如何減省移動多媒體傳輸鏈的功耗？要面臨哪些工程挑戰(zhàn)

消費(fèi)者對于移動多媒體的需求是毫無疑問的，滿足這些需求的技術(shù)已經(jīng)開發(fā)成功，對于設(shè)計人員而言，剩下的問題就是如何利用這些技術(shù)，并將成功的產(chǎn)品帶入市場。本文將討論如何減省移動多媒體設(shè)備內(nèi)關(guān)鍵元件的功耗，此外也會對現(xiàn)今移動多媒體設(shè)備設(shè)計人員所面對的工程挑戰(zhàn)作出概括的分析，并就目前及新涌現(xiàn)的硅技術(shù)，提出可克服這些工程挑戰(zhàn)的解決方案。

移動設(shè)備的功率管理

在網(wǎng)絡(luò)的移動部分存在一個特別的功率消耗，因為這些移動設(shè)備一般由電池供電。大的電池增加了移動設(shè)備的尺寸和重量，但小電池卻縮短了每次充電后的使用時間，無論哪種情況都不利于用戶使用。此外，電池電源還存在著一些隱藏成本，這便是充電和蓄電的效率并不理想。所有的充電電池都會自放電，情況最為嚴(yán)重的要數(shù)NiCd電池和NiMH電池，在充電完成后的首個24小時之內(nèi)，這兩種電池即會損失自身電量的10％。所幸，采用新的電池控制技術(shù)，不僅可以使電池輸出更多的能量，而且也可提高效率。

在大部分無線設(shè)備中，發(fā)送器的功率放大器是主要的耗電元件。提升功率效率的一種趨勢是將蜂窩通信基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)移到新技術(shù)上，其中包括射頻遠(yuǎn)端模塊。該方法是將移動設(shè)備與基站無線電收發(fā)機(jī)的距離拉近，從而降低發(fā)送器的功率。在基站高密度覆蓋的城區(qū)或郊區(qū)，移動設(shè)備通常會要求基站提供一個功率水平，而這個水平遠(yuǎn)在發(fā)送器所能提供的最高功率水平以下。這樣，移動設(shè)備便可以通過降低RF功率放大器的電源電壓來優(yōu)化發(fā)送器的功率。

可優(yōu)化電池電源的新策略

當(dāng)我們尋找節(jié)省功率的機(jī)會時，我們必須首先從電源管理芯片本身開始。電源管理的新策略對這種新趨勢極其有利，其中包括：

PowerWise 自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)

圖1所示為一個使用在移動電話和其他便攜設(shè)備中的PowerWise接口（PWI）兼容能量管理單元（EMU）。其中，兩個高效并具有自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)（AVS）功能的開關(guān)式DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器為CPU和DSP核心提供了大電流電源軌，而五個低降壓（LDO）線性穩(wěn)壓器則為存儲器和外圍設(shè)等設(shè)備提供輔助功率輸出。

圖1 具有自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)功能的多輸出調(diào)節(jié)器

AVS技術(shù)是通過從一個或多個硬件性能監(jiān)測器（HPM）的反饋來實現(xiàn)的。由于每個HPM都集成在與負(fù)載一起的芯片上（一般是高功率的CPU芯片或DSP核心），因此，它們是在相同的硅工藝變化下進(jìn)行制造，并具有相同的設(shè)備工作溫度變化。這樣就可以將電源電壓調(diào)整到盡量接近設(shè)備實際可承受限值的程度。

一個先進(jìn)的電源控制器（APC）利用來自各個HPM的輸入，以確定是否需要對其電源電壓進(jìn)行優(yōu)化。APC通過雙線PowerWise接口向電源內(nèi)的一個從動控制器發(fā)出電壓調(diào)節(jié)指令。電壓經(jīng)調(diào)整后，硅片的性能將持續(xù)受到各個HPM的監(jiān)視，如果出現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化的需要，則APC會發(fā)出一個新的電壓調(diào)整指令。電源必須在收到APC發(fā)出的指令后及時地調(diào)整其電壓，這樣AVS控制系統(tǒng)的反饋環(huán)路才能保持穩(wěn)定。

在最高頻率下的負(fù)載電源電壓規(guī)格可保證系統(tǒng)能在最高工作溫度和最差的硅性能下正常運(yùn)行?？墒?，實際工作溫度一般低于最大工作溫度，而實際硅片的處理能力也往往會優(yōu)于最不利情況。因此，在實際工作條件下，就存在于最高頻率下把電壓降低的空間，AVS技術(shù)即可以利用這一空間達(dá)到近乎完美的工作功率。

LDO的輔助輸出同樣也可以通過PWI進(jìn)行編程，盡管它們沒有參與到AVS反饋環(huán)路中。它們的輸出電壓可以獨(dú)立地被編程，也可以獨(dú)立地被開啟或關(guān)閉。兩個LDO的已調(diào)節(jié)輸出有一個可選擇的數(shù)據(jù)保持電壓，在這種模式下，于休眠模式期間（一種節(jié)能模式）的功率可降到指定的最低電壓，僅足夠用于保存易失存儲器中的內(nèi)容，與此同時，CPU芯片或DSP核心的電壓將降到零。由于避免了啟動過程和無需再從只讀存儲器或閃速存儲器中重新加載丟失的數(shù)據(jù)，因此可讓核心快速從休眠模式下蘇醒。

升降壓和多模式電壓調(diào)節(jié)器

升降壓轉(zhuǎn)換器可在一個寬闊的輸入電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的輸出。升降壓轉(zhuǎn)換器利用兩個N通道MOSFET和兩個P通道MOSFET來實現(xiàn)在降壓轉(zhuǎn)換器模式（當(dāng)VIN 》 VOUT時）與升壓轉(zhuǎn)換器模式（當(dāng)VIN 《 VOUT時）之間的無縫切換（輸出沒有出現(xiàn)減弱）。這樣，與標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換器相比，升降壓轉(zhuǎn)換器可在更低的電壓下工作，從而可以從電池中提取更多的電能及加強(qiáng)效率。

如圖2所示，通過在中高強(qiáng)度電流（》100 mA）的脈寬調(diào)制（PWM）和低強(qiáng)度電流的脈頻調(diào)制（PFM）之間的切換，多模式轉(zhuǎn)換器可以為那些大部分時間處于停機(jī)模式的次級系統(tǒng)帶來更高的效率。通過減少切換循環(huán)的次數(shù)，還減少了在低負(fù)載情況下的切換損耗。

圖2 結(jié)合式升降壓/多模式調(diào)節(jié)器工作區(qū)域

RF功率放大器的節(jié)能

毫無疑問，近年蜂窩通信基本設(shè)施的改變加大了節(jié)能的可行性。在此之前，蜂窩網(wǎng)絡(luò)仍完全由基站收發(fā)信臺（BTS）組成，如圖3左所示。各個BTS的位置均經(jīng)過計劃以確保高覆蓋率并盡量避免空位和死區(qū)。當(dāng)一個移動設(shè)備靠近BTS時，移動設(shè)備會通過降低發(fā)射能量來協(xié)議一個較低功率的模式，并同時保持一個可接受的信號強(qiáng)度。

圖3 射頻遠(yuǎn)端模塊提供更大的信號強(qiáng)度

在新落成的基站中，無線電收發(fā)信機(jī)可放置在離基站較遠(yuǎn)的地方（幾百米或幾千米的距離），如圖3右所示。由于設(shè)有多個射頻遠(yuǎn)端模塊，因此增加了覆蓋率和減少了發(fā)信機(jī)和接收機(jī)之間的距離?；诰嚯x的縮減 ，移動設(shè)備可更頻密地協(xié)議降低發(fā)射器的功率，從而增加了移動設(shè)備的運(yùn)行時間。

將以前由單個無線電基站覆蓋的一個蜂窩劃分成許多更小的蜂窩區(qū)（可稱之為“小蜂窩”），這樣就可以重復(fù)使用分配給蜂窩運(yùn)營商的頻率。其他技術(shù)，諸如定向天線和智能天線（將相控陣技術(shù)用于波束導(dǎo)向），它們能夠支持空分多路復(fù)用通信，對于分布在相同蜂窩或小蜂窩中的用戶，他們可使用相同的頻率。所有的這些技術(shù)都能在給定的分配頻率下，增加可用的頻率以支持更多的用戶，以及支持原本需要動用多個時隙（或帶寬的其他單位）的多媒體服務(wù)，這些服務(wù)就有如幾個話音連接。

RF功率放大器的專用穩(wěn)壓器

在傳統(tǒng)設(shè)計中，蜂窩式電話的RF功率放大器（PA）是直接由電池驅(qū)動的，如圖4所示?？墒牵绻鸓A在低于全功率的情況下運(yùn)行，則可以通過降低PA電源電壓來獲得可觀的節(jié)能效果。因為PA的功耗一般等于蜂窩式電話總功耗的一半，因此，這種節(jié)能方法可大大降低功耗。然而，隨著功率水平和溫度上升，電源電壓必須上升到得以維持PA的線性程度。

圖4 RF功率放大器電源

一個模擬輸入VCON控制輸出電壓。VCON信號可由RF功率檢測器芯片驅(qū)動，這為PA電壓的自動調(diào)節(jié)（對RF功率水平作出響應(yīng)）提供了一個完整的解決方案。而另一個方法是，由主機(jī)微控制器的可編程模擬輸出驅(qū)動VCON輸入，這是由于該微控制器負(fù)責(zé)與無線電基站協(xié)商功率水平，因此它對功率水平很了解。

低功率顯示器的架構(gòu)

顯示器是能量的主要消耗者，不僅僅是顯示器面板本身，還包括視頻接口、視頻控制器和背光。

移動像素鏈路（MPL）接口

MPL可提供低引腳數(shù)量、低EMI和高效率的位圖顯示，而MPL之所以達(dá)到這些功能全靠以下特點(diǎn)：

更少的信號線—使用一個串行接口來替代并行視頻數(shù)據(jù)總線，一般可將28條信號線減少到僅3到4條。這既簡化了互接布線（一般是在主電路板和平板顯示模塊之間的扁平電纜或柔性線路），又減少了產(chǎn)生EMI的天線數(shù)量。*

降低開關(guān)電流 – 與TTL和LVCMOS水平相比，電流模式信號降低了開關(guān)電流一個量級。*

* 減少電壓擺幅 – 信號的電壓擺幅僅20 mV， 而TTL 和 LVCMOS則為1.8V。

圖5所示為一個MPL接口的架構(gòu)圖，用于連接平板顯示驅(qū)動器。圖中的MPL負(fù)責(zé)提供高帶寬的視頻接口，而SPI接口則用于訪問顯示驅(qū)動器的寄存器。當(dāng)視頻數(shù)據(jù)尚未傳遞時，MPL接口可以被關(guān)閉以進(jìn)一步降低功耗。

圖5 移動像素鏈路接口

MPL串行器可以為來自視頻控制器的并行視頻總線和MPL接口之間提供一個接口。視頻總線一般為24位的RGB視頻（它會被抖動成18位以在MPL上傳送）并擁有多至三個控制信號（HSYNC、VSYNC等）。三個芯片內(nèi)的256 × 8查找表為每種顏色提供了獨(dú)立的顏色修正。至于SPI接口則用于為查找表和控制寄存器編程。

平板顯示驅(qū)動器可以采用集成MPL接收器。對于缺少M(fèi)PL接口的顯示驅(qū)動器，可采用MPL解串器來重新產(chǎn)生出并行視頻總線。

自動更新模式

當(dāng)沒有視頻輸入時，芯片內(nèi)的局部顯示存儲器可自行更新顯示器，并允許MPL接口關(guān)閉。這種功能可在用戶不觀看視頻或瀏覽網(wǎng)頁時，系統(tǒng)仍可顯示文本、即時短信或MP3音軌列表。該顯示存儲器可在MPL處于關(guān)閉時經(jīng)由一個SPI接口來訪問。這種自動更新功能可以每像素3位的速度去更新一個240 × 320像素的低分辨率圖像顯示或以每像素1位的速度來更新320 × 720的顯示區(qū)。

RGB LED背光驅(qū)動器

一個具備視頻質(zhì)量的圖像顯示會要求一個高純度的白光源，而無論顯示器的供應(yīng)商是哪一個，又或在什么樣的亮度級和溫度，這個光源都必須維持純白。傳統(tǒng)的白光LED解決方案僅提供一個由白光LED廠商提供的固定顏色補(bǔ)償。相反地，一個RGB LED光源通過將紅光、綠光和藍(lán)光LED的輸出結(jié)合而混合成白色光?；谶@種合成原理，RGB LED光源可通過對各個主色驅(qū)動器的脈寬調(diào)制來調(diào)整顏色平衡。圖6所示為包含有一個升壓轉(zhuǎn)換器的RGB LED驅(qū)動器。

圖6 RGB LED背光驅(qū)動器

RGB背光驅(qū)動器配有一個用戶可編程的校準(zhǔn)存儲器，用來存放各個LED顏色的溫度曲線，并以16攝氏度為增量從-40攝氏度到+120攝氏度。另外，在靠近LED處安裝了一個溫度傳感器，這樣驅(qū)動器便可在寬闊的溫度范圍內(nèi)自動維持白平衡，而芯片內(nèi)12位模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的第二個輸入可用于外部光電二極管，以監(jiān)測環(huán)境的亮度級。此外，主微控制器可通過I2C/SPI接口去訪問驅(qū)動器的控制寄存器以強(qiáng)制LED的光強(qiáng)度。

一個高效的升壓轉(zhuǎn)換器，可以接受2.9V到5.5V的寬范圍輸入電壓范圍，并產(chǎn)生一個由5V到20V并以每1V為增量的可編程輸出電壓。最后，一個自適應(yīng)模式可通過監(jiān)測LED驅(qū)動器輸出和將升壓電壓降至最低來達(dá)到節(jié)能效果。

優(yōu)化音頻功率

音頻子系統(tǒng)也可能是功率消耗的主角，尤其是對于主要用于聽音樂和通話的設(shè)備。音頻子系統(tǒng)的功率可以通過以下技術(shù)得到優(yōu)化：

揚(yáng)聲器驅(qū)動器配置

在所有的音頻子系統(tǒng)中，最消耗功率的元件即是揚(yáng)聲器驅(qū)動器，這是因為揚(yáng)聲器的工作模式實際上是機(jī)械作業(yè)。因此，在音頻區(qū)塊中最有可能進(jìn)行節(jié)能的便是這一部分。圖7所示為一般的驅(qū)動器配置。

圖7 揚(yáng)聲器驅(qū)動器配置

最簡單的方法是采用直流阻隔電容器進(jìn)行單端式驅(qū)動。一個由單電源供電的簡單音頻驅(qū)動器的輸出既有交流部分又有直流部分，因此需加插一個電容器以隔離直流部分。由于直流部分未能對產(chǎn)生聲音作出任何貢獻(xiàn)，那么直流部分的能量就被浪費(fèi)掉，但是這部分能量還是計算在音頻功耗內(nèi)。在橋接配置中，兩側(cè)的揚(yáng)聲器均由相同的直流部分和反極性的交流部分驅(qū)動，因此消除了直流偏移。通過揚(yáng)聲器的電壓即等于兩個輸出之差值。而在采用電荷泵的單端驅(qū)動中，一個內(nèi)部接地以下電源可容許輸出在接地的中間。圖8 所示為所有三種配置下的波形。

圖8 揚(yáng)聲器驅(qū)動器波形

由一個以單電源供電的簡單驅(qū)動器所產(chǎn)生的輸出將位于直流偏移電壓的中間。如果這一偏移未被隔離，它將通過揚(yáng)聲器線圈或耳機(jī)線圈，這些線圈的電阻一般在8到32Ω，從而會造成完全短路?？墒?，采用直流阻隔電容器既增加了成本和尺寸，又降低了低音區(qū)的品質(zhì)。

通過產(chǎn)生兩個相位相差180度（反轉(zhuǎn)）的輸出信號，橋接配置可用硅片來取代電容器。盡管這兩個信號都擁有相對于接地的直流偏移，但是揚(yáng)聲器沒有接地，因此，不會產(chǎn)生多余的電流。這一技術(shù)的缺點(diǎn)在于它無法與標(biāo)準(zhǔn)的三導(dǎo)體立體聲耳機(jī)接口兼容，因為當(dāng)中的接地被兩個揚(yáng)聲器分享。

電荷泵方法將一個電容器放回到電路中，但是由于工作頻率高，該電容將小于直流阻隔電容。電荷泵容許驅(qū)動低于接地的輸出，因此輸出信號是完全的交流信號。這種配置的優(yōu)點(diǎn)在于可以與標(biāo)準(zhǔn)的耳機(jī)兼容，這是由于兩個揚(yáng)聲器都由同一個接地驅(qū)動。

Intellisense 輸出設(shè)備識別

一個多功能便攜式設(shè)備可支持多種耳機(jī)，如用于聽音樂的立體聲耳機(jī)或為接聽電話而設(shè)的麥克風(fēng)單聲道耳機(jī)。Intellisense技術(shù)允許其中任意一種耳機(jī)插入到同一插孔中，并自動配置設(shè)備的驅(qū)動器。這樣，在設(shè)備采用單聲道時或者有一個輸出短路到接地時，系統(tǒng)便會自動識別出來，避免有多余的功率消耗在驅(qū)動立體聲的信號上。。

當(dāng)一個采用Intellisense技術(shù)的耳機(jī)放大器檢測到有一個耳機(jī)連接時，它將對左側(cè)和右側(cè)輸出施加一個較小的電壓，并且感應(yīng)通過負(fù)載所產(chǎn)生的電流。假如連接到放大器的負(fù)載大于9Ω，那放大器將采取全功率模式驅(qū)動負(fù)載。如果負(fù)載小于3Ω，那放大器則采取短路到接地，并關(guān)閉其驅(qū)動器。當(dāng)右聲道被短路時，那Intellisense便會將放大器設(shè)于單聲道模式。為了提供額外的保護(hù)，當(dāng)左聲道都被短路時，那兩個放大器都會同時被關(guān)閉。Intellisense的開關(guān)功能可以通過其I2C接口來激活或關(guān)閉。

集成移動設(shè)備架構(gòu)

圖9所示由天線到顯示器之間的所有芯片之典型功能。連接無線網(wǎng)絡(luò)的接口一般由一個無線電收發(fā)器芯片和一個數(shù)字基帶芯片組成，但亦可包括一個獨(dú)立的RF功率放大器?；旧希@通常是由技術(shù)提供商給出的即用設(shè)計。當(dāng)中，基帶芯片可能包含一個標(biāo)準(zhǔn)的RISC處理器以控制接口，但它也會有一個高階接口以連接片上系統(tǒng)（SoC），而該片上系統(tǒng)其實就是移動設(shè)備的主控制器。

圖9 網(wǎng)絡(luò)和多媒體芯片功能分塊圖

目前，通信網(wǎng)絡(luò)并未定義多媒體數(shù)據(jù)的編碼。無論是2.75G、3G或4G網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)均僅僅只是比特流。雖然諸如MPEG-4和WMV9之類的標(biāo)準(zhǔn)已描述了如何對音頻和視頻比特流進(jìn)行編碼，而即使MPEG-4或WMV9的編解碼可以通過軟件來實現(xiàn)，但這要求相當(dāng)?shù)挠嬎銕?，從而需要一個快速和耗能大的CPU。因此，最好還是在硬件中執(zhí)行編解碼或者作為高效嵌入式處理器的硬件輔助，這樣視頻功率消耗就可以得到大大的降低。一般視頻編解碼器都是SoC內(nèi)CPU總線上的一個外圍。

CPU將來自編解碼器的數(shù)據(jù)加載到平板顯示控制器中，該控制器將數(shù)據(jù)存儲在幀緩沖器中，并可實時供SoC的外圍使用。顯示控制器也會讀取幀緩沖器的數(shù)據(jù)到視頻總線，而該總線可直接與平板顯示驅(qū)動器連接或通過如移動像素鏈路MPL之類的串行像素接口來連接。MPL是一個標(biāo)準(zhǔn)化的接口，它可使用在平板顯示控制器、數(shù)碼相機(jī)芯片和其他需要低開銷和高帶寬接口的設(shè)備。MPL可將28條信號線降低到僅3到4條，這一點(diǎn)非常重要，因為該接口一般置于連接主板和顯示模塊的扁平電纜上，而減少導(dǎo)線數(shù)量便可縮窄纜線的寬度和降低電磁干擾。

顯示控制器可以是一個快速的微控制器、專用集成電路，又或是標(biāo)準(zhǔn)和專利技術(shù)電路的混合體。SoC和顯示控制器之間的高階接口采用RGB像素格式，而顯示控制器將像素加載到幀緩沖器中，并可能通過補(bǔ)償算法就環(huán)境光線和顯示的非線性度等作出補(bǔ)償。

有些如蜂窩電話接口、Wi-Fi接口和藍(lán)牙接口等的子系統(tǒng)可能包含有嵌入式微處理器，如此一來，本來由這些處理器處理的工作量現(xiàn)在就有機(jī)會卸載到SoC上?？墒?，在這方面的設(shè)計有一個重大的障礙。這就是供應(yīng)商不愿意支持一個較低階的接口，原因是當(dāng)客戶的設(shè)計與供應(yīng)商的參考設(shè)計有一些出入時，那供應(yīng)商便有可能需要公開這些原本受專利保護(hù)的算法，又或需要向客戶交待有關(guān)器件操作上含糊不清和其他奇怪的問題。不過，隨著市場的競爭越來越激烈，高度優(yōu)化的設(shè)計必定會出現(xiàn)，因為業(yè)界會對這些控制器的集成反映出強(qiáng)烈的要求，務(wù)求使他們的產(chǎn)品能節(jié)省更多的功率。

結(jié)語

移動設(shè)備正進(jìn)入一個新的紀(jì)元，聲音和文本已不再是通信的唯一形式。多媒體服務(wù)和支持這些服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施已開始涌現(xiàn)，在可見的未來，我們可以預(yù)期到，如同CPU的速度和存儲器的容量發(fā)展，在帶寬上也會出現(xiàn)重大的突破。

盡管類似于開關(guān)式穩(wěn)壓器和RF功率放大器，音頻放大器之類的產(chǎn)品在近幾十年中已經(jīng)出現(xiàn)，但是技術(shù)發(fā)展從來沒有停止過。隨著硅片的成本持續(xù)下降，原本非常昂貴的功率優(yōu)化技術(shù)現(xiàn)已變得相對便宜。由于直接影響到電池的使用壽命和用戶的體驗，節(jié)能的價值也同樣越來越高。毫無疑問，在用戶的體驗越來越受到重視的同時，帶給用戶優(yōu)質(zhì)感受的高增值功能將成為推動現(xiàn)行及新一代硅技術(shù)的原動力。