API介面，可以用分層式的架構來進行建置。最上層是應用層，處理用戶直接使用的電話、訊息、瀏覽器、遊戲等應用程式；中間層涵蓋作業系統核心、設備驅動程式和檔案系統等，用來處理多媒體、通訊網路、Java和安全性等中間層的軟體功能；最下層則是硬體層，包括多媒體加速器、通訊介面和週邊介面等。上層和中間層透過高階用戶API來溝通，中間層和下層則透過低階API來溝通。

《圖五　應用處理平台之軟體架構圖》

專屬的嵌入式即時作業系統（RTOS）雖然能達到最佳化的軟體大小和表現效能，但開發上的難度極高，往往曠日廢時。因此，要達成複雜的3G應用需求，手機製造商會偏向採用高階作業系統（High-level Operation System；HLOS）。高階作業系統採用標準化的API、好用的UI使用介面及完善的開發工具，讓開發者能更有效的開發應用程式，能大幅縮短開發時間與測試成本；對製造及營運商來說，也更容易將同樣的應用移植到不同的平台之上。

此外，高階作業系統也廣泛支援各種介面標準，基本的如Unicode、POSIX API和Java等；在連結上的標準包括TCP/IP、POP3、IMAP4、SMTP、SMS、OBEX等，其他新興的標準則包括J2ME、Bluetooth、MMS、SyncML、IPv6、DVB-H和WCDMA等。目前市場上的主要手機高階作業系統包括Symbian、Windows Mobile和Linux，三者各擁其發展的利基點，也各有支持的陣營。

結論

手機的發展一日千里，而在3G及更高速的行動寬頻平台下，將有更多的可能性會發生。以多媒體服務來說，未來視訊電話將更為流行；透過手機下載MP3音樂或傳送手機相片也可望成為普及化的行為，因此手機記憶體容量也得相對提升，例如Sony就準備推出4G、可以放入1000首歌曲的SD手機。此外，行動電視（Mobile TV）服務已在全球如火如荼的推展中，它將整合現有的行動通訊平台與數位廣播平台，讓手機用戶能隨時隨地的收看視訊節目，並進行各種互動加值功能。

在多樣化的影音多媒體需求下，3G手機的週邊功能也得提升，例如得提供Hi-Fi的立體聲音效；顯示器方面，除了螢幕的尺寸愈來愈大外，為提升顯示品質，在解析度上從qQVGA、QCIF，一路往CIF、VGA升級；面板技術上則從CSTN、A-TFT、LTPS，逐漸升級到OLED；此外，MVA、IPS等寬視角技術也愈來愈受重視。此外，內容的保護也愈來愈重要，DRM或Mobile TV的條件式接取（CA）等安全性作法也是今後設計上不容忽視的一大議題。（作者為意法半導體亞太區通訊及行動多媒體事業部技術行銷工程師）

延 伸 閱 讀

大多數2G無線裝置採用的基礎架構供應商，擁有豐富的知識和實際經驗，這是對於2.5G和3G在安全上的必備條件；加強型平台架構除提供可靠的運算能力外，不但可執行最複雜和要求最嚴格的安全協定及演算法，還能延展及適應最簡單的安全應用需求，也必須相容於協力廠商提供的各種軟硬體，為電訊業者、OEM廠商和使用者帶來整體安全解決方案。相關介紹請見「雙核心架構之H.264解碼器演算法」一文。 引入不同網路技術、提升業務競爭已經逐步成為國家開放電信運營市場越來越共識性的舉措。在CDMA2000的大本營—美國市場上，Cingular Wireless營運的WCDMA正異軍突起；在WCDMA最先開始商用的日本市場上，KDDI利用CDMA EV-DO正在成為NTT DoCoMo高速移動資料業務最強勁的競爭者。你可在「減少2.5G和3G無線應用的安全威脅」一文中得到進一步的介紹。 由於下一代的行動通訊裝置整合了許多的多媒體服務，使其不再只是一個通訊設備而已，而可以說是一個行動娛樂裝置，其消費市場在未來的幾年必定會不斷地成長，因此多核心系統晶片系統架構的開發已成為一個重要的議題，產業界許多大公司，如德州儀器（TI）和英特爾（Intel）等皆積極研發其多核心系統晶片系統架構，以便在未來的行動通訊市場佔有一席之地。在「多核心系統晶片架構」一文為你做了相關的評析。

市場動態

以視訊壓縮而言，工研院IEK分析指出，未來H.264勢必將成為行動視訊的主流壓縮規格，並進一步帶動多媒體處理器、應用處理器甚或基頻處理器將逐步加入MPEG-4/H.264功能，預期未來具備MPEG-4/H.264的晶片將由2005年的 1億2300萬套快速成長至4億2300萬套，年複合成長率達28％。相關介紹請見「手機多媒體晶片H.264將成為行動視訊的主流壓縮規格」一文。 Broadcom發表全新的行動電話基頻處理器，符合高速行動數據的高速下鏈封包存取HSDPA標準。此全新混合訊號單一矽晶片整合一個完整 Category 8 HSDPA的調變解調器，具有7.2Mbps的連接能力、先進的數位信號處理 (DSP)及其他多媒體功能。此項符合HSDPA的處理器Broadcom CellAirity平台家族的最新成員，包含先進的系統架構，並能完全支援之前的GSM行動標準，包括WCDMA、EDGE、GPRS 及GSM。你可在「Broadcom發表全球首顆7.2 Mbps真正單晶片的HSDPA行動電話處理器」一文中得到進一步的介紹。 意法半導體(ST)宣佈該公司Nomadik系列產品新增一個多媒體應用處理器。新產品STn8815內嵌兩個新的智慧加速器和更多的存儲空間，在保證軟體完全重複使用性的同時能夠提高下一代移動設備的性能。在「ST推出內嵌智慧加速器的多媒體處理器」一文為你做了相關的評析。