无线产品设计和制造简析

从芯片组开始开发一种新手机通常要花费18个月的时间，这段时间内公司必须承担所有的开发费用，而产品在这段时间内又可能会经历价格下调，使公司预期经济效益减少。采用模块方案可以使产品提前面市，不仅获利机会增多，而且利润空间也变得更大。 

尽管蜂窝技术已开始向远程信息处理、移动计算、设备对设备等应用领域拓展，但数量最多的应用依然是移动电话，语音服务在未来一段时间内可能还是会占据移动通讯的主导地位。即便如此，随着高带宽数据服务变为现实，手机的本质也在改变，可以实现很多新的功能和应用。毕竟，语音服务留给为只能打电话的手机实现更多个性化设计的机会越来越少，但增加数据性能后，一系列特性、功能和外形就可以进行各种变化，这样一来制造商将有很多机会针对特定的用户群来设计他们的产品，特殊的生活方式、地区或文化差异、垂直分布的市场等使用户的需求都不尽相同。 

然而要充分利用这些新的机会也不那么容易，手机制造商通常会设计那些市场规模大的产品，这样基于一种设计就可以进行大批量的生产，只有产量上去了，才会有充足的财力和工程资源来开发最先进的无线产品。制造商寻求将蜂窝技术应用到现有产品中，或为相对更小的市场开发一些产品时，会面临一系列严峻的挑战。

 集成蜂窝无线部分

 传送语音或数据的数字蜂窝无线电话本身是一个集成了微波、混合信号和数字硬件技术以及一些复杂软件的系统，图1显示了在PDA上加蜂窝无线模块的应用实例。由于蜂窝技术的复杂性，因此不管采用GSM还是CDMA作为子系统，都需要将RF器件与其它元器件隔离开来，以免相互干扰，所以蜂窝子系统通常会用一块独立的电路板实现，或在主板上定义好一部分作为蜂窝子系统。

即使不考虑由于微波频率引起的电路设计和电路板布局布线的复杂性，蜂窝子系统的复杂程度也不比PDA系统低，加上需要开发或集成基带软件以及与主控设备的接口，这种开发项目就越发不能被小觑。

假设完全不考虑开发定制的RF和基带IC，那么大部分设计人员倾向于采用市面上芯片组和芯片制造商提供的参考设计来开始他们的设计。采用芯片组，尤其是完整的解决方案(包括无线通讯、基带处理器以及诸如功率放大等所有???持元件)可以大大减少蜂窝系统的开发费用和风险。但芯片组只能提供核心的器件，而要使蜂窝产品能工作并投入生产，产品设计组还要做很多工作。

 怎样才能将无线和基带IC、其它硬件元件及软件结合起来组成一个执行恰当功能的系统，并与主控设备相连且满足目标应用需求呢？这一过程主要包括以下几个方面的工作：

 1．RF线路设计和PCB布局布线：尽管芯片组可以减少功能设计的复杂性和风险，但并不能完全予以排除。生产PDA和便携式PC的公司通常不具备RF电路设计专长，此外这类设计所需的测试设备也很昂贵，交货期很长。芯片制造商的参考设计会有帮助作用，但要让RF电路正常工作通常需要好几次设计反复，即使对很有经验的RF工程师也不例外。

 2．一般电路的设计和布局布线：RF和基带IC需要???持电路，例如电源电压调节器、电源管理电路和晶体振荡器等，这部分电路的PCB设计要考虑RF元件与其它元件的屏蔽和电?隔离，以免产生干扰和辐射问题。由于带有RF电路，因此要达到满意的性能，PCB设计可能也要反复好几次。

 3．软件集成和测试：虽然可从芯片组供应商那里得到协议堆栈，软件开发人员也还是必须要对它进行修改，以便适应特定的系统以及与主机相连。然后就是测试，确保符合规定的通讯标准。软件集成通常要花3到6个月的时间。

 4．IP许可：开发人员还不得不为取得参考设计和其它IP的使用许可进行谈判，例如GSM或CDMA主要技术。

 5．通过测试：所有蜂窝设备的发射功率、辐射和特定的吸收率(SAR，度量电磁波辐射被人体吸收的比率)都要符合政府管理机构的限制。除此之外，每一部设备还必须满足应用通讯技术(如GSM、CDMA)标准团体制定的规范。如果集成了蜂窝系统的产品要在好几个国家销售，它必须接受测试，遵从每个国家的相关规定。

 从上面的设计和测试任务可以看出，就算从芯片组开始，从提出概念到投入生产，开发一种蜂窝子系统所需的资源相当可观。根据所需软件数量的不同，通常一个典型的开发过程可能需要50到100个工程师，历时18个月的时间才能完成。配备一个无线开发实验室非常昂贵，而测试设备一般都要几十万美元，生产用测试设备还需要更多的资金投入。

 由于不同地区市场或运营商的要求可能不同，如果产品要???持多个通讯标准(GSM、CDMA或多个频段)，那么所需的资源、成本和风险就更难估计。

 阻碍更小型制造商寻求在其产品中增加蜂窝通讯功能的另一个因素是部分用户的期望值。大型制造商提供的产品(主要是手机)很先进，这使得用户现在都期望无线产品要小而轻，且功能丰富，只有领先公司才能承受满足这些期望所需的复杂设计和制造技术投入。

 无线产品开发需要的资源广泛，回报周期长，在技术和经济上的风险很高，这些因素使得很多产品开发对集成蜂窝数据性能“敬而远之”，尽管它们本可以从这一性能中受益。
无线模块方案

 对于芯片组解决方案，含有完整蜂窝系统的模块将是一种很受欢迎的替代方案。不幸的是，模块通常体积较大、功能不完善或者很难用于大批量的自动化生产。不过新的封装技术和对便携式设备设计人员需求的关注，已经促使具备完整蜂窝通讯功能(语音和数据)子系统的模块出现在市面上。此类模块体积小，可看作一个元件，适合自动表面贴装设备，采用这种模块可以大大地减少无线产品开发的成本、风险和时间。

 选择蜂窝模块解决方案从根本上省去了蜂窝子系统的所有设计工作以及许多规定测试和标准测试过程，它使产品设计人员可以将主要精力放在为产品增值和实现产品个性化的特性和功能上，而不用操心那些复杂的无线和基带硬件设计以及软件开发。

 也许采用模块方案的最大好处就是能更快地获利。要在一个产品中增加蜂窝通讯功能或开发一种手机通常要花费18个月的时间，在这段时间内，公司必须承担所有的开发费用。此外该产品在这段时间内可能要经历价格下调，从而减少了增加新功能的经济效益，或者说新产品投资回报降低了。采用模块方案可以使产品提前面市，相对于采用芯片组的解决方案要少用一年的时间。结果由于产品更早上市，不仅获利机会增多，而且利润空间也变大(图2)。

 采用模块解决方案的另一个好处是能迅速地将???持无线的产品推向多个地区市场，那些???持不同无线通讯标准的模块如果外形尺寸一致则尤其如此。采用此类模块，手机、PDA或遥测装置不需要重新设计主控板就可以与GSM/GPRS或CDMA技术相适应，并且只需增加少许设计费用就可以了。

使增加无线功能更为简单

 与从芯片组开始开发无线子系统的复杂过程相比，将蜂窝模块集成到现有产品或新设计中是一件很简单的事情。而获得成功的关键是供应商的选择。供应商不仅要提供一系列合适的模块(最好能???持所有主要的蜂窝标准)，而且还要为集成过程提供协助。虽然模块从根本上省去了RF电路设计的工作，但在任何设备上增加无线功能都需要天线和屏蔽技术方面的经验，特别是当产品必须符合严格的规定和标准组织的规范时。愿意与设计人员一起在这方面努力的供应商能够真正地解除设计过程中的风险，使无线产品开发又快又轻松。

 理想的模块其实就是一个电话，只不过没有麦克风、扬声器、键盘和显示屏等这些外设，它可以通过简单、最好是标准化的接口(如颇为流行的为调制解调器开发的“AT”命令组)与主控设备通讯。这些模块还有一个好处就是适用于表面贴装技术，这在大批量生产时具有成本效益。

 从一个好的“启动开发套件”开始工作也很重要，这会使模块更容易集成到产品中。这种套件应该包括模块、开发板、软件及附件，如线缆、电源等。开发板用来放置模块并提供外部电源和数据的连接，软件包括合适的协议堆栈、固件及AT命令接口。启动开发套件实际上就是一个完整的蜂窝系统，可以用它来打电话，并且通过AT命令集接口与主控板通讯。

 如果对系统性能和AT命令集接口感到满意，开发人员就可以设计定制的人机接口(MMI)PCB，该PCB很大程度上是对模块的机???封装，它提供电源连接和板对板连接器，以便与产品主板相连。

 无线产品设计人员面临的最大障碍之一是获得各项规定代理机构和标准组织(如FCC、ETSI、GSM、CDMA等)的认证。除了各种规定的测试之外，在运营商允许一种产品进入他们的网络之前，还需要在实验室和现场对此产品进行测试。因为模块可以预先认证，所以新产品只需要进行部分测试就可以了。部分测试一般是为了确保产品的辐射符合要求并且验证一下针对运营商的空中接口。

 本文小结

 设计人员不必担心在产品中加入无线连接功能会很复杂并且需要投入过多资源。通过仔细地选择可用的模块解决方案而不是由芯片组开始从头设计，开发人员能够避免通常的风险和费用，设计出稳定和具备可生产性的产品，并使之快速进入市场。