DSP技術(shù)在移動(dòng)通信中的應用

目前移動(dòng)終端結構中有兩種主要趨向。一種是面對不斷變化的標準，強調使用可編程DSP的靈活性；另一種是強調用專(zhuān)用集成電路（ASIC）實(shí)現的高效性。將來(lái)這兩個(gè)方面必將結合起來(lái)。

　　DSP在GSM中的應用

　　GSM的功能框圖如圖1所示。圖中一個(gè)典型的數字通信模塊包括：信號壓縮、差錯檢測、加密、調制和均衡。

　　在GSM階段1里編碼器用短形脈沖激勵線(xiàn)性預溫編碼技術(shù)將語(yǔ)音壓縮到13Kb/s，大多數硬件工程師都認為話(huà)音編碼器應該由DSP來(lái)實(shí)現?，F在DSP在如圖1所示的功能圖中，開(kāi)始承擔物理層的其它功能了。

　　在演進(jìn)的標準中靈活性是非常重要的。GSM階段2中引進(jìn)了增強全速率（EFR）和半速率（HR）話(huà)音編碼。半速率在達到相同的語(yǔ)音質(zhì)量的情況下，壓縮速率更高，達到5.6Kb/s，但代價(jià)是復雜性增加。增強全速率能夠提供更好的話(huà)音質(zhì)量和性能，其代價(jià)是復雜度更高，它是應用一種叫做矢量和激勵線(xiàn)性預測（VSELP）的算法來(lái)實(shí)現的。

　　隨著(zhù)這些變化，物理層的性能越來(lái)越好，費用越來(lái)越低，功率更節省。因此，每一代移動(dòng)終端的物理層都同前一代有一些微小的差別，而基于A(yíng)SIC的解決方案的升級就比較困難而且代價(jià)也比較大。因為現在有專(zhuān)門(mén)為無(wú)線(xiàn)應用設計的低功耗DSP，用ASIC實(shí)現DSP完成的功能而節省的功率不足以讓系統設計師放棄用DSP設計的靈活性。

　　隨著(zhù)GSM移動(dòng)終端的演進(jìn)，它已經(jīng)逐漸發(fā)展到不僅僅實(shí)現簡(jiǎn)單的電話(huà)功能，這就使得不僅僅在物理層而且在其它層也可以用到DSP。尤其是隨著(zhù)第三代移動(dòng)通信的到來(lái)，無(wú)線(xiàn)數據業(yè)務(wù)的應用，這一趨勢將會(huì )加速。

　　DSP向低功耗發(fā)展的趨勢

　　新一代DSP增強的結構、設計和處理能力提供了更好的性能并且功耗更低，適合電池供電的應用。我們知道許多通信算法是乘和累加（MuAcc）運算。所以我們用每百萬(wàn)個(gè)MuAcc消耗的mW來(lái)評估DSP的功率消耗。據統計，目前DSP的功耗每18個(gè)月就降低一半。由于DSP用的靜態(tài)邏輯，主要的功率消耗就是對器件內部電容的充放電上，這個(gè)動(dòng)態(tài)的功率消耗如下式所示：

　　p=ac×V擺幅×V電源×f

　　上式中P代表消耗的功率，a代表每個(gè)時(shí)鐘周期內內部節點(diǎn)的周期數，v擺幅和v電源相等，f代表頻率。整個(gè)芯片的動(dòng)態(tài)功率消耗是電路里所有節點(diǎn)的P的和。從上式看到，由于每個(gè)節點(diǎn)的動(dòng)態(tài)功率消耗同供電電壓的平方成正比，那么降低供電電壓對節省功率是很重要的。但是，僅僅降低供電電壓而不改進(jìn)技術(shù)，是不完善的。因此在降低供電電壓的同時(shí)還要改進(jìn)技術(shù)才能使性能提高和功耗下降。

　　下面我們以TI的TMS320C54x為例，介紹它的低功耗設計。TMS320C54x是專(zhuān)門(mén)為無(wú)線(xiàn)通信應用而設計的DSP芯片。另外，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)的不斷增長(cháng)，市場(chǎng)上已經(jīng)出現了另外幾種專(zhuān)門(mén)為無(wú)線(xiàn)應用設計的DSP芯片。

　　C54x的結構和指令集都設計了具有節省功率的特性。C54x應用改進(jìn)的哈佛結構，具有三個(gè)數據存儲總線(xiàn)、一個(gè)程序存儲總線(xiàn)、兩個(gè)數據地址產(chǎn)生器和一個(gè)程序地址產(chǎn)生器。這種結構使得可以同時(shí)存取數，適合多操作數運算，從而完成同樣的功能所需的周期變少。

　　C54x為節省功率的另外一個(gè)策略就是增加特殊指令，這些指令能夠執行在無(wú)線(xiàn)應用中的重要算法。還有一個(gè)比較選擇存儲單元（CSSU）大大加速了Viterbi譯碼的速度。

　　C54x指令集還包含幾條專(zhuān)用指令，包括：?jiǎn)螚l指令重復和指令塊重復、條件指令、歐幾里德距離計算、FIR（有限脈沖響應）和LMS（最小均方）濾波器運算指令等。所有一切，便利目前用DSP完成IS-54/136標準里的VSELP時(shí)消耗7.4mW功率，在GSM語(yǔ)音編碼時(shí)消耗1.3mW功率。

　　在低功率DSP中功率管理是非常重要的，C54x應用了一種混合功率管理策略，即婁活的內部時(shí)鐘控制和三種用戶(hù)控制空閑模式：關(guān)閉CPU，關(guān)閉CPU和片內外設、只保持存儲器狀態(tài)的整個(gè)器件的關(guān)閉?；跀底宙i相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器和北法器結合允許用戶(hù)能夠優(yōu)化應用的頻率和功耗。

　　未來(lái)移動(dòng)能信器件的應用和結構

　　蜂窩通信自從1983年商用以來(lái)有幾個(gè)發(fā)展趨勢，最重要就是從模擬到數字的發(fā)展，這使得系統的容量增大，用戶(hù)數增多,這驅動(dòng)了對功能強大的DSP的需求。

　　傳統的蜂窩電話(huà)用雙處理器結構實(shí)際上是一個(gè)簡(jiǎn)單的調制解調器。將來(lái)以數據業(yè)務(wù)為主的終端將會(huì )有新的結構，它必須增加處理資源去支持復雜度不斷增加的用戶(hù)界面，處理除了話(huà)音之外的更加復雜的數據業(yè)務(wù)和更加復雜的應用環(huán)境。其中，一個(gè)解決方案就是一個(gè)DSP核心加上協(xié)處理器結構，另外一種結構是多個(gè)DSP加上額外的硬件來(lái)加速復雜的處理。

　　總之，低功耗DSP將在未來(lái)的移動(dòng)通信中得到更加廣泛的應用。