手机嵌入无线电寻呼模块可行性方案研究

刘新浩，许巧春，李晓帆, ，王小波

（1.国家无线电监测中心检测中心，北京 100041；2.深圳无线电检测技术研究院，深圳 518048）

1 引言

近年来，我国自然灾害频发给人民群众的生命财产造成了很大损失，反恐、维稳等突发事件也不断地考验着政府及其相应的职能机构的工作能力和办事效率。提高政府及其主要职能机关的应变能力、反应速度越来越成为一个焦点的话题。

在遇到地震、山洪等建筑物被毁严重的紧急情况时，公众通信设施也将处于区域性瘫痪状态，无法满足指挥调度的需求，不能及时为受灾群众传递灾情、救援信息，为灾后工作造成了很大障碍。依靠传统的通信系统，要保证突发情况下现场信息都能实时采集、发送、反馈，很难达到要求。在这些情况下，只有通过专业的应急通信系统才能及时、准确、畅通地传递第一手信息。

世界上许多国家高度重视应急通信网络的研究和开发工作。美国从20世纪70年代就开始建设最低限度应急通信网，用于确保美国应对紧急事件的指挥调度。9.11事件之后，美国投入巨资建设与因特网物理隔离的政府专网，推行通信优先服务计划并利用自由空间光通信、微波接入全球互操作和无线保真等通信新技术来提高应急通信保障能力。深受震灾之苦的日本目前已建立起较为完善的防灾通信网络体系，如中央防灾无线网、防灾互连通信网等。中央防灾无线网是日本防灾通信网的骨架网络，由固定通信线路、卫星通信线路和移动通信线路构成。防灾互连通信网可以在现场迅速连通多个防灾救援机构以交换各种现场救灾信息，从而有效进行指挥调度和抢险救灾。

从2004年开始，我国正式启动应急通信相关标准的研究，内容涉及应急通信综合体系和标准、公众通信网支持应急通信的要求、紧急特种业务呼叫等。

有关应急通信保障的研究工作大多是借用集群通信、无线电短波通信和卫星通信系统，没有关注和利用已在通信领域十分成熟的无线寻呼系统，也没有考虑融合多种通信技术手段提供多重备份、可靠性高的应急通信保障体系。本文以研究公众移动通信终端中嵌入无线电寻呼接收模块为突破口，旨在推动我国的公共应急通信体系建设，完善我国的公共应急通信的基础体系。

2 无线寻呼技术优势

利用无线寻呼技术进行公共应急通信技术研究，是因为无线寻呼技术具有如下特点：

（1）设备简单：寻呼机的结构简单，早期的硬件结构上由无线寻呼射频、寻呼机中央处理单元和外设显示三部分组成。

（2）技术成熟：相对于其他通信技术，寻呼技术在市场上经历了十余年的考验，技术已经相当成熟。再加上电子行业集成设计十分先进，所以寻呼模块从设计到生产的成本将会十分低廉，便于集成。

（3）系统建设周期短：寻呼系统仅仅需要通过寻呼台发送对应的地址码到发射机，通过不同区域寻呼台的转接，最终到达用户的寻呼机上。这就使得寻呼机很容易满足应急通信需求，其构建网络和基站的时间将大大缩短，成本也会大大降低。

（4）广播方式：相对于其他无线通信系统，寻呼系统最大的特征是单向通信，即只有从无线寻呼发射台发送给寻呼机的信号，而寻呼机不能发送信号给发射台。尽管在日常通信中，这种单向通信方式可能会给人们带来不便，但在紧急情况下，这种通信方式将会大大节约信道的利用率，使信息能够更有效地发布和利用。另外，广播方式和单向传输的网络易于搭建，利用无线寻呼进行应急通信广播已有先例。

3 手机嵌入无线寻呼模块方案分析

3.1 手机嵌入无线寻呼模块方案

基于无线寻呼和移动通信技术的成熟技术，结合二者的工作原理，根据目前相关产业的发展情况，可以考虑的方案为：

方案一：在手机中直接嵌入无线电寻呼模块，这个模块包含无线寻呼的射频电路和逻辑电路，是一个完整的、成熟的、已在市场上流通的无线寻呼芯片，实现原理如图1所示。

方案二：将无线寻呼芯片与现有手机通信芯片结合，使用手机的微处理器或软件功能实现逻辑解码功能。

两种方案的工作原理均是：寻呼基站在对信息编码、调制后，通过空间链路传递到寻呼模块。寻呼射频射频电路对信息进行简单的接收和降噪，接收芯片的符号同步和滤波后，得到待处理的数据，待处理的数据经接口电路传递给给手机微处理器。解码器根据编码规范对待处理的数据进行解码，分离出里面的地址码并和本地地址进行匹配，一致则将信息传递给显示模块。[1,2]

图1 寻呼系统工作流程图

3.2 手机嵌入无线寻呼模块方案可行性分析

通信终端也向着集成化、智能化和多样化发展。而当新功能被应用于移动终端时，设计研发和生产制造的厂商们都要面临一个问题：新功能所带来成本的增加是多少？成本多少直接关系着新型终端的实用性和普及程度。如果成本过高的话，不仅消费者不会买账，连生产者也会望而却步。所以，在手机中嵌入无线寻呼模块，需对嵌入方案、成本和进行综合分析。

3.2.1 直接嵌入无线寻呼模块

3.2.1.1 可行性分析

使用现有的无线寻呼芯片，通过嵌入式系统，整合入手机中，实现最为简单，工作量最少。这种设计不需更改手机芯片设计，且手机电路均是基于多层PCB技术设计，常见的手机电路板有4～8层电路，供电电路、天线射频电路和数据控制电路及数据接口均在其中。直接在手机电路中嵌入无线寻呼芯片，实现手机嵌入无线寻呼功能，仅需为芯片刻画专门的天线射频电路。

寻呼芯片的采用协议十分简单，且现代的无线寻呼芯片中已集成编解码电路和相应的DSP模块，实现数据处理，只需将其处理完成的数据通过数据接口传输到手机基带，通过显示设备输出即可。

若使用无编解码电路的无线寻呼射频芯片，也可将无线寻呼芯片做完射频信号数模转化后的码流，传递到手机基带，通过手机的微处理器来进行解码，手机基带也无需进行更改，仅是通过软件编程即可实现。

手机基带作为手机信息综合处理模块，主要为射频芯片提供时钟同步、I/O输入和输出的接口、功能的控制接口，直接在手机中嵌入无线寻呼芯片，也可在使用基带的时钟为无线寻呼芯片提供时钟同步，这样仅需在手机中嵌入更小的无线寻呼射频接收芯片即可。无论采用哪种方式，均是通过手机的基带实现信息的显示和功能的控制。

3.2.1.2 直接嵌入无线寻呼模块对手机的影响

（1）对手机尺寸的影响

包含射频电路、编译编码电路和本振晶振的无线寻呼芯片大小约为4mm×4mm，并且芯片的外围电路也比较简单。

在手机中增加无线电寻呼功能，除了嵌入寻呼芯片外，我们还需要为其提供时钟同步、寻呼天线及天线相关的射频器件。如果寻呼天线采用pifa天线的话，我们可以把寻呼天线安置在手机后壳或者手机的长轴的两端，基本不会增加手机的尺寸。寻呼芯片功能简单，天线相关的外围电路相对手机天线的外围电路也简单很多，在现有电路板上有足够的空间进行设计，不会影响手机尺寸。另外，寻呼的时钟同步则由手机的基带提供，在信息处理方面也可与手机很好的结合。

因此，当手机嵌入无线电寻呼芯片后，手机尺寸最多增加无线寻呼芯片大小的尺寸；与目前市面上蓝牙和Wi-Fi芯片的尺寸相比，对于手机尺寸影响不大。

（2）手机功耗变化

芯片尺寸变小带来的不仅仅是设备体积的减小，更重要的是功耗的降低。由于现代电子制作工艺不断改进，从微米级发展到现在的纳米级，单位元器件消耗的电量也在降低。

目前，电子器件均采用28nm工艺进行激光刻蚀，典型的GSM/TD-SCDMA双模射频芯片的待机功耗约在2mA～3mA，而寻呼芯片的尺寸与GSM/TD-SCDMA双模射频芯片的尺寸相比不足十分之一，通过对典型例子所提供的数据，其待机功耗甚至在nA级，因此将其嵌入在手机电路中，对整机的待机功耗影响很小。

（3）手机成本变化

通过对手机直接嵌入无线电寻呼模块方案的研究，我们知道手机要实现增加寻呼接收功能，需要增加的无线寻呼芯片及其外围电路、寻呼天线等。其中，费用最高的是寻呼芯片，其成本在10元左右，天线及其外围电路在1元以内。因此，手机增加无线电寻呼接收功能后，手机的成本需增加约11元左右。

通过对蓝牙芯片价格的调研，我们发现蓝牙芯片在设计完成之初价格较高，每片价格在1美元左右。受制造技术发展、市场竞争等因素的影响，蓝牙芯片价格逐渐开始下滑，直至现在，蓝牙芯片的价格已在0.3美元左右。

因此，一个芯片从其开始出现到推广应用，其成本不是一成不变的，而是会逐渐下降的。相信无线寻呼芯片也是如此，随着公共应急通信需求的扩大，单片无线寻呼芯片的成本将会呈现下降的趋势。

3.2.2 与手机通信芯片结合实现无线寻呼功能

3.2.2.1 电路分析

随着科技的发展、市场的推动，现有的手机已经将Wi-Fi、蓝牙、FM射频电路集成在一个芯片上，这不但减小了附加芯片对尺寸的影响、降低了手机功耗、同时节约了芯片单独封装的成本。

通过手机直接嵌入无线寻呼芯片方案的分析，我们发现无线寻呼的很多功能都可通过手机基带实现，仅需单独为其配备一颗射频芯片即可。而射频芯片的电路十分简单，若把这颗射频芯片与手机其他通信芯片相结合，利用其他芯片的剩余空间即可将无线寻呼的射频电路刻画其中。这样既节省了单独硅片成本，又节省了芯片单独封装的成本，而且消除了芯片对手机尺寸的影响。

由于无线寻呼与手机FM功能相似，只需接收信号。若将无线寻呼电路集成到移动通信或蓝牙/Wi-Fi/FM模块中，进行封装，把射频处理部分进行了整合；在基带信息处理上，可完全省略专门的DSP处理器，通过位于手机基带的CPU，实现数据处理。这种方案基于现有手机电路设计，对手机的改动很小。

3.2.2.2 实现无线寻呼功能对手机的影响

这种方案对手机电路改动较小，基本不会增加PCB板面积，不会影响手机尺寸。据调查，射频芯片的成本组成大致由三部分组成，分别是电路激光刻蚀的工时成本、芯片整体封装成本和芯片的原硅片成本。

由于无线寻呼的射频电路十分简单，因此，无论将其与现有移动通信芯片结合还是与蓝牙/Wi-Fi/FM芯片结合，对原硅片的尺寸改变很小，对比直接嵌入一整块无线寻呼芯片，由于统一进行电路激光刻蚀和封装，本方案可以节省很大的工时成本，完全节省一块无线寻呼芯片的原硅片成本和封装成本。相对直接嵌入无线寻呼模块对手机成本的影响11元，本方案可将成本控制在4元以内。

可见，通过本方案实现的无线寻呼功能，对手机的成本影响不到整机的百分之一，对手机尺寸不会产生任何影响，功耗又微乎其微，是一种非常完美的解决方案。但由于芯片设计十分复杂，无线寻呼又逐渐退出市场，尚无厂家对这种集成方式进行研究。从头开始研发需要一整套的研发流程，对时间和资金投入的消耗将会比较大。因此，从短期应用角度考虑，在现有电路基础直接嵌入无线寻呼模块较易实现。但从应用推广的角度来看，集成芯片更利于推广无线寻呼在应急通信中的应用。

4 结束语

虽然手机嵌入无线寻呼功能方案的可行性较高，但尚有很多问题亟待解决，如无线寻呼使用频率、无线寻呼基站的架设方式、用户编码及保密工作和防止系统被恶意使用等课题都需要进行科学的研究。

随着公共应急通信体系的研究与建设，以上问题都将一一解决，手机嵌入无线寻呼技术将成为抗震救灾、应急指挥等突发工作中，更快速、更有效的信息发布手段。

[1] 夏君，秦义寿，吴金.一种寻呼机调频中频接收芯片设计[J].电子器件，24:2001(2):146-150

[2] 王映民，孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2010

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