嵌入式矢量處理器是實(shí)現軟件無(wú)線(xiàn)電的有效途徑

最新的移動(dòng)電話(huà)已經(jīng)可以在蜂窩網(wǎng)絡(luò )上提供多頻段和多模式操作。它們使用越來(lái)越多的通信管道來(lái)實(shí)現Wi-Fi連接、數字電視、數字音頻廣播和GPS衛星接收以及其它技術(shù)。而面向無(wú)線(xiàn)USB的超寬帶(UWB)和面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)接入的WiMAX很快也將得以實(shí)現。

移動(dòng)設備間的功能融合意味著(zhù)這些眾多的射頻通信/廣播標準組合也將出現在PDA、筆記本電腦和游戲機上。對這些消費類(lèi)產(chǎn)品而言，其體積、成本和功耗約束使得每個(gè)標準使用一個(gè)專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的方案不再可行。而利用先進(jìn)的可編程數字信號處理器(如嵌入式矢量處理器，簡(jiǎn)稱(chēng)EVP)來(lái)實(shí)現軟件無(wú)線(xiàn)電(SDR)是一種理想的解決方案：?jiǎn)蝹€(gè)模塊就可以處理所有這些標準。

藍牙和Wi-Fi等專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)收發(fā)器模塊取得市場(chǎng)成功的原因之一是，這些通信模塊大多數是附加功能，而不是標準配置。因此，那些允許制造商通過(guò)簡(jiǎn)單地插入適當的模塊(包括必要的射頻和基帶處理部分)配置出支持不同標準設備的方案具有明顯的好處。

然而，隨著(zhù)這些無(wú)線(xiàn)通信信道逐漸成為設備的標準配置，繼續使用這種專(zhuān)用模塊具有很大的問(wèn)題。不僅各個(gè)模塊的總體積很難被容納，總的功耗也會(huì )大大縮短電池使用時(shí)間，而且硅片面積的增加將對生產(chǎn)成本產(chǎn)生負面影響。另外，在多個(gè)通信信道必須同時(shí)激活的情況下，多個(gè)模塊的共存將出現問(wèn)題，因為天線(xiàn)之間會(huì )產(chǎn)生相互干擾。

多通信信道

減少體積、成本、功耗以及天線(xiàn)干擾意味著(zhù)需要采用一種特殊的架構，在這種架構中所有或部分射頻和基帶功能將共享給不同的射頻通信信道。例如在某個(gè)集成解決方案中，工作在相同頻段的多個(gè)信道(如藍牙和IEEE802.11b/g)可以智能地共享天線(xiàn)、低噪聲放大器和混頻器等射頻硬件。同樣的，使用相似調制機制的信道可以共享單個(gè)可編程modem。

這樣就形成了新的多頻段多模式架構，在這種架構中不同的射頻部分、不同的modem被集成在一起，彼此間最好還要有一個(gè)標準化的數字接口。為了讓單個(gè)硬件modem向多個(gè)不同的無(wú)線(xiàn)通信信道提供服務(wù)，需要采用高度靈活、軟件可編程的modem引擎。

圖1：NXP公司提出的通信管線(xiàn)和內部硬件上的模塊映射示意圖。

實(shí)際上，modem引擎是制造商在市場(chǎng)中實(shí)現產(chǎn)品差異化的最好切入點(diǎn)之一，因為這些引擎可以用來(lái)增強無(wú)線(xiàn)性能。任何移動(dòng)通信標準的空中接口都有嚴格的定義，除了選擇最好的實(shí)現技術(shù)外(如使用合適的RF CMOS、BiCOMS或GaAs工藝技術(shù))，制造商難有增強射頻前端性能的空間。處于modem管線(xiàn)另一端的編解碼器的實(shí)現所要求的算法類(lèi)型也有完善的定義。而位于射頻前端和編解碼器之間的modem就顯得非常重要了，在這里可以利用專(zhuān)有IP先對調整調制/解調后的信號進(jìn)行處理，然后再送到編解碼器，從而獲得更低的誤碼率(BER)，或在BER一定的條件下降低發(fā)送/接收功率。

由于上述信號處理和調整必須適應局部條件，如多徑衰落和干擾，因此通過(guò)在高端軟件可編程DSP上運行的DSP算法來(lái)完成這一任務(wù)是非常理想的。這種可編程方法可以適應不斷變化的標準和現場(chǎng)測試結果，而且能夠增加新的更智能的算法(如為了改善信噪比)，這在硬件解決方案中是很難在后續流程中不經(jīng)過(guò)硅片重新設計就能實(shí)現的。

鑒于這些算法的復雜性，modem管線(xiàn)應用中使用的處理器必須具有超強的性能，一般要超過(guò)每秒1萬(wàn)兆次操作(Gops)。然而，采用這些設計的設備一般是電池供電的移動(dòng)設備，也就意味著(zhù)這些處理器必須消耗很少的功率(一般不超過(guò)數百毫瓦)。采用先進(jìn)的低功率/低漏電流CMOS制造技術(shù)將使處理器的最高時(shí)鐘速率限制在300MHz。為了在這種時(shí)鐘速率下達到要求的Gops性能，處理器必須采用很高層次的并行機制(比如通過(guò)執行矢量寬度處理)。

可以經(jīng)過(guò)矢量化在矢量處理器上運行的算法包括了信號調整功能，如均衡、干擾抵消和多徑相關(guān)(Rake接收機)，以及信號處理功能，如同步、正交幅度調制(QAM)映射/去映射以及OFDM解調用的FFT。

軟件可編程性能當然還有其它的優(yōu)勢。它能讓OEM利用單個(gè)免費的硅片平臺實(shí)現產(chǎn)品的差異化，它有助于未來(lái)升級成更新更先進(jìn)的算法。在升級modem性能或者在設計過(guò)程中增加性能時(shí)，基于DSP的modem也表現得更加靈活?？删幊碳軜嫷奶娲桨付加心男┠?目前有兩種其它的方法可以使用：硬連線(xiàn)的專(zhuān)用構建模塊和可重復編程/可重復配置的硬件(如FPGA)。

硬連線(xiàn)的構建模塊目前主要用于只實(shí)現相對較少(固定)數量標準的手機。雖然對有限的這些應用中它們極具性?xún)r(jià)比，但隨著(zhù)標準數量的增加，它們所需的面積會(huì )急劇增加。事實(shí)上，最近NXP公司對目前可用解決方案所進(jìn)行的分析表明，使用專(zhuān)用模塊方法在單個(gè)設備中處理Edge、R'99、HSDPA和HSUPA標準的解決方案所需的面積要比可編程解決方案(如NXP的EVP方案)大50%到120%。主要原因是不同標準有很大的區別，而用硬件解決方案實(shí)現標準間的高效資源共享要想優(yōu)化到這個(gè)水平所需的開(kāi)發(fā)時(shí)間太長(cháng)?？删幊探鉀Q方案還允許增加新的更智能的算法而不要求新的出帶，同時(shí)可以適應不斷變化的標準和現場(chǎng)測試結果。

其它常見(jiàn)的解決方案是使用可編程/可重配置硬件，如FPGA(這是3G基站的典型方案)。雖然這里的資源再利用水平甚至比可編程解決方案高，但目前的FPGA在硅片面積方面仍然較昂貴，因為與固定實(shí)現(專(zhuān)用硬件或可編程架構)相比，它的有效門(mén)面積小很多。另外，較大的面積會(huì )直接影響手機的待機時(shí)間，這意味著(zhù)漏電流可能是個(gè)問(wèn)題。

因此從面積/成本的角度看，可編程架構是最佳的解決方案?？删幊碳軜嫷墓囊扔策B線(xiàn)解決方案稍高些，但從更大的系統角度看，這個(gè)折衷是可以接受的，因為增加的功耗可以在其它地方得到補償。例如在系統研究中，NXP發(fā)現待機功率有所降低，因為可編程方法可以實(shí)現更智能的算法以縮短待機時(shí)的激活時(shí)間。

圖2：根據單個(gè)任務(wù)運算量，軟件定義無(wú)線(xiàn)電可實(shí)現微控制器、DSP等多功能混合。

軟件無(wú)線(xiàn)電

在實(shí)現SDR時(shí)，“矢量處理器”被推薦為經(jīng)典SIMD處理類(lèi)型的擴展。增加“矢量?jì)炔刻幚?rdquo;可以實(shí)現矢量?jì)炔繂卧g的交互。這樣在通信信號處理中常見(jiàn)的FFT蝶形運算、導頻信道刪除和其它運算需要時(shí)，可以對矢量?jì)鹊臄祿M(jìn)行任意重排序。