智能型电话 -- 微型技术革命的产物

智能型电话 -- 微型技术革命的产物

作者：美国国家半导体应用技术工程师 Andrew Johnson

蜂窝式移动电话及智能型手机已成为我们日常生活的一部分。这些手机推出不久即大受欢迎，速度之快着实令人惊异。自从数字传输技术面世以来，移动电话不断推陈出新，功能也不断多样化，其变化之大并非当日所能想象。

移动电话市场正蓬勃发展，吸引不少跨国公司进军这个市场。即使目前经济低迷，预计移动电话市场的销量仍将高达 4.7 亿只，是迄今的单一消费市场。

由于通信频道越来越多，服务也由简单的短信传送 (SMS)，发展至包括 EMS、MMS、WAP、视频串流以至其他更先进的服务，而移动电话也不断自我完善，以便可以支持这些服务。

但能够利用这些服务的移动电话却日趋笨重。移动电话必须采用更先进、更复杂的技术，才可支持网络运营商提供的服务。例如，移动电话必须添加更多硬件，加强音频处理能力，才可处理不同的音频信号，也需要添加更多硬件，才可捕捉及显示高清晰度的图像。由于添加了更多硬件，电池便需要为这些新加的外围设备模块提供供电，令电池寿命受到一定的影响。要满足这些要求，移动电话便无法轻巧幼薄。 这些新加的功能特色成为新一代智能型手机所特有的基本功能。对于移动电话市场的未来发展，制造商都各有自己的一套看法。智能型手机必须具有极高的通信能力，以及能够支持多种不同的应用，而高度集成的低档移动电话则必须符合成本效益，以及可以批量生产。 以下将详细介绍高、低档移动电话的不同设计取向，并以音频、图像处理及电源管理等方面的设计为例作进一步的解释，从中显示为何美国国家半导体一直能够为移动电话制造商提供切合他们需要的芯片产品。

音频芯片 -- 采用子系统的取向

旧式移动电话基本上只有两个音频信号源，它们分别是来自语音通道的语音以及振铃。

美国国家半导体一直致力为及低档的电话产品开发各种不同的芯片，以满足这两个市场的需求。

以大众消费市场来说，美国国家半导体有专为低档电话而开发的产品 LM4906。这款芯片是 Boomer 系列的型号，可为标准型号移动电话提供基本的音频功能，而且采用这款芯片无需加设旁路电容器，有助节省成本，缩小印刷电路板面积，以及确保厂商可以更快将产品推出市场。需要添加的外置零部件不超过三颗，其中包括扬声器。

至于需要支持更多先进功能的新一代智能型电话，美国国家半导体便特别为这类电话提供了一套音频子系统。美国国家半导体这套型号为 LM4930 的音频子系统在功能方面向前迈进了一大步，可满足更多输入输出装置的要求。

采用这款芯片的智能型电话一般都采用通信与应用互相分离的结构，例如不同处理器负责不同的工作，而其中一个会指定为主处理器，负责控制电话的其他子系统，例如通过 I2C 兼容的总线控制音频子系统。

LM4930 芯片的输入端 (左边) 设有两个接口。其中一个是 I2S 输入接口，负责为 MP3 播放、FM 广播及复音振铃等内容提供经过应用程序处理器处理、并适用于整个频率范围的数字音频信号。另一接口是连接通信引擎的双向 PCM 接口，专门负责传送语音信号。

输出端 (右边) 设有多个输出，其中包括立体声耳机输出以及无需电容器的扬声器输出，另外还有专为麦克风而设的直接输入。因此，只需一颗集成电路便能支持蜂窝式移动电话所需的所有音频功能。

所选用的芯片封装是否合适是决定移动电话成败的关键。先进封装技术 -- 例如美国国家半导体的 micro SMD 封装 -- 可以确保芯片能够执行更多功能。图 2 所示的 LM4930 芯片便采用这种封装，面积虽然只有 3.2mm x 3.4mm，但足可容纳 36 块焊球。

图像处理

由于数字相机市场不断茁壮成长，因此数字图像处理技术便在强大需求的支持下出现飞跃的发展。具备拍照功能的移动电话好像在不多久之前还只是一种甚为稀有的产品。移动电话近年来的发展可说一日千里，初时照相机只夹附在手机外面，现在已发展成为内置的模式，甚至越来越多手机产品都以照相机作为必备的功能特色之一。

手机内置的图像处理模块由图像传感器与图像处理器两个部分组成，两个部分都各有特点与要求。

图像传感器可以采用电荷耦合元件 (CCD) 或互补金属氧化半导体 (CMOS) 技术。但对于移动电话来说，CMOS 技术比 CCD 更优胜，例如 CMOS 技术的供电电压及功耗都较低，而技术集成度也较高。以下便以 CMOS 技术作为示例详细讨论这个问题。

CMOS 传感器负责捕捉图像，办法是将投射在一列列光二极管上的光线转为电子信号，然后传送给图像处理器，由图像处理器先将这些信号校正，再转为格式化的数据，以供电话的其他子系统使用。结构框图所示的便是典型的图像处理器子系统。这个功能块所执行的功能包括镜头阴影校正、劣质像素校正、颜色内插校正、伽马线校正、颜色空间转换、饱和调节及视觉效果处理。有关信号经过以上的处理，才以确认的格式如 YUV 4:2:2 输出。

电源管理

有了图像处理功能，移动电话的功能便更为多样化，也为用户添加更多生活情趣。但若要确保电话能永远留住用户的难忘经历，电池便必须能够应付这些新服务及新功能的额外用电要求。

其实电话的用途一直在变。例如，电话初只用来传送语音。我们讲完电话后，电话便会处于低功率状态，直至需要接听另一来电，或再打电话，低功率状态才会改变。SMS 及 EMS 等功能将电话的用途彻底改变。为了传送 SMS 及 EMS 等信息，电话用户必须将电话长期保持在操作状态之中，以便输入短信。照目前情况看，我们将会继续利用电话进行长时间通话或传送信息，可见功耗将会不断增加，这样下去，电话的电池始终会不胜负荷。也许更重要的一点是，上文所提及的新功能远比单纯的语音传送功能耗用更多功率。 目前，电池技术的发展虽然已相当快，但仍然追赶不上外型更小巧、功能更齐备的新一代电话。电话上的彩色显示屏幕耗用很多电力，要延长这类移动电话的电池寿命确是一个大挑战，尤其是电池体积反而越趋细小。

像美国国家半导体这类芯片厂商一直致力为市场提供各式各样的电源管理芯片，确保移动电话的电池可以充分发挥其能源效益及操作效率。

美国国家半导体有一系列出类拔萃的电源管理产品，其中包括 LP398x 与 LP399x 系列低压降稳压器芯片以及 LM260x/1x 系列直流/直流转换器芯片。这些稳压器芯片输出 300mA 电流时，其典型电压只有 120mV。这些芯片还有另一特色，若依靠电池供电的某一区域/子系统无需在某一操作模式中执行工作，这一区域/子系统的供电便会自动关闭，而低压降芯片的典型停机电流不会超过几毫微安 (nA)。

许多移动电话都采用彩色显示屏幕，这是一个非常明显的发展趋势。超扭曲型 (STN) 或薄膜晶体管 (TFT) 显示技术都要依靠白色的发光体提供光源，才可确保显示器能执行正常功能。此外，手机的互动能力、电子游戏的内容及视频的传送都要求屏幕有较大的清晰度及色深。 白色发光二极管是成本较低而又性能可靠的发光体。但发光二极管必须由大小相同的电流驱动，亮度才可保持均匀。美国国家半导体的 LM35xx 系列开关电容稳压器芯片以及 LM27xx 系列开关电感稳压器芯片为系统设计工程师提供更多选择，让他们可以按照显示屏幕的结构要求，设计合适的电源供应系统。

图 4 所示的是 LM2794 一类的新一代发光二极管控制器

电话网络结构以至手机结构不断引进新的技术，而支持这些新技术不断向前发展的动力却来自手机用户，每一手机网络订户的每月平均消费越高，便越能支持更多新技术的开发。目前英国的网络运营商"3＂正为其 3G 网络新订户提供三个月的优惠，让他们收看英国超级足球联赛的精选片段。此外，英国网络运营商来自出售振铃音调的收入已超过出售图像的收入。

若将手机的通信带宽进一步提高，手机甚至可以收发要求更高的多媒体内容。虽然随着业界普遍采用 H.263 及 MPEG4 第 4 部分 (AVC) 的规格标准之后，压缩技术已不断改善，但这方面的发展也令基站的编码器变得更为复杂。手机接收器的译码器也越趋复杂，成本也不断上升。对于开发手机及相关零部件的设计工程师来说，这个可能是他们感头痛的问题。

经过多年的发展，旧式的电话已渐渐被智能型电话取代，整个转变过程可以说是一场科技的革命。今后，智能型电话也会随着时代的进步不断演变。但有一点可以肯定，那就是移动电话的功能会日趋多样化，像美国国家半导体这类公司将会在这个发展过程中扮演一个重要的角色，并会乘着市场发展的趋势，为移动电话开发更多芯片产品，满足移动电话各种的要求。