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芯片供应商挑战Wi-Fi/蓝牙整合方案
作者： 麦戴伦
来源：RFID世界网
日期：2007-04-23 08:25:55
摘要：Broadcom、CSR、NXP以及TI等多家无线芯片制造商，近日纷纷推出针对手机市场的同类型芯片，即同时能够支持蓝牙和WLAN的产品。将多个运行在重叠频率上的RF元件进行集成是一件颇具挑战性的工作，在这方面，四大半导体公司各自选择了不同的道路。
关键词：芯片
Broadcom、CSR、NXP以及TI等多家无线芯片制造商，近日纷纷推出针对手机市场的同类型芯片，即同时能够支持蓝牙和WLAN的产品。将多个运行在重叠频率上的RF元件进行集成是一件颇具挑战性的工作，在这方面，四大半导体公司各自选择了不同的道路。
“由于蓝牙和Wi-Fi (IEEE 802.11 WLAN 标准)都工作在2.4GHz频率范围，因此二者会争用同一频段，”市场分析公司Forward Concepts总裁Will Strauss指出，“虽然它们使用不同的调制技术，例如Wi-Fi使用OFDM，而蓝牙使用FHSS，但一不小心二者就会相互干扰。”
同时，为了接收FM，Broadcom和TI的器件，以及CSR的参考设计中，都加入了第三方RF组件。事实上，Broadcom、CSR、NXP 和 TI都不是首批致力于开发蓝牙/WLAN综合解决方案的厂商。Strauss指出，早在2002年，Mobilian公司发布的双芯片组TrueRadio，就融合了Wi-Fi和蓝牙功能。但自从2003年英特尔收购Mobilian后，该技术已被英特尔无线网络部门所接收。
尽管其他分析人员承认，将Wi-Fi和蓝牙集成在同一个解决方案中并非易事。但同时他们也表示，与几年前相比，技术上的进步极大简化了这种整合。
过去，如果要让某个器件工作在2GHz，设计人员必须构建一款特殊的电路，Gartner公司副总裁兼首席分析师Martin Reynolds表示。不过，随着调制频率更宽、更加完善成熟的频率合成器的出现，这一困难已被克服。
“我们已经把一件相当困难的工作变得相对简单了。”Reynolds表示。
“今天，许多棘手的问题都在芯片上得到了解决。”Farpoint Group公司无线分析师Craig Mathias称。不过，Mathias也提醒业界，集成多个模拟无线电仍然不会像“灌篮”那么简单。
据Broadcom公司WLAN产品RF工程主管Arya Behzad称，工艺节点向65nm的稳步转移，已经能够实现支持两种协议的后端数字电路的集成，但这同时也为前端模拟无线电的集成提出了不少挑战。
“我们必须追随数字技术的发展趋势，65nm技术在性能和功耗方面给我们带来了巨大的好处，”Behzad表示，“但它也使得模拟无线电的集成变得愈发困难。”
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F1: Wi-Fi/蓝牙在手机中集成所面临的五大技术挑战。
他指出，在进行片上无线电集成时，必须具备稳健的校准技术来获得足够的性能和器件良率。例如，Behzad估计，为了补偿工艺中的电阻变化，Broadcom的BCM4325 Wi-Fi/蓝牙/FM收发器大约需要进行10次校准。
“通过这些校准，我们能够在一块芯片上实现一种无线电，”他表示，“但要想在一块芯片上集成多种无线电，设计人员必须将之视为一个整体。”
Behzad介绍，在BCM4325中，三种无线电共享一根主天线，但分别有各自独立的频率稳定器。Broadcom的设计人员通过测量确保了在频率稳定器内各个电压控制振荡器“均不互相干扰”——它们各自工作在完全不同的频率下，且彼此并不是靠得很近。
Broadcom开发的技术旨在保证锁相环工作在不同频率下，但Behzad并没有提及其中用到的专有方法。Broadcom的嵌入式WLAN营销主管Brian Bedrosian表示，该公司采用了精确的滤波技术，将渗漏到电话蜂窝频段的信号减到了最小。
对802.11n草案的支持
对TI来说，在其众多新产品中，WiLink 6.0单芯片解决方案是唯一支持802.11n草案的产品。TI无线个域网和移动WLAN业务主管Amir Faintuch指出，该产品遇到的主要挑战之一，是必须符合.11n 的2.4GHz和5GHz工作频率要求。据他介绍，其实TI的WiLink 4.0已经能够支持5GHz工作频率，但是需要额外的前端部件。
“从定义来看，.11n在任何情况下都需要5GHz。”Faintuch表示，“从设计角度出发，我们力图尽可能平滑地将2.4 GHz和5GHz结合在一起。”
TI的方案包括简化器件前端。设计人员采用现成的功率放大器，并在基带芯片中整合更多功能。“在同一个裸片上非常近距离地集成多个无线电，对于接口来说更具挑战。”Faintuch说。
不过，Gartner的Reynolds却认为，TI以及其它公司将更多的功能封装到基带中，这样做很有可能在未来将自己带入困境。“这还仅仅是个开始。”他指出。随着芯片基带组整合更多的功能，销售商会深受其苦，因为他们销售给手机制造商的芯片会越来越少。
QoS要求
根据NXP产品营销经理Carson Schimanke的说法，在手机中整合多个无线电的关键挑战在于如何防止干扰，确保服务质量(QoS)。不同于近期推出的其它产品，NXP的Nexperia 5210既不是单芯片解决方案，也没有集成FM接收器。
“当用户四处移动时，你仍然要确保服务质量。这的确是一个充满挑战性的使用案例。”Schimanke表示，“你必须具备一些不同无线电的发射路径模块。另一个问题是，如何把不同的无线电有机地集成在手机上？”
尽管目前在许多情况下还很难获知详细的数值，但前面我们提到的四大厂商都声称自己的产品属于节能型，而这点对于手机而言非常重要。大多数人都认同，向65nm的转移有益于降低器件功耗。CSR在此引用了一些数据：电话闲置时，典型蜂窝功率为5mW；进行网络语音通话时，功耗为288mW。TI声称，WiLink 6.0 的功耗与前几代WiLink产品相比不到50%；Broadcom表示，BCM4325的待机功耗较其它竞争对手低40%；而NXP也声称，5210具有“业界领先的低功耗性能”。
Gartner的Reynolds把大量类似产品争相发布的原因归结为手机制造商积极推动芯片供应商研发相关技术，从而支持两种协议。“现在的竞争非常激烈，一些手机厂商也许希望借此脱颖而出。”Reynolds表示。
他补充说，就像任何新技术一样，第一款芯片不可能尽善尽美，但他预计质量会迅速提高。“只要电话能够正常工作，即使蓝牙和WLAN可能稍有不协调，人们也不会抱怨。”
集成更多无线电？
目前，随着芯片供应商在单芯片上集成多种无线电，下一步很有可能会对蜂窝无线电、蓝牙、Wi-Fi 及 FM进行整合。从根本上来说，这将是一项更富技术挑战性的任务，需要开发MEMS滤波器和其它机制。
蜂窝无线电集成是下一个必然步骤，移动市场研究公司M:Metrics的高级分析员John Jackson指出，但是现在离市场的大规模发展还早了一点。“因为蜂窝运营商最近很热衷于在手机中整合WLAN，鉴于存在于OEM和运营商之间的业务环境，显然OEM不会过于积极。”他认为。
“从技术角度来看，这种集成也极具挑战，”Jackson表示，“特别是在蜂窝领域必须支持多个频段的环境中。”
有人质疑Wi-Fi的配售率(attach rate)是否会高到一定程度，从而证明在同一块芯片内整合Wi-Fi、蓝牙和蜂窝无线电真的有必要。Jackson预估到2011年左右，付运的手机中将有16%-20%会集成WLAN。和任何新技术一样，用户群中只有一部分会充分利用这种能力，他补充道。
“许多市场研究人员都认为，到2010年WLAN将无处不在，”Jackson告知，“但我的看法要保守一些。”
* 什么是WLAN？
WLAN是Wireless Local Area Network的缩写，指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。无线局域网本质的特点是不再使用通信电缆将计算机与网络连接起来，而是通过无线的方式连接，从而使网络的构建和终端的移动更加灵活。
* 什么是蓝牙？
蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术，是无线数据和语音传输的开放式标准，它将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统、甚至家用电器采用无线方式联接起来。它的传输距离为10cm～10m，如果增加功率或是加上某些外设便可达到100m的传输距离。由于蓝牙采用无线接口来代替有线电缆连接，具有很强的移植性，并且适用于多种场合，加上该技术功耗低、对人体危害小，而且应用简单、容易实现，所以易于推广。
“由于蓝牙和Wi-Fi (IEEE 802.11 WLAN 标准)都工作在2.4GHz频率范围，因此二者会争用同一频段，”市场分析公司Forward Concepts总裁Will Strauss指出，“虽然它们使用不同的调制技术，例如Wi-Fi使用OFDM，而蓝牙使用FHSS，但一不小心二者就会相互干扰。”
同时，为了接收FM，Broadcom和TI的器件，以及CSR的参考设计中，都加入了第三方RF组件。事实上，Broadcom、CSR、NXP 和 TI都不是首批致力于开发蓝牙/WLAN综合解决方案的厂商。Strauss指出，早在2002年，Mobilian公司发布的双芯片组TrueRadio，就融合了Wi-Fi和蓝牙功能。但自从2003年英特尔收购Mobilian后，该技术已被英特尔无线网络部门所接收。
尽管其他分析人员承认，将Wi-Fi和蓝牙集成在同一个解决方案中并非易事。但同时他们也表示，与几年前相比，技术上的进步极大简化了这种整合。
过去，如果要让某个器件工作在2GHz，设计人员必须构建一款特殊的电路，Gartner公司副总裁兼首席分析师Martin Reynolds表示。不过，随着调制频率更宽、更加完善成熟的频率合成器的出现，这一困难已被克服。
“我们已经把一件相当困难的工作变得相对简单了。”Reynolds表示。
“今天，许多棘手的问题都在芯片上得到了解决。”Farpoint Group公司无线分析师Craig Mathias称。不过，Mathias也提醒业界，集成多个模拟无线电仍然不会像“灌篮”那么简单。
据Broadcom公司WLAN产品RF工程主管Arya Behzad称，工艺节点向65nm的稳步转移，已经能够实现支持两种协议的后端数字电路的集成，但这同时也为前端模拟无线电的集成提出了不少挑战。
“我们必须追随数字技术的发展趋势，65nm技术在性能和功耗方面给我们带来了巨大的好处，”Behzad表示，“但它也使得模拟无线电的集成变得愈发困难。”
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F1: Wi-Fi/蓝牙在手机中集成所面临的五大技术挑战。
他指出，在进行片上无线电集成时，必须具备稳健的校准技术来获得足够的性能和器件良率。例如，Behzad估计，为了补偿工艺中的电阻变化，Broadcom的BCM4325 Wi-Fi/蓝牙/FM收发器大约需要进行10次校准。
“通过这些校准，我们能够在一块芯片上实现一种无线电，”他表示，“但要想在一块芯片上集成多种无线电，设计人员必须将之视为一个整体。”
Behzad介绍，在BCM4325中，三种无线电共享一根主天线，但分别有各自独立的频率稳定器。Broadcom的设计人员通过测量确保了在频率稳定器内各个电压控制振荡器“均不互相干扰”——它们各自工作在完全不同的频率下，且彼此并不是靠得很近。
Broadcom开发的技术旨在保证锁相环工作在不同频率下，但Behzad并没有提及其中用到的专有方法。Broadcom的嵌入式WLAN营销主管Brian Bedrosian表示，该公司采用了精确的滤波技术，将渗漏到电话蜂窝频段的信号减到了最小。
对802.11n草案的支持
对TI来说，在其众多新产品中，WiLink 6.0单芯片解决方案是唯一支持802.11n草案的产品。TI无线个域网和移动WLAN业务主管Amir Faintuch指出，该产品遇到的主要挑战之一，是必须符合.11n 的2.4GHz和5GHz工作频率要求。据他介绍，其实TI的WiLink 4.0已经能够支持5GHz工作频率，但是需要额外的前端部件。
“从定义来看，.11n在任何情况下都需要5GHz。”Faintuch表示，“从设计角度出发，我们力图尽可能平滑地将2.4 GHz和5GHz结合在一起。”
TI的方案包括简化器件前端。设计人员采用现成的功率放大器，并在基带芯片中整合更多功能。“在同一个裸片上非常近距离地集成多个无线电，对于接口来说更具挑战。”Faintuch说。
不过，Gartner的Reynolds却认为，TI以及其它公司将更多的功能封装到基带中，这样做很有可能在未来将自己带入困境。“这还仅仅是个开始。”他指出。随着芯片基带组整合更多的功能，销售商会深受其苦，因为他们销售给手机制造商的芯片会越来越少。
QoS要求
根据NXP产品营销经理Carson Schimanke的说法，在手机中整合多个无线电的关键挑战在于如何防止干扰，确保服务质量(QoS)。不同于近期推出的其它产品，NXP的Nexperia 5210既不是单芯片解决方案，也没有集成FM接收器。
“当用户四处移动时，你仍然要确保服务质量。这的确是一个充满挑战性的使用案例。”Schimanke表示，“你必须具备一些不同无线电的发射路径模块。另一个问题是，如何把不同的无线电有机地集成在手机上？”
尽管目前在许多情况下还很难获知详细的数值，但前面我们提到的四大厂商都声称自己的产品属于节能型，而这点对于手机而言非常重要。大多数人都认同，向65nm的转移有益于降低器件功耗。CSR在此引用了一些数据：电话闲置时，典型蜂窝功率为5mW；进行网络语音通话时，功耗为288mW。TI声称，WiLink 6.0 的功耗与前几代WiLink产品相比不到50%；Broadcom表示，BCM4325的待机功耗较其它竞争对手低40%；而NXP也声称，5210具有“业界领先的低功耗性能”。
Gartner的Reynolds把大量类似产品争相发布的原因归结为手机制造商积极推动芯片供应商研发相关技术，从而支持两种协议。“现在的竞争非常激烈，一些手机厂商也许希望借此脱颖而出。”Reynolds表示。
他补充说，就像任何新技术一样，第一款芯片不可能尽善尽美，但他预计质量会迅速提高。“只要电话能够正常工作，即使蓝牙和WLAN可能稍有不协调，人们也不会抱怨。”
集成更多无线电？
目前，随着芯片供应商在单芯片上集成多种无线电，下一步很有可能会对蜂窝无线电、蓝牙、Wi-Fi 及 FM进行整合。从根本上来说，这将是一项更富技术挑战性的任务，需要开发MEMS滤波器和其它机制。
蜂窝无线电集成是下一个必然步骤，移动市场研究公司M:Metrics的高级分析员John Jackson指出，但是现在离市场的大规模发展还早了一点。“因为蜂窝运营商最近很热衷于在手机中整合WLAN，鉴于存在于OEM和运营商之间的业务环境，显然OEM不会过于积极。”他认为。
“从技术角度来看，这种集成也极具挑战，”Jackson表示，“特别是在蜂窝领域必须支持多个频段的环境中。”
有人质疑Wi-Fi的配售率(attach rate)是否会高到一定程度，从而证明在同一块芯片内整合Wi-Fi、蓝牙和蜂窝无线电真的有必要。Jackson预估到2011年左右，付运的手机中将有16%-20%会集成WLAN。和任何新技术一样，用户群中只有一部分会充分利用这种能力，他补充道。
“许多市场研究人员都认为，到2010年WLAN将无处不在，”Jackson告知，“但我的看法要保守一些。”
* 什么是WLAN？
WLAN是Wireless Local Area Network的缩写，指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。无线局域网本质的特点是不再使用通信电缆将计算机与网络连接起来，而是通过无线的方式连接，从而使网络的构建和终端的移动更加灵活。
* 什么是蓝牙？
蓝牙技术是爱立信、IBM等5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术，是无线数据和语音传输的开放式标准，它将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统、甚至家用电器采用无线方式联接起来。它的传输距离为10cm～10m，如果增加功率或是加上某些外设便可达到100m的传输距离。由于蓝牙采用无线接口来代替有线电缆连接，具有很强的移植性，并且适用于多种场合，加上该技术功耗低、对人体危害小，而且应用简单、容易实现，所以易于推广。
