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Single-Chip-Telefon Alle Handy-Funktionen auf einem Chip

Autor / Redakteur: Eric Garlepp* / Jan Vollmuth

Integration in Mobiltelefonen ist der Schlüssel für reduzierte Gesamtkosten und zusätzliche Funktionen, da weniger Bauteile benötigt und damit mehr Leiterplattenfläche zur Verfügung steht. Die Einchip-Integration für Mobiltelefone bietet Vorteile – bringt aber auch Herausforderungen bei der Entwicklung mit sich, um Leistungseinbußen zu vermeiden.

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Die Zahl der Handy-Komponenten sinkt mit einem AeroFONE-Chip auf ca. 50
Die Zahl der Handy-Komponenten sinkt mit einem AeroFONE-Chip auf ca. 50
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Integration aller wesentlichen Unterbaugruppen eines Mobiltelefons auf einen monolithischen Baustein bringt erhebliche Vorteile: Durch Wegfall der externen diskreten und passiven Bauelemente für die interne Kommunikation der Unterbaugruppen sinkt die Zahl der erforderlichen Bauelemente. Während ein herkömmlich gefertigtes Dual-Band-GSM/GPRS-Modem mit getrennten Basisband- und Transceiver-Bausteinen zwischen 200 und 250 Komponenten benötigt, reduziert sich die Zahl der Bauelemente bei Einsatz eines integrierten Chips der AeroFONE-Familie von Silicon Laboratories auf 51 Bauelemente (siehe Grafik und Tabelle 1).

Für Handyhersteller bedeutet dies erhebliche Einsparungen hinsichtlich Bauteilkosten, Fertigungs- und Montagekosten als auch bei Einkauf und Lagerhaltung. Weniger Bauteile und -arten im Lager entlasten die Versorgungskette, das Risiko von Ausfallzeiten, etwa durch Lieferverzögerungen, sinkt.

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Da sich außerdem das Routing zwischen verschiedenen ICs erübrigt, verringert sich die Komplexität der Leiterplatte von einem sechs- oder achtlagigen Board auf ein vierlagiges Board, was 30 bis 50% der Leiterplattenkosten einspart.

Steigende Rentabilität durch höhere Testausbeute

Da ein Großteil des Modems auf einem Chip integriert ist, kann der Halbleiterhersteller wesentlich mehr Systemspezifikationen testen und sicherstellen als bei getrennt gelieferten Bauteilen. Die Testzeiten sinken, die Testausbeute steigt – und damit die Rentabilität: Wird die Testausbeute um 1% verbessert, kann sich der Ertragswert um bis zu 25% erhöhen.

Ein weiterer Vorteil einer Single-Chip-Lösung: Anstelle mehrerer Bauelemente muss lediglich ein Bauteil beschafft werden. Bei Modem-Chipsätzen einschließlich Single-Chip-Lösungen, die einen getrennten PMU-IC (Power Management Unit) enthalten, muss die gesamte Handy-Fertigungslinie angehalten werden, sobald ein IC des Chipsatzes nicht zur Verfügung steht.

Weniger Bauteile auf der Leiterplatte und die Integration aller Unterbaugruppen auf einem Chip reduzieren den Aufwand bei der Feineinstellung der Hardware und Optimierung der Systemsoftware. Ein Single-Chip-Mobiltelefon enthält im Idealfall die gesamte Systemtaktaufbereitung, die über einen digital gesteuerten Quarzoszillator (DCXO) bereitgestellt wird, der nur einen 26-MHz-Quarz benötigt. Die Integration des DCXO in das digitale Basisband (DBB) mit zugehöriger Software erfordert nur eine minimale Feineinstellung in der Entwicklungsphase, um die Quarzfrequenz festzulegen. Zeitraubende Änderungen der Leiterplatte oder Werkseinstellungen erübrigen sich.

Optimierte Leistungsparameter

Mit einem Single-Chip Phone lassen sich zudem verschiedene Leistungsparameter optimieren, da alle auf einem einzigen Die vorhanden sind. So lässt sich z.B. der HF-Empfänger über den digitalen Signalprozessor (DSP) im Basisband optimieren, um eine optimale Kombination aus Empfindlichkeit, Linearität und angrenzender Kanalleistungsfähigkeit zu erzielen.

Der Sender lässt sich ebenfalls optimieren, da sich alle Blöcke – von Audio bis HF – auf dem gleichen Chip befinden. Temperatur- und Halbleiterprozess-Effekte lassen sich insgesamt abgleichen, sofern alle Unterbaugruppen auf einem einzigen Chip vorhanden sind. Durch die sehr enge Kopplung miteinander kommunizierender Blöcke auf dem gleichen Die lässt sich das System-Timing optimieren, was eine effiziente Regelung der Gesamtleistungsaufnahme ermöglicht. Dies führt schließlich zu verbesserten Standby- und Sprechzeiten.

Die Anforderungen des Marktes

Die Vorteile eines Single-Chip-Phones zahlen sich besonders im Einsteiger- und Low-Cost-Bereich für Mobiltelefone aus. Bei der Mehrzahl dieser Geräte handelt es sich um GSM/GPRS-Handys, deren Stückzahlen in den nächsten vier Jahren und später laut Analysten sehr hoch sein werden. In diesem Marktsegment sind die Modemanforderungen ausgereift, während Multimedia-Leistungsmerkmale eher begrenzt, im Vergleich zu höher angesiedelten Handy-Marktsegmenten aber einfach zu integrieren sind.

GPRS-Funktionalität ist erforderlich, um grundlegende Datendienste wie WAP-Browsing, MMS und Downloads polyphoner Klingeltöne zu unterstützten. Aufgrund der Kostenbeschränkung sind Standard-Multimediafunktionen, wie z.B. Kamera-JPEG-Dekodierung, nicht realisierbar. Dazu wären applikationsbezogene digitale Basisbänder oder externe Hardware-Coprozessoren erforderlich. Ein GPRS-fähiges Single-Chip Phone eignet sich daher ideal für das Einsteiger-Segment.

Ultra-Low-Cost-Handys zunehmend gefragt

Der rasch wachsende Markt der Ultra-Low-Cost-Handsets (ULCH), die in Ländern wie Brasilien, Russland, Indien und China (BRIC) nachgefragt werden, wird durch ein Single-Chip-Mobiltelefon mit ausgereifter GSM-Technologie grundlegenden Leistungsmerkmale optimal bedient.

In diesem Markt spielen die Kosten für den Verbraucher eine entscheidende Rolle: Der Markt erfordert erheblich reduzierte Stücklistenkosten (BOM – Bill of Materials), darf aber dadurch keine Leistungseinbußen erfahren. Im Gegensatz zu Handys im höheren Marktsegment benötigt der ULCH-Markt überraschenderweise Handys mit höherer HF-Leistungsfähigkeit, da in den genannten Ländern schlechtere Infrastrukturen der Netzwerkbetreiber vorliegen. Um im ULCH-Markt Erfolge zu verbuchen, müssen Testkosten verringert, die Ausbeute und Zuverlässigkeit erhöht werden, da für Handyhersteller der Support und Service nach dem Verkauf in solche Länder schwierig ist.

HF-Leistungsfähigkeit in GSM/GPRS-Handys

Zwei Faktoren spielen bei der Kundenbindung eine wichtige Rolle: die Erreichbarkeit und die Rufzuverlässigkeit. Diese Werte hängen von der Leistungsfähigkeit des Transceiver-Subsystems im Modem ab. Die HF-Systemspezifikationen legen somit die Grundlage für die Anforderungen an ein Single-Chip-Mobiltelefon.

Der GSM/GPRS-Standard legt strenge HF-Spezifikationen für den Modem-Chipssatz fest, sowohl beim Empfang (RX) als auch beim Senden (TX). Zu den wesentlichen Spezifikationen zählen die Empfangsempfindlichkeit, Blocking und AM-Unterdrückung sowie das Sendemodulationsmaskenspektrum und die Sendeleistung im RX-Band (d.h. 20 MHz Phasenrauschen).

Die Empfangsempfindlichkeit misst die Fähigkeit des Handys, auch schwache Signale korrekt zu empfangen und zu verarbeiten. Sie erfordert eine optimierte Rauschleistung der Empfängervorstufe, also des LNA und HF-Mischers, und eine gute Linearität.

Die Empfangsblockierung (Blocking) misst die Fähigkeit des Handys, Störsignale zu kompensieren, die den Rufeingang und Empfang stören können oder sogar Anrufe zusammenbrechen lassen. Bei diesen Störungen kann es sich um Empfangssignale des gleichen Netzwerks oder von anderen Netzwerken handeln – oder sogar um Sendesignale eines in der Nähe befindlichen Handys.

Störungen durch benachbarte Handys

Die AM-Unterdrückung erfolgt ähnlich wie das Blocking, das Störglied ist jedoch dynamisch und nicht konstant. Jegliche Kalibrierung, die der Empfänger zu Beginn eines Anrufes oder Bursts durchführt, kann durch den dynamischen Einfluss beeinträchtigt werden (d.h. das Störglied ändert seine Funktion während des Bursts).

Die Auswirkungen der AM-Unterdrückung hängen von der Architektur ab. Eine Architektur mit direkter Wandlung ist besonders anfällig, eine niedrige Zwischenfrequenz (IF) hingegen weit gehend immun gegen zusammenbrechende Anrufe und gestörtem Empfang.

Die Sendespezifikationen beeinflussen die Merkmale anderer Handys im gleichen Netzwerk oder in anderen Netzwerken. Das Sendesignalspektrum muss sich innerhalb der erforderlichen Spektralmaske befinden. Im Abstand von 400 kHz versetzt von der Mitte des gewünschten Signals liegt ein alternierender Kanal (zwei Kanäle entfernt). Der 400-kHz-Versatz ist der am schwersten zu erzielende Versatz. Ein Mobiltelefon mit einem rauschbehafteten Sender kann die Nutzbarkeit anderer Handys beeinträchtigen, denen alternierende Kanäle zugeordnet wurden.

Die 400-kHz-Spektralmaskenleistung hängt von der Sendearchitektur und vom Rauschmanagement der gesamten Sendekette ab. Das Rauschen eines gesendeten Spektrums, das von einem Empfängerband eines anderen Handys aufgenommen wird, unterliegt strengen Anforderungen. Die Sende-/Empfangsfrequenzbänder liegen nur 20 MHz voneinander getrennt. Nutzt ein Sender einen Kanal in der Nähe seiner Bandhöchstgrenze, kann ein gewünschtes Signal am der Banduntergrenze mit Rauschen überlagert werden, was zum Zusammenbrechen des Anrufs führt.

Die HF-Leistungsfähigkeit ist eine Herausforderung

Das Einhalten der strengen GSM/GPRS-Spezifikationen für Modem-Chipsätze ist eine Herausforderung. Das Problem verschärft sich, wenn alle erforderlichen Unterbaugruppen in einem einzigen, monolithischen IC kombiniert werden sollen.

Digitale Unterbaugruppen wie DSPs und Mikroprozessoren arbeiten bei hohen Frequenzen und können HF- und Analogschaltkreise stören, was die HF-Leistungsfähigkeit beeinträchtigt. Ursache dafür sind Kopplungen, die Fremdrauschen, eine geringe Blocking-Leistung, schlechtere Empfindlichkeit, Verzerrung des Ausgangsmodulationsspektrums und eine schlechtere Audioleistung nach sich ziehen.

Die wesentliche Herausforderung bei der Implementierung einer Single-Chip-Lösung für Mobiltelefone ist die Bewältigung des digitalen Störeinflusses und die gleichzeitige Integration empfindlicher Kleinsignal-HF-Schaltkreise und schneller, digitaler Basisband-Unterbaugruppen.

Integration nur ohne Leistungseinbußen sinnvoll

Wie beschrieben stellt die Integration schneller, rauschbehafteter digitaler Basisbandschaltkreise und empfindlicher HF-Schaltkreise auf einem Chip hohe Anforderungen an die Entwickler. Nur ein echtes Single-Chip-Phone, das HF, DBB, ABB und PMU auf einem einzigen Chip ohne Leistungseinbußen integriert, bietet sämtliche Vorteile einer hohen Integration – die wiederum Voraussetzung ist für deutliche Kosteneinsparungen bei der Handyproduktion. Die Bausteine der AeroFONE-Familie zeigen, dass schon heute Lösungen für Mobiltelefone bereitstehen, die diesen speziellen Anforderungen gerecht werden.

Die AeroFONE-Single-Chip-Phone-Familie

Die Single-Chip-Phone-Familie AeroFONE von Silicon Laboratories umfasst den Si4905 mit Quad-Band-GSM/GPRS-Funktionalität und den Si4901 für Dual-Band-GSM/SMS-Handys (Tabelle 2)

AeroFONE integriert alle wesentlichen Unterbaugruppen eines Mobiltelefons auf einem IC: HF-Transceiver, Basisband und PMU (Power Management Unit).

Die AeroFONE-Architektur wurde für die Kombination von drei unterschiedlichen Schaltkreistypen auf einem monolithischen Die konzipiert: schnelle digitale Schaltkreise, analoge Schaltkreise mit hoher Spannung und empfindliche HF-Schaltkreise.

Die patentierte Systemarchitektur isoliert die empfindlichen Systembestandteile von rauschbehafteten und erzielt somit eine hohe HF-Leistungsfähigkeit. Auf Subsystemebene weist der HF-Core auf Basis des Aero-II-Transceivers eine digitale ZF-Empfängerarchitektur mit niedriger ZF auf und bietet somit eine hohe Empfängerleistung. Die VCO- und Synthesizer-Technologie ermöglicht ebenfalls eine hohe Empfänger- und Sendeleistung. In AeroFONE stecken fast 10 Jahre Knowhow in Sachen digitales Rauschmanagement.

Silicon Laboratories, Tel. +49(0)7231 589170

Eric Garlepp ist Produktmanager bei Silicon Laboratories in Austin, Texas

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