攻克超低成本手机的设计挑战

     超低成本（ULC）手机是最近三年来的热点话题。目前ULC手机一般指低于20美元的手机，它们形成了一个独特的细分市场，需要采用特殊市场策略才能确保成功。 

        市场要求

　　典型ULC手机购买者的平均可支配收入有限。同时，由于缺乏必需的基础架构与系统，大多数购买用户都难以追踪。因此，如果运营商为手机提供大量补贴，而期望从服务费中获得收益的话，既不可行，也不具有经济效益。此外，ULC手机市场上的收益来源主要为利润相对较低的纯语音和短信服务，而不是具有较高单位用户平均收益（ARPU）值的数据业务，因此运营商也不愿意采用补偿模式。

　　一般来说，典型的ULC手机客户在购买手机时还需要积攒资金。尽管ULC 市场具有“低价”特性，用户也绝不接受一部价格不高但性能很差的手机。此外这些用户不会频繁更换手机，因此他们希望手机在可接受的价格范围内具有尽可能多的功能。

　　现在，让我们看看运营商对ULC手机的要求。运营商收入和利润的两大主要动因是客户数量和客户使用手机的频率。在竞争激烈的市场上，用户很容易更换为其提供服务的运营商，他们只需要简单地将新的SIM卡换到手机里就可以。因此，对运营商来说，如何为用户提供最优质的服务和体验成为关键。优质的服务意味着网络要能够支持尽可能多的用户同时使用，而且不会产生掉线等情况；良好的网络覆盖是优质服务的又一体现，只要有需要，用户可以在任何地点使用手机。由此可见，优质服务主要以网络为中心，但手机本身在提高服务质量上也大有文章可做。

        正确的ULC手机性能

　　手机的核心是手机芯片组。因此，手机芯片组的选择就成为产品能否在ULC市场上成功的关键。成功的ULC产品需要四大因素：

        1、射频性能

　　在新兴市场上，2.5G（GSM/GPRS/EDGE）蜂窝基础设施通常借鉴西方国家，而西方国家正在向3G等下一代技术迁移。因此，ULC市场基础设施的部署就产生了一个有趣的现象，即不同供应商采用的GSM规格略有差异。于是，互操作性测试（IOT）就成为确保手机能够在不同供应商制造的基站之间无缝切换的关键。在处理各种不同基础设施时，IOT 要求射频收发器具备强健、灵活的特性。此外，IOT 还要求整个系统（包括软件协议栈）坚固耐用，同时要求对系统处理不同基础设施之间细微时序偏差的能力进行测试。

　　新兴市场的网络存在很多问题，比如城区网络用户过多（归因于管理机构分配的频谱有限），农村区域覆盖不足等。为了解决城区用户过多问题，每部手机都必须在特定网络规格范围内工作，不能在发射射频时干扰网络上其它正在接收射频的使用者。乡村地区由于网络覆盖不足，手机的灵敏度（即在网络信号弱的地区接收信号并正常工作的能力）成为关键。由于网络规划远远没有完善，因此射频性能需要在连续变化的强、弱电场环境中保持良好状态。同时在可能分配给手机的每个网络信道上手机的灵敏度也要得到保证。由于设计出一种能在每个可能射频信道上工作良好的射频面临着许多技术挑战，手机芯片组供应商在技术规格方面拥有许多例外。因此，多数芯片组供应商只能确保射频在低、中和高端频段的强健性能。与此同时，性能在各种温度和电压环境下也要保持一致。“各种温度”意味着ULC市场要考虑到全球最热的热带地区，即使环境温度上升，射频也应保持与理想环境（通常是25摄氏度）相同的性能。“各种电压”意味着射频性能不随手机电池电量的变化而改变。最低程度上，也要采用射频等各项性能完全通过 GCF（全球认证论坛）测试的芯片组。

        2、功耗

　　良好的功耗性能（即一次充电后拥有最长待机时间和通话时间的能力）极其重要。上面已经解释了良好射频性能的需求与电池电量（即可用压降）相关。这一需求在ULC市场上被进一步放大，尤其对于无法保证电源随时可用的农村地区。良好的功耗指标还具有其它优势。手机中采用mAh（毫安时）值较小的小型电池，可以促进手机的外形设计更加小巧、时尚。此外，小容量电池也可以降低手机的总成本。

       3、功能

　　除了语音、短信和黑白屏幕这些固定的功能以外，如果ULC手机增加彩屏、调频收音机、音乐播放（MP3 等）、甚至数据业务（如WAP 和 MMS）等功能，超低价手机将不再超级单调乏味。

　　另外从运营商的角度看，额外功能意味着附加ARPU的可能性。一些运营商正在试验更积极的移动服务补贴模式，即将手机只锁定在自己的网络上，然后以折扣价甚至免费向用户提供手机，通过ARPU获得收益。这种商业模式的关键是手机服务无法被更改，否则这种模式就会失败。当然，如果手机服务被更改，运营商就无法盈利；但更重要的是，如果手机服务不能更改，ULC用户将无法通过其它新颖方式获得手机并从中获益。因此，手机芯片组解决方案要求提供一种强健而灵活的硬件加密机制，确保运营商可以自由创新业务模式，这一点极其重要。在这一细分市场中增加并集成所有上述功能，同时维持低成本和高性能要求，都提出了很大的挑战。于是我们进入讨论的最后一点——总成本。 

       4、总成本

　　高度混合信号集成与低成本半导体工艺的结合，将现有“单芯片”手机芯片组解决方案领入一个新时代，实现了一部手机中所有主要子系统（除了功率放大器和非易失存储器以外）都集成到一片CMOS核心上。另外，CMOS集成技术甚至可以集成分立电子元件的大部分，而过去这些元件散置于手机各处。IC技术的进步大大降低了单芯片解决方案的成本结构，使真正低于20美元的ULC手机成为现实。

　　综合考虑，ULC手机市场成功的关键是如何在具备上述射频性能、功耗和功能的同时，维持低成本结构。市场上推出的大多数单芯片解决方案都或多或少在某些性能上进行了折衷。比较常见的是折衷RF性能，部分原因在于在手机基带处理器中集成RF困难重重。同时由于过去 RF由专业供应商提供，因此大多数基带厂家在设计完成后才会考虑RF问题。

　　在今年年初收购Silicon Labs（芯科实验室）无线业务部后，恩智浦半导体推出了AeroFONE系列单芯片产品。AeroFONE产品采用独特的设计方案，攻克了上述挑战，并形成了完整的产品系列，既包含功能极其简单的手机，也包含具备调频收音机、MP3播放器和支持SD卡功能的音乐手机。AeroFONE产品集成了强大的ARM9微处理器核心，从而实现了上述功能；与之相比，竞争产品一般采用较低性能的 ARM7或专有微处理器核心。与ARM系列处理器相比，专有微处理器核心还具有不能充分利用行业知识和现有代码库等缺点。

　　AeroFONE系列产品一直保持业界优秀的RF性能。其RF设计团队曾是GSM RF CMOS设计的先驱，对于解决各种混合信号集成的挑战经验丰富。

　　另一混合信号创新方面的出色实例是：在RF与基带所在的同一CMOS核心上集成了电源管理单元（PMU）。由于需要接入8V电池充电器，从而对亚微米CMOS解决方案的设计提出了挑战。此外，为了给多个片上子系统生成所需的不同电压标准，有效的方法是采用“直流/直流”转换器设计。但是，“直流/直流”转换器会产生更多的电噪声，这也是为什么大多数单芯片供应商都不愿将PMU集成到RF与基带所在的核心上。在所有非恩智浦解决方案中，唯一集成PMU的方案也没有采用“直流/直流”转换器，而是采用了线性稳压器的折衷方法，但其缺点是耗电指标较差，导致电池寿命缩短 60%。

　　恩智浦的AeroFONE产品是目前唯一在RF与数字基带所在单一核心上集成完整PMU（包括一个直流/直流转换器和电池充电器）的单芯片产品。凭借各种系统设计技术与创新技术，AeroFONE单片解决方案拥有目前业界前列的功耗指标。而一流的功耗性能使小型电池的应用成为可能，不仅显著降低成本，还可以实现时尚的外形设计。

　　高水平的集成设计也有助于系统级成本的降低。与多芯片解决方案相比，芯片数量的减少导致板内空间压缩大约65%，而所需分立元件的数量也减少50%以上，从而极大地改善了手机的最终产量和测试时间。由于具备出色的能耗指标，总成本还可以通过低成本的电池而进一步降低。AeroFONE PNX 4901是目前第一个采用高性价比4层PCB板的手机平台，总成本也由此进一步下降。采用4 层PCB板确保ULC的制造可以在众多地区完成，因为新兴市场的PCB 制造厂一般都支持简单的4层设计，而6层设计则比较复杂和昂贵，仍然局限于较先进的制造中心。

　　为了进一步降低工程成本，加快上市速度，恩智浦公司动用了自己在系统解决方案方面的强大优势，为数量不断增加的原始设计制造商（ODM）提供完整的软、硬件参考设计。在软件工程占研发预算70%的领域中，参考设计进一步降低了将真正ULC产品推入市场的成本。拥有这种能力的ODM已经向不同地区的市场交付了数百万部手机，并正在积极参与印度、拉丁美洲、中国等新兴市场上的各类ULC产品招标活动。

　　结束语

　　如果过去的情况能够作为对未来的市场的一种反映或暗示，那么可以预见到高端手机的功能将继续渗透进入ULC手机细分市场，市场也会继续推出更高集成度、更丰富多媒体设备甚至更快数据流量的创新产品。而所面临挑战依然是维持性能的同时，积极地整合功能并降低成本。

　　在竞争激烈的ULC市场领域，一种成功的产品需要适当组合射频性能、功耗指标、功能和总成本。显然，价格是这一细分市场最大动力之一。然而，精明的手机制造商不会在重要的 ULC终端的性能方面作出妥协，同时还需要积极降低总成本（包括所有系统级成本，如元器件成本、电池成本），缩短上市时间，使其产品更具竞争力。