神马文学网移动存储器全面解析
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2007年11月5日 赛普拉思半导体
似乎每天都有新的海量存储器标准问世。CompactFlash(CF)曾一度独步天下，但是今天，新设备制造商不得不在CF、安全数据(SD)、SDIO、多媒体存储卡(MMC)、RS-MMC、MMC Plus、MemoryStick、XD-Picture(XD)和CE-ATA等等这些海量存储器之间做出选择。有时，一种新标准具有明显优势；而另外一些时候，新标准和已有标准又像是在重蹈Betamax与VHS格式间的对决，在先期很难看到谁将取得胜利。
CF标准是所有小型海量存储器的鼻祖，10多年前由SanDisk开发出来。它具有8或16位并行数据总线，传输速率在3～66MBPS之间。在许多需要16位宽UDMA总线(66Mbps)的高传输速率和高容量设备中，仍需要CF标准。目前CF+格式硬盘的可用容量最高可达10GB，而CF闪存卡可用的最高容量是8GB。
因为首款CF卡使用的是NOR闪存，所以CF标准要求CF卡隐匿与NAND闪存接口的部分。主机在与CF卡通信时会将其看作是一个IDE硬盘，而CF卡上的控制器则负责坏块管理、平均读写(wear leveling)算法和与NAND闪存协同工作时所需的逻辑-物理映射。
CF卡虽然一直未能成为手机用可移动存储器的主流，但它却在数码相机领域保持着极高的市场份额，特别是在大容量和高速度极为重要的高端市场。目前其它几种外设也可与CF+版本的接口进行连接，包括以太网、RS-232、传真/调制解调器、USB、蓝牙以及802.11b WLAN。
多媒体存储卡(MMC)
1997年，西门子和SanDisk推出了多媒体卡，其外形比CF卡小，从而可实现更小巧的便携式设备。在基本应用中，MMC可通过标准三线SPI接口外加一条片选线来控制。SPI接口的时钟频率最高可达20MHz。对需要更高带宽的应用，该规范提供拓宽了的4和8位带宽。MMC规范的4.0版增加了52MHz频率，从而支持50MBPS的传输速率。
与CF不同，MMC规范不免除授权费用。根据www.MMCA.org上提供的信息：如果你不是MMC制造商，你可以分别花500美元或1,000美元订购MMC3.1或4.1版(MMCmobile和MMCplus)规范，而你的公司也并不需要成为MMCA成员。
目前有三种类型的存储卡以MMC框架为基础，它们分别是：MMC Plus、MMC Mobile和MMC Micro。MMCplus是一种标称尺寸的MMC卡，它工作在2.7～3.6V电压下；具有1、4或8位的总线带宽；最低2.4MBPS的读写性能和26MHz频率(可以选择52MHz)。MMCmobile的体积更小，支持的电压也更低：1.65~1.95 V及2.7~3.6V。MMCmobile还必须支持MMCplus所需要提供的性能。MicroSD是该系列的最新补充。MicroSD的体积不到miniSD的1/3，是目前可用的最小存储卡(表1)。
表1：各种存储卡的主要参数比较。
MMC和SD卡：区别在哪里？
常常有人将MMC标准和SD标准混为一谈，但实际上，它们是两个不同的标准。SD卡规范由以松下、东芝和SanDisk牵头的一个组织所有，而MMC规范由一个由涵盖广泛的行业组织领导的MMCA(多媒体卡协会)控制。
有些出人意料的是，SD卡背后的推动力量从未得到行业的广泛认可。SD卡具有与索尼MagicGate类似的加密硬件，MagicGate被用于索尼的MemoryStick产品中。在音乐界接受以数字方式传播音乐之前，SD卡花了8年多的时间希望得到行业认可，而现在，SD卡已经成为该领域的附属产品。去年初，MMC协会接纳了具有竞争性的安全卡标准——Secure MMC 1.1版规范。在三星网站www.samsung.com上可查到Secure MMC的概览。
MMC卡可插在为SD卡设计的物理槽内，该槽有两种形态：薄形和标准形。薄SD卡可插入MMC槽，但标准SD卡却因为厚度而无法插进。MMC和SD卡所用的协议在SD卡规范rev 2.11中完全兼容，但自此后，两种规范出现了某种程度的分道扬镳。
图1：7脚MMC卡和9脚SD卡的区别清楚可见。
MMC和SD卡的管脚排列是兼容的(图1)。SD卡上最多有9个管脚，而MMC卡上最多有13个管脚(图2)。MMC卡上多出管脚的唯一功能是增加总线宽度(表2)。因为可以对总线宽度进行编程，所以控制器可容易地找到共同特性并据此进行设置。所有带内置MMC支持能力的微处理器也支持SD卡。
更小体积：MMCmicro vs. MicroSD
MMC和SD组织为小型闪存卡创建的两种不同标准为业界带来了困惑。通过使用机械适配器，MMCmicro和MicroSD(也称为TransFlash)都后向兼容现有的SD/MMC插槽(图3)。两种存储卡体积都很小，但MMCmicro比MicroSD更快。MMCmicro采用MMC规范定义的较高的52MHz时钟速率，而MicroSD则继续采用25MHz。另外，MMCmicro卡拥有4位数据总线，而MicroSD仅支持串行数据传输。再有，MMCmicro支持1.8V电压，而MicroSD仅能工作于2.7～3.6 V电压。
图2：13脚MMC卡后向兼容7脚版本。
XD-Picture卡
XD-Picture卡(以下简称“XD”卡)是在2002年7月推出的。与索尼的MemoryStick一样，它也是一种专属格式，所以很难从XD卡官方网站(www.xd-picture.com)中找到更多信息。如果想要了解你的公司需要花多少钱才能得到XD卡的使用许可，你必须与XD卡授权许可方签定保密协议。
XD卡与SmartMedia标准有一点类似，即它们都是针对原始NAND闪存的封装技术。XD卡中没有嵌入控制器，所以控制CPU负责维护逻辑-物理表、管理坏区并执行纠错。该架构的优点是减小了硅面积，并且允许管理CPU拥有更多的接口控制能力，从而缩短写入时间。该架构的不利面，是管理CPU必须执行全部SmartMedia控制功能。
图3：MMCmicro与MMC和SD的管脚排布。
SDIO
SDIO在SD标准上定义了一种外设接口。目前，SDIO有两类主要应用——可移动和不可移动。目前的可移动设备作为Palm和Windows Mobile的扩展设备，用来增加蓝牙、照相机、GPS和802.11b功能。不可移动设备遵循相同的电气标准，但不要求符合物理标准。某些手机内包含通过SDIO连接CPU的802.11芯片。此举将“珍贵”的I/O管脚资源用于更重要的功能。
蓝牙、照相机、GPS和802.11b设备有专为它们定义的应用规范。这些应用规范与为PCI和USB设备定义的类规范很相像。它们允许任何宿主设备与任意外设“通话”，只要它们都支持应用规范。
SDIO和SD卡规范间的一个重要区别是增加了低速标准。SDIO卡只需要SPI和1位SD传输模式。低速卡的目标应用是以最小的硬件开支支持低速I/O能力。低速卡支持类似调制解调器、条码扫描仪和GPS接受器等应用。对“组合”卡(存储器+ SDIO)而言，全速和4位操作对卡内存储器和SDIO部分都是强制要求的。
CE-ATA
CE-ATA有助于简化消费电子(CE)和ATA硬盘的结合。消费电子中有越来越多使用硬盘的趋向，但在小巧的手持设备中，40脚的ATA连接器和50脚的CF连接器实在占用了太多I/O资源。在CE-ATA规范中，ATA指令结构被覆盖在MMC物理层顶部。这种处理允许重新利用内置在当今常用应用处理器内的现有MMC控制器。CE-ATA连接器利用12个管脚实现9脚SD/MMC接口。多余的3个脚提供保留脚和额外的一对电源地，以便硬盘电机可工作在与信号线不同的电压。CE-ATA接口性能与4位SD/MMC一样。当采用25MHz和52MHz时钟时，其最高传输速率可分别达12.5MBPS和26MBPS。
摄像机的定焦和变焦镜头
2007年10月24日 西部电子网
镜头是摄像机的眼睛，正确选择镜头以及良好的安装与调整是清晰成像的第一步。当前，1／3"镜头是应用的主流，自动光圈镜头销售量最多，变焦镜头是应用发展的趋势。
1)应依据摄像机到被监视目标的距离，来选择定焦镜头(Fixed Focal Lens)的焦距。
从焦距上区分有短焦距广角镜头、中焦距标准镜头、长焦距远镜头。镜头焦距通常用值来表示，镜头光圈一般用F表示，F取值以镜头的焦距／和通光孔径d的比值来衡量，F=f/d，每个镜头上均标有其最大的F值。
2)摄像机的镜头规格应与摄像机CCD靶面尺寸(1／2"为6.4hX4.8υ、1／3"为4.8hX3.6υ、1／4"为3.2hX2.4υ)相对应。如果镜头尺寸与摄像机CCD靶面尺寸不一致时，观察角度将不符合设计要求，或者发生画面在焦点以外等问题。
3)摄像机的水平视觉度数及垂直视觉度数与摄像机CCD靶面尺寸hXυ及镜头焦距f之间有如下关系：水平视觉度数=2arctan (h／2f)；
垂直视觉度数=2arctan (υ/2f)。
4)镜头有自动光圈(auto iris)和手动光圈(manual iris)之分。自动光圈用于被照物光线变化较多场合，手动光圈用于被照物光线稳定之处。
自动光圈镜头有二种驱动方式：一类为视频输入型Video driver(with Amp)，它将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈，这种视频输入型镜头内包含有放大器电路，用以将摄像机传来的视频信号转换成对光圈马达的控制，另一类称为DC输入型(DC driverno Amp)，它利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈，这种镜头内只包含电流计式光圈马达，摄像机内没有放大器电路。二种驱动方式产品不具可互换性，但现已有通用型自动光圈镜头推出。
5)镜头安装有C型和CS型两种，C型安装的镜头在CCD摄像机与镜头间多了5mm 调整光圈值的环。C型安装的摄像机可用CS型镜头，但CS安装的摄像机不能使用C型镜头。Philips公司推出革命性的Wizard镜头安装向导，保证镜头与摄像机的完全兼容，这使得在任何环境下都可得到最优图像。
6)变焦镜头由于在一个镜头内能够使镜头焦距在一定范围内变化，因此可以使被监控的目标放大或缩小。典型的光学放大规格有诸如6～20倍等不同档次，并以电动缩放镜头(Zoom Lens)应用最普遍。按变焦镜头参数可调整的项目划分有：
·三可变镜头——光圈、聚焦、焦距均需人为调节。
·二可变镜头——通常是自动光圈镜头，而聚焦和焦距需人为调节。
·单可变镜头——一般是自动光圈和自动聚焦的镜头，而焦距需人为调节。
7)缩放/变焦镜头(Vari Focal Lens)是变焦镜头配合缩放镜头功能，焦距连续可变，可将远距离物体放大，又可提供一个宽广视景，使监视宽度增加。日本Kowa公司提供从1.6～3.4mm的宽角度镜头到15.0—300mm的远距镜头。
8)除传统的球面镜头外，新一代的是非球面镜头(Aspherical Lens)，镜片研磨的形状为抛物线、二次曲线、三次曲线或高次曲线，并且在设计时就考虑到了镜头的相差、色差、球差等校正因素，通常一片非球面镜片就能达到多个球面镜片矫正像差的效果，因此可以减少镜片的数量，使得镜头的精度更佳、清晰度更好、色彩还原更为准确、镜头内的光线反射得以降低，镜头体积也相应缩小。非球面镜头具有变倍高、物距短、光圈大的特点。变倍高可以简化镜头的种类，物距短可以应用在近距离摄像的场合，光圈大则可以适应光线较暗的场所，因此应用领域日渐宽广。日本AVENIA的非球面镜头产品SSV0770，近摄距离可到30cm，
光圈值也可到F1.6，变焦范围可从7.0～70mm，变倍率高达十倍，可用于电视监控等领域。
DSP与普通MCU的区别
2007年11月2日 嵌入式在线论坛
考虑一个数字信号处理的实例，比如有限冲击响应滤波器（FIR）。用数学语言来说，FIR滤波器是做一系列的点积。取一个输入量和一个序数向量，在系数和输入样本的滑动窗口间作乘法，然后将所有的乘积加起来，形成一个输出样本。
类似的运算在数字信号处理过程中大量地重复发生，使得为此设计的器件必须提供专门的支持，促成了了DSP器件与通用处理器（GPP）的分流：
1 对密集的乘法运算的支持
GPP不是设计来做密集乘法任务的，即使是一些现代的GPP，也要求多个指令周期来做一次乘法。而DSP处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法。DSP处理器还增加了累加器寄存器来处理多个乘积的和。累加器寄存器通常比其他寄存器宽，增加称为结果bits的额外bits来避免溢出。同时，为了充分体现专门的乘法-累加硬件的好处，几乎所有的DSP的指令集都包含有显式的MAC指令。
2 存储器结构
传统上，GPP使用冯.诺依曼存储器结构。这种结构中，只有一个存储器空间通过一组总线（一个地址总线和一个数据总线）连接到处理器核。通常，做一次乘法会发生4次存储器访问，用掉至少四个指令周期。
大多数DSP采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个，分别存储程序和数据。它们有两组总线连接到处理器核，允许同时对它们进行访问。这种安排将处理器存贮器的带宽加倍，更重要的是同时为处理器核提供数据与指令。在这种布局下，DSP得以实现单周期的MAC指令。
还有一个问题，即现在典型的高性能GPP实际上已包含两个片内高速缓存，一个是数据，一个是指令，它们直接连接到处理器核，以加快运行时的访问速度。从物理上说，这种片内的双存储器和总线的结构几乎与哈佛结构的一样了。然而从逻辑上说，两者还是有重要的区别。
GPP使用控制逻辑来决定哪些数据和指令字存储在片内的高速缓存里，其程序员并不加以指定（也可能根本不知道）。与此相反，DSP使用多个片内存储器和多组总线来保证每个指令周期内存储器的多次访问。在使用DSP时，程序员要明确地控制哪些数据和指令要存储在片内存储器中。程序员在写程序时，必须保证处理器能够有效地使用其双总线。
此外，DSP处理器几乎都不具备数据高速缓存。这是因为DSP的典型数据是数据流。也就是说，DSP处理器对每个数据样本做计算后，就丢弃了，几乎不再重复使用。
3 零开销循环
如果了解到DSP算法的一个共同的特点，即大多数的处理时间是花在执行较小的循环上，也就容易理解，为什么大多数的DSP都有专门的硬件，用于零开销循环。所谓零开销循环是指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值、条件转移到循环的顶部、将循环计数器减1。
与此相反，GPP的循环使用软件来实现。某些高性能的GPP使用转移预报硬件，几乎达到与硬件支持的零开销循环同样的效果。
4 定点计算
大多数DSP使用定点计算，而不是使用浮点。虽然DSP的应用必须十分注意数字的精确，用浮点来做应该容易的多，但是对DSP来说，廉价也是非常重要的。定点机器比起相应的浮点机器来要便宜（而且更快）。为了不使用浮点机器而又保证数字的准确，DSP处理器在指令集和硬件方面都支持饱和计算、舍入和移位。
如何解决手机中WiMax、蓝牙和Wi-Fi共存问题
2007年10月16日 手机设计
从单功能蜂窝电话到具有丰富连接功能的各种多模多媒体设备，移动电话的发展非常迅速。这种发展趋势同时有益于用户、运营商、网络服务提供商和应用开发人员，但对手机OEM商来说却意味着难度越来越高，因为不同的无线协议之间存在着难以处理的干扰问题。比如：
1.蓝牙：这是中端/高端手机中的标配功能，可以提供耳机、笔记本(无线PC modem和/或同步功能)以及打印机等外设的短距离连接。
2.Wi-Fi：可以让用户接入互联网，打VoIP电话。
3.WiMax：很快会将与Wi-Fi相同的功能扩展到更远的距离，并且性能更加稳定。
手机制造商几年前就认识到，蓝牙和Wi-Fi(2.4GHz频带)的频率非常接近，而且它们的天线靠在一起，再加上两种协议完全不协调的事实，最终将导致发生故障的严重性能挑战。蓝牙和Wi-Fi芯片组供应商在产品中增加了共存接口，实现了在共享无线频率媒介上的仲裁，以防止冲突和信号劣化，从而有效解决了这一难题。
随着移动WiMax(IEEE802.16e)的推出，OEM又面临新的干扰挑战，这是因为新的WiMax协议工作在多个频带(在WiMax术语中定义为“模式”)，而最常用的是2.3-2.4GHz和2.5-2.7GHz。这种频率区间虽然比蓝牙和Wi-Fi之间的大，但仍不足以避免共存问题的发生。
一个典型的使用场合是，用户一边利用蓝牙耳机进行蜂窝通话，一边通过电话的WiMax无线链路下载电子邮件或浏览互联网，这时确保无线接口共存的完美机制就很有必要。如果没有这种机制，话音质量和数据包吞吐量下降将导致用户体验低劣。由于有越来越多的最终用户使用蓝牙和Wi-Fi配件(如蓝牙耳机，Wi-Fi路由器)，因此最佳解决方案必须能与已经投入使用的设备一起工作，而不是去修改现有设备。
WiMax和蓝牙干扰
上述情景将用来分析从WiMax发射到蓝牙无线链路的干扰模式，并确定其影响。图1所示是一个由蓝牙耳机和带WiMax功能的移动电话组成的系统。蓝牙耳机的发射功率是0dBm。在耳机天线处收到的信号电平是-40dBm。蓝牙规范要求接收器能够处理最高为-27dBm的干扰信号。
本例中手机的WiMax发射器工作在2.5-2.7GHz频带。WiMax功放(PA)的输出功率可能高达+25dBm。WiMax和蓝牙发射天线彼此靠得很近，用户的手或手机摆放的表面通常会在它们之间造成10dB的路径损耗。这样一来，在蓝牙带通滤波器(BPF)输入端产生的信号电平为+15dB。BPF必须能够通过高达2.48GHz的频率(最高的蓝牙跳频)，因此无法抑制超过3dB的无用WiMax信号，故至少有+12dB的干扰信号被传递到蓝牙低噪放大器(LNA)。
图1：由蓝牙耳机和带WiMax功能的手机构成的通信系统。
假定蓝牙抑制能力为-27dBm，那么很明显无法有效抑制掉WiMax信号，这样就会发生阻塞。另外，蓝牙LNA输入端如此强的信号可能会超过LNA的最大额定输入功率，最终导致严重的可靠性问题。
为了便于讨论，本文规定“本端”代表使用手机的一方，“远端”代表正在通话的另一方。只要手机的蓝牙接收电路被WiMax发射信号阻塞，远端就会听到“喀喇”声。
WiMax阻塞对本端的影响程度稍低些，因为从手机到耳机存在较高的路径损耗，但对本端端点的干扰也不能被完全忽略。这种“喀喇”声发生的概率异常的高。假设在以下场合(后文有解释)，手机中的蓝牙接收器最多有1/6的时间在用。根据WiMax的使用情况，随着流量的增加，在较高频率处，蓝牙接收器将会被阻塞。如上所述，蓝牙发射对WiMax接收有负面影响，但不是很严重。
解决共存挑战
根据上文的分析，显然无法消除或者减轻无线或物理层(PHY)的干扰，因为这种干扰是系统与生俱来的。因此，解决方案必须通过更高的层即介质访问控制(MAC)层来实现。在MAC层，可以实现不同协议之间的同步，并保证共享频谱上的带宽能够以时分复用、非并性和公平的方式得到分配。这种解决方案可以消除任何潜在的冲突，同时仍能保持固有的链路性能属性。
有许多应用场合和使用情况需要解决，也即WiMax、蓝牙和Wi-Fi发射和接收的各种组合，每种情况都有不同的链路扫描、建立和活动模式。为了讨论的连贯性，我们仍使用上面的例子来解释推荐的共存解决方案。后面我们还会在上述用例中增加Wi-Fi无线链路，该链路用以下要素表征：
?移动电话和WiMax基站之间的有效WiMax链路。
?工作在SCO/HV3模式(商用蓝牙耳机使用的标准模式)的有效蓝牙语音链路。
第一步是同步协议的时间基准。首先，我们必须找到不同系统时钟之间的‘最小公因子’，并确保它们能协调动作。蓝牙SCO/HV3模式的时基是625us，而WiMax的时基是基于5ms的帧。这意味着最小公因子时间间隔为15ms，在此期间可以处理3个WiMax帧和24个蓝牙时隙。一旦解决方案被认为能够满足15ms时间间隔，重复模式就可确保该解决方案基本上可用于这种模式。
在确定重复模式后，有必要确保两个时基是同步的，并在整个链路的并行操作过程中仍能保持同步。由于WiMax基站决定了时基，因此移动电话不可能控制相对于蓝牙时基的相位。另一方面，移动电话中的蓝牙芯片组(假定它是蓝牙链路上的主设备)有能力控制时钟相位，并与WiMax链路上的时钟取得同步。
当蓝牙链路上的主设备是耳机而不是移动电话时，可以执行主从切换(蓝牙术语叫MSS)。一旦成为“主设备”，手机蓝牙芯片就能复位链路的时钟，并使之与WiMax时钟对齐，从而有效地实现两个时基的同步。随着时间的推移，蓝牙时钟与WiMax时钟的相对相位可能出现偏差，因此可能要求重新同步蓝牙时钟。图2给出了两条无线链路之间的时间和相位关系。
在两条链路取得同步并确定基本的重复模式后，下一步就是建立兼顾两个协议工作原理的带宽分配机制。蓝牙SCO/HV3模式定义了一个重复的六时隙周期(3.75ms)，在此期间只有两个连续时隙用于发射，一个用于主设备(用M代表)，一个用于从设备(用S代表)。在这个间隔时间内移动电话和耳机交换未压缩的语音数据包。另外4个时隙尚未使用。这是一种非常基本的模式，没有定义任何调度机制、抖动控制(在时隙级)、重发、纠错技术甚至循环冗余校验(CRC)，因此任何错误都将表现为“喀喇”噪声。
WiMax帧由一个从基站向所有注册移动台广播发送的MAP消息组成。该消息映射了同一WiMax帧中不同移动台的接收间隔，同时在随后的WiMax帧中分配发射间隔。紧随MAP消息的是一个下行链路间隔或“区”(WiMax术语)，用于基站向注册移动台广播、组播或单播发射。在下行链路区后是上行链路区，用于移动台在前面的WiMax帧期间接收发射分配时间。每个WiMax帧依次重复这种模式。
根据蓝牙语音模式的基本特点，确保正确并行操作的基本方针是保证连续的蓝牙发射和接收时隙。因此，基站在这些间隔内(24时隙中的6个时隙，或25%的时间标注“阻塞”)必须被禁止向移动电话发射或分配发送机会。现在让我们分析一下剩余75%的时间，以便理解哪些时间间隔可用于WiMax链路。帧[N]实际上未被移动电话的WiMax链路使用---下行链路间隔未被使用，这是因为，鉴于蓝牙优先级(时隙B1和B2)问题，移动电话不能在帧开头接收MAP消息。上行链路也由于蓝牙优先级(时隙B7和B8)的原因而未被使用。
在帧[N+1]期间，移动电话可以接收和解码MAP消息，并且允许它接收在B10和B12之间的间隙期(2.5ms)发送的突发信号，直到下一次蓝牙分配(时隙B13和B14)。不过，帧[N+1]中的上行链路不能被移动电话使用，因为它没有接收到帧[N]中的MAP消息，该消息用于分配帧[N+1]的上行链路间隔中用于发射的带宽。
在帧[N+2]中，由于蓝牙占用了时隙B19和B20，移动电话将不能接收来自基站的下行链路流量。帧[N+2]的上行链路间隔可能已经被赋于了帧[N+1]的MAP消息中的发射机会，因此可用于移动电话的发射。只要两条链路保持有效，这种模式就会不断重复。
这种机制的潜在规则是需要WiMax链路避免在某段时间内发送信号。有两种方法可以做到这一点：
1. 移动电话可以使用某种WiMax睡眠模式来避免在相应时间内与基站发生交互。这种方法的缺点是在蓝牙时隙B13和B14期间，在WiMax的发送中，可能存在误包率(PER)，不过这种可能性比较低，而且在任何情况下都可以通过WiMax中的前向纠错(FEC)和重发机制来加以克服。
2. 根据预协商的手机功能信息，基站调度器禁止在B13和B14两个时隙内进行接收和发射分配。这种方法要求对WiMax标准作少量补充，以便支持手机和基站之间的共存功能协商。
把Wi-Fi增加入共存机制相对比较简单。Wi-Fi与以太网非常相似，也是一种载波侦听多址访问/冲突检测(CSMA/CD)协议，它采用的不是时间分配机制，而是冲突检测和随机后退方法。
因此也就不可能将异步协议同步到推荐的共存机制。不过这个问题可以通过使用Wi-Fi中称为非排程自动省电(U-APSD)的模式加以解决。这种模式一般用于把Wi-Fi站的功耗降至最低，手机在该模式下可以进入睡眠模式，让接入点缓存所有发送往手机的信息，直到预定义的缓冲器溢出。当手机退出睡眠模式时，它向接入点发送一个触发帧，接入点随后将所有缓存的数据发送给手机，从而有效地保持了常规CSMA/CD操作的类似性能。
这种模式在推荐共存机制中的使用方法是强迫手机Wi-Fi模式在间隔B1-B2、B7-B14、B19-B20以及B23-B24期间进入U-APSD睡眠模式，并在其它时间内(10/24或42%)保持激活状态。这样对Wi-Fi吞吐量造成的影响是很小的，可忽略不计。
图2中的其它时隙(标记为“OP”)代表了对某个无线链路来说可能可用也可能不可用的发射和接收机会，这些时隙可以用任何传统的优先级算法进行分配。
前述共存方案的优点是：
1. 只有少许吞吐量的损失就消除了共存问题。
2. 可以用于任何商用WiMax基站、支持U-APSD的Wi-Fi接入点(大多数都支持)和蓝牙耳机。
3. 无需对商用的蓝牙和Wi-Fi手机芯片组作任何硬件改动。
本文小结手机和手持设备中WiMax、蓝牙和Wi-Fi的共存带来了艰巨的技术挑战，因为它们在相邻无线频带上的发送可能会发生冲突，并严重降低性能。本文推荐的共存机制可以实现WiMax和蓝牙时钟的同步，时间上共享无线频带(以一种尽可能减小对各自无线链路性能影响的方式)以及使Wi-Fi工作于U-APSD模式，因而有效地解决了这方面的挑战。
4G通信关键技术探讨
2007年9月19日 我爱研发网 黄伟铭
紧接着3G之后的4G移动通信技术，其技术发展已成为继3G、3.5G通讯技术之后各厂商的研究重点。尽管目前4G移动通信技术尚未成形，然其雏形已大致具备。本文将针对4G通信技术的技术需求、架构与特性等议题进行探讨，并探究4G通信的关键技术。
历经了前两代移动通信的发展，目前移动通信技术已经堂堂进入3G世代，而3.5代通信技术也如火如荼发展。过去第一代移动通信技术是採用模拟技术的语音tqq 动通信，到了2G移动通信则是採用数字无线传输技术的语音通信。目前3G移动通信系统已经进入实际应用阶段，因此紧接着3G之后的4G移动通信技术，其技术发展已成为继3G、3.5G通信技术之后各厂商的研究重点。尽管目前4G移动通信技术尚未成形，然其雏形已大致具备。本文将针对4G通信技术的技术需求、架构与特性等议题进行探讨，并探究4G通信的关键技术。
4G通信技术崛起
今日，3G通讯的技术标准与规范已进入商业用途。然而到目前为主，在应用上也发现3G通信的许多缺点，例如缺乏全球统一的标准。3G所採用的语音交换架构仍承袭了2G的「电路交换模式」（Circuit Switch Mode），而非採用纯IP方式，也因此容易受到多用户的干扰，导致传输速率无法大幅提高。面对这些应用上的缺点，理想中的4G通讯技术应该具备以下的特色：
更大传输频宽
对大范围高速移动的使用者（最高250km/h）频宽需求为2Mbps，中速移动的使用者（60km/h）频宽需求为20Mbps，低速移动或室内静止的使用者频宽需求为100Mbps；
更高储存容量
由于传输频宽增大，因此资料储存容量至少需求为3G系统的10倍以上；
更高相容性
4G通信技术必须具备向下相容、开放介面、全球漫游、与网路互联、多元终端应用等，并能从3G通信技术平稳过渡至4G；
不同系统的无缝连接
行动使用者在移动中，特别是高速移动，也都能顺利使用通信系统，并在不同系统间进行无缝转换（Seamless Transitions），传送高速多媒体资料等；
高度智慧化网路系统
4G网路必须是高度智慧、能随状况自行调整的网路系统，它须具备良好的弹性以满足不同环境与不同用户的通信需求；
整合性的便利服务
4G系统将个人通信、资讯传输、广播服务与多媒体娱乐等各项应用整合，提供更为广泛、便利、安全与个性化的服务。
综上所述，4G移动通信其技术的根本目的说穿了，主要是能够在各终端产品间发送、接收来自另一端的信号，并在多个不同的网路系统、平台与无线通讯介面之间找到最快速与最有效率的通信路径，以进行最即时的传输、接收与定位等动作。
而当在通信过程进行中，4G通讯还必须保持良好的无缝连接能力，透过不同网路确保资料传输过程不中断，并维持高品质与高频宽。4G通讯的多层式蜂巢结构，可透过不同无线介面接收网路营运商与内容供应商所提供的内容服务。接下来将介绍4G通信的几项关键技术。
4G通信关键技术
OFDM正交频率多重分割技术
OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing；正交频率多重分割）技术的应用已有近40年历史，第一个OFDM技术的实际应用是军事用途的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线资料方面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展之后，该技术已广泛应用于广播式音频和视频等领域。OFDM主要应用还包括：ADSL、DAB与DVB等。
OFDM通常与通道编码（channel code；用以更正错误的技术）同时使用。尽管其技术复杂度高，但是已广于应用于数字通信系统上。这是因为此项技术有效地消除了多路径（multipath）的问题，也就是消费者所熟知在传统模拟电视信号中所存在的「鬼影」的问题。
OFDM技术採用不连续的多音调技术，将不同频率载波中的大量讯号合併成单一信号，并完成信号传送。由于此技术具有在杂波干扰下传送信号之能力，所以常常会被利用在容易受到外界干扰，或者是抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。
OFDM技术的发展目的是为了提高载波的频谱利用率，或者针对多载波的调制，其特点是各子载波相互正交，于是扩频调制后的频谱可以相互重叠，因而减少子载波间相互干扰的情况。
在FDMA（Frequency Division Multiple Access；分频多重进接）、TDMA（Time Division Multiple Access；多时分工存取）、CDMA（Code Division Multiple Access；分码多工）和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系统最为合适的多址方案。OFDM技术是在频域内将给定通道分成许多更窄的正交子通道，在每个子通道上使用一个子载波进行调制，且各子载波间进行平行传输，因此可以消除讯号波形彼此间的干扰。
OFDM可以在不同的子通道上自行调整分配传输负荷量，以最佳化整体传输率。OFDM技术还能对抗频率选择性衰落或窄频干扰。在OFDM系统中由于各个子通道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不仅减少子载波间的相互干扰，同时并可提高频谱利用率。
OFDM由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通讯资料化、宽频化、个人化和移动化的需求，OFDM 技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。OFDM是一种多载波数位调变技术，虽然OFDM的概念已经存在了很长时间，但是直到最近随着多媒体应用的发展，才被发现OFDM用于高速双向无线资料传输的好处。随着DSP晶片技术的发展，傅立叶变换/反变换、高速Modem採用的64/128/256QAM技术、栅格编码技术、软判决技术、通道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步导入，也使通讯产业开始集中更多资源开发行动通讯应用的OFDM技术，也因此估计在后3G时代，OFDM技术将会成为4G通讯技术的主流。
OFDM技术可满足5.15GHz～5.35GHz频段间可靠的高速数据传输。可利用保护时间阶段来解决多径效应产生的码间干扰，以及藉由时序同步来避免接收和发射之间的频率误差，实现可靠正交传输，目前应用于许多不同类型的网路系统。OFDM除符合数位电缆、DSL、数位化电视和输电线联网产品之使用需求外，也符合WLAN标准如IEEE 802.11g等无线区域网路标准。而OFDM也非常适用于4G蜂巢式系统。
MIMO多重输入与多重输出技术
MIMO（Multiple-Input Multiple-Output；多重输入与多重输出）技术是近年来热门的无线通讯技术之一，其最主要特色是可以大幅提昇资料的传输速率。根据Shannon理论，通道所允许传输之最大速率与信号能量、传输频宽有关。然而这两项因素在通讯系统上却是锱铢必较的珍贵资源。传统的SISO（Single-input single-output）技术以单一天线进行传输，而MIMO技术则是透过增加天线数量以达到提高传输速度之效果。
图一. MIMO技术可大幅提升无线传输速率，图为MIMO Router。
在过去的无线网路传输中，大多是利用二支天线切换接收的方式，选择其中收讯较好的一组天线来传送与接收资料，这种方式常常会受到障碍物与其它电波的干扰而影响传输效能。但MIMO技术则是利用多组天线（通常为三组天线）同时传送、接收资料并合成讯号，因此不仅衰减过的讯号也可以达成传输的目的，也可以保持一定的传输速率。
MIMO还可以利用环境中的反射波来组合讯号，因此就算是处于障碍物多的环境也能拥有稳定快速的讯号传输。因此对于隔间较多的房屋或是办公大楼，都能大幅提高讯号传输效果。
由于终端系统的需求从网际网路接取和电子邮件等高频宽应用，逐渐加入了游戏、视讯及音讯串流等，更高传输频宽的需求不断增高，因此如何提高无线覆盖范围，并更有效利用网路频谱将成为厂商发展重点。
MIMO技术的特性就是在相同时间内，能在相同的无线电通道内传输和接收两个或多个不同的数据串流，因此系统在每个讯息通道内传送的数据率将能提高两倍以上。MIMO技术每个讯息通道的最大数据速率，都能随着同一讯息通道中所传输的数据串流数量呈线性增加。透过允许MIMO能在不使用额外的频谱条件下，同时发送多个数据串流，提高无线数据传输容量。
尽管MIMO在架构和运算上需要更多复杂的演算法、复杂的架构和更高的数据处理能力。但随着MIMO技术渐渐运用于更多无线技术中，预计MIMO技术将大幅改变未来十年的无线电产业，例如4G蜂巢式网路、WLAN、WiBro、WiMAX与802.20等无线技术。
SDR软体无线电技术
多重标准及装置是今日无线产业的发展主流，消费者希望手机具备多种功能，例如单一装置便具备对谈、接收电子邮件和下载影片等多媒体功能。加上全球化的影响，因此这些装置不管在哪个国家，都必须可靠地运作并进行漫游。因此设计人员和厂商必须以更具弹性且符合经济效益的方式开发新技术，这些需求都使得下一代的通讯技术复杂度更为提升。
软体无线电（Software Defined Radio；SDR）是一种通讯装置，其实体层至更高阶通讯协定层的作业主要是由软体定义，可提供容许这种改变的框架。软体无线电支援多频宽多模式的无线电、国际漫游、运行时间重新配置和无线程式设计（over the air programming），并可以将不同的通讯技术有效整合。只要在处理硬体时变更装置的软体程式码，软体无线电便可弹性提供变更无线电作业的能力。另外软体无线电还具有其他优点，例如可改善频谱的使用等，都可进一步提升软体无线电的技术价值。
对于4G通讯来说，由于4G通讯系统之架构将会非常繁杂，因此可以使用软体无线电做为跨越2G、3G以至于4G等不同技术之间的桥樑。软体无线电技术能够将类比讯号的数位化过程尽可能与天线的距离接近，即让A/D及D/A转换器尽可能靠近RF前端，并利用DSP进行通道分离、调变解调变，以及通道编解码等工作。透过建立无线电通讯平台，并于平台上运作各种软体系统，如此可以实现多通道、多层次与多模式的无线通讯。软体无线电技术可让单一行动终端装置在不同系统和平台间畅行无阻。
IT产业从过去到现在，发展过程中的第一阶段革命出现在1980年代，当时个人电脑出的出现带动科技产业的经济呈现高度成长，第二阶段IT产业革命则是个人电脑和网际网路的结合，带动新一波经济发展与商机。到了二十一世纪，IT产业出现第三次革命，也就是个人电脑、网际网路与行动通讯结合而形成「无疆界网路」（Ubiquitous Network），透过这样的系统，人们将可透过通讯随时取得所需的资讯，其结果将大幅改善生活品质并提高工作效率。
产业界认为，软体无线电技术将是实现「无疆界网路」世界的主要技术平台，且将在2007年至2010年间实现。因为行动通讯在这段时间之内将会有很大的技术进展，并带来庞大商机。而软体无线电，正是最适合将行动通讯技术导引进入无疆界网路世界的主要技术平台，特别在即将到来的4G通讯世代，行动多媒体通讯将成为未来4G行动通讯的发展趋势，且多模系统也将是厂商的发展重心。而可发展高弹性软、硬体系统平台的软体无线电技术，正是提供多模系统解决方案的关键技术，因此软体无线电技术正受到欧、美、日等发展通讯技术的大厂所重视。
SA智慧型天线
随着无线通讯技术持续发展，加上多媒体传输需求的提高，频谱已成为珍贵之资源。因此新一代无线通讯技术设计之重要课题即为加强终端用户无线接取（Radio Access）能力，以提高频谱效率及系统容量，并满足高弹性系统运作之需求，而终端用户也能在现有的语音与数据传输服务之外，获得更高速、多元之多媒体应用。为了满足高效率频谱运用的需求，智慧型天线（Smart Antenna；SA）技术已日渐受到重视，并公认为是解决频率资源匮乏、有效提昇系统容量、提高资讯传输速率和确保通讯品质之有效途径。
图二. 智慧型天线技术应用
智慧型天线是由适应性天线阵列（Adaptive Antenna Array）发展而来，最初应用于雷达、声纳和军事通讯领域中。近年来由于数位讯号处理技术的迅速发展、IC处理速度的提高和价格的普及，使得智慧型天线技术能广泛运用于无线通讯系统中，在不增加系统复杂度的情况下，可有效满足无线通讯系统的运用需求。
智慧型天线可视为一种充分利用空间资源来进行讯号品质提升、干扰抑制、消除及进行适应性波束调整等智慧性功能的机制，原先是透过天线阵列来提供天线增益（Antenna Gain）以提升讯号杂讯比（SNR），但考虑其讯号传输在空间存在方向的差异性，为了对抗通道的多路径衰落，进一步利用天线阵列以达成空间分集（Spatial Diversity），以获得分集增益（Diversity Gain）的目的。
天线分集（Antenna Diversity）即对空间资源的初步利用，至于更充分利用讯号方向性的做法是波束形成（Beamforming）技术，波束形成是透过自我适应、调整功能之演算法，来驱动阵列天线（空间分集器），通过权值（Weight）之计算来控制天线波束形状、辐射具有方向性之波束，以把主波束对准目标讯号并适应性达到即时讯号追踪功能，有效强化接收讯号品质。此外，智慧型天线也能调整零陷（Null）点来对准干扰讯号以抑制或消除干扰，达到增加容量、扩大涵盖面及提高传输速率之目的。
图三. 普通天线与智慧型天线接收之差异
智慧型天线具备两项特点：一是充份利用讯号的空间方向性，藉由指向性天线加强讯号接收强度，并同时消除干扰；另一特点在于利用丰富的空间通道特性，藉由发射及接收多天线提供空间分集或提高传输速率。智慧型天线是因应新一代无线通讯系统，提供高速、多元、高品质、高频谱效率及低耗电等需求之关键技术之一，当然也是极具潜力的发展领域，目前全球许多先进的通讯厂商与国家都已投入大量经费与人力研发智慧型天线相关技术。智慧型天线对于覆盖面积、系统容量与讯号品质的提升有极为显着的效果，对于未来4G无线通讯技术的系统容量提升、传输速率提高及链路品质强化等要求，将会有其重要的应用价值。
此外，提供多元、多样及高速的资讯传送能力，是4G通讯的主要需求，其中多功能服务可利用智慧型天线技术为终端用户提供多模系统，并透过软体技术为终端用户更新与昇级，使终端用户可享有语音、数据、影像、传真与视讯等多种服务。结合智慧型天线、软体无线电与MIMO技术，下一代的无线通讯将可透过软体操控，实现弹性化的多模通讯能力，并满足高速之链路传输要求。
结论
4G通讯的核心技术尚在研发阶段，且以目前3G通讯技术应用现况为如预期热络的情况来看，要使3G通讯成为主流通讯应用技术还得等一等，专家便预测市场消化并完全吸收3G技术的时间约需十年左右，而接踵而至的还有往后的5G以上技术。尽管4G比起3G有着更强大的应用优势，但目前已可见到4G在发展与往后实际应用上所以面临的问题，但是市场不变的趋势是，新技术和新需求将不断出现，有朝一日4G必然会取代3G，成为新一代行动通讯的主流技术。
3G手机技术发展与设计架构
在3G手机的应用时代，其基本的改变包括能提供更高的传输速率，以及同时提供既有的「电路交换模式」（Circuit Switch Mode）和可移动上网的「封包交换模式」（Packet Switch Mode），进而能打打影像电话、使用多媒体短信服务（Multimedia Message Service；MMS），或是收发电子邮件、上网浏览等网际网路服务。这些应用我们早已知道的很清楚了。
然而，在宽频和互动性的基础下，进入3G时代还意味着更广泛的通信技术将在一台手机中产生汇流。目前在发生中的，首先是蓝牙（Bluetooth），再来会是WLAN，以及接下来的GPS/A-GPS和移动电视（Mobile TV），更长远一些，则需注意WiMAX、UWB的发展。这些不同通信技术的整合，将推动多模手机的发展，而每整合一种新的通信功能，就代表着3G手机具备了更丰富的应用性，并可望创造全新的服务与收益模式。
以3G结合A-GPS为例，3G网路的辅助定位资讯，可以大幅缩短GPS的首次定位时间（Time to First Fix；TTFF），从原先的数分钟缩短为一分钟以内；如果基地台的佈建够密，也能有效提升定位的准确度。当手机有了定位资讯，再加上地图资讯、导航引擎与位置服务（LBS）应用软件，一台手机就能够用于紧急救难追踪或提供所谓的「兴趣点」（point of interest；POI）加值服务，也就是为行人提供所在环境附近的加油站、推荐餐厅、旅馆等资讯。
■3G手机＝高阶手机？
对于用户来说，在其随身的轻巧手机中能具有更多样的实用或娱乐功能，当然是何乐而不为，但为了满足这些整合需求，3G手机的开发其实面临了不少的挑战。
先来看看手机的类型，大致可以分为初阶的语音手机（Voice Phone）、中阶的功能手机（Feature Phone）和高阶的智能型手机（Smart Phone）。3G手机可以是其中的任何一种，但目前看来，最早在市场上量产销售的，会是智慧型手机。这和3G目前的定位有关，它毕竟是新兴的应用，会先吸引到对高阶产品有兴趣的玩家（Power User）；而且3G标榜的是它在多媒体传输及移动网路方面的能力，这和语音手机大异其趣。
不过，高阶手机毕竟是金字塔的顶端，使用族群受限，要让3G手机更为普及，势必得往功能手机发展。在系统的开发上，智慧型手机因採用高阶作业系统（High-level OS；HLOS），具有完善的功能模组，因此让手机业者能加速设计的时程，目前主流的HLOS包括Symbian、Windows Mobile和Linux等；相较之下，功能手机为让手机功能更为精简，因此得针对内部的软、硬件系统进行量身定制的工作，这也让3G功能手机推出市场的时间会较为落后。
当然，如果3G能顺利成为市场上的主流行动通讯规格，最低阶的单纯3G语音手机也会顺势推出。对于电信业者来说，3G系统能提供更高的频宽，让业者得到更佳的频宽运用状况，因此3G语音电话也具有其推广的利基。不过，3G的市场虽有起色，但是否能普及或何时会普及，仍然颇为值得观察。
■应用处理架构剖析
我们再进一步来看3G手机的应用功能开发。如上所述，大部分的3G手机不会是单纯的语音手机，这类新兴手机所比拼的，正是其多媒体功能的多样性。在应用功能愈来愈复杂的趋势下，以单一基频涵盖所有数字逻辑运算需求的手机系统规划已不敷需求，现在主流的设计趋势是采通信（数据机）与应用分流的开发架构。
这样做的好处很明显，因为应用功能与通信功能的发展脚步并不同调，应用功能日新月异，而数据机的通信系统却有较长的生命週期。两者分流后，各自可以依市场的需要而改朝换代，不再需要受到另一方的牵制。例如数据机可以从GSM/GPRS加上3G/WCDMA的双频或三频模式，逐步升级到纯粹的3G或下一代的HSDPA/HSUPA；应用处理单元则能因应视频、音频、影像、绘图等需求的改变而扩充其功能，例如支援高达每秒30讯框的VGA解码和H.264/VC-1视频编码、VGA彩色显示、Q-VGA辅助显示以及多达5M画素的数字照相机功能、2D/3D图形、3D声音和立体声喇叭等。
为满足应用处理功能，在功能手机中多半採用一至数颗专属的多媒体处理晶片来做为协同处理器（Co-processor）；在智慧型手机中则会采用一颗功能强大且完整的应用处理器（Application Processor）。不论是多媒体处理晶片或应用处理器，都能有效加速视频、音频、动画／游戏、影像的处理效率。两者最大的差异在于，在功能手机中是以基频为主，协同处理器为辅的架构；而在智能型手机中，应用处理器则成了整个系统的主处理器（master processor），而基频则只扮演无线数据机的附属角色。多媒体处理晶片的进入门槛较低，市场上的提供者众；应用处理器则是一颗将所有应用功能都整合在一起的系统单晶片（SoC），有能力设计制造的厂商并不多。
在应用处理器之处理器核心的架构上，可以是单一强大的核心，或採RISC加DSP的双核心平行架构，但目前看来是以ARM为主处理器搭配多颗多媒体加速器的分散式处理架构为主流，请参考（图一）。
▲图一：应用处理器采用加速器的分散式处理架构。
这些加速器可以单独的工作，也能同时多工处理音、视频的即时编解码功能。这些加速器会以最佳化的软、硬件技术来进行规划，例如在音频上可能采用可采C语言程式化的多媒体VLIW DSP，并搭配硬件线路运算器（hardwired operator）及更高效率的演算法，请参考（图二）。
▲图二：以最佳化架构规划应用处理器中的加速器来提升效能，此图为Nomadik音频加速器的架构。
採用应用处理器能有效降低应用功能的开发难度，因为此类处理器往往具备了丰富的週边介面，能够满足3G多媒体应用上的各种需求，包括照相CMOS感测器、彩色显示的LCD面板、TV输出、IrDA、Bluetooth、Wi-Fi、USB2.0/OTG、音频和多种型式的存储器、ATA硬碟介面及DDR、SDRAM、NAND Flash、NOR Flash等存储器型式，以及传统式键盘和复杂的无线数据机等广泛的介面，此外，还会支援A-GPS和DVB-H或DMB等移动电视功能。请参考（图三）。
▲图三：支援丰富周边介面的应用处理器。
■多模应用开发挑战
即使采用了应用处理器来提供了高效能的多媒体运算及丰富的周边介面，但这仍不保证一支3G手机就具备了完善且强大的应用功能，需要考虑的因素还有很多，尤其是多频多模下，各个子系统该如何妥善规划的议题。以Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、FM/DAB和Mobile TV等功能来说，都会涉及射频通信及数据处理的整合问题，技术难度上的挑战相当的高。
以射频部分来说，首先遇到的就是小型化天线的规划问题。由于这些无线技术多半采用不同的频谱（除Bluetooth和Wi-Fi同採2.4GHz外），因此一台手机中往往得想办法建置多组天线，这就得克服机构与隔离性的议题。在射频系统方面，也有很大的挑战，多频的GSM/GPRS/3G在共用射频电路的情况下，在滤波器、嵌入式L, C等射频被动元件得朝切换型式发展，放大器方面也得支援宽频及高线性度设计，此外还有很多EMI/EMC的问题得解决。
Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、Mobile TV与应用处理器或基频的整合上，则有多种架构的选择。最常见的方式是採用一颗专属的前端（Front End；FE）模组，以Mobile TV的DVB-H前端模组为例，就提供了从谐调器（Tuner）到解调器（Demodulator）的完整功能，直接将处理好的IP datagram和TS packet分流送到应用处理器或音、视频解码晶片做进一步运算，最后才将电视节目的影音内容传送到萤幕上播放，如（图四）。
▲图四：移动电视应用中FE与处理器、解码器的运作流程示意图。
另一种架构则是将数字的功能都整合到应用处理单元中，并以软件方式来驱动该项应用功能，此架构只需搭配特定功能的RF晶片即可执行，但这会佔用掉主处理器极大的运算资源，而且需投入较大的时间精力去移植和调校此种软件。以A-GPS为例，就有所谓的软件式GPS，但其功能只适用于单点的定位，而不适合用在更复杂的导航或LBS应用之上。
■多媒体处理议题
随着3G频宽的增加，以及整合Wi-Fi而获得更大的网路频宽，都让3G手机可以朝视频电话、2D/3D网路游戏或提供Hi-Fi音效的多媒体应用发展，未来再结合数字电视广播网路，还可收看广播式串流视频节目。因此，在一台多媒体手机上要处理的媒体类型，除照相功能的静态影像外，还有视频（动态影像）、音频（声音、音乐及音效）和绘图（2D/3D）功能。
视频内容是占用频宽最大的内容，因此有必要採用最新的压缩格式。H.264是多数移动电视服务所中意的新一代规格，它能将压缩率大幅提升，却又不影响视频品质，因此只需有限的无线频宽（约500Mbps）即能播放视频节目。试验显示，在相同视频品质情况下，与MPEG-4 Advanced Simple Profile压缩协议相较，H.264可以把位元率降低35％∼50％，而与MPEG-2相较可降低40％∼65％。不过，由于H.264的演算技术更为复杂，需要采用更高效能的编解码技术。
在音频方面的设计挑战并非频宽，而是整体的系统规划。目前音讯处理的内容相当多元，在内容格式上包括声音的LPC、CELP与ACELP等编解码格式；在音效格式上更包括AMR、ACC、MP3/MP3Pro、WMA、OGG等。过去手机只要处理单声道的低阶电话语音即可，而今还得应付和絃铃声、音乐档案播放和FM或DAB的广播收听，有些手机甚至内建答录机的功能。要提供Hi-Fi立体音效，手机得同时建立16-bit、以44.1kHz取样的音频系统，而且必须设置两台扬声器，并透过如Audistry的后制音效技术来达成3D效果。
在绘图技术上，3D可望成为下一代高阶手机中必备的功能。由于3D的运算需求极大，市场上已逐步从软件方案转为硬件的专属加速器作法。此外，为了让手机制造商、晶片供应商、绘图引擎及软体供应商、游戏开发商以及基础设备开发企业等相关3D游戏业者能广泛的合作，Open GL-ES已成为行动绘图产业的共同标准，目前已开发到2.0的版本；此外，在Java部分则有Mobile 3D Graphics API for J2ME（JSR 184）的标准在审定中。
■结论
如果以语音通信功能来看待3G手机，那显然是太狭碍了。3G手机意味着更丰富的多媒体通信服务将会出现，这除了需重新考量内部系统的建置架构外，也得在输出介面上有所提升，特别是在显示技术上，不但要求更大的萤幕，在解析度上从qQVGA、QCIF，一路往QVGA升级；面板技术上则从CSTN、A-TFT、LTPS，逐步升级到OLED；此外，MVA、IPS等宽视角技术也成了必要的技术。
此外，更多样的内容，也难免涉及对内容取得的认证、授权和付费机制，以及内容的数字版权管理（DRM），还有个人资料的保密等的议题，这些议题足以形成一个围绕着行动应用功能的安全性生态体系，如（图五）。此外，在移动电视和A-GPS/LBS的服务上，还有很多待建立的服务模式，以及提供足够且吸引人的内容，才能让3G手机真正成为多元服务的行动式中心。
▲图五：围绕着应用处理器所形成的安全性生态体系。
似乎每天都有新的海量存储器标准问世。CompactFlash(CF)曾一度独步天下，但是今天，新设备制造商不得不在CF、安全数据(SD)、SDIO、多媒体存储卡(MMC)、RS-MMC、MMC Plus、MemoryStick、XD-Picture(XD)和CE-ATA等等这些海量存储器之间做出选择。有时，一种新标准具有明显优势；而另外一些时候，新标准和已有标准又像是在重蹈Betamax与VHS格式间的对决，在先期很难看到谁将取得胜利。
CF标准是所有小型海量存储器的鼻祖，10多年前由SanDisk开发出来。它具有8或16位并行数据总线，传输速率在3～66MBPS之间。在许多需要16位宽UDMA总线(66Mbps)的高传输速率和高容量设备中，仍需要CF标准。目前CF+格式硬盘的可用容量最高可达10GB，而CF闪存卡可用的最高容量是8GB。
因为首款CF卡使用的是NOR闪存，所以CF标准要求CF卡隐匿与NAND闪存接口的部分。主机在与CF卡通信时会将其看作是一个IDE硬盘，而CF卡上的控制器则负责坏块管理、平均读写(wear leveling)算法和与NAND闪存协同工作时所需的逻辑-物理映射。
CF卡虽然一直未能成为手机用可移动存储器的主流，但它却在数码相机领域保持着极高的市场份额，特别是在大容量和高速度极为重要的高端市场。目前其它几种外设也可与CF+版本的接口进行连接，包括以太网、RS-232、传真/调制解调器、USB、蓝牙以及802.11b WLAN。
多媒体存储卡(MMC)
1997年，西门子和SanDisk推出了多媒体卡，其外形比CF卡小，从而可实现更小巧的便携式设备。在基本应用中，MMC可通过标准三线SPI接口外加一条片选线来控制。SPI接口的时钟频率最高可达20MHz。对需要更高带宽的应用，该规范提供拓宽了的4和8位带宽。MMC规范的4.0版增加了52MHz频率，从而支持50MBPS的传输速率。
与CF不同，MMC规范不免除授权费用。根据www.MMCA.org上提供的信息：如果你不是MMC制造商，你可以分别花500美元或1,000美元订购MMC3.1或4.1版(MMCmobile和MMCplus)规范，而你的公司也并不需要成为MMCA成员。
目前有三种类型的存储卡以MMC框架为基础，它们分别是：MMC Plus、MMC Mobile和MMC Micro。MMCplus是一种标称尺寸的MMC卡，它工作在2.7～3.6V电压下；具有1、4或8位的总线带宽；最低2.4MBPS的读写性能和26MHz频率(可以选择52MHz)。MMCmobile的体积更小，支持的电压也更低：1.65~1.95 V及2.7~3.6V。MMCmobile还必须支持MMCplus所需要提供的性能。MicroSD是该系列的最新补充。MicroSD的体积不到miniSD的1/3，是目前可用的最小存储卡(表1)。
表1：各种存储卡的主要参数比较。
MMC和SD卡：区别在哪里？
常常有人将MMC标准和SD标准混为一谈，但实际上，它们是两个不同的标准。SD卡规范由以松下、东芝和SanDisk牵头的一个组织所有，而MMC规范由一个由涵盖广泛的行业组织领导的MMCA(多媒体卡协会)控制。
有些出人意料的是，SD卡背后的推动力量从未得到行业的广泛认可。SD卡具有与索尼MagicGate类似的加密硬件，MagicGate被用于索尼的MemoryStick产品中。在音乐界接受以数字方式传播音乐之前，SD卡花了8年多的时间希望得到行业认可，而现在，SD卡已经成为该领域的附属产品。去年初，MMC协会接纳了具有竞争性的安全卡标准——Secure MMC 1.1版规范。在三星网站www.samsung.com上可查到Secure MMC的概览。
MMC卡可插在为SD卡设计的物理槽内，该槽有两种形态：薄形和标准形。薄SD卡可插入MMC槽，但标准SD卡却因为厚度而无法插进。MMC和SD卡所用的协议在SD卡规范rev 2.11中完全兼容，但自此后，两种规范出现了某种程度的分道扬镳。
图1：7脚MMC卡和9脚SD卡的区别清楚可见。
MMC和SD卡的管脚排列是兼容的(图1)。SD卡上最多有9个管脚，而MMC卡上最多有13个管脚(图2)。MMC卡上多出管脚的唯一功能是增加总线宽度(表2)。因为可以对总线宽度进行编程，所以控制器可容易地找到共同特性并据此进行设置。所有带内置MMC支持能力的微处理器也支持SD卡。
更小体积：MMCmicro vs. MicroSD
MMC和SD组织为小型闪存卡创建的两种不同标准为业界带来了困惑。通过使用机械适配器，MMCmicro和MicroSD(也称为TransFlash)都后向兼容现有的SD/MMC插槽(图3)。两种存储卡体积都很小，但MMCmicro比MicroSD更快。MMCmicro采用MMC规范定义的较高的52MHz时钟速率，而MicroSD则继续采用25MHz。另外，MMCmicro卡拥有4位数据总线，而MicroSD仅支持串行数据传输。再有，MMCmicro支持1.8V电压，而MicroSD仅能工作于2.7～3.6 V电压。
图2：13脚MMC卡后向兼容7脚版本。
XD-Picture卡
XD-Picture卡(以下简称“XD”卡)是在2002年7月推出的。与索尼的MemoryStick一样，它也是一种专属格式，所以很难从XD卡官方网站(www.xd-picture.com)中找到更多信息。如果想要了解你的公司需要花多少钱才能得到XD卡的使用许可，你必须与XD卡授权许可方签定保密协议。
XD卡与SmartMedia标准有一点类似，即它们都是针对原始NAND闪存的封装技术。XD卡中没有嵌入控制器，所以控制CPU负责维护逻辑-物理表、管理坏区并执行纠错。该架构的优点是减小了硅面积，并且允许管理CPU拥有更多的接口控制能力，从而缩短写入时间。该架构的不利面，是管理CPU必须执行全部SmartMedia控制功能。
图3：MMCmicro与MMC和SD的管脚排布。
SDIO
SDIO在SD标准上定义了一种外设接口。目前，SDIO有两类主要应用——可移动和不可移动。目前的可移动设备作为Palm和Windows Mobile的扩展设备，用来增加蓝牙、照相机、GPS和802.11b功能。不可移动设备遵循相同的电气标准，但不要求符合物理标准。某些手机内包含通过SDIO连接CPU的802.11芯片。此举将“珍贵”的I/O管脚资源用于更重要的功能。
蓝牙、照相机、GPS和802.11b设备有专为它们定义的应用规范。这些应用规范与为PCI和USB设备定义的类规范很相像。它们允许任何宿主设备与任意外设“通话”，只要它们都支持应用规范。
SDIO和SD卡规范间的一个重要区别是增加了低速标准。SDIO卡只需要SPI和1位SD传输模式。低速卡的目标应用是以最小的硬件开支支持低速I/O能力。低速卡支持类似调制解调器、条码扫描仪和GPS接受器等应用。对“组合”卡(存储器+ SDIO)而言，全速和4位操作对卡内存储器和SDIO部分都是强制要求的。
CE-ATA
CE-ATA有助于简化消费电子(CE)和ATA硬盘的结合。消费电子中有越来越多使用硬盘的趋向，但在小巧的手持设备中，40脚的ATA连接器和50脚的CF连接器实在占用了太多I/O资源。在CE-ATA规范中，ATA指令结构被覆盖在MMC物理层顶部。这种处理允许重新利用内置在当今常用应用处理器内的现有MMC控制器。CE-ATA连接器利用12个管脚实现9脚SD/MMC接口。多余的3个脚提供保留脚和额外的一对电源地，以便硬盘电机可工作在与信号线不同的电压。CE-ATA接口性能与4位SD/MMC一样。当采用25MHz和52MHz时钟时，其最高传输速率可分别达12.5MBPS和26MBPS。
摄像机的定焦和变焦镜头
2007年10月24日 西部电子网
镜头是摄像机的眼睛，正确选择镜头以及良好的安装与调整是清晰成像的第一步。当前，1／3"镜头是应用的主流，自动光圈镜头销售量最多，变焦镜头是应用发展的趋势。
1)应依据摄像机到被监视目标的距离，来选择定焦镜头(Fixed Focal Lens)的焦距。
从焦距上区分有短焦距广角镜头、中焦距标准镜头、长焦距远镜头。镜头焦距通常用值来表示，镜头光圈一般用F表示，F取值以镜头的焦距／和通光孔径d的比值来衡量，F=f/d，每个镜头上均标有其最大的F值。
2)摄像机的镜头规格应与摄像机CCD靶面尺寸(1／2"为6.4hX4.8υ、1／3"为4.8hX3.6υ、1／4"为3.2hX2.4υ)相对应。如果镜头尺寸与摄像机CCD靶面尺寸不一致时，观察角度将不符合设计要求，或者发生画面在焦点以外等问题。
3)摄像机的水平视觉度数及垂直视觉度数与摄像机CCD靶面尺寸hXυ及镜头焦距f之间有如下关系：水平视觉度数=2arctan (h／2f)；
垂直视觉度数=2arctan (υ/2f)。
4)镜头有自动光圈(auto iris)和手动光圈(manual iris)之分。自动光圈用于被照物光线变化较多场合，手动光圈用于被照物光线稳定之处。
自动光圈镜头有二种驱动方式：一类为视频输入型Video driver(with Amp)，它将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈，这种视频输入型镜头内包含有放大器电路，用以将摄像机传来的视频信号转换成对光圈马达的控制，另一类称为DC输入型(DC driverno Amp)，它利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈，这种镜头内只包含电流计式光圈马达，摄像机内没有放大器电路。二种驱动方式产品不具可互换性，但现已有通用型自动光圈镜头推出。
5)镜头安装有C型和CS型两种，C型安装的镜头在CCD摄像机与镜头间多了5mm 调整光圈值的环。C型安装的摄像机可用CS型镜头，但CS安装的摄像机不能使用C型镜头。Philips公司推出革命性的Wizard镜头安装向导，保证镜头与摄像机的完全兼容，这使得在任何环境下都可得到最优图像。
6)变焦镜头由于在一个镜头内能够使镜头焦距在一定范围内变化，因此可以使被监控的目标放大或缩小。典型的光学放大规格有诸如6～20倍等不同档次，并以电动缩放镜头(Zoom Lens)应用最普遍。按变焦镜头参数可调整的项目划分有：
·三可变镜头——光圈、聚焦、焦距均需人为调节。
·二可变镜头——通常是自动光圈镜头，而聚焦和焦距需人为调节。
·单可变镜头——一般是自动光圈和自动聚焦的镜头，而焦距需人为调节。
7)缩放/变焦镜头(Vari Focal Lens)是变焦镜头配合缩放镜头功能，焦距连续可变，可将远距离物体放大，又可提供一个宽广视景，使监视宽度增加。日本Kowa公司提供从1.6～3.4mm的宽角度镜头到15.0—300mm的远距镜头。
8)除传统的球面镜头外，新一代的是非球面镜头(Aspherical Lens)，镜片研磨的形状为抛物线、二次曲线、三次曲线或高次曲线，并且在设计时就考虑到了镜头的相差、色差、球差等校正因素，通常一片非球面镜片就能达到多个球面镜片矫正像差的效果，因此可以减少镜片的数量，使得镜头的精度更佳、清晰度更好、色彩还原更为准确、镜头内的光线反射得以降低，镜头体积也相应缩小。非球面镜头具有变倍高、物距短、光圈大的特点。变倍高可以简化镜头的种类，物距短可以应用在近距离摄像的场合，光圈大则可以适应光线较暗的场所，因此应用领域日渐宽广。日本AVENIA的非球面镜头产品SSV0770，近摄距离可到30cm，
光圈值也可到F1.6，变焦范围可从7.0～70mm，变倍率高达十倍，可用于电视监控等领域。
DSP与普通MCU的区别
2007年11月2日 嵌入式在线论坛
考虑一个数字信号处理的实例，比如有限冲击响应滤波器（FIR）。用数学语言来说，FIR滤波器是做一系列的点积。取一个输入量和一个序数向量，在系数和输入样本的滑动窗口间作乘法，然后将所有的乘积加起来，形成一个输出样本。
类似的运算在数字信号处理过程中大量地重复发生，使得为此设计的器件必须提供专门的支持，促成了了DSP器件与通用处理器（GPP）的分流：
1 对密集的乘法运算的支持
GPP不是设计来做密集乘法任务的，即使是一些现代的GPP，也要求多个指令周期来做一次乘法。而DSP处理器使用专门的硬件来实现单周期乘法。DSP处理器还增加了累加器寄存器来处理多个乘积的和。累加器寄存器通常比其他寄存器宽，增加称为结果bits的额外bits来避免溢出。同时，为了充分体现专门的乘法-累加硬件的好处，几乎所有的DSP的指令集都包含有显式的MAC指令。
2 存储器结构
传统上，GPP使用冯.诺依曼存储器结构。这种结构中，只有一个存储器空间通过一组总线（一个地址总线和一个数据总线）连接到处理器核。通常，做一次乘法会发生4次存储器访问，用掉至少四个指令周期。
大多数DSP采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个，分别存储程序和数据。它们有两组总线连接到处理器核，允许同时对它们进行访问。这种安排将处理器存贮器的带宽加倍，更重要的是同时为处理器核提供数据与指令。在这种布局下，DSP得以实现单周期的MAC指令。
还有一个问题，即现在典型的高性能GPP实际上已包含两个片内高速缓存，一个是数据，一个是指令，它们直接连接到处理器核，以加快运行时的访问速度。从物理上说，这种片内的双存储器和总线的结构几乎与哈佛结构的一样了。然而从逻辑上说，两者还是有重要的区别。
GPP使用控制逻辑来决定哪些数据和指令字存储在片内的高速缓存里，其程序员并不加以指定（也可能根本不知道）。与此相反，DSP使用多个片内存储器和多组总线来保证每个指令周期内存储器的多次访问。在使用DSP时，程序员要明确地控制哪些数据和指令要存储在片内存储器中。程序员在写程序时，必须保证处理器能够有效地使用其双总线。
此外，DSP处理器几乎都不具备数据高速缓存。这是因为DSP的典型数据是数据流。也就是说，DSP处理器对每个数据样本做计算后，就丢弃了，几乎不再重复使用。
3 零开销循环
如果了解到DSP算法的一个共同的特点，即大多数的处理时间是花在执行较小的循环上，也就容易理解，为什么大多数的DSP都有专门的硬件，用于零开销循环。所谓零开销循环是指处理器在执行循环时，不用花时间去检查循环计数器的值、条件转移到循环的顶部、将循环计数器减1。
与此相反，GPP的循环使用软件来实现。某些高性能的GPP使用转移预报硬件，几乎达到与硬件支持的零开销循环同样的效果。
4 定点计算
大多数DSP使用定点计算，而不是使用浮点。虽然DSP的应用必须十分注意数字的精确，用浮点来做应该容易的多，但是对DSP来说，廉价也是非常重要的。定点机器比起相应的浮点机器来要便宜（而且更快）。为了不使用浮点机器而又保证数字的准确，DSP处理器在指令集和硬件方面都支持饱和计算、舍入和移位。
如何解决手机中WiMax、蓝牙和Wi-Fi共存问题
2007年10月16日 手机设计
从单功能蜂窝电话到具有丰富连接功能的各种多模多媒体设备，移动电话的发展非常迅速。这种发展趋势同时有益于用户、运营商、网络服务提供商和应用开发人员，但对手机OEM商来说却意味着难度越来越高，因为不同的无线协议之间存在着难以处理的干扰问题。比如：
1.蓝牙：这是中端/高端手机中的标配功能，可以提供耳机、笔记本(无线PC modem和/或同步功能)以及打印机等外设的短距离连接。
2.Wi-Fi：可以让用户接入互联网，打VoIP电话。
3.WiMax：很快会将与Wi-Fi相同的功能扩展到更远的距离，并且性能更加稳定。
手机制造商几年前就认识到，蓝牙和Wi-Fi(2.4GHz频带)的频率非常接近，而且它们的天线靠在一起，再加上两种协议完全不协调的事实，最终将导致发生故障的严重性能挑战。蓝牙和Wi-Fi芯片组供应商在产品中增加了共存接口，实现了在共享无线频率媒介上的仲裁，以防止冲突和信号劣化，从而有效解决了这一难题。
随着移动WiMax(IEEE802.16e)的推出，OEM又面临新的干扰挑战，这是因为新的WiMax协议工作在多个频带(在WiMax术语中定义为“模式”)，而最常用的是2.3-2.4GHz和2.5-2.7GHz。这种频率区间虽然比蓝牙和Wi-Fi之间的大，但仍不足以避免共存问题的发生。
一个典型的使用场合是，用户一边利用蓝牙耳机进行蜂窝通话，一边通过电话的WiMax无线链路下载电子邮件或浏览互联网，这时确保无线接口共存的完美机制就很有必要。如果没有这种机制，话音质量和数据包吞吐量下降将导致用户体验低劣。由于有越来越多的最终用户使用蓝牙和Wi-Fi配件(如蓝牙耳机，Wi-Fi路由器)，因此最佳解决方案必须能与已经投入使用的设备一起工作，而不是去修改现有设备。
WiMax和蓝牙干扰
上述情景将用来分析从WiMax发射到蓝牙无线链路的干扰模式，并确定其影响。图1所示是一个由蓝牙耳机和带WiMax功能的移动电话组成的系统。蓝牙耳机的发射功率是0dBm。在耳机天线处收到的信号电平是-40dBm。蓝牙规范要求接收器能够处理最高为-27dBm的干扰信号。
本例中手机的WiMax发射器工作在2.5-2.7GHz频带。WiMax功放(PA)的输出功率可能高达+25dBm。WiMax和蓝牙发射天线彼此靠得很近，用户的手或手机摆放的表面通常会在它们之间造成10dB的路径损耗。这样一来，在蓝牙带通滤波器(BPF)输入端产生的信号电平为+15dB。BPF必须能够通过高达2.48GHz的频率(最高的蓝牙跳频)，因此无法抑制超过3dB的无用WiMax信号，故至少有+12dB的干扰信号被传递到蓝牙低噪放大器(LNA)。
图1：由蓝牙耳机和带WiMax功能的手机构成的通信系统。
假定蓝牙抑制能力为-27dBm，那么很明显无法有效抑制掉WiMax信号，这样就会发生阻塞。另外，蓝牙LNA输入端如此强的信号可能会超过LNA的最大额定输入功率，最终导致严重的可靠性问题。
为了便于讨论，本文规定“本端”代表使用手机的一方，“远端”代表正在通话的另一方。只要手机的蓝牙接收电路被WiMax发射信号阻塞，远端就会听到“喀喇”声。
WiMax阻塞对本端的影响程度稍低些，因为从手机到耳机存在较高的路径损耗，但对本端端点的干扰也不能被完全忽略。这种“喀喇”声发生的概率异常的高。假设在以下场合(后文有解释)，手机中的蓝牙接收器最多有1/6的时间在用。根据WiMax的使用情况，随着流量的增加，在较高频率处，蓝牙接收器将会被阻塞。如上所述，蓝牙发射对WiMax接收有负面影响，但不是很严重。
解决共存挑战
根据上文的分析，显然无法消除或者减轻无线或物理层(PHY)的干扰，因为这种干扰是系统与生俱来的。因此，解决方案必须通过更高的层即介质访问控制(MAC)层来实现。在MAC层，可以实现不同协议之间的同步，并保证共享频谱上的带宽能够以时分复用、非并性和公平的方式得到分配。这种解决方案可以消除任何潜在的冲突，同时仍能保持固有的链路性能属性。
有许多应用场合和使用情况需要解决，也即WiMax、蓝牙和Wi-Fi发射和接收的各种组合，每种情况都有不同的链路扫描、建立和活动模式。为了讨论的连贯性，我们仍使用上面的例子来解释推荐的共存解决方案。后面我们还会在上述用例中增加Wi-Fi无线链路，该链路用以下要素表征：
?移动电话和WiMax基站之间的有效WiMax链路。
?工作在SCO/HV3模式(商用蓝牙耳机使用的标准模式)的有效蓝牙语音链路。
第一步是同步协议的时间基准。首先，我们必须找到不同系统时钟之间的‘最小公因子’，并确保它们能协调动作。蓝牙SCO/HV3模式的时基是625us，而WiMax的时基是基于5ms的帧。这意味着最小公因子时间间隔为15ms，在此期间可以处理3个WiMax帧和24个蓝牙时隙。一旦解决方案被认为能够满足15ms时间间隔，重复模式就可确保该解决方案基本上可用于这种模式。
在确定重复模式后，有必要确保两个时基是同步的，并在整个链路的并行操作过程中仍能保持同步。由于WiMax基站决定了时基，因此移动电话不可能控制相对于蓝牙时基的相位。另一方面，移动电话中的蓝牙芯片组(假定它是蓝牙链路上的主设备)有能力控制时钟相位，并与WiMax链路上的时钟取得同步。
当蓝牙链路上的主设备是耳机而不是移动电话时，可以执行主从切换(蓝牙术语叫MSS)。一旦成为“主设备”，手机蓝牙芯片就能复位链路的时钟，并使之与WiMax时钟对齐，从而有效地实现两个时基的同步。随着时间的推移，蓝牙时钟与WiMax时钟的相对相位可能出现偏差，因此可能要求重新同步蓝牙时钟。图2给出了两条无线链路之间的时间和相位关系。
在两条链路取得同步并确定基本的重复模式后，下一步就是建立兼顾两个协议工作原理的带宽分配机制。蓝牙SCO/HV3模式定义了一个重复的六时隙周期(3.75ms)，在此期间只有两个连续时隙用于发射，一个用于主设备(用M代表)，一个用于从设备(用S代表)。在这个间隔时间内移动电话和耳机交换未压缩的语音数据包。另外4个时隙尚未使用。这是一种非常基本的模式，没有定义任何调度机制、抖动控制(在时隙级)、重发、纠错技术甚至循环冗余校验(CRC)，因此任何错误都将表现为“喀喇”噪声。
WiMax帧由一个从基站向所有注册移动台广播发送的MAP消息组成。该消息映射了同一WiMax帧中不同移动台的接收间隔，同时在随后的WiMax帧中分配发射间隔。紧随MAP消息的是一个下行链路间隔或“区”(WiMax术语)，用于基站向注册移动台广播、组播或单播发射。在下行链路区后是上行链路区，用于移动台在前面的WiMax帧期间接收发射分配时间。每个WiMax帧依次重复这种模式。
根据蓝牙语音模式的基本特点，确保正确并行操作的基本方针是保证连续的蓝牙发射和接收时隙。因此，基站在这些间隔内(24时隙中的6个时隙，或25%的时间标注“阻塞”)必须被禁止向移动电话发射或分配发送机会。现在让我们分析一下剩余75%的时间，以便理解哪些时间间隔可用于WiMax链路。帧[N]实际上未被移动电话的WiMax链路使用---下行链路间隔未被使用，这是因为，鉴于蓝牙优先级(时隙B1和B2)问题，移动电话不能在帧开头接收MAP消息。上行链路也由于蓝牙优先级(时隙B7和B8)的原因而未被使用。
在帧[N+1]期间，移动电话可以接收和解码MAP消息，并且允许它接收在B10和B12之间的间隙期(2.5ms)发送的突发信号，直到下一次蓝牙分配(时隙B13和B14)。不过，帧[N+1]中的上行链路不能被移动电话使用，因为它没有接收到帧[N]中的MAP消息，该消息用于分配帧[N+1]的上行链路间隔中用于发射的带宽。
在帧[N+2]中，由于蓝牙占用了时隙B19和B20，移动电话将不能接收来自基站的下行链路流量。帧[N+2]的上行链路间隔可能已经被赋于了帧[N+1]的MAP消息中的发射机会，因此可用于移动电话的发射。只要两条链路保持有效，这种模式就会不断重复。
这种机制的潜在规则是需要WiMax链路避免在某段时间内发送信号。有两种方法可以做到这一点：
1. 移动电话可以使用某种WiMax睡眠模式来避免在相应时间内与基站发生交互。这种方法的缺点是在蓝牙时隙B13和B14期间，在WiMax的发送中，可能存在误包率(PER)，不过这种可能性比较低，而且在任何情况下都可以通过WiMax中的前向纠错(FEC)和重发机制来加以克服。
2. 根据预协商的手机功能信息，基站调度器禁止在B13和B14两个时隙内进行接收和发射分配。这种方法要求对WiMax标准作少量补充，以便支持手机和基站之间的共存功能协商。
把Wi-Fi增加入共存机制相对比较简单。Wi-Fi与以太网非常相似，也是一种载波侦听多址访问/冲突检测(CSMA/CD)协议，它采用的不是时间分配机制，而是冲突检测和随机后退方法。
因此也就不可能将异步协议同步到推荐的共存机制。不过这个问题可以通过使用Wi-Fi中称为非排程自动省电(U-APSD)的模式加以解决。这种模式一般用于把Wi-Fi站的功耗降至最低，手机在该模式下可以进入睡眠模式，让接入点缓存所有发送往手机的信息，直到预定义的缓冲器溢出。当手机退出睡眠模式时，它向接入点发送一个触发帧，接入点随后将所有缓存的数据发送给手机，从而有效地保持了常规CSMA/CD操作的类似性能。
这种模式在推荐共存机制中的使用方法是强迫手机Wi-Fi模式在间隔B1-B2、B7-B14、B19-B20以及B23-B24期间进入U-APSD睡眠模式，并在其它时间内(10/24或42%)保持激活状态。这样对Wi-Fi吞吐量造成的影响是很小的，可忽略不计。
图2中的其它时隙(标记为“OP”)代表了对某个无线链路来说可能可用也可能不可用的发射和接收机会，这些时隙可以用任何传统的优先级算法进行分配。
前述共存方案的优点是：
1. 只有少许吞吐量的损失就消除了共存问题。
2. 可以用于任何商用WiMax基站、支持U-APSD的Wi-Fi接入点(大多数都支持)和蓝牙耳机。
3. 无需对商用的蓝牙和Wi-Fi手机芯片组作任何硬件改动。
本文小结手机和手持设备中WiMax、蓝牙和Wi-Fi的共存带来了艰巨的技术挑战，因为它们在相邻无线频带上的发送可能会发生冲突，并严重降低性能。本文推荐的共存机制可以实现WiMax和蓝牙时钟的同步，时间上共享无线频带(以一种尽可能减小对各自无线链路性能影响的方式)以及使Wi-Fi工作于U-APSD模式，因而有效地解决了这方面的挑战。
4G通信关键技术探讨
2007年9月19日 我爱研发网 黄伟铭
紧接着3G之后的4G移动通信技术，其技术发展已成为继3G、3.5G通讯技术之后各厂商的研究重点。尽管目前4G移动通信技术尚未成形，然其雏形已大致具备。本文将针对4G通信技术的技术需求、架构与特性等议题进行探讨，并探究4G通信的关键技术。
历经了前两代移动通信的发展，目前移动通信技术已经堂堂进入3G世代，而3.5代通信技术也如火如荼发展。过去第一代移动通信技术是採用模拟技术的语音tqq 动通信，到了2G移动通信则是採用数字无线传输技术的语音通信。目前3G移动通信系统已经进入实际应用阶段，因此紧接着3G之后的4G移动通信技术，其技术发展已成为继3G、3.5G通信技术之后各厂商的研究重点。尽管目前4G移动通信技术尚未成形，然其雏形已大致具备。本文将针对4G通信技术的技术需求、架构与特性等议题进行探讨，并探究4G通信的关键技术。
4G通信技术崛起今日，3G通讯的技术标准与规范已进入商业用途。然而到目前为主，在应用上也发现3G通信的许多缺点，例如缺乏全球统一的标准。3G所採用的语音交换架构仍承袭了2G的「电路交换模式」（Circuit Switch Mode），而非採用纯IP方式，也因此容易受到多用户的干扰，导致传输速率无法大幅提高。面对这些应用上的缺点，理想中的4G通讯技术应该具备以下的特色：
更大传输频宽
对大范围高速移动的使用者（最高250km/h）频宽需求为2Mbps，中速移动的使用者（60km/h）频宽需求为20Mbps，低速移动或室内静止的使用者频宽需求为100Mbps；
更高储存容量
由于传输频宽增大，因此资料储存容量至少需求为3G系统的10倍以上；
更高相容性
4G通信技术必须具备向下相容、开放介面、全球漫游、与网路互联、多元终端应用等，并能从3G通信技术平稳过渡至4G；
不同系统的无缝连接
行动使用者在移动中，特别是高速移动，也都能顺利使用通信系统，并在不同系统间进行无缝转换（Seamless Transitions），传送高速多媒体资料等；
高度智慧化网路系统
4G网路必须是高度智慧、能随状况自行调整的网路系统，它须具备良好的弹性以满足不同环境与不同用户的通信需求；
整合性的便利服务
4G系统将个人通信、资讯传输、广播服务与多媒体娱乐等各项应用整合，提供更为广泛、便利、安全与个性化的服务。
综上所述，4G移动通信其技术的根本目的说穿了，主要是能够在各终端产品间发送、接收来自另一端的信号，并在多个不同的网路系统、平台与无线通讯介面之间找到最快速与最有效率的通信路径，以进行最即时的传输、接收与定位等动作。
而当在通信过程进行中，4G通讯还必须保持良好的无缝连接能力，透过不同网路确保资料传输过程不中断，并维持高品质与高频宽。4G通讯的多层式蜂巢结构，可透过不同无线介面接收网路营运商与内容供应商所提供的内容服务。接下来将介绍4G通信的几项关键技术。
4G通信关键技术OFDM正交频率多重分割技术
OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing；正交频率多重分割）技术的应用已有近40年历史，第一个OFDM技术的实际应用是军事用途的无线高频通信链路。但这种多载波传输技术在双向无线资料方面的应用却是近十年来的新趋势。经过多年的发展之后，该技术已广泛应用于广播式音频和视频等领域。OFDM主要应用还包括：ADSL、DAB与DVB等。
OFDM通常与通道编码（channel code；用以更正错误的技术）同时使用。尽管其技术复杂度高，但是已广于应用于数字通信系统上。这是因为此项技术有效地消除了多路径（multipath）的问题，也就是消费者所熟知在传统模拟电视信号中所存在的「鬼影」的问题。
OFDM技术採用不连续的多音调技术，将不同频率载波中的大量讯号合併成单一信号，并完成信号传送。由于此技术具有在杂波干扰下传送信号之能力，所以常常会被利用在容易受到外界干扰，或者是抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。
OFDM技术的发展目的是为了提高载波的频谱利用率，或者针对多载波的调制，其特点是各子载波相互正交，于是扩频调制后的频谱可以相互重叠，因而减少子载波间相互干扰的情况。
在FDMA（Frequency Division Multiple Access；分频多重进接）、TDMA（Time Division Multiple Access；多时分工存取）、CDMA（Code Division Multiple Access；分码多工）和OFDM等多址方式中，OFDM是4G系统最为合适的多址方案。OFDM技术是在频域内将给定通道分成许多更窄的正交子通道，在每个子通道上使用一个子载波进行调制，且各子载波间进行平行传输，因此可以消除讯号波形彼此间的干扰。
OFDM可以在不同的子通道上自行调整分配传输负荷量，以最佳化整体传输率。OFDM技术还能对抗频率选择性衰落或窄频干扰。在OFDM系统中由于各个子通道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不仅减少子载波间的相互干扰，同时并可提高频谱利用率。
OFDM由于其频谱利用率高、成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通讯资料化、宽频化、个人化和移动化的需求，OFDM 技术在综合无线接入领域将越来越得到广泛的应用。OFDM是一种多载波数位调变技术，虽然OFDM的概念已经存在了很长时间，但是直到最近随着多媒体应用的发展，才被发现OFDM用于高速双向无线资料传输的好处。随着DSP晶片技术的发展，傅立叶变换/反变换、高速Modem採用的64/128/256QAM技术、栅格编码技术、软判决技术、通道自适应技术、插入保护时段、减少均衡计算量等成熟技术的逐步导入，也使通讯产业开始集中更多资源开发行动通讯应用的OFDM技术，也因此估计在后3G时代，OFDM技术将会成为4G通讯技术的主流。
OFDM技术可满足5.15GHz～5.35GHz频段间可靠的高速数据传输。可利用保护时间阶段来解决多径效应产生的码间干扰，以及藉由时序同步来避免接收和发射之间的频率误差，实现可靠正交传输，目前应用于许多不同类型的网路系统。OFDM除符合数位电缆、DSL、数位化电视和输电线联网产品之使用需求外，也符合WLAN标准如IEEE 802.11g等无线区域网路标准。而OFDM也非常适用于4G蜂巢式系统。
MIMO多重输入与多重输出技术
MIMO（Multiple-Input Multiple-Output；多重输入与多重输出）技术是近年来热门的无线通讯技术之一，其最主要特色是可以大幅提昇资料的传输速率。根据Shannon理论，通道所允许传输之最大速率与信号能量、传输频宽有关。然而这两项因素在通讯系统上却是锱铢必较的珍贵资源。传统的SISO（Single-input single-output）技术以单一天线进行传输，而MIMO技术则是透过增加天线数量以达到提高传输速度之效果。
图一. MIMO技术可大幅提升无线传输速率，图为MIMO Router。
在过去的无线网路传输中，大多是利用二支天线切换接收的方式，选择其中收讯较好的一组天线来传送与接收资料，这种方式常常会受到障碍物与其它电波的干扰而影响传输效能。但MIMO技术则是利用多组天线（通常为三组天线）同时传送、接收资料并合成讯号，因此不仅衰减过的讯号也可以达成传输的目的，也可以保持一定的传输速率。
MIMO还可以利用环境中的反射波来组合讯号，因此就算是处于障碍物多的环境也能拥有稳定快速的讯号传输。因此对于隔间较多的房屋或是办公大楼，都能大幅提高讯号传输效果。
由于终端系统的需求从网际网路接取和电子邮件等高频宽应用，逐渐加入了游戏、视讯及音讯串流等，更高传输频宽的需求不断增高，因此如何提高无线覆盖范围，并更有效利用网路频谱将成为厂商发展重点。
MIMO技术的特性就是在相同时间内，能在相同的无线电通道内传输和接收两个或多个不同的数据串流，因此系统在每个讯息通道内传送的数据率将能提高两倍以上。MIMO技术每个讯息通道的最大数据速率，都能随着同一讯息通道中所传输的数据串流数量呈线性增加。透过允许MIMO能在不使用额外的频谱条件下，同时发送多个数据串流，提高无线数据传输容量。
尽管MIMO在架构和运算上需要更多复杂的演算法、复杂的架构和更高的数据处理能力。但随着MIMO技术渐渐运用于更多无线技术中，预计MIMO技术将大幅改变未来十年的无线电产业，例如4G蜂巢式网路、WLAN、WiBro、WiMAX与802.20等无线技术。
SDR软体无线电技术
多重标准及装置是今日无线产业的发展主流，消费者希望手机具备多种功能，例如单一装置便具备对谈、接收电子邮件和下载影片等多媒体功能。加上全球化的影响，因此这些装置不管在哪个国家，都必须可靠地运作并进行漫游。因此设计人员和厂商必须以更具弹性且符合经济效益的方式开发新技术，这些需求都使得下一代的通讯技术复杂度更为提升。
软体无线电（Software Defined Radio；SDR）是一种通讯装置，其实体层至更高阶通讯协定层的作业主要是由软体定义，可提供容许这种改变的框架。软体无线电支援多频宽多模式的无线电、国际漫游、运行时间重新配置和无线程式设计（over the air programming），并可以将不同的通讯技术有效整合。只要在处理硬体时变更装置的软体程式码，软体无线电便可弹性提供变更无线电作业的能力。另外软体无线电还具有其他优点，例如可改善频谱的使用等，都可进一步提升软体无线电的技术价值。
对于4G通讯来说，由于4G通讯系统之架构将会非常繁杂，因此可以使用软体无线电做为跨越2G、3G以至于4G等不同技术之间的桥樑。软体无线电技术能够将类比讯号的数位化过程尽可能与天线的距离接近，即让A/D及D/A转换器尽可能靠近RF前端，并利用DSP进行通道分离、调变解调变，以及通道编解码等工作。透过建立无线电通讯平台，并于平台上运作各种软体系统，如此可以实现多通道、多层次与多模式的无线通讯。软体无线电技术可让单一行动终端装置在不同系统和平台间畅行无阻。
IT产业从过去到现在，发展过程中的第一阶段革命出现在1980年代，当时个人电脑出的出现带动科技产业的经济呈现高度成长，第二阶段IT产业革命则是个人电脑和网际网路的结合，带动新一波经济发展与商机。到了二十一世纪，IT产业出现第三次革命，也就是个人电脑、网际网路与行动通讯结合而形成「无疆界网路」（Ubiquitous Network），透过这样的系统，人们将可透过通讯随时取得所需的资讯，其结果将大幅改善生活品质并提高工作效率。
产业界认为，软体无线电技术将是实现「无疆界网路」世界的主要技术平台，且将在2007年至2010年间实现。因为行动通讯在这段时间之内将会有很大的技术进展，并带来庞大商机。而软体无线电，正是最适合将行动通讯技术导引进入无疆界网路世界的主要技术平台，特别在即将到来的4G通讯世代，行动多媒体通讯将成为未来4G行动通讯的发展趋势，且多模系统也将是厂商的发展重心。而可发展高弹性软、硬体系统平台的软体无线电技术，正是提供多模系统解决方案的关键技术，因此软体无线电技术正受到欧、美、日等发展通讯技术的大厂所重视。
SA智慧型天线
随着无线通讯技术持续发展，加上多媒体传输需求的提高，频谱已成为珍贵之资源。因此新一代无线通讯技术设计之重要课题即为加强终端用户无线接取（Radio Access）能力，以提高频谱效率及系统容量，并满足高弹性系统运作之需求，而终端用户也能在现有的语音与数据传输服务之外，获得更高速、多元之多媒体应用。为了满足高效率频谱运用的需求，智慧型天线（Smart Antenna；SA）技术已日渐受到重视，并公认为是解决频率资源匮乏、有效提昇系统容量、提高资讯传输速率和确保通讯品质之有效途径。
图二. 智慧型天线技术应用
智慧型天线是由适应性天线阵列（Adaptive Antenna Array）发展而来，最初应用于雷达、声纳和军事通讯领域中。近年来由于数位讯号处理技术的迅速发展、IC处理速度的提高和价格的普及，使得智慧型天线技术能广泛运用于无线通讯系统中，在不增加系统复杂度的情况下，可有效满足无线通讯系统的运用需求。
智慧型天线可视为一种充分利用空间资源来进行讯号品质提升、干扰抑制、消除及进行适应性波束调整等智慧性功能的机制，原先是透过天线阵列来提供天线增益（Antenna Gain）以提升讯号杂讯比（SNR），但考虑其讯号传输在空间存在方向的差异性，为了对抗通道的多路径衰落，进一步利用天线阵列以达成空间分集（Spatial Diversity），以获得分集增益（Diversity Gain）的目的。
天线分集（Antenna Diversity）即对空间资源的初步利用，至于更充分利用讯号方向性的做法是波束形成（Beamforming）技术，波束形成是透过自我适应、调整功能之演算法，来驱动阵列天线（空间分集器），通过权值（Weight）之计算来控制天线波束形状、辐射具有方向性之波束，以把主波束对准目标讯号并适应性达到即时讯号追踪功能，有效强化接收讯号品质。此外，智慧型天线也能调整零陷（Null）点来对准干扰讯号以抑制或消除干扰，达到增加容量、扩大涵盖面及提高传输速率之目的。
图三. 普通天线与智慧型天线接收之差异
智慧型天线具备两项特点：一是充份利用讯号的空间方向性，藉由指向性天线加强讯号接收强度，并同时消除干扰；另一特点在于利用丰富的空间通道特性，藉由发射及接收多天线提供空间分集或提高传输速率。智慧型天线是因应新一代无线通讯系统，提供高速、多元、高品质、高频谱效率及低耗电等需求之关键技术之一，当然也是极具潜力的发展领域，目前全球许多先进的通讯厂商与国家都已投入大量经费与人力研发智慧型天线相关技术。智慧型天线对于覆盖面积、系统容量与讯号品质的提升有极为显着的效果，对于未来4G无线通讯技术的系统容量提升、传输速率提高及链路品质强化等要求，将会有其重要的应用价值。
此外，提供多元、多样及高速的资讯传送能力，是4G通讯的主要需求，其中多功能服务可利用智慧型天线技术为终端用户提供多模系统，并透过软体技术为终端用户更新与昇级，使终端用户可享有语音、数据、影像、传真与视讯等多种服务。结合智慧型天线、软体无线电与MIMO技术，下一代的无线通讯将可透过软体操控，实现弹性化的多模通讯能力，并满足高速之链路传输要求。
结论4G通讯的核心技术尚在研发阶段，且以目前3G通讯技术应用现况为如预期热络的情况来看，要使3G通讯成为主流通讯应用技术还得等一等，专家便预测市场消化并完全吸收3G技术的时间约需十年左右，而接踵而至的还有往后的5G以上技术。尽管4G比起3G有着更强大的应用优势，但目前已可见到4G在发展与往后实际应用上所以面临的问题，但是市场不变的趋势是，新技术和新需求将不断出现，有朝一日4G必然会取代3G，成为新一代行动通讯的主流技术。
3G手机技术发展与设计架构
在3G手机的应用时代，其基本的改变包括能提供更高的传输速率，以及同时提供既有的「电路交换模式」（Circuit Switch Mode）和可移动上网的「封包交换模式」（Packet Switch Mode），进而能打打影像电话、使用多媒体短信服务（Multimedia Message Service；MMS），或是收发电子邮件、上网浏览等网际网路服务。这些应用我们早已知道的很清楚了。
然而，在宽频和互动性的基础下，进入3G时代还意味着更广泛的通信技术将在一台手机中产生汇流。目前在发生中的，首先是蓝牙（Bluetooth），再来会是WLAN，以及接下来的GPS/A-GPS和移动电视（Mobile TV），更长远一些，则需注意WiMAX、UWB的发展。这些不同通信技术的整合，将推动多模手机的发展，而每整合一种新的通信功能，就代表着3G手机具备了更丰富的应用性，并可望创造全新的服务与收益模式。
以3G结合A-GPS为例，3G网路的辅助定位资讯，可以大幅缩短GPS的首次定位时间（Time to First Fix；TTFF），从原先的数分钟缩短为一分钟以内；如果基地台的佈建够密，也能有效提升定位的准确度。当手机有了定位资讯，再加上地图资讯、导航引擎与位置服务（LBS）应用软件，一台手机就能够用于紧急救难追踪或提供所谓的「兴趣点」（point of interest；POI）加值服务，也就是为行人提供所在环境附近的加油站、推荐餐厅、旅馆等资讯。
■3G手机＝高阶手机？
对于用户来说，在其随身的轻巧手机中能具有更多样的实用或娱乐功能，当然是何乐而不为，但为了满足这些整合需求，3G手机的开发其实面临了不少的挑战。
先来看看手机的类型，大致可以分为初阶的语音手机（Voice Phone）、中阶的功能手机（Feature Phone）和高阶的智能型手机（Smart Phone）。3G手机可以是其中的任何一种，但目前看来，最早在市场上量产销售的，会是智慧型手机。这和3G目前的定位有关，它毕竟是新兴的应用，会先吸引到对高阶产品有兴趣的玩家（Power User）；而且3G标榜的是它在多媒体传输及移动网路方面的能力，这和语音手机大异其趣。
不过，高阶手机毕竟是金字塔的顶端，使用族群受限，要让3G手机更为普及，势必得往功能手机发展。在系统的开发上，智慧型手机因採用高阶作业系统（High-level OS；HLOS），具有完善的功能模组，因此让手机业者能加速设计的时程，目前主流的HLOS包括Symbian、Windows Mobile和Linux等；相较之下，功能手机为让手机功能更为精简，因此得针对内部的软、硬件系统进行量身定制的工作，这也让3G功能手机推出市场的时间会较为落后。
当然，如果3G能顺利成为市场上的主流行动通讯规格，最低阶的单纯3G语音手机也会顺势推出。对于电信业者来说，3G系统能提供更高的频宽，让业者得到更佳的频宽运用状况，因此3G语音电话也具有其推广的利基。不过，3G的市场虽有起色，但是否能普及或何时会普及，仍然颇为值得观察。
■应用处理架构剖析
我们再进一步来看3G手机的应用功能开发。如上所述，大部分的3G手机不会是单纯的语音手机，这类新兴手机所比拼的，正是其多媒体功能的多样性。在应用功能愈来愈复杂的趋势下，以单一基频涵盖所有数字逻辑运算需求的手机系统规划已不敷需求，现在主流的设计趋势是采通信（数据机）与应用分流的开发架构。
这样做的好处很明显，因为应用功能与通信功能的发展脚步并不同调，应用功能日新月异，而数据机的通信系统却有较长的生命週期。两者分流后，各自可以依市场的需要而改朝换代，不再需要受到另一方的牵制。例如数据机可以从GSM/GPRS加上3G/WCDMA的双频或三频模式，逐步升级到纯粹的3G或下一代的HSDPA/HSUPA；应用处理单元则能因应视频、音频、影像、绘图等需求的改变而扩充其功能，例如支援高达每秒30讯框的VGA解码和H.264/VC-1视频编码、VGA彩色显示、Q-VGA辅助显示以及多达5M画素的数字照相机功能、2D/3D图形、3D声音和立体声喇叭等。
为满足应用处理功能，在功能手机中多半採用一至数颗专属的多媒体处理晶片来做为协同处理器（Co-processor）；在智慧型手机中则会采用一颗功能强大且完整的应用处理器（Application Processor）。不论是多媒体处理晶片或应用处理器，都能有效加速视频、音频、动画／游戏、影像的处理效率。两者最大的差异在于，在功能手机中是以基频为主，协同处理器为辅的架构；而在智能型手机中，应用处理器则成了整个系统的主处理器（master processor），而基频则只扮演无线数据机的附属角色。多媒体处理晶片的进入门槛较低，市场上的提供者众；应用处理器则是一颗将所有应用功能都整合在一起的系统单晶片（SoC），有能力设计制造的厂商并不多。
在应用处理器之处理器核心的架构上，可以是单一强大的核心，或採RISC加DSP的双核心平行架构，但目前看来是以ARM为主处理器搭配多颗多媒体加速器的分散式处理架构为主流，请参考（图一）。
▲图一：应用处理器采用加速器的分散式处理架构。
这些加速器可以单独的工作，也能同时多工处理音、视频的即时编解码功能。这些加速器会以最佳化的软、硬件技术来进行规划，例如在音频上可能采用可采C语言程式化的多媒体VLIW DSP，并搭配硬件线路运算器（hardwired operator）及更高效率的演算法，请参考（图二）。
▲图二：以最佳化架构规划应用处理器中的加速器来提升效能，此图为Nomadik音频加速器的架构。
採用应用处理器能有效降低应用功能的开发难度，因为此类处理器往往具备了丰富的週边介面，能够满足3G多媒体应用上的各种需求，包括照相CMOS感测器、彩色显示的LCD面板、TV输出、IrDA、Bluetooth、Wi-Fi、USB2.0/OTG、音频和多种型式的存储器、ATA硬碟介面及DDR、SDRAM、NAND Flash、NOR Flash等存储器型式，以及传统式键盘和复杂的无线数据机等广泛的介面，此外，还会支援A-GPS和DVB-H或DMB等移动电视功能。请参考（图三）。
▲图三：支援丰富周边介面的应用处理器。
■多模应用开发挑战
即使采用了应用处理器来提供了高效能的多媒体运算及丰富的周边介面，但这仍不保证一支3G手机就具备了完善且强大的应用功能，需要考虑的因素还有很多，尤其是多频多模下，各个子系统该如何妥善规划的议题。以Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、FM/DAB和Mobile TV等功能来说，都会涉及射频通信及数据处理的整合问题，技术难度上的挑战相当的高。
以射频部分来说，首先遇到的就是小型化天线的规划问题。由于这些无线技术多半采用不同的频谱（除Bluetooth和Wi-Fi同採2.4GHz外），因此一台手机中往往得想办法建置多组天线，这就得克服机构与隔离性的议题。在射频系统方面，也有很大的挑战，多频的GSM/GPRS/3G在共用射频电路的情况下，在滤波器、嵌入式L, C等射频被动元件得朝切换型式发展，放大器方面也得支援宽频及高线性度设计，此外还有很多EMI/EMC的问题得解决。
Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、Mobile TV与应用处理器或基频的整合上，则有多种架构的选择。最常见的方式是採用一颗专属的前端（Front End；FE）模组，以Mobile TV的DVB-H前端模组为例，就提供了从谐调器（Tuner）到解调器（Demodulator）的完整功能，直接将处理好的IP datagram和TS packet分流送到应用处理器或音、视频解码晶片做进一步运算，最后才将电视节目的影音内容传送到萤幕上播放，如（图四）。
▲图四：移动电视应用中FE与处理器、解码器的运作流程示意图。
另一种架构则是将数字的功能都整合到应用处理单元中，并以软件方式来驱动该项应用功能，此架构只需搭配特定功能的RF晶片即可执行，但这会佔用掉主处理器极大的运算资源，而且需投入较大的时间精力去移植和调校此种软件。以A-GPS为例，就有所谓的软件式GPS，但其功能只适用于单点的定位，而不适合用在更复杂的导航或LBS应用之上。
■多媒体处理议题
随着3G频宽的增加，以及整合Wi-Fi而获得更大的网路频宽，都让3G手机可以朝视频电话、2D/3D网路游戏或提供Hi-Fi音效的多媒体应用发展，未来再结合数字电视广播网路，还可收看广播式串流视频节目。因此，在一台多媒体手机上要处理的媒体类型，除照相功能的静态影像外，还有视频（动态影像）、音频（声音、音乐及音效）和绘图（2D/3D）功能。
视频内容是占用频宽最大的内容，因此有必要採用最新的压缩格式。H.264是多数移动电视服务所中意的新一代规格，它能将压缩率大幅提升，却又不影响视频品质，因此只需有限的无线频宽（约500Mbps）即能播放视频节目。试验显示，在相同视频品质情况下，与MPEG-4 Advanced Simple Profile压缩协议相较，H.264可以把位元率降低35％∼50％，而与MPEG-2相较可降低40％∼65％。不过，由于H.264的演算技术更为复杂，需要采用更高效能的编解码技术。
在音频方面的设计挑战并非频宽，而是整体的系统规划。目前音讯处理的内容相当多元，在内容格式上包括声音的LPC、CELP与ACELP等编解码格式；在音效格式上更包括AMR、ACC、MP3/MP3Pro、WMA、OGG等。过去手机只要处理单声道的低阶电话语音即可，而今还得应付和絃铃声、音乐档案播放和FM或DAB的广播收听，有些手机甚至内建答录机的功能。要提供Hi-Fi立体音效，手机得同时建立16-bit、以44.1kHz取样的音频系统，而且必须设置两台扬声器，并透过如Audistry的后制音效技术来达成3D效果。
在绘图技术上，3D可望成为下一代高阶手机中必备的功能。由于3D的运算需求极大，市场上已逐步从软件方案转为硬件的专属加速器作法。此外，为了让手机制造商、晶片供应商、绘图引擎及软体供应商、游戏开发商以及基础设备开发企业等相关3D游戏业者能广泛的合作，Open GL-ES已成为行动绘图产业的共同标准，目前已开发到2.0的版本；此外，在Java部分则有Mobile 3D Graphics API for J2ME（JSR 184）的标准在审定中。
■结论
如果以语音通信功能来看待3G手机，那显然是太狭碍了。3G手机意味着更丰富的多媒体通信服务将会出现，这除了需重新考量内部系统的建置架构外，也得在输出介面上有所提升，特别是在显示技术上，不但要求更大的萤幕，在解析度上从qQVGA、QCIF，一路往QVGA升级；面板技术上则从CSTN、A-TFT、LTPS，逐步升级到OLED；此外，MVA、IPS等宽视角技术也成了必要的技术。
此外，更多样的内容，也难免涉及对内容取得的认证、授权和付费机制，以及内容的数字版权管理（DRM），还有个人资料的保密等的议题，这些议题足以形成一个围绕着行动应用功能的安全性生态体系，如（图五）。此外，在移动电视和A-GPS/LBS的服务上，还有很多待建立的服务模式，以及提供足够且吸引人的内容，才能让3G手机真正成为多元服务的行动式中心。
▲图五：围绕着应用处理器所形成的安全性生态体系。