多模應用興起　如何跨越3G手機開發門檻？

（作者Vicent Chiang／ST亞太區通訊及行動多媒體事業部資深技術行銷工程師） 2006/10/09
在3G手機的應用時代，其基本的改變包括能提供更高的傳輸速率，以及同時提供既有的「電路交換模式」（Circuit Switch Mode）和可行動上網的「封包交換模式」（Packet Switch Mode），進而能打打影像電話、使用多媒體簡訊服務（Multimedia Message Service；MMS），或是收發電子郵件、上網瀏覽等網際網路服務。這些應用我們早已知道的很清楚了。
然而，在寬頻和互動性的基礎下，進入3G時代還意味著更廣泛的通訊技術將在一台手機中產生匯流。目前在發生中的，首先是藍芽（Bluetooth），再來會是WLAN，以及接下來的GPS/A-GPS和行動電視（Mobile TV），更長遠一些，則需注意WiMAX、UWB的發展。這些不同通訊技術的整合，將推動多模手機的發展，而每整合一種新的通訊功能，就代表著3G手機具備了更豐富的應用性，並可望創造全新的服務與收益模式。
以3G結合A-GPS為例，3G網路的輔助定位資訊，可以大幅縮短GPS的首次定位時間（Time to First Fix；TTFF），從原先的數分鐘縮短為一分鐘以內；如果基地台的佈建夠密，也能有效提升定位的準確度。當手機有了定位資訊，再加上地圖資訊、導航引擎與位置服務（LBS）應用軟體，一台手機就能夠用於緊急救難追蹤或提供所謂的「興趣點」（point of interest；POI）加值服務，也就是為行人提供所在環境附近的加油站、推薦餐廳、旅館等資訊。
■3G手機＝高階手機？
對於用戶來說，在其隨身的輕巧手機中能具有更多樣的實用或娛樂功能，當然是何樂而不為，但為了滿足這些整合需求，3G手機的開發其實面臨了不少的挑戰。
先來看看手機的類型，大致可以分為初階的語音手機（Voice Phone）、中階的功能手機（Feature Phone）和高階的智慧型手機（Smart Phone）。3G手機可以是其中的任何一種，但目前看來，最早在市場上量產銷售的，會是智慧型手機。這和3G目前的定位有關，它畢竟是新興的應用，會先吸引到對高階產品有興趣的玩家（Power User）；而且3G標榜的是它在多媒體傳輸及行動網路方面的能力，這和語音手機大異其趣。
不過，高階手機畢竟是金字塔的頂端，使用族群受限，要讓3G手機更為普及，勢必得往功能手機發展。在系統的開發上，智慧型手機因採用高階作業系統（High-level OS；HLOS），具有完善的功能模組，因此讓手機業者能加速設計的時程，目前主流的HLOS包括Symbian、Windows Mobile和Linux等；相較之下，功能手機為讓手機功能更為精簡，因此得針對內部的軟、硬體系統進行量身定製的工作，這也讓3G功能手機推出市場的時間會較為落後。
當然，如果3G能順利成為市場上的主流行動通訊規格，最低階的單純3G語音手機也會順勢推出。對於電信業者來說，3G系統能提供更高的頻寬，讓業者得到更佳的頻寬運用狀況，因此3G語音電話也具有其推廣的利基。不過，3G的市場雖有起色，但是否能普及或何時會普及，仍然頗為值得觀察。
■應用處理架構剖析
我們再進一步來看3G手機的應用功能開發。如上所述，大部分的3G手機不會是單純的語音手機，這類新興手機所比拼的，正是其多媒體功能的多樣性。在應用功能愈來愈複雜的趨勢下，以單一基頻涵蓋所有數位邏輯運算需求的手機系統規劃已不敷需求，現在主流的設計趨勢是採通訊（數據機）與應用分流的開發架構。
這樣做的好處很明顯，因為應用功能與通訊功能的發展腳步並不同調，應用功能日新月異，而數據機的通訊系統卻有較長的生命週期。兩者分流後，各自可以依市場的需要而改朝換代，不再需要受到另一方的牽制。例如數據機可以從GSM/GPRS加上3G/WCDMA的雙頻或三頻模式，逐步升級到純粹的3G或下一代的HSDPA/HSUPA；應用處理單元則能因應視訊、音訊、影像、繪圖等需求的改變而擴充其功能，例如支援高達每秒30訊框的VGA解碼和H.264/VC-1視訊編碼、VGA彩色顯示、Q-VGA輔助顯示以及多達5M畫素的數位照相機功能、2D/3D圖形、3D聲音和立體聲喇叭等。
為滿足應用處理功能，在功能手機中多半採用一至數顆專屬的多媒體處理晶片來做為協同處理器（Co-processor）；在智慧型手機中則會採用一顆功能強大且完整的應用處理器（Application Processor）。不論是多媒體處理晶片或應用處理器，都能有效加速視訊、音訊、動畫／遊戲、影像的處理效率。兩者最大的差異在於，在功能手機中是以基頻為主，協同處理器為輔的架構；而在智慧型手機中，應用處理器則成了整個系統的主處理器（master processor），而基頻則只扮演無線數據機的附屬角色。多媒體處理晶片的進入門檻較低，市場上的提供者眾；應用處理器則是一顆將所有應用功能都整合在一起的系統單晶片（SoC），有能力設計製造的廠商並不多。
在應用處理器之處理器核心的架構上，可以是單一強大的核心，或採RISC加DSP的雙核心平行架構，但目前看來是以ARM為主處理器搭配多顆多媒體加速器的分散式處理架構為主流，請參考（圖一）。

▲圖一：應用處理器採用加速器的分散式處理架構。（資料來源：ST Nomadik）
這些加速器可以單獨的工作，也能同時多工處理音、視訊的即時編解碼功能。這些加速器會以最佳化的軟、硬體技術來進行規劃，例如在音訊上可能採用可採C語言程式化的多媒體VLIW DSP，並搭配硬體線路運算器（hardwired operator）及更高效率的演算法，請參考（圖二）。

▲圖二：以最佳化架構規劃應用處理器中的加速器來提升效能，此圖為Nomadik音訊加速器的架構。（資料來源：ST Nomadik）
採用應用處理器能有效降低應用功能的開發難度，因為此類處理器往往具備了豐富的週邊介面，能夠滿足3G多媒體應用上的各種需求，包括照相CMOS感測器、彩色顯示的LCD面板、TV輸出、IrDA、Bluetooth、Wi-Fi、USB2.0/OTG、音訊和多種型式的記憶卡、ATA硬碟介面及DDR、SDRAM、NAND Flash、NOR Flash等記憶體型式，以及傳統式鍵盤和複雜的無線數據機等廣泛的介面，此外，還會支援A-GPS和DVB-H或DMB等行動電視功能。請參考（圖三）。

▲圖三：支援豐富週邊介面的應用處理器。（資料來源：ST Nomadik）
■多模應用開發挑戰
即使採用了應用處理器來提供了高效能的多媒體運算及豐富的週邊介面，但這仍不保證一支3G手機就具備了完善且強大的應用功能，需要考慮的因素還有很多，尤其是多頻多模下，各個子系統該如何妥善規劃的議題。以Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、FM/DAB和Mobile TV等功能來說，都會涉及射頻通訊及數據處理的整合問題，技術難度上的挑戰相當的高。
以射頻部分來說，首先遇到的就是小型化天線的規劃問題。由於這些無線技術多半採用不同的頻譜（除Bluetooth和Wi-Fi同採2.4GHz外），因此一台手機中往往得想辦法建置多組天線，這就得克服機構與隔離性的議題。在射頻系統方面，也有很大的挑戰，多頻的GSM/GPRS/3G在共用射頻電路的情況下，在濾波器、嵌入式L, C等射頻被動元件得朝切換型式發展，放大器方面也得支援寬頻及高線性度設計，此外還有很多EMI/EMC的問題得解決。
Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、Mobile TV與應用處理器或基頻的整合上，則有多種架構的選擇。最常見的方式是採用一顆專屬的前端（Front End；FE）模組，以Mobile TV的DVB-H前端模組為例，就提供了從諧調器（Tuner）到解調器（Demodulator）的完整功能，直接將處理好的IP datagram和TS packet分流送到應用處理器或音、視訊解碼晶片做進一步運算，最後才將電視節目的影音內容傳送到螢幕上播放，如（圖四）。

▲圖四：行動電視應用中FE與處理器、解碼器的運作流程示意圖。（資料來源：ST Nomadik）
另一種架構則是將數位的功能都整合到應用處理單元中，並以軟體方式來驅動該項應用功能，此架構只需搭配特定功能的RF晶片即可執行，但這會佔用掉主處理器極大的運算資源，而且需投入較大的時間精力去移植和調校此種軟體。以A-GPS為例，就有所謂的軟體式GPS，但其功能只適用於單點的定位，而不適合用在更複雜的導航或LBS應用之上。
■多媒體處理議題
隨著3G頻寬的增加，以及整合Wi-Fi而獲得更大的網路頻寬，都讓3G手機可以朝視訊電話、2D/3D網路遊戲或提供Hi-Fi音效的多媒體應用發展，未來再結合數位電視廣播網路，還可收看廣播式串流視訊節目。因此，在一台多媒體手機上要處理的媒體類型，除照相功能的靜態影像外，還有視訊（動態影像）、音訊（聲音、音樂及音效）和繪圖（2D/3D）功能。
視訊內容是佔用頻寬最大的內容，因此有必要採用最新的壓縮格式。H.264是多數行動電視服務所中意的新一代規格，它能將壓縮率大幅提升，卻又不影響視訊品質，因此只需有限的無線頻寬（約500Mbps）即能播放視訊節目。試驗顯示，在相同視訊品質情況下，與MPEG-4 Advanced Simple Profile壓縮協議相較，H.264可以把位元率降低35％∼50％，而與MPEG-2相較可降低40％∼65％。不過，由於H.264的演算技術更為複雜，需要採用更高效能的編解碼技術。
在音訊方面的設計挑戰並非頻寬，而是整體的系統規劃。目前音訊處理的內容相當多元，在內容格式上包括聲音的LPC、CELP與ACELP等編解碼格式；在音效格式上更包括AMR、ACC、MP3/MP3Pro、WMA、OGG等。過去手機只要處理單聲道的低階電話語音即可，而今還得應付和絃鈴聲、音樂檔案播放和FM或DAB的廣播收聽，有些手機甚至內建答錄機的功能。要提供Hi-Fi立體音效，手機得同時建立16-bit、以44.1kHz取樣的音訊系統，而且必須設置兩台揚聲器，並透過如Audistry的後製音效技術來達成3D效果。
在繪圖技術上，3D可望成為下一代高階手機中必備的功能。由於3D的運算需求極大，市場上已逐步從軟體方案轉為硬體的專屬加速器作法。此外，為了讓手機製造商、晶片供應商、繪圖引擎及軟體供應商、遊戲開發商以及基礎設備開發企業等相關3D遊戲業者能廣泛的合作，Open GL-ES已成為行動繪圖產業的共同標準，目前已開發到2.0的版本；此外，在Java部分則有Mobile 3D Graphics API for J2ME（JSR 184）的標準在審定中。
■結論
如果以語音通訊功能來看待3G手機，那顯然是太狹礙了。3G手機意味著更豐富的多媒體通訊服務將會出現，這除了需重新考量內部系統的建置架構外，也得在輸出介面上有所提升，特別是在顯示技術上，不但要求更大的螢幕，在解析度上從qQVGA、QCIF，一路往QVGA升級；面板技術上則從CSTN、A-TFT、LTPS，逐步升級到OLED；此外，MVA、IPS等寬視角技術也成了必要的技術。
此外，更多樣的內容，也難免涉及對內容取得的認證、授權和付費機制，以及內容的數位版權管理（DRM），還有個人資料的保密等的議題，這些議題足以形成一個圍繞著行動應用功能的安全性生態體系，如（圖五）。此外，在行動電視和A-GPS/LBS的服務上，還有很多待建立的服務模式，以及提供足夠且吸引人的內容，才能讓3G手機真正成為多元服務的行動式中心。（本文由ST提供，聯絡方式：vincent.chiang@st.com）

▲圖五：圍繞著應用處理器所形成的安全性生態體系。（資料來源：ST Nomadik）