3G時(shí)代的DSP技術(shù)應用
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關(guān)鍵詞：DSP 移動(dòng)通信技術(shù) 軟件無(wú)線(xiàn)電
一 第三代移動(dòng)通信技術(shù)對芯片的要求
近年來(lái)移動(dòng)通信發(fā)展迅猛，自70年代末期模擬蜂窩系統問(wèn)世以來(lái)，不到二十年時(shí)間，已經(jīng)發(fā)展到以數字化技術(shù)為特征的第二代移動(dòng)通信，進(jìn)入90年代以后，世界各國已著(zhù)手探尋第三代移動(dòng)通信（即未來(lái)個(gè)人通信）的實(shí)現路徑。
第三代移動(dòng)通信標準有兩個(gè)主要目標：一是實(shí)現多媒體、寬帶化、智能化和高質(zhì)量的全球通信；二是規范尋呼、無(wú)繩、蜂窩和低軌道衛星在內的多種標準，統一"空中接口"。IMT-2000將寬帶CDMA視為優(yōu)先考慮的方案，但在頻分模式的選擇上，歐洲建議由GSM向上過(guò)渡；北美建議由CDMA向上發(fā)展，日本力求與歐洲靠近。
為完成以上兩個(gè)目標，同時(shí)針對前兩代的移動(dòng)通信系統的特點(diǎn)和不足，對第三代移動(dòng)通信系統提出了以下要求：
1.頻譜利用率高。其中第二代的GSM系統的頻帶利用率是第一代的TACS系統的頻帶利用率的兩倍，而到了第三代移動(dòng)通信系統則要求達到TACS系統頻譜利用率的四倍。
2.可提供全球無(wú)縫覆蓋和漫游。就是要與已存在的第一代和第二代系統的共存與兼容，這其中包括：能否重復使用第一代和第二代的某些網(wǎng)絡(luò )設備，如MSC，計費系統，智能平臺，與PSTN的接口，用戶(hù)數據庫等；能否重復使用第一代和第二代系統的無(wú)線(xiàn)接口協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )接口協(xié)議；能否實(shí)現兩代系統間的漫游和軟切換；能否實(shí)現在新系統上支持前兩代系統的業(yè)務(wù)；系統間頻譜的兼容性；等等。
3.可提供多種的業(yè)務(wù)。除提供窄帶業(yè)務(wù)外，也要提供第一代和第二代所不能提供的數據速率為2MBPS的語(yǔ)音(包括聲話(huà)碼)，傳真以及寬帶視頻等多媒體業(yè)務(wù)，這就存在著(zhù)話(huà)音和圖象壓縮技術(shù)。
4.多種移動(dòng)通信的融合。包括蜂窩、無(wú)繩、衛星移動(dòng)通信系統等。要使得系統對每個(gè)無(wú)線(xiàn)接口的包容性最大，以便簡(jiǎn)化多模移動(dòng)終端的開(kāi)發(fā)。
5.各種運行環(huán)境。包括陸地、航空、海域和各種運行業(yè)務(wù)，要求其服務(wù)質(zhì)量相當于固定網(wǎng)的水平，保密性好、收費合理、頻率資源管理、系統配置、業(yè)務(wù)提供、網(wǎng)絡(luò )結構等均更合理、靈活、可與智能網(wǎng)相結合。
6.系統的起始配置小而簡(jiǎn)單?？善交?，支持IMT2000以前系統的演進(jìn)和過(guò)渡，移動(dòng)終端便捷，成本低等。
而這些要求對芯片的要求也變得更高，最典型的要求就是適用芯片應具有卓越的運行與處理能力，以及更高的兼容性。
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第三代移動(dòng)通信要求DSP至少達到300MIPS的運算速度，才能實(shí)現各種繁雜的算法、解壓縮和編譯碼。目前，DSP在功能上趨向實(shí)現多個(gè)MAC和多個(gè)寄存器，更寬的程序總線(xiàn)和數據總線(xiàn)；在結構上趨向采用SIMD、MIMD以及VLIW（超長(cháng)指令）。第六代VLIW結構的TMS320C67x DSP產(chǎn)品，浮點(diǎn)運算速度達到1GFLOPS。用一片C67x就可完成10片普通DSP的工作，但其單價(jià)與市面上普通浮點(diǎn)DSP的價(jià)格相當，C67x功能之強大，足以為下一代個(gè)人通信提供高速、精確、多功能和多信道的解決方案。
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由于在此之前有第一、第二代移動(dòng)通信系統在運行，那么怎樣是第三代通信系統與前兩代相容，就成了一個(gè)技術(shù)難題。第一代模擬移動(dòng)通信系統雖然在現在和未來(lái)都不是移動(dòng)通信的發(fā)展主流，但是在全球的少數地區，例如北美的一些地區還將會(huì )存在；第二代數字移動(dòng)通信系統在目前的市場(chǎng)占有率和普及率方面遠遠高于第一代和第三代，而且至少在未來(lái)的十年中將會(huì )與第三代系統并行發(fā)展，預計在第二代的發(fā)展終期，將達到全球四億用戶(hù)，這樣系統的兼容性將顯得非常主要。如果第三代專(zhuān)用芯片無(wú)法實(shí)現與第一代和第二代移動(dòng)通信系統的兼容，那么第三代通信系統不但在初期的投入會(huì )很高，而且由于無(wú)法繼承和使用現存的網(wǎng)絡(luò )和移動(dòng)設備，將造成巨大的資源和財力的浪費。此外，由于硬件的限制對于以后擴展新業(yè)務(wù)也是困難的，與軟件升級比較，硬件的升級在時(shí)間和投入上都是困難的。就目前的發(fā)展狀況而言，在各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)實(shí)現資源的共享和兼容，已成為一個(gè)明顯的趨勢。第三代移動(dòng)通信系統的最終目標將是建成一個(gè)提供全球無(wú)縫覆蓋并能實(shí)現全球漫游通信的系統。為了實(shí)現這一目標，第三代移動(dòng)通信在其實(shí)現方式上采用了軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，這可以有力的克服上述的各個(gè)困難。
二 DSP在移動(dòng)通信中的適用性
DSP技術(shù)是隨著(zhù)時(shí)代的進(jìn)步迅速發(fā)展的，目前DSP領(lǐng)域出現了片內集成多個(gè)處理器的新型DSP芯片，其結構是將一個(gè)通用的CPU核與一個(gè)或多個(gè)專(zhuān)用的DSP并行單元集成在同一芯片上。這種集成度的提高極大地提高了并行算法的效率，從而可以有效地利用信號處理帶寬，達到以往需要多處理手段或實(shí)現專(zhuān)門(mén)功能的ASIC芯片才能實(shí)現的各項功能。這是DSP技術(shù)向軟件無(wú)線(xiàn)電邁進(jìn)的關(guān)鍵的一步。
在實(shí)際應用中，目前使用軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的基站系統中已經(jīng)采用多處理器的硬件結構。目前先進(jìn)的可編程DSP大約可提供數百到上千MOPS的運算速度。實(shí)時(shí)軟件無(wú)線(xiàn)電系統中基帶以下部分完全可由DSP實(shí)現。
因此，以DSP為核心的軟件無(wú)線(xiàn)電系統對3G通信具有極大的適用性。
典型的以DSP為核心的軟件無(wú)線(xiàn)電多信道的硬件平臺作為移動(dòng)通信終端將體現出以下一些明顯的優(yōu)越性：
1.方便的可量測性：無(wú)論是兩個(gè)信道的基站還是上百個(gè)信道的基站都可以建立在相同基本設置的硬件上。這樣可以簡(jiǎn)化設計過(guò)程，降低生產(chǎn)費用，減小邏輯復雜度和領(lǐng)域維護的需要。
2.單個(gè)信道的低耗費：由于利用了新一代DSP芯片處理多信道的能力，軟件無(wú)線(xiàn)電結構與將每個(gè)DSP芯片專(zhuān)屬于每個(gè)信道的結構比較，降低了單個(gè)信道的硬件耗費。
3.簡(jiǎn)便的軟硬件升級性：當協(xié)議變動(dòng)或是加入一個(gè)新特征時(shí)，只需要對新的軟件進(jìn)行遠程下載。這樣同時(shí)也降低了維護和更新的費用。硬件的升級也是比較簡(jiǎn)單，只需要將額外的插板插入底板中而不需要改變現存的設備。這從很大程度上降低了升級費用，減少了裝載時(shí)間和升級時(shí)所伴隨的風(fēng)險。
4.用于任何無(wú)線(xiàn)協(xié)議的單一結構：以DSP為核心的軟件無(wú)線(xiàn)電結構支持所有的主要的協(xié)議。該硬件平臺上為所有的通信協(xié)議提供了統一的平臺，而不是針對一個(gè)特殊協(xié)議設計專(zhuān)門(mén)的平臺。這樣從很大的程度上降低了開(kāi)發(fā)時(shí)間和邏輯分配的費用。
這種硬件平臺在第三代移動(dòng)通信終端設備中的應用是十分廣泛的，包括：蜂窩式/PCS-模擬、TDMA、GSM、CDMA，軍事通信，無(wú)線(xiàn)本地環(huán)，擴頻，信號智能化，智能天線(xiàn)，衛星通信等等。
三 2G時(shí)代技術(shù)的瓶頸限制
其實(shí)，DSP技術(shù)在2G時(shí)代就已經(jīng)開(kāi)始應用。蜂窩電話(huà)的核心是一個(gè)DSP芯片。
所有第二代（2G）數字蜂窩電話(huà)都是基于雙處理器體系結構的；即包含一個(gè)數字信號處理器（DSP）和一個(gè)簡(jiǎn)單指令集計算機（RISC）微控制器（MCU）。其中，DSP用來(lái)實(shí)現調制解調器和通信協(xié)議棧中物理層協(xié)議的功能；而MCU則用來(lái)支持用戶(hù)操作界面，并實(shí)現通信協(xié)議棧中上層協(xié)議的各項功能。
在已有的2G手機市場(chǎng)中， TI公司生產(chǎn)的TMS320C54X系列DSP芯片占據了主導地位，65%的蜂窩電話(huà)采用了這類(lèi)芯片。在時(shí)分多址（TDMA）模式手機中，DSP芯片負責實(shí)現數據流的調制解調，利用編解碼實(shí)現傳輸誤碼糾正并維持通信鏈路的穩定性，對數據進(jìn)行加密、解密以保證通信的安全性，對話(huà)音數據進(jìn)行壓縮和解壓縮。以后的碼分多址（CDMA）標準盡管會(huì )采用擴頻技術(shù)并由此產(chǎn)生碼片級數據速率，手機功能劃分的方案也會(huì )發(fā)生相應的變化；但是，DSP芯片仍然會(huì )是手機的關(guān)鍵部件。
在CDMA模式手機中，DSP芯片負責實(shí)現符號級功能，如前向糾錯、加密或語(yǔ)音壓縮和解壓縮。與此同時(shí)，DSP芯片還可以負責控制ASIC硬件；其中，后者負責對擴頻信號進(jìn)行調制解調及后處理。在早期的2G手機中，這些功能可以由TMS320C54X系列DSP芯片實(shí)現，其時(shí)鐘工作頻率大約為40MHz。在2.5G手機中，語(yǔ)音編碼芯片較以前更為復雜，數據速率進(jìn)一步上升，DSP芯片的時(shí)鐘工作頻率也隨之上升到了超過(guò)100MHz。
數字技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)，就是可以支持多種數據通信業(yè)務(wù)。然而，由于受到帶寬的制約，2G移動(dòng)電話(huà)只能為用戶(hù)提供幾種相對簡(jiǎn)單的數據通信業(yè)務(wù)。在大多數數字移動(dòng)通信標準中，最高的數據傳輸速率僅為9.6至14.4千比特每秒（Kbps）。盡管，如此低速率的數據傳輸能力已經(jīng)可以滿(mǎn)足最基本的數據應用的要求，如：瀏覽股票報價(jià)等；但是，為了實(shí)現包括互聯(lián)網(wǎng)接入在內的高級業(yè)務(wù)，就必須提供更高速率的數據傳輸能力。這就是2G移動(dòng)通信標準向2.5G和3G移動(dòng)通信標準轉變的根本動(dòng)力。
四 DSP與3G技術(shù)的結合應用平臺
1．軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)
在軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中，其核心就是采用一個(gè)通用的DSP硬件平臺并通過(guò)軟件的方式來(lái)實(shí)現第三代移動(dòng)通信的目標。目前，由于微電子技術(shù)的限制，DSP芯片的處理能力尚無(wú)法完成中頻部分的處理，但是通過(guò)DDC下變頻之后，則是由DSP完成整個(gè)基帶部分的處理。
以下針對設計一個(gè)高靈敏度，寬邊帶的移動(dòng)通信終端設備，將介紹一種典型的以DSP為核心的軟件無(wú)線(xiàn)電硬件平臺，其中該硬件平臺具有高級路由選擇特點(diǎn)和下一代的DSP芯片，這可以使得設計者為任何大小的基站設計能夠支持任何無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的軟件無(wú)線(xiàn)電。
?。?）網(wǎng)絡(luò )接口：
這個(gè)模塊提供外部接口。該外部接口既可以是一個(gè)標準接口，例如T1/E1；也可以是用戶(hù)自定義接口。
?。?）處理器模塊：
這個(gè)模塊采用通用的DSP芯片，該芯片經(jīng)過(guò)編程之后幾乎能夠處理各種類(lèi)型的信號。這些需要在RF域和網(wǎng)絡(luò )域的數據(語(yǔ)音)比特中的I和Q之間翻譯表示的，處理的類(lèi)型和數量是由用戶(hù)自定義的，其中I和Q為正交分量。
?。?）采集和綜合模塊：
這個(gè)模塊是建立在模擬的RF域和處理器的數字基帶域之間的橋梁。在接收端，該模塊從RF模擬域接收一個(gè)寬邊帶信號，并將其通過(guò)模數轉換器。數字接收機處理這個(gè)數字化的寬邊帶信號，從中選擇單個(gè)的窄邊帶信道，然后將該信道的信號搬移至基帶，并對其濾波和抽樣。它的輸出可在多信道應用中，通過(guò)多數字接收機來(lái)處理。
2．開(kāi)放式多媒體應用平臺（OMAP）
開(kāi)放式多媒體應用平臺（OMAP），是專(zhuān)門(mén)為支持2.5G和3G應用需求而設計的應用處理器體系結構。此平臺的設計方案基于以下兩個(gè)基本假設：
在2.5G和3G產(chǎn)品中，應用將主要面向各種媒體，為了滿(mǎn)足其對性能和功率效率的要求，我們必須采用包含DSP和MCU在內的多處理器平臺。OMAP是專(zhuān)為優(yōu)化多媒體應用性能而設計的，它可以提升任何支持語(yǔ)音、音頻、圖像或視頻信號處理的應用的性能。應用環(huán)境是動(dòng)態(tài)的。因此，您可以不斷地將新的應用軟件下載至RISC和DSP芯片中。
上圖顯示了OMAP的結構框圖。其中的關(guān)鍵組件包括，一個(gè)性能卓越、低功耗的DSP，一個(gè)通用型MCU，以及一個(gè)內存 & 流量控制器（MTC）。
其中：
（1）DSP/MCU處理
OMAP體系結構的主要優(yōu)勢在于，由兩個(gè)獨立的組件來(lái)完成應用處理任務(wù)。其中，MCU負責支持應用操作系統并完成以控制為核心的應用處理；而DSP負責完成媒體處理。與單一處理器功能的結構方案相比，這種方案具有一個(gè)明顯的優(yōu)勢，即：可以提高功率效率，并延長(cháng)用戶(hù)的電池壽命。首先，DSP芯片是專(zhuān)門(mén)為處理實(shí)時(shí)媒體信號（如：音頻、語(yǔ)音和圖像/視頻信號）而設計和定制的。其次，采用兩個(gè)處理器可以將總工作負荷進(jìn)行合理劃分，從而降低時(shí)鐘工作頻率，減小功率消耗，進(jìn)一步降低系統成本。OMAP DSP第二個(gè)特色就是可以支持一系列半定制可編程硬件協(xié)處理器；在特定應用中，采用這種方案可以顯著(zhù)地提高系統性能和功率效率。
OMAP另外一個(gè)關(guān)鍵因素是軟件基礎結構，它允許在MCU上運行的應用程序啟動(dòng)和控制在DSP上運行的任務(wù)。因此，MCU應用程序開(kāi)發(fā)人員可以利用高層多媒體應用程序接口（API）完全控制DSP MIPs。多種MCU操作系統都將支持這種軟件基礎結構，其中包括Microsoft公司的WinCE和Symbian公司的EPOC。
（2）內存 & 流量控制器（MTC）
MTC的主要功能就是確保處理器能夠高效訪(fǎng)問(wèn)外部存儲區，并避免產(chǎn)生瓶頸現象，從而降低片上處理速度。最終目標就是提高OMAP平臺整體的"有效頻率"。"有效頻率"概念是由德州儀器公司提出并定義的。它是指去除超高速緩沖存儲器波動(dòng)/差錯、外部存儲區讀寫(xiě)沖突、固有的存儲區等待時(shí)間等各種因素的影響，每秒鐘內真正分配給特定應用的處理器運算周期數。為了優(yōu)化OMAP體系結構，我們對處理器時(shí)鐘頻率、超高速緩沖存儲器、存儲器速度和數據總線(xiàn)寬度等參數進(jìn)行了多元分析仿真，其中包括GSM協(xié)議軟件和DSP應用（如：GSM語(yǔ)音編碼器和MPEG4視頻編解碼器）等基準仿真。例如，在運行GSM 2/3層協(xié)議棧中的代碼時(shí)，我們對MCU超高速緩沖存儲器進(jìn)行了如下配置：
超高速指令緩沖存儲器： 16KB，雙向成組相聯(lián)；16B/線(xiàn)；
超高速數據緩沖存儲器： 8KB，雙向成組相聯(lián)；16B/線(xiàn)；
仿真結果表明，采用這種結構時(shí)，超高速指令緩沖存儲器的差錯概率為3.4%，而超高速數據緩沖存儲器的差錯概率為9%。同樣，我們利用GSM語(yǔ)音編碼器基準對DSP超高速緩沖存儲器進(jìn)行了類(lèi)似的分析。超高速緩沖存儲器尤其適用于DSP代碼，因為DSP多數操作是較短的、緊密的循環(huán)操作。分析結果表明，我們應該選擇如下配置：16KB DSP雙向成組相聯(lián)超高速指令緩沖存儲器，獨立8KB RAM組，每線(xiàn)16字節。仿真表明，采用這種結構時(shí)，DSP指令差錯概率為1%。
五 越來(lái)越明朗的3G應用前景
目前，手機是一個(gè)封閉的、靜態(tài)的、嵌入式系統的完美范例。其功能在生產(chǎn)過(guò)程中就已經(jīng)確定了。盡管手機也可以支持話(huà)音業(yè)務(wù)以外的簡(jiǎn)單應用（例如，基于文本的信息服務(wù)），但是，它的主要目的是為用戶(hù)建立一個(gè)話(huà)音通信信道--這是一個(gè)固定的、實(shí)時(shí)的、集中的DSP任務(wù)。未來(lái)的移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)可能會(huì )發(fā)生分化。傳統的、以話(huà)音業(yè)務(wù)為主的移動(dòng)電話(huà)將有可能繼續占有一定的市場(chǎng)份額；另一方面，市場(chǎng)中將出現混合式移動(dòng)通信設備，其調制解調器通信功能是不可或缺的，此類(lèi)手機將應用于一種或多種數據應用。 可以預測，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我們將極有可能獲得可下載的、消費者隨心所欲選擇的網(wǎng)絡(luò )資源。今天，我可能選擇下載一個(gè)MP3播放器應用程序；明天，手機就有可能支持電視會(huì )議，或者變?yōu)镚PS輔助導航儀。從某種意義上說(shuō)，手機將具有類(lèi)似于個(gè)人計算機的特性。它將變?yōu)橐粋€(gè)應用平臺。
應用的要求可能是無(wú)止境的。因此，DSP技術(shù)在移動(dòng)通信中仍然具有無(wú)限廣闊的應用與發(fā)展空間。
?。?）多芯片共行?；鶐SP資源必須同時(shí)支持實(shí)時(shí)通信和用戶(hù)交互式多媒體應用。因此，為了處理更大的數據帶寬和專(zhuān)用DSP功能（如：語(yǔ)音識別、音頻解壓縮、圖像/視頻編解碼），系統將極大地增加對DSP芯片MIPS（每秒執行兆指令數）的消耗，從2G或2.5G手機的50-100MIPS增長(cháng)到500MIPS以上。由于實(shí)現通信調制解調器和動(dòng)態(tài)應用平臺時(shí)，對處理器MIPS負荷和環(huán)境的需求不同，未來(lái)的手機可能會(huì )采用多個(gè)DSP芯片 --一個(gè)DSP芯片用來(lái)實(shí)現固定功能，嵌入式調制解調器；另外一個(gè)更加靈活的DSP芯片用來(lái)實(shí)現各種應用。
?。?）通用處理。在未來(lái)的手機中，為了支持各種可下載應用，3G應用DSP的體系結構和軟件基礎結構會(huì )不斷變化。此時(shí)，DSP將不再像一個(gè)固定的功能或嵌入式處理器。它將開(kāi)始呈現出許多類(lèi)似于通用處理器的特征。它將要求使用諸如超高速指令緩沖存儲器和內存管理單元等功能。而且，為了實(shí)現動(dòng)態(tài)任務(wù)管理，它還需要一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統。
DSP芯片作為一個(gè)具有諸多優(yōu)點(diǎn)的通用硬件芯片，還能滿(mǎn)足未來(lái)的發(fā)展需要。并且，在多種體制并存的時(shí)代里，由于以DSP為核心的通用硬件平臺，可以通過(guò)不同的軟件加載的方式來(lái)實(shí)現這種兼容。伴隨著(zhù)未來(lái)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，DSP的處理速度將會(huì )不斷的提高，其在第三代移動(dòng)通信中的應用范圍也將越來(lái)越廣泛。
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