手機嵌入無線電尋呼模塊可行性方案研究

劉新浩，許巧春，李曉帆, ，王小波

（1.國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041；2.深圳無線電檢測技術研究院，深圳 518048）

1 引言

近年來，我國自然災害頻發給人民群眾的生命財產造成了很大損失，反恐、維穩等突發事件也不斷地考驗著政府及其相應的職能機構的工作能力和辦事效率。提高政府及其主要職能機關的應變能力、反應速度越來越成為一個焦點的話題。

在遇到地震、山洪等建筑物被毀嚴重的緊急情況時，公眾通信設施也將處于區域性癱瘓狀態，無法滿足指揮調度的需求，不能及時為受災群眾傳遞災情、救援信息，為災后工作造成了很大障礙。依靠傳統的通信系統，要保證突發情況下現場信息都能實時采集、發送、反饋，很難達到要求。在這些情況下，只有通過專業的應急通信系統才能及時、準確、暢通地傳遞第一手信息。

世界上許多國家高度重視應急通信網絡的研究和開發工作。美國從20世紀70年代就開始建設最低限度應急通信網，用于確保美國應對緊急事件的指揮調度。9.11事件之后，美國投入巨資建設與因特網物理隔離的政府專網，推行通信優先服務計劃并利用自由空間光通信、微波接入全球互操作和無線保真等通信新技術來提高應急通信保障能力。深受震災之苦的日本目前已建立起較為完善的防災通信網絡體系，如中央防災無線網、防災互連通信網等。中央防災無線網是日本防災通信網的骨架網絡，由固定通信線路、衛星通信線路和移動通信線路構成。防災互連通信網可以在現場迅速連通多個防災救援機構以交換各種現場救災信息，從而有效進行指揮調度和搶險救災。

從2004年開始，我國正式啟動應急通信相關標準的研究，內容涉及應急通信綜合體系和標準、公眾通信網支持應急通信的要求、緊急特種業務呼叫等。

有關應急通信保障的研究工作大多是借用集群通信、無線電短波通信和衛星通信系統，沒有關注和利用已在通信領域十分成熟的無線尋呼系統，也沒有考慮融合多種通信技術手段提供多重備份、可靠性高的應急通信保障體系。本文以研究公眾移動通信終端中嵌入無線電尋呼接收模塊為突破口，旨在推動我國的公共應急通信體系建設，完善我國的公共應急通信的基礎體系。

2 無線尋呼技術優勢

利用無線尋呼技術進行公共應急通信技術研究，是因為無線尋呼技術具有如下特點：

（1）設備簡單：尋呼機的結構簡單，早期的硬件結構上由無線尋呼射頻、尋呼機中央處理單元和外設顯示三部分組成。

（2）技術成熟：相對于其他通信技術，尋呼技術在市場上經歷了十余年的考驗，技術已經相當成熟。再加上電子行業集成設計十分先進，所以尋呼模塊從設計到生產的成本將會十分低廉，便于集成。

（3）系統建設周期短：尋呼系統僅僅需要通過尋呼臺發送對應的地址碼到發射機，通過不同區域尋呼臺的轉接，最終到達用戶的尋呼機上。這就使得尋呼機很容易滿足應急通信需求，其構建網絡和基站的時間將大大縮短，成本也會大大降低。

（4）廣播方式：相對于其他無線通信系統，尋呼系統最大的特征是單向通信，即只有從無線尋呼發射臺發送給尋呼機的信號，而尋呼機不能發送信號給發射臺。盡管在日常通信中，這種單向通信方式可能會給人們帶來不便，但在緊急情況下，這種通信方式將會大大節約信道的利用率，使信息能夠更有效地發布和利用。另外，廣播方式和單向傳輸的網絡易于搭建，利用無線尋呼進行應急通信廣播已有先例。

3 手機嵌入無線尋呼模塊方案分析

3.1 手機嵌入無線尋呼模塊方案

基于無線尋呼和移動通信技術的成熟技術，結合二者的工作原理，根據目前相關產業的發展情況，可以考慮的方案為：

方案一：在手機中直接嵌入無線電尋呼模塊，這個模塊包含無線尋呼的射頻電路和邏輯電路，是一個完整的、成熟的、已在市場上流通的無線尋呼芯片，實現原理如圖1所示。

方案二：將無線尋呼芯片與現有手機通信芯片結合，使用手機的微處理器或軟件功能實現邏輯解碼功能。

兩種方案的工作原理均是：尋呼基站在對信息編碼、調制后，通過空間鏈路傳遞到尋呼模塊。尋呼射頻射頻電路對信息進行簡單的接收和降噪，接收芯片的符號同步和濾波后，得到待處理的數據，待處理的數據經接口電路傳遞給給手機微處理器。解碼器根據編碼規范對待處理的數據進行解碼，分離出里面的地址碼并和本地地址進行匹配，一致則將信息傳遞給顯示模塊。[1,2]

圖1 尋呼系統工作流程圖

3.2 手機嵌入無線尋呼模塊方案可行性分析

通信終端也向著集成化、智能化和多樣化發展。而當新功能被應用于移動終端時，設計研發和生產制造的廠商們都要面臨一個問題：新功能所帶來成本的增加是多少？成本多少直接關系著新型終端的實用性和普及程度。如果成本過高的話，不僅消費者不會買賬，連生產者也會望而卻步。所以，在手機中嵌入無線尋呼模塊，需對嵌入方案、成本和進行綜合分析。

3.2.1 直接嵌入無線尋呼模塊

3.2.1.1 可行性分析

使用現有的無線尋呼芯片，通過嵌入式系統，整合入手機中，實現最為簡單，工作量最少。這種設計不需更改手機芯片設計，且手機電路均是基于多層PCB技術設計，常見的手機電路板有4～8層電路，供電電路、天線射頻電路和數據控制電路及數據接口均在其中。直接在手機電路中嵌入無線尋呼芯片，實現手機嵌入無線尋呼功能，僅需為芯片刻畫專門的天線射頻電路。

尋呼芯片的采用協議十分簡單，且現代的無線尋呼芯片中已集成編解碼電路和相應的DSP模塊，實現數據處理，只需將其處理完成的數據通過數據接口傳輸到手機基帶，通過顯示設備輸出即可。

若使用無編解碼電路的無線尋呼射頻芯片，也可將無線尋呼芯片做完射頻信號數模轉化后的碼流，傳遞到手機基帶，通過手機的微處理器來進行解碼，手機基帶也無需進行更改，僅是通過軟件編程即可實現。

手機基帶作為手機信息綜合處理模塊，主要為射頻芯片提供時鐘同步、I/O輸入和輸出的接口、功能的控制接口，直接在手機中嵌入無線尋呼芯片，也可在使用基帶的時鐘為無線尋呼芯片提供時鐘同步，這樣僅需在手機中嵌入更小的無線尋呼射頻接收芯片即可。無論采用哪種方式，均是通過手機的基帶實現信息的顯示和功能的控制。

3.2.1.2 直接嵌入無線尋呼模塊對手機的影響

（1）對手機尺寸的影響

包含射頻電路、編譯編碼電路和本振晶振的無線尋呼芯片大小約為4mm×4mm，并且芯片的外圍電路也比較簡單。

在手機中增加無線電尋呼功能，除了嵌入尋呼芯片外，我們還需要為其提供時鐘同步、尋呼天線及天線相關的射頻器件。如果尋呼天線采用pifa天線的話，我們可以把尋呼天線安置在手機后殼或者手機的長軸的兩端，基本不會增加手機的尺寸。尋呼芯片功能簡單，天線相關的外圍電路相對手機天線的外圍電路也簡單很多，在現有電路板上有足夠的空間進行設計，不會影響手機尺寸。另外，尋呼的時鐘同步則由手機的基帶提供，在信息處理方面也可與手機很好的結合。

因此，當手機嵌入無線電尋呼芯片后，手機尺寸最多增加無線尋呼芯片大小的尺寸；與目前市面上藍牙和Wi-Fi芯片的尺寸相比，對于手機尺寸影響不大。

（2）手機功耗變化

芯片尺寸變小帶來的不僅僅是設備體積的減小，更重要的是功耗的降低。由于現代電子制作工藝不斷改進，從微米級發展到現在的納米級，單位元器件消耗的電量也在降低。

目前，電子器件均采用28nm工藝進行激光刻蝕，典型的GSM/TD-SCDMA雙模射頻芯片的待機功耗約在2mA～3mA，而尋呼芯片的尺寸與GSM/TD-SCDMA雙模射頻芯片的尺寸相比不足十分之一，通過對典型例子所提供的數據，其待機功耗甚至在nA級，因此將其嵌入在手機電路中，對整機的待機功耗影響很小。

（3）手機成本變化

通過對手機直接嵌入無線電尋呼模塊方案的研究，我們知道手機要實現增加尋呼接收功能，需要增加的無線尋呼芯片及其外圍電路、尋呼天線等。其中，費用最高的是尋呼芯片，其成本在10元左右，天線及其外圍電路在1元以內。因此，手機增加無線電尋呼接收功能后，手機的成本需增加約11元左右。

通過對藍牙芯片價格的調研，我們發現藍牙芯片在設計完成之初價格較高，每片價格在1美元左右。受制造技術發展、市場競爭等因素的影響，藍牙芯片價格逐漸開始下滑，直至現在，藍牙芯片的價格已在0.3美元左右。

因此，一個芯片從其開始出現到推廣應用，其成本不是一成不變的，而是會逐漸下降的。相信無線尋呼芯片也是如此，隨著公共應急通信需求的擴大，單片無線尋呼芯片的成本將會呈現下降的趨勢。

3.2.2 與手機通信芯片結合實現無線尋呼功能

3.2.2.1 電路分析

隨著科技的發展、市場的推動，現有的手機已經將Wi-Fi、藍牙、FM射頻電路集成在一個芯片上，這不但減小了附加芯片對尺寸的影響、降低了手機功耗、同時節約了芯片單獨封裝的成本。

通過手機直接嵌入無線尋呼芯片方案的分析，我們發現無線尋呼的很多功能都可通過手機基帶實現，僅需單獨為其配備一顆射頻芯片即可。而射頻芯片的電路十分簡單，若把這顆射頻芯片與手機其他通信芯片相結合，利用其他芯片的剩余空間即可將無線尋呼的射頻電路刻畫其中。這樣既節省了單獨硅片成本，又節省了芯片單獨封裝的成本，而且消除了芯片對手機尺寸的影響。

由于無線尋呼與手機FM功能相似，只需接收信號。若將無線尋呼電路集成到移動通信或藍牙/Wi-Fi/FM模塊中，進行封裝，把射頻處理部分進行了整合；在基帶信息處理上，可完全省略專門的DSP處理器，通過位于手機基帶的CPU，實現數據處理。這種方案基于現有手機電路設計，對手機的改動很小。

3.2.2.2 實現無線尋呼功能對手機的影響

這種方案對手機電路改動較小，基本不會增加PCB板面積，不會影響手機尺寸。據調查，射頻芯片的成本組成大致由三部分組成，分別是電路激光刻蝕的工時成本、芯片整體封裝成本和芯片的原硅片成本。

由于無線尋呼的射頻電路十分簡單，因此，無論將其與現有移動通信芯片結合還是與藍牙/Wi-Fi/FM芯片結合，對原硅片的尺寸改變很小，對比直接嵌入一整塊無線尋呼芯片，由于統一進行電路激光刻蝕和封裝，本方案可以節省很大的工時成本，完全節省一塊無線尋呼芯片的原硅片成本和封裝成本。相對直接嵌入無線尋呼模塊對手機成本的影響11元，本方案可將成本控制在4元以內。

可見，通過本方案實現的無線尋呼功能，對手機的成本影響不到整機的百分之一，對手機尺寸不會產生任何影響，功耗又微乎其微，是一種非常完美的解決方案。但由于芯片設計十分復雜，無線尋呼又逐漸退出市場，尚無廠家對這種集成方式進行研究。從頭開始研發需要一整套的研發流程，對時間和資金投入的消耗將會比較大。因此，從短期應用角度考慮，在現有電路基礎直接嵌入無線尋呼模塊較易實現。但從應用推廣的角度來看，集成芯片更利于推廣無線尋呼在應急通信中的應用。

4 結束語

雖然手機嵌入無線尋呼功能方案的可行性較高，但尚有很多問題亟待解決，如無線尋呼使用頻率、無線尋呼基站的架設方式、用戶編碼及保密工作和防止系統被惡意使用等課題都需要進行科學的研究。

隨著公共應急通信體系的研究與建設，以上問題都將一一解決，手機嵌入無線尋呼技術將成為抗震救災、應急指揮等突發工作中，更快速、更有效的信息發布手段。

[1] 夏君，秦義壽，吳金.一種尋呼機調頻中頻接收芯片設計[J].電子器件，24:2001(2):146-150

[2] 王映民，孫韶輝.TD-LTE技術原理與系統設計[M].北京：人民郵電出版社，2010

[3] Si446x High-performance, low-current transceiver datasheet [DB]. Silicon Laboratories, 2012