# E.7 案例研究：手机内部 游戏机和数码相机都是熟悉的嵌入式系统，而在原书描述的时期，最为人熟悉的嵌入式系统是手机。1999 年，美国有 7600 万蜂窝通信用户，比前一年增长了 25%。全球年增长率则接近 35%，因为发展中国家发现，建设蜂窝基站比铺设铜线基础设施便宜得多。因此，在许多国家，使用中的手机数量超过了有线电话数量。 不难理解，蜂窝手机市场的年增长率达到 35%，1999 年全球售出约 2.8 亿部手机。作为比较，同年的个人计算机销量为 1.2 亿台。这些数字意味着，改进手机可以投入巨大的工程资源；按每立方英寸所包含的工程创新衡量，手机可能居于领先地位 [Grice and Kanellos 2000]。 在揭示手机的内部结构之前，先简要介绍无线技术。 ## 无线网络背景 网络既可以用铜和玻璃构建，也可以借助空气形成无线网络。本小节的大部分内容依据 National Research Council（美国国家研究委员会）[1997] 的一份报告。 无线电波是由天线传播的电磁波。无线电波经过调制，也就是把声音信号叠加在较强的无线电波上，由后者携带声音信号，因此称其为*载波信号*。无线电波具有特定的波长或频率：可以用一个完整波形的长度来度量，也可以用每秒的波数来度量。长波的频率低，短波的频率高。FM 广播电台在 88 MHz 至 108 MHz 频段发射，采用频率调制（FM）承载声音信号。 通过调谐到不同频率，无线电接收机可以选取特定信号。除了 AM 和 FM 广播，还有其他频率专门留给民用波段无线电、电视、寻呼机、空中交通管制雷达、全球定位系统等使用。在美国，Federal Communications Commission（联邦通信委员会）决定由谁使用哪些频率，以及用于何种目的。 无线链路的误码率（bit error rate，BER）由接收信号功率、接收机硬件造成的干扰噪声、其他来源的干扰，以及信道特性共同决定。噪声通常与射频带宽成正比，一个关键指标是达到给定 BER 所需的信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）。图 E.14 列出了无线通信面临的其他挑战。 | 挑战 | 说明 | 影响 | |---|---|---| | 路径损耗 | 原表定义为接收功率除以发射功率；无线电系统必须克服干扰噪声，以达到所需信噪比。原表称路径损耗随距离呈指数变化，距离超过 100 米时还取决于干扰。 | 发射功率 1 W、发射频率 1 GHz、数据率 1 Mbit/s、BER 为 \(10^{-7}\) 时，无线电设备之间的距离，在自由空间中可达 728 米，在茂密丛林中则为 4 米。 | | 阴影衰落 | 接收信号被物体、室外建筑物或室内墙壁阻挡；提高功率可以改善接收 SNR。它取决于物体数量及其介电特性。 | 如果发射机在移动，需要改变发射功率，以保证所在区域中的接收 SNR。 | | 多径衰落 | 同一信号的多个副本在不同时刻到达并相互干扰；其程度由最早与最晚信号之间的时延相对于信号带宽的关系决定。 | 发射频率为 900 MHz 时，信号功率每隔 30 cm 就会变化。 | | 干扰 | 频率复用、邻信道干扰和窄带干扰。 | 需要滤波器和扩频技术。 | {#fig-E.14 .wide .expand num="E.14"} **图 E.14 无线通信面临的挑战。** > **译注：** 原表采用的“接收功率/发射功率”是传输增益方向的比值，与通常用“发射功率/接收功率”表示的损耗互为倒数；它所用的“随距离呈指数变化”（exponential）也不应与常见传播模型中的距离幂律混为一谈。下文沿用原书的这一措辞，未将其无标记地改写为另一种模型。 通常，选择无线通信，是因为通信设备需要移动，或者布线不方便。这意味着无线网络必须动态调整自身结构，因而路由更加困难。第二个挑战是无线信号没有屏蔽保护，容易相互干扰，设备移动时尤其如此。功率也是无线通信的一个挑战：一方面，这些设备往往由电池供电；另一方面，天线需要辐射能量进行通信，而其中只有很少一部分到达接收机。因此，无线通信的原始误码率通常比铜线高一千至一百万倍。 无线网络主要有两种体系结构：基站式体系结构和对等式体系结构。基站之间通过有线线路进行较远距离通信，移动设备只与本地的一座基站通信。 对等式体系结构允许移动设备相互通信，消息从一台设备逐跳传到下一台，直至到达目标设备。虽然对等方式更易于重新配置，但基站方式往往更可靠，因为设备与基站之间只有一跳。作为最普及的无线网络实例，*蜂窝电话*依赖带基站的无线电系统。 蜂窝系统利用原书所称的“指数路径损耗”，在空间上相隔较远的位置复用同一频率，从而大幅增加可服务的用户数量。蜂窝系统把城市划分成互不重叠的六边形小区；相邻小区使用不同频率，只有在小区相距足够远、相互干扰可以接受时，才复用同一频率。 在三个六边形小区的交点处设置一座带有发射机和天线的基站。基站连接到交换中心；当移动设备离开一个小区、进入另一个小区时，交换中心负责协调切换，同时负责通过有线线路接入和发起呼叫。典型小区的半径为 2 至 10 英里，具体取决于地形、人口等因素。 ## 手机 图 E.15 展示了作为手机核心的无线电设备组成。无线电信号先由天线接收，经过放大、混频、滤波、解调，最后译码。天线是无线电波传播介质与发射机或接收机电子电路之间的接口。可以把天线设计成在某些方向上效果最好，使发射和接收都具有方向性。 调制将信息编码到信号的幅度、相位或频率中，以提高在受损信道条件下的稳健性。无线电发射机经过相同的处理步骤，只是顺序相反。 ![无线电接收机的组成](/figures/app-e/fig-e-15.png) {#fig-E.15 .wide .expand num="E.15"} **图 E.15 无线电接收机由天线、射频放大器、混频器、滤波器、解调器和译码器组成。** 混频器接收两个输入信号，产生包含和频、差频成分的输出信号。滤波器选择一个更窄的频带，将其送到下一级。调制对信息编码，使其更稳健；译码则把信号还原为信息。根据应用不同，所有电子部件都可以采用模拟或数字实现。例如，原书所述汽车收音机全部采用模拟器件，而 PC 调制解调器除放大器外都采用数字器件。当时的蜂窝手机使用模拟硅芯片实现射频放大器和第一级混频器。图中从左至右依次为 Antenna、RF amp、Mixer、Filter、Demodulator、Decoder，对应上述处理顺序。 最初，所有器件都是模拟的；随着时间推移，大多数逐渐被数字器件取代，这要求把无线电信号从模拟形式转换成数字形式。为了灵活支持更多无线电频段，其中一些功能被数字信号处理器等可编程芯片上的软件程序取代。由于这类处理器通常用在移动设备中，设计者重视每焦耳的性能，以延长电池续航；重视每平方毫米硅片面积的性能，以缩小尺寸和降低成本；也重视每项任务所需的字节数，以减小内存容量。 图 E.16 给出了手机电子系统的通用框图，其中 DSP 执行信号处理，微控制器负责其余任务。手机本质上是充当无线电设备的移动计算机。它包含标准 I/O 设备——键盘和 LCD 显示屏——以及用于无线联网的麦克风、扬声器和天线。 ![手机框图](/figures/app-e/fig-e-16.png) {#fig-E.16 .wide .expand num="E.16"} **图 E.16 手机框图。** DSP 执行图 E.15 中的信号处理步骤，微控制器控制用户界面、电池管理和呼叫建立。（依据 Groe and Larson [2000] 的图 1.3。）图中包括天线、射频接收机 Rx、射频发射机 Tx、DSP、微控制器、扬声器、麦克风、显示屏和键盘。 电池效率影响销量：既包括等待来电时的待机功耗，也包括能够通话的分钟数。 手机开机后的首要任务是寻找小区。它扫描整个频段以找到最强的信号；由于需要在行驶车辆中工作，这一扫描每隔 7 秒就会重复一次，信号强度下降时也会重复。随后，它选择一个未被使用的无线电信道。本地交换中心为手机注册，记录其电话号码和电子序列号，并分配一个语音信道用于通话。为了确认手机获得了正确的信道，基站在该信道上发送一个特殊音调，手机再把音调发回以作确认。如果 5 秒内没有听到监视音调，手机就会超时，并从头重新执行这一过程。随着信号强度减弱，原基站向手机即将进入的基站发出切换请求。 为了通过无线电进行双向通话，两个方向分别使用预留频段，形成一个频率对，或称信道。最初的蜂窝基站在 869.04 至 893.97 MHz 发射，称为*前向通路*；手机在 824.04 至 848.97 MHz 发射，称为*反向通路*。两者之间留有频率间隔，防止相互干扰。一个小区可能有 4 至 80 个信道。信道又分为用于呼叫建立的*建立信道*，以及承载数据或语音业务的*语音信道*。 通信采用数字方式，类似调制解调器，速率为 9600 bit/s。由于无线介质容易丢失信息，从行驶车辆中通信时尤其如此，手机会把每条消息发送五次。为了节省电池电量，最初的手机通常根据与基站的距离，采用 0.6 W 或 3.0 W 两种发射功率。这种相对较低的功率不仅允许使用更小的电池，从而缩小手机尺寸，还便于实现频率复用，而频率复用正是蜂窝电话的关键。 图 E.17 展示了一部 Nokia 数字手机的电路板，并标出了主要部件。注意，电路板上有两个处理器。一个 Z-80 微控制器负责控制电路板功能、处理键盘和显示屏 I/O，以及与基站协调。DSP 负责所有信号压缩和解压缩。此外，还有用于模数和数模转换、放大、电源管理以及射频接口的专用芯片。 ![Nokia 手机的电路板](/figures/app-e/fig-e-17.png) {#fig-E.17 .wide .expand num="E.17"} **图 E.17 Nokia 手机中的电路板。** （HowStuffWorks, Inc. 提供。）图中标出射频与电源电路（RF and power）、音频 D/A 与 A/D、电池、内存，以及微处理器与控制逻辑。 2001 年，一部手机大约有 10 块集成电路，除了标准 CMOS 器件，还包括采用砷化镓、硅锗等特殊工艺的器件。出于经济性和灵活性的考虑，芯片数量后来缩减到只有几块。不过，这些 SOC 内部仍包含独立的微控制器和 DSP，由代码实现刚才描述的许多功能。 ## 手机标准及其演进 人们通过多种标准提高手机通信速度。*码分多址*（code division multiple access，CDMA）是一个常见例子。与最早的、称为*高级移动电话服务*（advanced mobile phone service，AMPS）的主要采用模拟技术的系统相比，CDMA 为一条通信通路使用更宽的射频频带。 较宽的频带更难被阻断，这种技术称为*扩频*（spread spectrum）。其他标准还有*时分多址*（time division multiple access，TDMA）和*全球移动通信系统*（global system for mobile communication，GSM）。这些第二代标准——CDMA、GSM 和 TDMA——主要采用数字技术。 CDMA 的主要区别是，所有通话者共享同一个信道，该信道以高得多的速率运行，再通过对每个通话作独特编码来区分它们。每路 CDMA 通话最初为 9600 bit/s，随后经过编码，以大小相等的消息在 1.25 Mbit/s 的速率下传输。它不像 AMPS 那样把每个信号发送五次，而是扩展每个比特；按原书的表述，使其占用“最小频率的 11 倍”，从而在有干扰的情况下仍能成功传输。基站接收这些消息，并将其分离成每路通话各自的 9600 bit/s 数据流。 > **译注：** “1.25 Mbit/s”和“最小频率的 11 倍”均为原书原述。“每个比特被扩展”与“频率的 11 倍”的关系在原文中未作说明，不能据此直接推导扩频因子；此处不补造原书没有给出的编码过程或参数。 为了增强私密性，CDMA 使用从一组 64 个预定义码中选取的伪随机序列。为同步手机与基站，使二者选取共同的伪随机种子，CDMA 依赖全球定位系统的时钟；GPS 持续发送精确的时间信号。通过精心选择编码，共享业务对收听者来说就像随机噪声。因此，共享同一信道的用户越多，噪声越大，信噪比也就逐渐降低。于是，CDMA 系统的容量在一定程度上取决于人们的主观接受程度，即听者对背景噪声有多敏感。 此外，CDMA 使用语音压缩，并根据通话中实际语音活动的多少改变传输数据率。 这两种技术都能节省带宽，从而使每个小区容纳更多通话。CDMA 必须仔细控制功率，避免靠近基站的信号淹没来自远处的信号，目标是让所有信号到达基站时的强度大致相同。额外的好处是，CDMA 手机发射的功率更低；这既有助于延长电池续航，也能在用户靠近基站时提高容量。 因此，与 AMPS 相比，CDMA 可以把系统容量提高最多一个数量级，改善通话质量和电池续航，并增强用户的私密性。在经历相当大的商业纷争之后，出现了一个名为 International Mobile Telephony 2000（IMT-2000）的新第三代标准，主要基于两个相互竞争的 CDMA 版本和一个 TDMA 版本。原书当时预计，这个标准可能使手机在世界任何地方都能使用。